4. Inf. Absorcin Atmica

Universidad Industrial de Santander.Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de Materiales.

Laboratorio de Hidro y Electrometalurgia.Profesor: Ing. José Darío Santos Amado.

PRÁCTICA 4. ANÁLISIS QUÍMICO POR ESPECTROFOTOMETRÍADE ABSORCIÓN ATÓMICA

NOMBRES: Evelid Peinado Quesada GRUPO: ACamila Andrea Rueda Jonathan CáceresAndrés Afanador

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Cuantificar mediante la técnica de espectrofotometría de absorción atómica y el análisis químico instrumental la concentración de un determinado elemento específico presente en una solución acuosa.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Fortalecer los conocimientos y procedimientos necesarios para realizar un análisis químico por Espectrofotometría de absorción atómica.

Entender el fundamento de la técnica de espectrofotometría de absorción atómica y sus aplicaciones especialmente en el campo de la metalurgia.

Preparar patrones para la calibración del equipo y muestras.

Determinar la concentración de cobre en la solución.

Realizar la disolución de las muestras problemas para obtener diferentes concentraciones en las muestras a analizar.

Realizar con ayuda de micro-pipetas, la toma de volumen las cuales dan mayor exactitud con lo requerido en cada caso.

Seleccionar la longitud de onda correspondiente a la fuente de radiación Cu = 324 nm

Realizar la calibración del espectrofotómetro con las muestras patrón preparadas a partir de una solución patrón de 1000 ppm.

Medir la absorbancia de las muestras problema, para realizar un posterior análisis de los resultados obtenidos.

Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de MaterialesLaboratorio de Hidro y Electrometalurgia

Análisis químico por espectrofotometría de absorción atómica

PROCEDIMIENTO

MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS

Solución de sulfato de cobre pentahidratado en agua Balón aforado Agua destilada Micro-pipetas Pipeta graduada con pera

MARCO TEORICO

1. FUNDAMENTO CONCEPTUAL DE LA TÉCNICAS

La espectroscopia de emisión y absorción atómica se usa casi exclusivamente para el análisis de átomos; Por consiguiente, la técnica resulta casi insuperable como método de análisis elemental de metales. En principio, la espectroscopia de absorción puede utilizarse para analizar la concentración de más de 62 metales diferentes en una solución Lambert.

Cuando la transición se produce desde el estado fundamental hasta un estado excitado del átomo mediante la absorción de radiación de una determinada frecuencia (característica para cada átomo), estamos en el caso de las técnicas de absorción.

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Fig. 1. Procedimiento de la practica Absorción atómica. Realizado por los autores.



Es una técnica que utiliza una llama para atomizar la disolución de la muestra de modo que los elementos a analizar se encuentran en forma de vapor de átomos, en absorción atómica existe una fuente independiente de luz monocromática, específica para cada elemento a analizar y que se hace pasar a través del vapor de átomos, midiéndose posteriormente la radiación absorbida.

La ley de Lambert-Beer, una sustancia cumple esta ley, cuando su concentración puede ser determinada con base en su propiedad de absorber energía radiante, ya que existe una correspondencia lineal entre su concentración y la magnitud de su absorción en alguna región del espectro electromagnético. De acuerdo con esta ley:

−lnlElo

=kbc=−lnT

En donde T es la “transmitancia” o cociente entre la intensidad de la luz emergente, IE y la intensidad de la luz incidente IO. T =IE/IO.

A su vez, “b” es el camino óptico o ancho de celda y “k”, la absorvitividad del medio, una constante de proporcionalidad. El término “–Ln T” se conoce como la absorvacia y así:

−−lnlElo

=kbc=a→ Ley de Lambert-Beer

2. APLICACIONES DE ESTA TÉCNICA.

Esta técnica se ha aplicado a cerca de 60 elementos y es una herramienta primordial para los estudios en donde se determinan vestigios de metales en muestras biológicas o del medio ambiente. Con frecuencia, también es útil en los casos en donde la muestra contiene un nivel elevado del metal pero solo se cuenta con una muestra pequeña para el análisis, como es el caso algunas veces con las metaloproteínas, por ejemplo.

En metalurgia, la absorción atómica es una técnica muy útil ya que permite determinar diversos elementos en un amplio rango de concentraciones. Las mayores dificultades radican en la puesta en solución de aleaciones o de los mismos metales, las cuales se

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Fig. 2. Espectrofotometría de absorción atómica

Fig. 3. Equipo de Espectrometría de absorción atómica.



efectúan por medio de ataques con ácidos fuertes, por ejemplo, el ácido nítrico, clorhídrico, sulfúrico y perclórico. Normalmente se determina Fe, Pb, Ni, Cr, Mn, Co, Sb y Cu entre otros, en rangos que van desde 0.003 % hasta 30 % en aleaciones con base Cu, Zn, Al, Pb, Fe y Sn entre otras.

También puede utilizarse para el análisis elemental de artefactos de pedernal. El análisis químico elemental de artefactos de cerámicas tiene gran utilidad ya que puede ayudar a:

Conocer fuente y origen de las arcillas. Determinar los orígenes de objetos de cerámica que fueron adquiridos a través

de comercio, lo cual implica conocer las tendencias económicas y políticas. Encontrar diferencias químicas entre objetos originales y copias de los objetos Es de gran ayuda en el soporte de conceptos teóricos concernientes a la

difusión de características o rasgos artísticos y culturales.

Áreas de conocimiento:

1. Química Inorgánica2. Ciencia de Materiales3. Geología4. Hidrogeología5. Ecología6. Biología7. Análisis Medio Ambiental

8. Control de Calidad9. Medicina10. Medicina Legal11. Toxicología 12. Arqueología13. Petroquímica

3. LIMITACIONES DE ESTA TÉCNICA, POR TIPO DE MUESTRA Y POR NIVEL DE CONCENTRACIÓN.

El análisis por medio de esta técnica tiende a ser más preciso y exacto que usando espectroscopia de emisión óptica. Sin embargo, tiene la desventaja de que debe analizarse cada elemento por separado aumentando el tiempo del análisis, por otra parte en el análisis de muestras no metálicas debe hacerse una disolución de las mismas en ácido fluorhídrico y perclórico lo cual no siempre es fácil de realizar.

La interacción entre el soluto y la radiación debida a mecanismos diferentes a la absorción pero que producen alteraciones en la intensidad de la luz, tales como la dispersión, reflexión, la fluorescencia, etc.

Utilización de radiación no monocromática, puesto que la ley está definida para radiaciones con una sola longitud de onda. Sin embargo, si la calidad del equipo no es buena, se obtienen bandas de radiaciones con un estrecho intervalo de longitudes de onda.

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Desviaciones químicas, debidas a reacciones del absorbente con el disolvente. Esta técnica presenta una notable desventaja y es que se solo puede ser aplicada

a metales solubles y que se encuentren es estado liquido. Además solo se puede analizar los elementos de interés de una mezcla por separado, aumentando de este modo el tiempo del análisis.

Con este método se puede determinar los siguientes elementos en suelos. Sodio (Na), Manganeso (Mn), Cromo (Cr), Fierro (Fe), Cobre (Cu), Estroncio (Sr), Magnesio (Mg), Níquel (Ni), Potasio (K), Aluminio (Al), Zinc (Zn), Litio (Li), Rutenio (Ru). Todos los elementos que se analizan por esta técnica tienen un comportamiento lineal. Un punto muy importante para el análisis de las muestras es que esta debe ser soluble y, estar muy bien filtrada sin ningún tipo de sedimentos.

El método por absorción atómica es especialmente apto para el análisis cuantitativo de trazas de más de 40 elementos metálicos con una precisión de por lo menos 2%. El límite de detección varía entre 0,1 y 1ppm.

La máxima concentración que el equipo puede leer es de 5 ppm, en caso de excederse la muestra estará sometida a dilución con su respectivo reactivo.

La concentración de la muestra a analizar es muy limitada y debe cumplir ciertos intervalos, de modo que el aparto de espectroscopia pueda dar una lectura adecuada.

Cuando se trabaja con metales pesados en aguas potables (plomo, cadmio, y mercurio, es importante conocer las concentraciones debido a su toxicidad.

Una de las limitaciones más frecuentes en esta técnica es que a altas concentraciones (>0.01M) se presentan desviaciones en coeficientes de absorbancia debido a interacciones electrostáticas en la moléculas próximas.

4. ANÁLISIS CUANTITATIVO DE COBRE EN SOLUCIONES DE LIXIVIACIÓN

Debido a que el análisis de las muestras de cobre se debe realizar a bajas concentraciones (1-3 ppm) y estas originalmente tienen una concentración alta, se realiza su posterior dilución cuantas veces sea necesario para poder mantenerse en el rango de absortividad. Algunos de los métodos más utilizados para dicha dilución son: tratamiento con ácidos minerales en caliente; oxidación con reactivos líquidos como ácidos sulfúrico, nítrico o perclórico; combustión en una bomba de oxígeno; digestión a elevada

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temperatura; fusión a elevada temperatura como óxido bórico, carbonato sódico, peróxido sódico o piro sulfató potásico. La preparación de las muestras a analizar consistió en tomar los volúmenes deseados de solución previamente preparada y se aforaron posteriormente en balones de 100ml con agua destilada.

Las muestras problemas fueron denominadas de mayor a menor concentración como 1, 2 y 3 respectivamente y la dilución realizada a cada una se realizo de la siguiente manera:

Muestra

1 Dilución 2 Dilución Factor de dilución

1 0.1 mL en 100 mL 4.976 mL en 100 mL 20096,5

2 0.1 mL en 100 mL 24.88 mL en 100 Ml 4019,33 0.1 mL en 100 mL - - - 1000

Calculo tipo para la muestra numero 1

Concentración inicial = 40.192 g/L = 40192 ppm

Dilución en serie

C2=0.10x 40192

100=40.19 ppm

V 2=100 x240.19

=4.976mL

Factor de dilución

Factor de dilució n=1000.1

x1004.976

=20096.5

4.1 PREPARACION DE LA MUESTRA A ANALIZAR

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Fuente Autores.

Tabla 1. Estado de Disolución para cada solución



4.2 PATRONES UTILIZADOS

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Pesar cierta cantidad de sulfato pentahidratado.Diluir en 100 ml de agua.Tomar 1 ml de solucion y aforarla en 100 ml.De esta solucion tomar nuevamente 1 ml y aforarla en 100 ml de agua.Tomar 25 ml de solución y aforarla en 100 ml.

Preparación de nuestra muestra

Tabla 2. Patrones de Cobre

Fuente: HIGIENE INDUSTRIAL “MANUAL PARA LA FORMACIÓN DEL ESPECIALISTA”, FAUSTINO MENÉNDEZ DÍEZ, 7.a Edición, Marzo

2008, editorial: Lex Nova. Página 154.

Grafica 1: Curva de calibración para el cobre determinada basándose en los resultados de 5 muestras patrón.

PATRONES DE COBRE

CONCENTRACIÓN [PPM]

ABSORBANCIA

0 00.5 0.09871 0.19342 0.36703 0.53834 0.71445 0.8871



Haciendo regresión lineal se obtiene la ecuación de una recta.

y=0,176 x+0,009

Teniendo en cuenta la ley de Beer, sabemos que el valor de ( y ¿ corresponde a la absorbancia y (x ¿ la concentración de cobre.

Absorbancia=0,176 [Cu ]+0,009

La grafica obtenida para las muestras de lixiviación por agitación describe una línea recta, lo cual indica que a mayor concentración en ppm mayor absorbancia presenta la muestra.

4.3 CONDICIONES OPERATIVAS DEL ESPECTROFOTÓMETRO PARA LA LECTURA DE LAS MUESTRAS

Debido a que los procesos que sufre el elemento a analizar en la celda de atomización, estos son esencialmente importantes en la selección del tipo y condición de la llama (relación oxidante/combustible) y también en la región de observación, son críticas para numerosos elementos. También es necesario optimizar el paso de banda espectral del monocromador empleado para la selección de la longitud de onda, la velocidad de aspiración de la solución, los parámetros del sistema de detección y lectura y en el caso de absorción atómica, la intensidad de corriente de la lámpara de cátodo hueco.

Los factores principales que determinan la magnitud de la emisión y absorción son:

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Fuente: HIGIENE INDUSTRIAL “MANUAL PARA LA FORMACIÓN DEL ESPECIALISTA”, FAUSTINO MENÉNDEZ DÍEZ, 7.a Edición, Marzo

2008, editorial: Lex Nova. Página 154.



La distribución energética de niveles excitados Las probabilidades de transición para emisión y absorción El coeficiente de absorción atómica Las características de la celda de atomización Características de la celda de atomización

Además se deben tener en cuenta factores como:

Muestras bien diluidas y baja concentración. Libre de sedimentos. Selección adecuada de la lámpara.

Para realizar el análisis de un líquido, generalmente se convierte en gas atómico de la siguiente forma:

1. Desolvatación: El líquido disolvente se evapora, y la muestra permanece seca.2. Vaporización: La muestra sólida se evapora a gas.3. Atomización: Los compuestos que componen la muestra se dividen en átomos

libres.

EQUIPOLONGITUD DE

ONDA [nm].

PASO BANDA ESPECTRAL

MONOCROMADORFUENTE DE LUZ

TIPO DE LLAMA

SERIE 210 VGP

120 Volts.324.7 0,2 – 0,7 – 2,0 nm.

Lámpara de cátodo hueco de

Cobre.Corriente 5Ma.

Llama de aire + acetileno

(oxidante).

4.4 INTERPRETACION DE RESULTADOS

MUESTRA 1 MUESTRA 2 MUESTRA 32,9471 0,4571 2,6035

3,03339 0,4696 2,63763,049 0,4773 2,6818

3,0654 0,5074 2,57723,0794 0,4946 2,59763,1247 0,4908 2,57723,0498 0,4828 2,6125

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Tabla 3. Condiciones operativas del espectrómetro serie 110 VGP

Fuente Autores, con base a la información recibida en Guatiguara.

Tabla 4. Resultados arrojados por el equipo de AA



Para mayor comodidad se presenta la siguiente tabla que resume los valores tomados en la práctica y los calculados.

Muestra[Cu] inicial

[ppm]

Promedio [Cu] dilución final

[ppm]

Factor de dilución

1 40192 3.0498 20096.52 8038 0.4828 4019.33 1608 2.6125 1000

Obsérvese que para cada muestra la dilución fue diferente, esto se debe a que a mayor concentración de cobre en la solución se requiere adicionar más agua destilada para alcanzar una concentración final no mayor a 3 ppm que es el límite permitido por este equipo. Así en la primera muestra ([Cu]=40192 ppm) se realizó una dilución de 20096,5, mientras que en la tercera ([Cu]=1608 ppm, solo fue de 1000.La grafica 1 muestra una relación lineal creciente entre la absorbancia y la concentración de cobre en la solución, es decir, que a medida que aumenta la concentración de cobre la absorción es mayor, esto porque se produce una mayor atomización que permite que se absorba más de la radiación emitida por la fuente (lámpara de cátodo hueco).

4.5 CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN REAL DE LAS MUESTRAS ANALIZADAS.

Para cada muestra se realizo una dilución diferente debido a su concentración. A continuación se muestra el cálculo de las respectivas concentraciones teniendo en cuenta la concentración promedio de la última dilución y los factores de todo el proceso de dilución.

Muestra 1

[Cu ] promedio ,ultimadilució n=3.0498


[Cu ]=(3 .0498 ) x (20096 .5 )=61290 .3057[ ppm]

Muestra 2


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Fuente Autores

Tabla 5. Resumen de Resultados y Datos calculados

Fuente Autores




[Cu ]=(0 .4828 ) x (4019 .3 )=1940 .5 [ ppm ]

Muestra 3


Factor de dilució n=1000

[Cu ]=(2 .6125 ) x (1000 )=2612 .5[ ppm ]

Se debe resaltar que estas concentraciones se debieron calcular con la curva de calibración para diferentes concentraciones de cobre y absorbancia, pero en el laboratorio no se suministraron los valores de absorbancia. Los valores que se manejaron fueron los de concentración de la última dilución directamente, por ello el cálculo fue directo.

Concentració nreal=Concentraciónult imadiluci ón( ppm)∗factor de dilució n

5. ANÁLISIS SOBRE LA APLICACIÓN DE ESTA TÉCNICA (CONCLUSIONES)

La espectroscopía de absorción atómica es una técnica de análisis instrumental, capaz de detectar y determinar cuantitativamente la mayoría de los elementos comprendidos en el sistema periódico, por lo que demuestra, además de ser una técnica muy eficiente y de fácil manejo, brindar un campo de aplicación extenso.

La curva de calibración nos aporta información sobre el valor máximo y mínimo de absorbancia sobre los cuales se deben trabajar las muestras, ya que estos valores dependen del elemento que se vaya a cuantificar.

Por la facilidad y sencillez con la cual se pueden analizar muchas muestras, se concluye que la absorción atómica es uno de los ensayos más utilizados para análisis cuantitativos en la química analítica.

La técnica es de gran utilidad en hidrometalurgia puesto que en los procesos de lixiviación se busca disolver solo cierto metal para después ser recuperado por medio de la precipitación de este y de un compuesto del mismo, así que ralizando este análisis se puede conocer cuánto de dicho metal está presente en la solución obtenida y así poder tener un mayor control sobre el proceso, determinar mejoras para el mismo y obtener un mayor aprovechamiento del mineral tratado y de los recursos utilizados.

En la hidrometalurgia aplicamos este método para lograr cuantificar la cantidad de iones disueltos en el licor proveniente del proceso de lixiviación que se le realice a un mineral para poder obtener un metal puro.

Es necesario que los valores de absorbancia de la muestra a analizar estén dentro del rango de absorbancia dado por los patrones estándar, y así obtener

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valores coherentes de la concentración de la muestra, y por lo tanto habrá una mejor estimación de la cantidad de elemento en el mineral.

OBSERVACIONES

Tener un mayor conocimiento sobre el manejo de los implementos a trabajar para que a la hora de realizar la práctica el porcentaje de error sea muy mínimo.

Se sabe que las muestras analizadas en el laboratorio requirieron de un alto grado de dilución, por lo que fue necesario hacer múltiples diluciones, lo cual genera pérdidas de muestra por las múltiples manipulaciones de la misma, lo que de una u otra forma se podría convertir en una limitación de la técnica.

Se sugiere a quienes realicen esta práctica que le soliciten al encargado del laboratorio los valores de absorbancia para cada valor de concentración del metal a determinar, con el fin de realizar la curva de absorbancia Vs concentración y comprobar si los valores leídos en el equipo corresponden a la curva de calibración.

Al realizar los cálculos para las diluciones de la muestra numero 2, se rectifico que este tenia concentración entre 1-3 ppm, pero al realizar la medición en el equipo aparecía que se salía del rango. La posible explicación para este suceso fue el valor de la concentración del cual partimos (8038 ppm), ya que esta solución estaba previamente preparada al llegar a la práctica y no es corroborada y se parte que está bien preparada.

BIBLIOGRAFIA

HIGIENE INDUSTRIAL “MANUAL PARA LA FORMACIÓN DEL ESPECIALISTA”, FAUSTINO MENÉNDEZ DÍEZ, 7.a Edición, Marzo 2008, editorial: Lex Nova. Página 154.

FUNDAMENTO CONCEPTUAL DE LA TÉCNICA DE AA: HTTP://ES.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/ESPECTROSCOPIA_DE_ABSORCI%C3%B3N_AT%C3%B3MICA_(AA)

FUNDAMENTO LÁMPARA CÁTODO HUECO Y CONCEPTOS DE TÉCNICAS AA: HTTP://WWW.ESPECTROMETRIA.COM/ESPECTROMETRA_DE_ABSORCIN_ATMICA

FIGURA ESPECTROFOTOMETRÍA AA, POR MÉTODO DE LA LLAMA Y LÁMPARA DEL CÁTODO HUECO: HTTP://WWW.XTEC.NET/~GJIMENE2/LLICENCIA/STUDENTS/BSCW.GMD.DE_BSCW_BSCW.CGI_D32817116-3_______AAS_FINAL.HTML

LEY DE BEER – LAMBERT: HTTP://ES.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/LEY_DE_BEER-LAMBERT

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4. Inf. Absorcin Atmica