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TEMA 1.- INTRODUCCION 1.- Concepto de Química Analítica, Análisis Químico y Análisis Instrumental. 2.- Métodos instrumentales de análisis. 3.- La metodología en Análisis Instrumental. 4.- Aplicaciones del Análisis Instrumental a la Ingeniería Forestal. 5.- Bibliografía

1.- Concepto de Química Analítica, Análisis Químico y Análisis Instrumental La Química Analítica se diferencia del Análisis Químico en que la primera es la Ciencia que estudia un conjunto de principios, leyes y técnicas con el fin de reconocer y determinar los componentes constitutivos de una muestra, siendo el Análisis Químico el arte de manejar con habilidad y destreza aparatos y métodos que conducen al reconocimiento y determinación de los componentes de una muestra. El Análisis Químico es fundamentalmente empírico en su proyección y pragmático en su filosofía. Al contrario que la Química Analítica que somete a estudio cualquier cuestión interesante, el Análisis Químico es fundamentalmente práctico y económico, solamente se ocupa de alguna nueva cuestión si se traduce en la realización de análisis más barato, más rápido o más exacto. Por otra parte, la denominación de Análisis Instrumental sirve para designar el Análisis Químico llevado a cabo mediante aparatos basados en la medición de alguna propiedad fisicoquímica de los compuestos, como intensidad de radiación absorbida o emitida, número de iones, etc.

2.- Clasificación de los métodos instrumentales de análisis Los posibles esquemas de clasificación de los métodos físico-químicos de análisis son numerosos. Una clasificación que tiene en cuenta las tendencias y opiniones más generalizadas sobre los métodos analíticos más comunes, es la siguiente (Tabla 1.1): Métodos ópticos. Incluye aquéllos que se basan en fenómenos ópticos clásicos, tales como absorción, emisión, difracción, dispersión, etc., de la radiación en el intervalo del espectro electromagnético desde los rayos X a microondas. Todos los métodos ópticos implican una interacción entre la materia y la radiación electromagnética.

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Parte de la radiación es absorbida por la muestra, otra parte puede ser dispersada; finalmente, la muestra puede emitir radiación electromagnética bajo determinadas condiciones de excitación. Métodos electroquímicos. Se basan en las propiedades electroquímicas de las soluciones. Es posible conectar la solución de un electrólito, contenida en un recipiente de vidrio y en contacto con dos conductores metálicos, a una fuente de corriente eléctrica, lo que origina un flujo de electricidad a través de la célula. Por otra parte, la célula misma puede, como fuente de energía eléctrica, producir una corriente a través del circuito exterior. La naturaleza y la magnitud de estos procesos dependen de la composición de la solución, de los materiales de los electrodos, de la aplicación o no de agitación, de la temperatura, de las características del circuito externo, etc. Según sean las condiciones de operación surgen los diversos tipos de métodos electroquímicos. Métodos de separación. Están principalmente constituidos por los métodos cromatográficos que han ido desplazando a los clásicos como precipitación, destilación, extracción, etc. Los equipos cromatográficos constituyen uno de los grandes grupos de los métodos instrumentales por su aportación al estudio de mezclas complejas. American Petroleum Institute necesitó muchos miles de horas-hombre tratando de aislar los cientos de componentes del petróleo y de la gasolina, mediante la tediosa destilación fraccionada; hoy se puede obtener el mismo resultado con un solo hombre, en pocas horas usando las técnicas cromatográficas. Métodos térmicos. Varias técnicas analíticas se agrupan bajo la denominación de métodos térmicos, tales como aquéllas que estudian transiciones de fases por observaciones del calor absorbido o liberado, las que con una termobalanza registran de una manera continua las variaciones de peso mientras se calienta en un horno, o las que siguen el curso de una reacción por observaciones del calor liberado. Otros métodos fisicoquímicos. La aplicación de las propiedades magnéticas a la resolución de problemas analíticos ha conducido al desarrollo de diversos métodos instrumentales, tales como resonancia magnética nuclear, espectrometría de masas, etc.

3.- La metodología en el Análisis Instrumental Se entiende por metodología el estudio formal de los procedimientos utilizados en la adquisición o exposición del conocimiento científico, siendo el método el procedimiento que se sigue en la Ciencia para hallar la verdad y enseñarla. El Análisis Químico ha de seguir un método científico propio, basado en el tratamiento racional de las observaciones analíticas experimentales realizadas con arreglo a una programación adecuada y repetidas un número suficiente de veces, con el fin de establecer hechos inequívocos. La metodología general en Análisis Instrumental, considerado desde el punto de vista de la resolución de un problema relacionado con el conocimiento de materiales diversos vendrá definido por las siguientes etapas (Tabla 1.2),

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Tabla 1.1: Métodos instrumentales de análisis METODOS OPTICOS

ESPECTROFOTOMETRIA ULTRAVIOLETA-VISIBLE ESPECTROSCOPIA INFRARROJA ABSORCION ATOMICA ICP RAYOS X

METODOS ELECTROQUIMICOS

POTENCIOMETRIA POLAROGRAFIA ELECTROGRAVIMETRIA CULOMBIMETRIA

METODOS SEPARATIVOS

CROMATOGRAFIA DE GASES CROMATOGRAFIA LIQUIDA DE ALTA EFICACIA

METODOS TERMICOS

ANALISIS TERMOGRAVIMETRICO ANALISIS TERMICO DIFERENCIAL CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE BARRIDO

OTROS METODOS

RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR ESPECTROMETRIA DE MASAS

Tabla 1.2: Metodología del análisis instrumental IDENTIFICACION DEL PROBLEMA

RECOGIDA DE DATOS

ELECCION DE LA TECNICA INSTRUMENTAL

NATURALEZA MUESTRA CONCENTRACION LIMITE DE DETECCION INTERFERENCIAS NUMERO DE ANALISIS

MUESTREO

REPRESENTATIVIDAD

PREPARACION DE MUESTRAS

HOMOGENEIZACION DISOLUCION, FUSION, ...

REALIZACION DE LA MEDIDA

APLICACION TECNICA INSTRUMENTAL

CONTROL DE CALIDAD

INTRALABORATORIO - PATRONES - MUESTRAS DUPLICADAS INTERLABORATORIOS - PATRONES CERTIFICADOS

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Identificación del problema. Para ello es necesario disponer de la mayor información posible acerca del mismo; tales conocimientos son indispensables para la elección de la técnica apropiada e incluso para modificar los métodos ya propuestos en orden a obtener la composición de la muestra o adaptarlos a los requerimientos de la determinación. Elección de la técnica instrumental. Se deben tener en cuenta las siguientes cuestiones: 1. Compuestos químicos a los que puede aplicarse 2. Número de compuestos o elementos que se pueden analizar simultáneamente 3. Naturaleza de las muestras (orgánicas o inorgánicas) 4. Estado físico de las mismas (muestras sólidas, líquidas o gaseosas) 5. Cantidad mínima de muestra necesaria 6. Límites de detección 7. Intervalos de concentración 8. Precisión deseada 9. Efectos de matriz 10. Efectos de memoria 11. Tiempo de preparación de la muestra 12. Tiempo disponible para efectuar el análisis 13. Tamaño y coste del equipo 14. Dificultad de manejo del mismo 15. Posibilidad de automatizar el análisis Todas estas consideraciones tienen gran importancia y deben estudiarse en función de las diferentes técnicas de posible aplicación al problema. Toma de muestra. La muestra se define, según la comisión de terminología analítica de la IUPAC, como "una porción de material extraído de una remesa y seleccionada de manera que presente las características esenciales del todo". Las muestras han de ser representativas, deben contener la misma proporción de componentes que el total del producto. Por otra parte, no es posible establecer un procedimiento común para la toma de muestras debido a la gran diversidad que pueden presentar los distintos materiales objeto de análisis. Pueden ser líquidas, sólidas o gaseosas; de origen animal, vegetal o mineral. Se determinarán componentes mayoritarios de la muestra, minoritarios o trazas. Por todo lo indicado, se deduce que la toma de muestras depende de cada caso particular y deben establecerse las condiciones más idóneas. En la mayoría de los casos, las muestras deberán ser almacenadas con especial cuidado para evitar cambios en su composición, lo que puede incluir su preservación de la humedad, oxígeno, luz, etc. Preparación de muestras para el análisis. Las muestras suelen requerir un pretratamiento antes del análisis que puede incluir el secado, la pesada o medición de volúmenes, la disolución en un disolvente adecuado, la separación de las interferencias y la preconcentración para adecuarlo al límite de detección de la técnica instrumental. El agua puede estar adsorbida en la superficie, ocluida en la estructura o combinada químicamente en forma de hidrato. La muestra puede secarse a 110o C hasta pesada constante, o

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hasta el estado anhidro o secarse al aire o incluso analizarse tal como se recibe con posterior determinación del contenido en agua. La disolución en agua puede ser incompleta y se debe decidir entre atacar con disolventes más agresivos o aceptar un nivel determinado de extracción. Esto es común en muestras de suelos ya que el material silíceo suele ser de poco interés analítico y extremadamente difícil de llevar a disolución. La separación de interferencias puede conseguirse por distintos métodos: intercambio iónico, extracción con disolventes, procesos cromatográficos, electrodeposición, etc. Para la determinación de trazas o cuando se dispone de pequeñas cantidades de muestra, puede ser necesaria la preconcentración de la misma mediante cromatografía en columna o cromatografía en capa fina. Realización de la medida. Es básica en los métodos de análisis instrumental; comprendiendo los pasos siguientes: 1.-Generación de la señal. Las mediciones físicas son registros de las respuestas de una sustancia a una señal impuesta (mediciones de índice de refracción requieren un haz de luz, al igual que las mediciones de absorciones que necesitan una fuente de radiación electromagnética). 2.-Detección y traducción. Una vez generada la información, la señal bien sin transformación o alterada, es detectada y transformada en forma de señal medible, por ejemplo el tubo fotoeléctrico detecta la radiación y la transforma en una corriente eléctrica. 3.-Ampliación y transmisión. Una vez que los detectores han transformado la información original en una señal eléctrica ya sea intensidad o voltaje, se hace necesaria la ampliación de la misma. A título de ejemplo, la medición del pH produce una corriente máxima de 10-12 amperios, sin embargo el medidor requiere corrientes de 10-3 amperios para poder funcionar. 4.-Computación o conversión de la señal. Se transforma de manera que sea útil para la presentación, como los cromatogramas, los espectros de absorción o emisión, etc. En aparatos de instrumentación moderna (espectrógrafos de lectura directa) no es extraño que tengan una etapa de computación lo suficientemente complicada como para calcular automáticamente la concentración usando los datos brutos de la señal. 5.-Tratamiento y presentación de los resultados. Un análisis no está completo hasta que los resultados se han expresado de tal forma que su significado se comprende inequívocamente y puede establecerse relación con el propósito buscado. La identificación y caracterización de un sistema material precisa observar si los resultados obtenidos son correctos y si se corresponden con las propiedades fisicoquímicas del mismo. En una determinación cualitativa es precisa una laboriosa y en algunos casos difícil

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interpretación de los espectros obtenidos. Esta operación requiere el uso de tablas y gráficas que conducen la sistemática interpretativa hasta llegar a resultados finales. En muchos casos, una única técnica instrumental no conduce a un resultado cualitativo definitivo, sino que es preciso emplear varias técnicas para hacer un estudio completo de la molécula. En una determinación cuantitativa, los valores numéricos suministrados por la medida final están directamente relacionados con la cantidad de las especies presentes en la muestra. Sin embargo, en la mayoría de los casos los datos necesitan de un tratamiento matemático, en el cual hay que incluir el estudio estadístico necesario para comprender el verdadero significado de los datos obtenidos. Este permite conocer el grado de exactitud y precisión, es decir, la fiabilidad que merece el análisis.

4.- Aplicaciones del Análisis Instrumental a la Ingeniería Forestal El Análisis Instrumental tiene por objeto estudiar los principios básicos en los que se basan los más importantes métodos instrumentales y de separación empleados en la determinación cualitativa y cuantitativa de una sustancia. Asimismo, es objeto de consideración la descripción de los componentes básicos de los instrumentos y fundamentalmente el estudio de las posibilidades analíticas de cada técnica desde un punto de vista general. En cuanto a la incidencia sobre el campo de la Ingeniería Forestal, las posibilidades de acción del Análisis Instrumental son prácticamente ilimitadas. El estudio de los suelos permite conocer las posibilidades forestales de los mismos, al tiempo que el análisis de los fertilizantes puede indicar las correcciones que se deben introducir en un terreno para su utilización. El análisis de las plantas, en sus múltiples variedades, permite conocer la nutrición de los vegetales lo que será de inmensa ayuda a la hora de la selección de especies forestales en la repoblación o plantación de un determinado terreno. El análisis de aguas es otro de los pilares fundamentales de las aplicaciones analíticas en el campo selvícola. El control de los parámetros que inciden en la vida, en los ríos y aguas continentales, resulta uno de los objetivos más importantes para la conservación de la naturaleza. De igual forma, es imprescindible el análisis de las aguas para determinar la potabilidad, así como para la utilización como agua de riego y para cualquier proceso industrial. Por otra parte, no se puede olvidar la importancia, en aumento cada día, que alcanza el control de las aguas residuales y efluentes industriales. En cuanto a lo referente a la contaminación no acaba en los efluentes líquidos y residuos sólidos, sino que también afecta a la atmósfera, constituyendo este campo otra de las aplicaciones del Análisis Instrumental al mundo forestal. Con lo expuesto anteriormente no terminan dichas aplicaciones; así, el producto fundamental de la industria forestal, la madera, está sometido a un elevado número de transformaciones para su aplicación industrial, como por ejemplo para la obtención de pasta de papel, fabricación de tableros de fibras, de partículas, etc. o bien para la obtención de algunos de sus constituyentes, como pueden ser los taninos, los aceites esenciales, las resinas, el corcho, la celulosa, la lignina, etc.; en todos estos procesos juegan un papel fundamental los controles

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químicos a través de los Análisis Instrumentales. Si se adentra en el reino animal, se observa que el Análisis Químico y con él las técnicas instrumentales desarrollan un papel auxiliar preponderante para la Zoología, la Entomología, la Caza y la Pesca, el control de las plagas, etc. En estos terrenos, desde el análisis de la sangre de un animal, pasando por el control de la alimentación mediante el estudio de los jugos gástricos, hasta la detección de mercurio, en pequeñas cantidades, que pueden existir en las extremidades de algunas aves, para poder controlar los problemas de contaminación ambiental, son procesos basados en el Análisis Químico. De todo lo expuesto, se deduce que el interés del estudio de esta asignatura en la carrera forestal, estriba en el posible uso de sus conocimientos como auxiliar de un elevado número de materias diferentes y que la importancia del Análisis Instrumental vendrá en función de la importancia de las distintas áreas específicas en las que sea necesaria su utilización.

5.- Bibliografía •

Sabater, J. y Vilumara, A. "Buenas prácticas de laboratorio (GLP) y garantía de calidad (Quality Assurance)". Ed. Díaz de Santos, S.A. Madrid (1988).

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Skoog, D.A. y West, D.M. "Química analítica". Ed. McGraw-Hill. Madrid (1989).

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Valcárcel,, M. y Ríos, A. "La calidad en los laboratorios analíticos". Ed. Reverté, S.A. Barcelona (1992)....