Conceptos Fundamentales de la Química Analítica

¿Qué es la Química Analítica?

La química analítica es la rama de la química que está relacionada con la separación y el análisis de las sustancias químicas.

Tipos de Análisis

• Análisis cualitativo: Indica la presencia o ausencia de algunos elementos, iones o moléculas.
• Análisis cuantitativo: Provee datos que consideran la composición química de la materia. Es por esto que se le considera el análisis más importante.

Métodos Utilizados en el Análisis Cuantitativo

Los métodos más utilizados son:

• Gravimétricos
• Volumétricos
• Absorción de energía
• Emisión de energía radiante
• Análisis gaseoso
• Eléctricos

Clasificación de Métodos Analíticos

• Clásicos: Volumetría, gravimetría.
• Instrumentales: Potenciometría, espectrofotometría, refractometría, cromatografía.

Conceptos Químicos Esenciales

• Peso atómico: Es el peso promedio de la masa de todos y cada uno de los átomos que constituyen una muestra determinada de un elemento.
• Isótopo: Por ejemplo, para el oxígeno (O):
  • O¹⁶: Número de masa (A) = 16, masa isotópica (m) = 15,9949 uma, % de abundancia = 99,76%.
  • O¹⁷: Número de masa (A) = 17, masa isotópica (m) = 16,9991 uma, % de abundancia = 0,03%.
  • O¹⁸: Número de masa (A) = 18, masa isotópica (m) = 17,9991 uma, % de abundancia = 0,21%.

  El peso atómico se calcula como: (m1 * a1 + m2 * a2 + m3 * a3) / (a1 + a2 + a3).

• Peso molecular: Es la suma de todos los pesos atómicos (expresados en umas) de todos los elementos o átomos presentes en la fórmula de una sustancia. Ejemplo para el agua (H₂O):
  M(H₂O) = P.A.(H₂) + P.A.(O) = 2 * P.A.(H) + P.A.(O) = 2 * 1 + 16 = 18 uma.
• Peso fórmula: Es la suma de todos los pesos atómicos expresados en umas. Se utiliza para aquellas sustancias que no existen propiamente como moléculas discretas.
• Mol: Es el peso molecular, el peso fórmula o el peso atómico de una sustancia expresada en gramos.
• Valencia: Es la capacidad de combinación que posee un átomo de un elemento para formar compuestos.
• Estado de oxidación: Es la carga relativa que poseen los átomos al formar parte de un compuesto, que puede ser aparente en el caso de los compuestos covalentes.

Reglas para los Estados de Oxidación

• Para sustancias simples o elementos sin combinarse: cero.
• En un compuesto neutro, la suma de los estados de oxidación es cero.
• Generalmente para el oxígeno (O) y el hidrógeno (H) al formar parte de un compuesto: O = -2, H = +1.
• Excepción del oxígeno en peróxidos: O = -1.
• Excepción del hidrógeno en hidruros metálicos: H = -1.
• Los metales del grupo IA al formar parte de un compuesto: +1.
• Los metales del grupo IIA al formar parte de un compuesto: +2.
• El estado de oxidación de un ion (E.O. ion) es igual a la carga del ion.

Soluciones Químicas y Concentración

¿Qué son las Soluciones Químicas?

Una solución química es una mezcla homogénea constituida por dos o más componentes que se mezclan en proporciones variables.

Componentes de una Solución

• Soluto: Es la sustancia que se encuentra en menor cantidad (sea en peso o volumen). En una solución pueden haber varios solutos. A la naturaleza del soluto se deben el olor, el color, el sabor y la conductividad eléctrica de las disoluciones.
• Solvente: Es la sustancia que se encuentra en mayor cantidad y, por lo tanto, disuelve al soluto. Existen solventes polares (agua, alcohol etílico, amoniaco) y no polares (benceno, éter, tetracloruro de carbono). En las soluciones líquidas, se toma como solvente universal al agua debido a su alta polaridad.

Clasificación de Disoluciones según su Concentración

• Diluidas o insaturadas: Son las que tienen una pequeña cantidad de soluto en un determinado volumen de disolución.
• Concentradas o saturadas: Son aquellas que tienen una gran cantidad de soluto en un determinado volumen de disolución.
• Sobresaturadas: Son las que contienen más soluto que el presente en las disoluciones saturadas.

Unidades de Concentración

La relación entre la cantidad de sustancia disuelta (soluto) y el disolvente se conoce como concentración. Esta relación se expresa cualitativamente en forma de unidades físicas y unidades químicas, debiendo considerarse la densidad y el peso molecular del soluto.

Cantidades Físicas

• Porcentaje masa/masa (% m/m)
• Porcentaje masa/volumen (% m/v)
• Porcentaje volumen/volumen (% v/v)
• Partes por millón (PPM): Es la unidad de medida de concentración que mide la cantidad de unidades de una sustancia por cada millón de unidades del conjunto.

Cantidades Químicas

• Molaridad (M): Es la unidad de concentración química que relaciona la cantidad de masa de soluto (en moles) con el volumen de la solución (en litros).
• Molalidad (m): Es el número de moles de soluto que están disueltos en un kilogramo de disolvente.
• Normalidad (N)

Profundización en los Métodos Analíticos

El método analítico es aquel método de investigación que consiste en la desmembración de un todo, descomponiéndolo en sus partes o elementos para observar las causas, la naturaleza y los efectos.

Clasificación de Métodos Analíticos

• Métodos químicos:
  • Análisis cualitativo
  • Análisis cuantitativo
• Métodos instrumentales:
  • Métodos ópticos
  • Métodos electroquímicos

Los métodos químicos se caracterizan por estar basados en reacciones químicas y pueden suministrar información cualitativa y cuantitativa. En los métodos instrumentales no es esencial el uso de las reacciones químicas.

El análisis cualitativo tiene por objeto el reconocimiento o identificación de los elementos o de grupos químicos presentes en una muestra. Su finalidad fundamental reside en la identificación de iones (cationes y aniones). En el análisis cualitativo orgánico, generalmente se persigue la identificación de los elementos y grupos funcionales que integran la muestra.

El fundamento de los métodos de análisis cuantitativo es la aplicación de las leyes de la estequiometría. La forma de proceder es tomar una cantidad perfectamente determinada de muestra (peso o volumen) y someterla a reacciones químicas, deduciéndose la cantidad buscada del peso del producto de la reacción (métodos gravimétricos) o del volumen de reactivo consumido (métodos volumétricos).

Etapas del Análisis Cuantitativo

1. Obtención de la muestra: La muestra debe ser representativa del material a analizar, en el sentido de que una porción del material en estudio contenga todos los componentes en sus mismas proporciones. Cuando se tratan de muestras heterogéneas, la porción de material a analizar se conoce como muestra media. La obtención de la muestra depende de la naturaleza y la cantidad que debe tomarse para que sea representativa.
2. Secado
3. Pesada de la muestra
4. Disolución de la muestra
5. Separación de sustancias interferentes
6. Medición de la sustancia a analizar
7. Cálculos y evaluación de resultados
8. Expresión de resultados

Análisis Gravimétrico: Principios y Procedimiento

Se refiere a las mediciones de peso y consiste en separar y pesar en un estado de mayor pureza, después de un tratamiento adecuado, un elemento o compuesto de composición conocida, que se encuentra en una relación estequiométrica definida con la sustancia que se determina.

Clasificación del Análisis Gravimétrico

• Método de volatilización: También conocido como desprendimiento y extracción por destilación.
  • Métodos directos: Las sustancias volátiles que requieren ser analizadas se absorben en una sustancia especial que actúa como absorbente.
  • Métodos indirectos: Se basa en la pérdida de peso de una muestra inicial y se aplica cuando el agua es el único componente volátil.
• Método de precipitación: El componente que se determina se precipita de la solución en forma de un compuesto escasamente soluble, se filtra para separarlo y se pesa. Por la masa del precipitado tratado adecuadamente y su relación ponderal, se calcula el contenido del elemento que se determina.

Requisitos del Precipitado

Es requisito que el precipitado tenga las siguientes características:

• Ser muy insoluble.
• Ser fácilmente filtrable.
• Ser muy puro.
• Ser de composición conocida y constante.

Etapas de un Análisis Gravimétrico

1. Muestreo y preparación de la muestra (secado)
2. Pesada de la muestra
3. Disolución
4. Precipitación selectiva
5. Digestión
6. Filtración y lavado
7. Secado y/o calcinación del precipitado
8. Pesada final
9. Cálculos

Etiquetas: análisis cualitativo, análisis cuantitativo, concentración, molaridad, química analítica, soluciones químicas