QUIMICA ANALITICA APLICADA

Departamento de Química Analítica y Tecnología de Alimentos QUIMICA ANALITICA APLICADA • TEMA 2.- Toma de muestras • Requisitos básicos del muestreo. • Plan de muestreo. • Conservación y transporte de las muestras. • Errores en el muestreo. • Almacenamiento de la muestra. • Manual de muestreo y registro en el laboratorio. • Preparación de la muestra para el análisis

OPERACIONES MAS IMPORTANTES EN EL MUESTREO Y TRATAMIENTO DE LA MUESTRA TIPOS DE MUESTRA NUMERO DE MUESTRAS MUESTRA PLAN DE MUESTREO TAMAÑO DE MUESTRA ERRORES DE MUESTREO SUBMUESTREO TRANSPORTE Y CONSERVACIÓN PRETRATAMIENTO DE LA MUESTRA PREPARACION ANALISIS

ETAPAS IMPLICADAS EN UN ANALISIS PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ANALITICO PROBLEMA SELECCIÓN DEL METODO DISEÑO DEL PLAN DE MUESTREO MUESTREO TOMA DE MUESTRA TRATAMIENTO DE LA MUESTRA INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS REALIZACION DE LAS MEDIDAS

CALIDAD EN LA TOMA Y TRATAMIENTO DE LA MUESTRA • MUESTREO • Proceso de selección de una porción de material que represente o proporcione información sobre el sistema en estudio (población). • Concepto amplio : • Recogida de la muestra. • Conservación. • Reducción del tamaño de partícula. • Homogeneización. • Submuestreo. • Uno de los aspectos mas importantes para obtener resultados de calidad en un análisis es disponer de una muestra que represente el lote que se va a analizar . • Es fundamental conocer e identificar los errores que se pueden cometer en el proceso y durante la manipulación de la muestra hasta que llega al laboratorio. • La mayoría de las técnicas analíticas requieren disponer de la muestra en disolución, por lo que abordaremos los tratamientos químicos mas importantes y los posibles errores que se puedan cometer para obtener una disolución que represente a la muestra. (tratamiento de la muestra). • ETAPAS DEL MUESTREO Identificación de la población Toma de una muestra bruta Reducción demuestra bruta a muestra de laboratorio

REQUISTOS BÁSICOS DEL MUESTREO • TOMA DE MUESTRA : Proceso de obtención de muestras • MUESTRA • Fracción de una cantidad mayor de un material , obte-nida para que represente y proporcione información del mismo • PORCIÓN ANALITICA • Cantidad de material obtenido de la muestra analítica para la medida • CARACTERISTICAS DE LAS MUESTRAS • Composición media repre-sentativa • La composición de la muestra de laboratorio debe ser igual que la muestra analítica • Varianza representativa • La varianza de la concentración de la muestra analítica debe ser igual a la de la muestra original • Error en el muestreo • Debe ser menor o igual que el del procedimiento analítico • MUESTRA ANALITICA • Obtenida a partir de la muestra de laboratorio, y de la que se extraen las porciones analíticas • INCREMENTO • Porción de material obtenida en una operación individual de toma de muestra • MUESTRA PRIMARIA • Conjunto de uno o más incrementos que se obtienen directamente de una población • MUESTRA DE • LABORATORIO • Cantidad de material que llega al laboratorio para ser analizada

PLAN DE MUESTREO • REQUISITOS DEL PLAN DE MUESTREO • Informar sobre la naturaleza de la muestra y su matriz • Informar sobre la instrumentación a utilizar en el muestreo • Conocer el grado de homogeneidad de la muestra • Indicar el numero de submuestras necesarias para una exactitud determinada • Presentar un esquema sobre las precauciones a seguir en la preparación de la muestra • PLAN DE MUESTREO • Procedimiento para seleccionar, extraer, conservar, transportar y preparar las porciones a separar de la población en calidad de muestras. • El proceso de muestreo debe estar planificado, detallado y escrito y el plan de muestreo debe incluir: • Donde realizar la toma de la muestra • Quien tiene que realizar la toma de la muestra • Que procedimiento debe seguirse en la toma de la muestra

MUESTRAS Y MUESTREO • TIPOS DE MUESTRAS • Representativa: composición y propiedades similares al conjunto de la muestra. • Selectiva: obtenida en el muestreo de determinadas zonas. • Sistemática: obtenida según un procedimiento sistemático. • Aleatoria: obtenida al azar. • Compósita : formada pordos o mas submuestras • TIPOS DE MUESTREO • Intuitivo: Basado en la experiencia en algún tipo particular de muestra • Estadístico: Mediante un modelo estadístico previamente validado • Sistemático: Siguiendo un protocolo en el que se especifica: tipo, tamaño, frecuencia, periodo del muestreo y lugar

TECNICAS DE MUESTREO • En la planificación del muestreo , han de considerarse los siguientes aspectos: • Cuando, donde y como recoger la muestra • Equipos de muestreo : mantenimiento y calibración • Contenedores de la muestra : limpieza , adición de estabilizantes y conservación • Transporte de la muestra • Pretratamiento de la muestra : secado, homogeneización y manejo de la muestra • Submuestreo • Sistema informativo en el laboratorio • Selección de los puntos y tiempos de muestreo : • Se toman incrementos de muestra en puntos preseleccionados al azar, siguiendo un programa de muestreo, en el que se incluyan estos puntos.

TECNICAS DE MUESTREO • Representatividad de la muestra • La concentración de los analitos en la muestra obtenida debe ser idéntica a la concentración en la muestra real en la posición y tiempo en la que se ha realizado el muestreo y que esta no varíe hasta la ejecución de los análisis. • Etiquetado de la muestra • Las muestras se etiquetan en el momento en que son tomadas con la siguiente información: • Persona que realiza el muestreo • Día , hora y lugar • Información sobre la metodología seguida • Incidencias durante el muestreo. • Subdivisión de la muestra • La muestra bruta obtenida resulta de la mezcla de un cierto número de unidades de muestreo (incrementos). • El número de unidades de muestreo depende mas de : • Tamaño de las partículas • Grado de heterogeneidad del material • Exactitud requerida en los resultados • de la cantidad de muestra sometida al muestreo, ,por lo que esta se somete a un proceso de subdivisión.

ESTADISTICA DE MUESTREO • La estadística de muestreo se basa en el principio de que : “ Todas las partículas o porciones del material , deben tener la misma probabilidad de ser tomadas ” yes vital para la obtención de una muestra de la forma mas sencilla y representativa posible. Ambas varianzas no son significativas y son conocidas Analizando la varianza de las medidas en las muestras y la varianza del método aplicado se pueden plantear las siguientes situaciones Medir una sola muestra Varianza de la medida significativa y conocida Una medida de la muestra representativa Varianza de la muestra significativa y desconocida Un análisis por muestra en una serie de muestras Múltiples muestras y varias medidas en cada muestra Ambas varianzas son significativas

PLAN ESTADÍSTICO DE MUESTREO Número de muestras y/o medidas para limitar la incertidumbre Suponiendo una distribución gausiana, la incertidumbre total (z = 1,96=2) para un nivel de confianza del 95 %, podemos encontrarnos con tres situaciones: • El plan debe considerar • Los límites de confianza de la propiedad determinada • de la media de la población. • El intervalo de tolerancia • para un porcentaje dado. • Mínimo número de muestras para establecer los intervalos anteriores con un nivel de confianza dados A) La desviación estándar de la muestra es despreciable NA = (z σA / EA)2 NA = mínimo número de medidas σA= desviación estándar de la medida EA = error absoluto Si NA es muy grande -se mejora la precisión -se utiliza otro método -se acepta mayor nivel de incertidumbre B) La desviación estándar del método es despreciable NS = (z σS / ES)2 NS = mínimo número de muestras σS= desviación estándar del método ES = error absoluto Si NS es muy grande -se utiliza mas muestra -muestras compositas -se acepta mayor nivel de incertidumbre Para ello • La muestras se tomaran de forma aleatoria • Cada muestra o cada incremento deben ser independiente entre sí • Debe conocerse el tipo de • distribución de los deter-minandos en la muestra (generalmente Gaussiana) C) Ambas desviaciones son significativas ET = (σS2 / NS+ σS2 /NS NA)½ Si σS y σA son bajas, también lo serán el número de medidas y de muestras. Para un mínimo error, existen varios valores de NA y NS por lo que habrá que llegar a una solución de compromiso.

PLAN ESTADÍSTICO DE MUESTREO • TAMAÑO DE LOS INCREMENTOS DE UNA MUESTRA BIEN MEZCLADA • Cuanto mayor es el tamaño de la muestra (población), menor es la variabilidad entre • los incrementos • KS = Constante de muestreo (1 % de incertidumbre con un 68 % de confianza) • W = Peso de la muestra analizada • R = desviación estándar relativa de la muestra • Evaluado KS se puede calcular el mínimo peso requerido para una desviación relativa máxima • TAMAÑO DE MUESTRA PARA MATERIALES SEGREGADOS • La varianza del muestreo viene dada por la expresión de Visman • B = Componente de segregación • ZS = Grado de segregación • Si ZS >0.05 se cometerán grandes errores en la estimación de SS KS= W R2 Ss2 = A/Wn + B/n A = WL WS(SL2 -SS2)/(WL-WS) B = SL – A/WL ZS = B/A

TRANSPORTE Y CONSERVACION DE LA MUESTRA • PRECAUCIONES EN EL TRANSPORTE • Evitar la exposición a humedades extremas y mantenerlas a 4 º C. • Las muestras biológicas o de alimentos es necesario transportarlas congeladas • PRECAUCIONES PARA LA CONSERVACION • Reducir los riesgos de alteraciones por contacto con la atmósfera, absorción y oxidación • Evitar su exposición al aire ya la luz y su manipulación • Los sólidos se mantienen secos eliminando el agua en una estufa • Las muestras biológicas se congelan en nitrógeno líquido o se liofilizan • El tratamiento de los líquidos depende del tipo de análisis

ERRORES EN EL MUESTREO • ERRORES EN EL MUESTREO • Por perdida de analitos • Adsorción por las paredes del recipiente o superficie de las herramientas • En procesos de secado, evaporación y mineralización • Salpicaduras en el proceso de agitación y preparación de la muestra • Variación en la composición química de la muestra • Perdida o adsorción de agua • Procesos de hidrólisis • Procesos de oxidación • Procesos de fermentación o microbiológicos • Contaminación • Debida al medio ambiente, a la operación de muestreo y a quien toma la muestra

ALMACENAMIENTO DE LA MUESTRA • Las muestras se almacenan por dos motivos: • Porque su análisis no va a ser inmediato • Para guardar un duplicado con el fin de hacer un chequeo de los resultados obtenidos en los análisis iniciales • Para conservar las muestras durante largos periodos de tiempo en sus recipientes es recomendable: • Que el aire contenido en el espacio libre del recipiente sea mínimo • Que el material sea hidrófobo • Que su superficie sea lisa y no porosa • Los materiales utilizados para almacenar las muestras son de tres tipos : • Polimeros ( teflón, polietileno, polipropileno, plexiglás y goma de silicona ) • Vidrios (cuarzo sintético y borosilicato de vidrio) • Metales (papel de aluminio, platino y titanio de elevada pureza)

MANUAL DEL MUESTREO Y REGISTRO EN EL LABORATORIO • Las muestras se etiquetan con la siguiente información : • Numeración de la muestra • Descripción del material • Lugar de muestreo • Fecha y hora del muestreo • Muestreador y método de muestreo • Información adicional (pH, temperatura, etc.) • Esta información se registra en el laboratorio junto otra adicional: • Símbolo de la muestra • Naturaleza de la muestra • Análisis requeridos • Lugar y condiciones de conservación • Entidad que solicita los análisis

PREPARACION DE LA MUESTRA PARA EL ANALISIS • La preparación de la muestra es un proceso muy elaborado y en el se incluyen todos las etapas que se muestran en la tabla. • Esta preparación es muy diferente y depende del estado de agregación de la muestra

PREPARACION DE UNA MUESTRA SÓLIDA: SECADO • Teniendo en cuenta el elevado número de matrices posibles a analizar, es imposible dar un esquema detallado de los procedimientos operativos y riesgos de error para cada una de las muestras. • Los pasos mas significativos son : • Secado de las muestras sólidas y puesta en disoluciónde la muestra • Secado de la muestra • Se lleva a cabo antes de la homogeneiza • -ciónde la muestra sólida o de la medida • instrumental • Secado en horno : • Se introduce la muestra en el horno • controlando adecuadamente la tempe- • raturay el tiempo. • Temperaturas altas descomponen • la muestra y producen perdidas de • elementos. • Temperaturas bajas exponen la mues- • tra a posibles contaminaciones • Liofilización • Consiste en secar la muestra a vacío a • bajas temperatura

PREPARACION DE UNA MUESTRA SÓLIDA: DISOLUCIÓN • Es la etapa previa a la mayoría de los análisis y consiste en convertir los analitos en una forma química para que permanezcan estables en disolución. • En la mayoría de los casos el proceso implica la eliminación de la materia orgánica por conversión en compuestos volátiles. • Se lleva a cabo por vía seca o por vía húmeda Mineralización a elevada temperatura (horno) Mineralización en plasmas de oxigeno a bajas temperaturas VIA SECA Combustión en frasco de Oxigeno (Frasco Schöniger) DISOLUCION DE LA MUESTRA Técnicas de fusión (Disgregación) VIA HUMEDA

DISOLUCIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA POR VIA SECA • MINERALIZACIÓN A ELEVADAS TEMPERATURAS • Se basa en someter la muestra a la acción de temperaturas elevadas durante cierto tiempo • La temperatura debe seleccionarse de manera que permita una mineralización eficaz sin perdidas de analitos por volatilización • Ciertas muestras requieren la adición de agentes estabilizantes para evitar la perdida por volatilidad de analitos volátiles • Se pueden perder elementos como: Ag, As, Cr, Hg, I, K, Na, Pb, Sb, Se, Sn y Te • COMBUSTIÓN EN FRASCO DE SCHÖNIGER • Se basa en la volatilización cuantitativa de los elementos de interés de la muestra y posterior recuperación de sus productos gaseosos por adsorción • Se recuperan elementos como: F, Cl, Br, I, S, Se, P, As, Hg, Cu, Cd, Zn, Al, Ba,

DISOLUCIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA POR VIA SECA • MINERALIZACIÓN EN PLASMA DE O2 A BAJAS TEMPERATURAS • Se basa en la capacidad del oxigeno excitado , obtenido al pasar una corriente de oxigeno a bajas presiones a través de un campo de radiofrecuencia, de oxidar a la muestra al incidir sobre ella a temperaturas inferiores a 200 ºC • Presenta el inconveniente de poca capacidad de muestras y largos periodos de tiempo no se volatilizan elementos como : As, Cd, Sb, Pb, B y Ge • TECNICAS DE FUSIÓN O DISGREGACIÓN • Se usan para transformación de sales insolubles en ácidos como silicatos, ciertos óxidos minerales y algunas aleaciones de hierro, en otras solubles en ácidos mediante mezclado con una cantidad elevada de una sal de metal alcalino (fundente) y fusión de la mezcla a elevada temperatura (de 300 a 1200ºC).

DISOLUCIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA POR VIA SECA : FUSIÓN • Tipos de fundentes (1) • Carbonato sódico (carbonato potásico): • Descompone silicatos y muestras que contienen sílice, alúmina, sulfatos, óxidos refractarios, sulfuros y fosfatos poco solubles al calentar a 1000-1200ºC. CaSiO3 (insoluble)+Na2CO3Na2SiO3(soluble)+CaCO3 (sol. en ácidos) • Los cationes se transforman en carbonatos u óxidos solubles en ácidos. • Los no metales se transforman en sales sódicas solubles. • Normalmente se emplean crisoles de Pt • Carbonato sódico más un agente oxidante (KNO3, KClO3 o Na2O2 ) • Muestras que contienen S, As, Sb, Cr, etc, y que requieren un medio oxidante. • Temperatura de fusión de 600-700ºC. • Crisoles de Ni o Pt (no con Na2O2). • Hidróxido sódico o potásico: • Fundente básico enérgico para silicatos, carburo de silicio y ciertos minerales. • Temperatura de fusión más baja que con carbonatos. • Crisoles de Au, Ag o Ni.

DISOLUCIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA POR VIA SECA : FUSIÓN • Tipos de fundentes (2) • Peróxido de sodio: • Fundente oxidante básico enérgico para sulfuros, silicatos que no se disuelven en Na2CO3, aleaciones insolubles en ácidos de Fe, Ni, Cr, Mo, W, y Pt y minerales de Cr, Sn y Zr. • Crisoles de Fe o Ni previamente recubiertos de Na2CO3 fundido. • Pirosulfato potásico (K2S2O7): • Fundente ácido para óxidos y muestras que contienen óxidos poco solubles. • Temperatura de fusión de 400ºC. • Crisol de Pt o porcelana. • K2S2O7K2SO4+SO3 • Ácido bórico (B2O3): • Fundente ácido para silicatos y óxidos en los que se determinan metales alcalinos. • Temperatura de fusión de 800-850ºC. • Evaporando a sequedad con alcohol metílico la disolución del fundido, se elimina el óxido bórico, que destila en forma de borato de metilo B(OCH3)3. • Crisoles de Pt. • Carbonato cálcico (8) + cloruro amónico (1): • Calentando el fundente se produce una mezcla de CaO y CaCl2 que se usa para descomponer silicatos para la determinación de metales alcalinos. • Crisoles de Ni.

DISOLUCIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA POR VIA HÚMEDA • Ácidos y bases más frecuentes (1) • Ácido clorhídrico (37%): • Útil en la disolución de carbonatos, fluoruros, sulfuros, fosfatos, sulfatos insolubles, óxidos metálicos y metales más fácilmente oxidables que el hidrógeno (Eo<0). • El HCl concentrado es 12 M pero en ebullición se diluye hasta 6 M (p.e. 110ºC). • Forma algunos cloruros volátiles. • Ácido nítrico (70%): • Fuerte agente oxidante. • Disolución de metales excepto Al y Cr que se pasivan y con Sn, W o Sb forma óxidos hidratados poco solubles. • Descompone las muestras orgánicas y biológicas. • Ácido sulfúrico (98%): • Disuelve muchos materiales, incluyendo metales y muchas aleaciones, debido a su punto de ebullición tan elevado (p.e. 340ºC). • Los compuestos orgánicos se deshidratan y oxidan a CO2 y H2O en ácido sulfúrico caliente. • Ácido perclórico (70%): • En caliente es un potente oxidante capaz de disolver aleaciones de hierro y aceros inoxidables. • Peligro de explosión violenta cuando el ácido perclórico caliente entra en contacto con materia orgánica o sustancias inorgánicas fácilmente oxidables.

DISOLUCIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA POR VIA HÚMEDA • Ácidos y bases más frecuentes (2) • Ácido fluorhídrico (50%): • Descomposición de rocas y minerales de silicato cuando no se va a determinar silicio ya que éste se pierde en forma de SiF4 que es volátil. • Normalmente es necesario eliminar el exceso de HF ya que disuelve el vidrio. • Se evapora en presencia de H2SO4 o HClO4 o bien se inactiva complejándolo con ácido bórico. • Forma algunos fluoruros volátiles y algunos fluoruros insolubles como LaF3, CaF2 y YF3. • El HF es extremadamente tóxico, ocasiona serias quemaduras y heridas muy dolorosas en contacto con la piel mostrándose los efectos horas después de la exposición. • Ácido bromhídrico (48%): • Semejante al HCl en cuanto a sus propiedades. • Ácido Fosfórico (85%): • En caliente disuelve a los óxidos refractarios que son insolubles en otros ácidos. • Hidróxido sódico: • Disuelve Al y los óxidos anfóteros de Sn, Pb, Zn y Cr. • Mezclas oxidantes: • El agua regia (3 partes de HCl + 1 parte de HNO3) se emplea en digestiones difíciles. • La adición de agua de bromo o peróxido de hidrógeno a ácidos minerales aumenta la acción disolvente y acelera la oxidación de materiaorgánica.

DISOLUCIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA POR VIA HÚMEDA • Una muestra se puede disolver con la ayuda de un ácido cuya naturaleza depende del tipo de muestra, sin embargo se suele recurrir a: • MEZCLAS DE ACIDOS • Aprovechando sus diferentes propiedades: carácter complejante de uno y carácter oxidante del otro (HF+HNO3; HF+H2SO4) • Un ácido modera una propiedad no deseable del otro: (HNO3 + HClO4) • Los ácidos pueden reaccionar entre si dando productos mas reactivos que los ácidos solos ( 3 HCl + HNO3) • Un ácido permite eliminar otro no deseado después de haber realizado su efecto (HF+ HCl; HNO3+ H2SO4; HNO3+ H3PO4 ) • MEZCLAS DE ACIDOS CON OTROS REACTIVOS • Entre los reactivos mas usados junto a ácidos cabe destacar: • Oxidantes (H2 O2 ; Br2 ;KClO3 ) • Electrolitos inertes que aumentan el punto de ebullición permitiendo temperaturas mayores (Na2SO4 , (NH4)2SO4 ) • Agentes complejantes (citrato o tartrato) • Catalizadores que aumentan la velocidad de disolución de las muestras (Cu(II), Hg(II) , V2O5 , ect.)

DISOLUCIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA POR VIA HÚMEDA Descomposición y disolución Digestión con ácidos a P.A. Digestión con ácidos en bombas a presión Digestión con ácidos en equipos de microondas

DISOLUCIÓN DE UNA MUESTRA SÓLIDA POR VIA HÚMEDA Calentamiento Convencional Tipos de equipos de microondas para digestión Mezcla ácido-muestra Corrientes de convección Paredes del recipiente Calor por conducción La temperatura en la superficie inferior es mayor que la del punto de ebullición del ácido Calentamiento por Microondas Mezcla ácido-muestra (absorbe energía de microondas) Paredes del recipiente (transparente a la energía de Microondas)

QUIMICA ANALITICA APLICADA