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INSTRUMENTOS Y TÉCNICAS DEANÁLISIS AMBIENTALUNIDAD I: BASES DE LAINSTRUMENTACIÓNDr. en C. Huemantzin Balan Ortiz Oliveroshbortizo@uaemex.mx

Objetivode la Unidad I:El alumno analizará, interpretará e ción y análisis químico, talescomo: los diferentes tipos de medición, errore incertidumbre, técnicas de muestreo, entreotros; contribuyendo a la capacidad decomprensión de los fenómenos que originan laproblemática general de los recursos naturales,mostrando calidad tanto en el trabajoindividual como de equipo, con una visión decuidado al entorno biofísico.

UNIDAD I BASES DE LA INSTRUMENTACIÓNINTRODUCCIÓN¿QUÉ ES LA QUÍMICAANALÍTICA?Rama de la Química que se encarga deidentificarycuantificarloscomponentes de la materia.Herramienta de los científicos ytecnólogos encargados de establecerlas causas de la degradación delecosistema, como consecuencia de lasactividades antropogénicas.

MEDICIÓN¿CUÁLES SON LOS PASOSNECESARIOS PARA REALIZAR UNANÁLISIS?1)2)3)4)MuestreoConversión del analito a una forma adecuada para lamediciónMediciónCálculo e interpretación de las mediciones

MEDICIÓNI.MuestreoImplica un razonamiento estadístico en el que seobtendrán conclusiones sobre la composición global de lamuestra a partir del análisis de una porción muy pequeñadel material.II. Tiene como objetivo garantizar que las muestrasobtenidas, de cualquier sistema, no sufran alteracionessignificativas en la composición física, química obiológica que puedan afectar su representatibilidad.

MEDICIÓNConversión del analito a unaforma adecuada para lamedicióna) Trabajopreviodediversosdeterminaciones físicas y químicas.b) Elimina interferencias.c) Se utiliza recurrentemente encuantitativo y cualitativo de metales.d) Implican reacciones:§ Ácido-base.§ Óxido-reducción.§ Formación de complejos.§ Precipitación química.tiposeldeanálisis

MEDICIÓNMEDICIÓNConjunto de operaciones que tienen porobjeto determinar el valor de una magnitudo propiedad física de algún objeto ofenómeno, con propósito de comparación.En el interviene cuatro sistemas:1) Objeto que se desea medir.2) Instrumento de medición.3) Unidad de medida, suele estar incluidoen el instrumento.4) Operador que adquiere o realiza lamedición.

Mediciones Directas e IndirectasExisten dos tipos de mediciones:I. Directas: Se realiza comparando la magnitud que interesamedir con un patrón o con las unidades de una escalamaterial y contando el número de veces que la unidad estácontenida en la magnitud.II. Indirectas: Supone una medición directa de algo que noes lo que se mide.

Mediciones Cualitativas y CuantitativasTIPOS DEMEDICIONES EN ELANÁLISISINSTRUMENTALCualitativaCuantitativaSe encarga de identificar loscomponentes de la materia. Esdecir“queelementosocompuestos (analito) ” estánpresentes en la muestraSe interesa en la determinación de“que cantidad” de una substancia enparticular está presente en unamuestra.Si el analito 1 %: Componente principal.Si el analito 0.1-1 %: Componente menor.Si el analito 0.1 %: Componente vestigial.

Exactitud y PrecisiónExactitud y PrecisiónExactitudPrecisiónResultado que concuerda o seaproxima significativamente, conel valor real de una cantidadmedida.Concordancia que tienen entre si ungrupo de resultados experimentales;no tienen relación con el valor real.ErrorRepresenta la diferencia queexiste entre el valor medido y elreal.Se expresa por lo general entérminos de la desviación estándar

Tipos de ErroresTipos de ErroresDeterminadosError sistemático e unidireccional,que tiende a reproducirse. Puedepredecirse e eliminarse concálculos apropiados.IndeterminadosEstán asociados a la ineptitud delanalista.

Tipos de ErroresError DeterminadoA. Sistemáticos:debido al método deanálisis.B. Operativos: debidos a la pericia delexperimentador.C. Instrumentales: debido a la avería delinstrumento de medición.En función de sus efectos al resultado, se puedenclasificar como:a) Constantes: El resultado presenta siempre un errorde la misma magnitud. Cuanto mayor es la muestramenor es el error.b) Proporcionales: El valor absoluto de este tipo deerrores varía con el tamaño de la muestra.

Tipos de ErroresEn términos matemáticos, el error puede estimarse deforma absoluta o relativa:

Incertidumbre de la MediciónINCERTIDUMBREPermite estimar el grado de validez de losdatos que se obtienen y expresar los límitesdel intervalo dentro de los cuales se éstaseguro de capturar el valor verdadero.X Xo dxDondedx: Representa la incertidumbre absoluta,y representa los límites de confianzadentro de los cuales se está seguro de queel valor verdadero se encuentra en dichointervalo.Xo: Magnitud leída del instrumento o elvalor promedio.

Incertidumbre de la MediciónCIFRASSIGNIFICATIVASNúmero correcto de cifras, que indicaimplícitamente la mínima escala delinstrumento empleado en la medición yque permite identificar la incertidumbreque esta asociado a la medida.

Clasificación de los Instrumentos deMediciónCálculo e interpretación de las medicionesAnálisis QuímicoMétodosClasicosCualitativa Precipitación Extracción DestilaciónCuantitativa Gravimétricos VolumétricosMétodosInstrumentales

Clasificación de los Instrumentos de MediciónMÉTODO INSTRUMENTALSEÑALEspectroscopía de emisión (rayos X, UV,visible, de electrones, etc.); fluorescencia,fosforescencia y luminiscencia (rayos C, UV yvisible)Emisión de RadiaciónEspectrometría y fotometría (rayos X, UV,visible, IR), Resonancia Magnética Nuclear yEspectrometría de resonancia de espinelectrónicoAbsorción de RadiaciónTurbidimetría, nefelometría; espectroscopíaRamamDispersión de la RadiaciónMétodos de rayos X y de electronesDifracción de la RadiaciónMétodos de activación neutrónica y dedilución isotópicaRadiactividadConductimetríaResistencia EléctricaConductividad térmica, termogravimetría ymétodos de entalpiaPropiedades TérmicasPotenciométriaMétodos CinéticosEspectrometría de MasasPotencial EléctricoVelocidad de ReacciónRazón de Masa carga

Clasificación de los Instrumentos deMediciónComponentes Básicos de un EquipoInstrumentalSeñal AnalíticaGenerador deseñalesSeñal EléctricaDetectorUnidad deLecturaProcesadorde SeñalesRegistradorSeñal de SalidaMedidor oEscala

Selección del Método Instrumental¿Cómo se debe seleccionar el MétodoInstrumental?1)2)Exactitud y precisión requeridas.Volumen disponible de las muestras(sensibilidad).3) Intervalo de concentración del analito(sensibilidad).4) Posibles interferencias en la composición de lamuestra (selectividad).5) Propiedades físicas y químicas de la matriz dela muestra.6) Número de muestras a analizar.

Selección del Método InstrumentalExisten otras características que influyen en la elección delmétodo, estas son:I.VelocidadII. Facilidad y comodidadIII. Habilidad del operadorIV. Costo y disponibilidad del equipoV. Costo por muestra

Selección del Método InstrumentalCriterios Numéricospara Seleccionar el Método Precisión Exactitud Sensibilidad Límite de detección Intervalo de concentración Selectividad

Selección del Método InstrumentalSENSIBILIDADEs la capacidad del método para discriminar entre pequeñasdiferencias en la concentración del analito. Esta limitada por lapendiente de la curva de calibración y la reproducibilidad oprecisión del sistema de medida.Donde:S: La señal medida.c: Concentración del analito.Sb1: La señal instrumental para un blanco.m: Sensibilidad de calibración.

Selección del Método InstrumentalLímite de DetecciónViene dada por la concentración mínima del analíto que puededetectarse para un nivel de confianza dado. Este límite dependede la señal analítica y el valor de las fluctuaciones estadísticas dela señal del blanco.Donde:Sm: Mínima señal analítica distinguible.k: Múltiplo de seguridad (3).sb1: Desviación estándar de la señal del blancoSb1: Media

Selección del Método InstrumentalINTERVALO DECONCENTRACIÓN APLICABLEIntervalo que va desde la concentración más pequeña con laque pueden realizarse medidas cuantitativas (LOQ) hasta laconcentración a la que la curva de calibración se desvía de lalinealidad (LOL).Skoog et al. 2001

Selección del Método InstrumentalSELECTIVIDADDenota el grado de ausencia de interferenciasdebidas a otras especies contenidas en la matriz de lamuestra.

Señal y Ruido InstrumentalMEDICIÓNANALÍTICASeñal AnalíticaRuidoComponentequellevalainformación acerca del analito queinteresa al investigador.Esta compuesta por informaciónajena y no deseada por que degradala exactitud y la precisión delanálisis, ya que aumenta el LOL. Ruído químico Ruído instrumental

Selección del Método InstrumentalRuido QuímicoProviene de múltiples variables incontroladas queafectan a la química del sistema que se analiza.Ejemplos:§ Variación del equilibrio químico debido a lapresión o temperatura.§Fluctuaciones en la humedad de las muestras.§Vibraciones que provocan la estratificación desólidos.

Selección del Método InstrumentalRuido InstrumentalRuido asociado a cada componente del equipoinstrumental, se pueden clasificar en Térmico Disparo Parpadeo Ambiental

Técnicas de MuestreoTÉCNICAS DE MUESTREOConjunto de normas dirigidas a garantizarque las muestras recolectadas no sufranalteracionessignificativasensucomposición física, química o biológicaque puedan afectar su representatibilidad.

MUESTREO DE AGUATécnicas de MuestreoOBJETIVOEstablecer los lineamientos para realizar larecolección, conservación y transporte demuestras de aguas epicontinentales, lagunascosteras, estuarios y marinas, para garantizarque no se produzcan alteraciones significativasen su composición física, química o biológicaque pudieran alterar su representatividad.

Técnicas de MuestreoREQUISITOS DELMUESTREOa) Equipos y Materialesb) Reactivos y Estándaresc) Plan de Muestreo

Técnicas de MuestreoEquipos y Materiales§ Equipos de Análisis:i. Analizadores multipruebas (Hydrolab, Hach,etc).ii. Conductímetro.iii. Oxímetro.iv. Potenciómetro. Equipos de Muestreo:i. Botella Winkler.ii. Botella Van-Dorn.iii. Botella de Kemmerer.iv. Botella de Niskin.v. Cubeta de plástico.vi. Disco de Secchi.vii. Sistema de posicionamiento global.

Técnicas de MuestreoReactivos y EstándaresEstos pueden variar en función del tipo de equipos de medición quese utilicen, ejemplos: Disoluciones amortiguadoras (buffer) de pH 4, 7 y 10. Disoluciones de KCl para rellenar electrodos. Disolución de KCl 0.1 N, preparada con KCl grado estándar primario. Disolución NaCl 0.1 N, preparada con NaCl grado estándar primario. Agua destilada, con pH 7 y conductividad menor a 5 µS/cm.

Técnicas de MuestreoPlan de MuestreoDebe contemplar:§Objetivo§Fecha de ejecución§Recopilación de información cartográfica§Vista preliminar para recabar información del sitio§Red de muestreo§Número, tipo y frecuencia de muestreo§Establecimiento de parámetros fisicoquímicos insitu§Establecimiento de parámetros fisicoquímicos ybiológicos que serán medidos en el laboratorio.§Tipo de recipientes y preservadores de lasmuestras en función del parámetro que sepretende medir§Responsables de muestreos, de toma de muestras ymedición de parámetros in situ.

Red de MuestreoConjunto de sitios seleccionados paratomar muestras.Técnicas de MuestreoLa Red de Muestreo debe considerar al menos:ü Accesibilidad, considerando los planos de carreteras y brechas, así como eltiempo de recorrido de un sitio a otro.ü Croquis con la ubicación de cada uno de los sitios a muestrear.ü Profundidad a la que se realizará la extracción de las muestras.üDisponibilidad de datos anteriores sobre el área y la calidad del agua.üLocalización de entradas, salidas y descargas.üEstos elementos proporcionan información necesaria para evaluar yseleccionar los puntos ideales de muestro, de esta forma se garantiza que lacomposición fisicoquímica y biológica del agua sea representativa.