Carrera:
Tecnicatura Universitaria en Enología y Viticultura
CÁTEDRA DE ENOQUÍMICA II
GUÍA de TRABAJOS
PRÁCTICOS de PROBLEMAS
PLANTEL DOCENTE:
Profesora Adjunta Dra. Anahí Alberti D’Amato Profesora Adjunta Lic. María José Hidalgo
AÑO 2020
▪ Analizar la composición, concentración e importancia de la presencia de minerales y cationes en el vino.
▪ Comprender y aplicar los fundamentos de la técnica de espectroscopía de absorción atómica en el estudio de los metales presentes en los vinos.
Introducción teórica
ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA INTRODUCCIÓN
Los átomos son la forma más sencilla y pura de la materia y posee distintos movimientos relacionados a la absorción de energía en comparación con los movimientos que poseen las moléculas, por ello no pueden girar ni vibrar como lo hace una molécula, sólo pueden efectuarse transiciones electrónicas dentro de ellos cuando se absorbe energía. Debido a que las transiciones son discretas (están cuantizadas), lo que se obtiene es un espectro de líneas o rayas. Hay diversas formas de obtener átomos libres, o sea en estado gaseoso, lo cual se denomina vapor atómico, y así, medir la absorción o emisión de la radiación en ellos.
Entre las técnicas principales se encuentran la espectrometría de emisión de flama, en la que los átomos tienen la forma de vapor atómico y se producen en una llama; una parte de ellos es excitada térmicamente y mediante colisiones, con lo cual ascienden a un nivel mayor de energía electrónica;
posteriormente, los átomos regresan a su estado fundamental de energía emitiendo fotones y creando espectros de emisión de rayas o líneas nítidas. Otra técnica es la espectrometría de absorción atómica, que mide la cantidad de radiación absorbida por átomos en estado fundamental, formados en una llama o en un horno pequeño; el espectro de absorción correspondiente también está formado por rayas nítidas.
Analizaremos las características de ambas.
ESPECTROMETRÍA DE EMISIÓN DE FLAMA
En este método, que antes se denominaba fotometría de flama o fotometría de llama, la fuente de energía de excitación es una llama. Se trata de una fuente de baja energía, por lo que el espectro de emisión es simple y con pocas líneas de emisión. La muestra se introduce en una llama en forma de solución, por lo que es muy fácil realizar cuantificaciones mediante esta técnica.
Hay muchos tipos de quemadores de aspiración que pueden utilizarse; la base es introducir la solución a la llama en forma de aspersión fina. El mecanismo para obtener el vapor atómico es complejo, pero en la figura 1 se explican los procesos básicos. El disolvente se evapora y deja la sal deshidratada, la cual se disocia en átomos gaseosos libres en estado fundamental. Una fracción de ellos puede absorber energía de la flama y acceder a un estado electrónico excitado. Los niveles excitados tienen corta duración y regresan al estado fundamental emitiendo fotones de longitudes de onda característica cuya energía es igual a h y que se pueden detectar con un dispositivo convencional de monocromador-detector.
La intensidad de la emisión es directamente proporcional a la concentración del analito (sustancia que es analizada) en la solución aspirada. Por lo cual, es posible preparar una curva de calibración de intensidad de emisión en función de la concentración, y de esa manera cuantificar el metal o analito en cuestión.
Figura 1. Procesos que se efectúan en una llama
Sólo los metales alcalinos sodio, potasio y litio, que son relativamente fáciles de excitar, se determinan en forma rutinaria por espectrometría de emisión de llama en el laboratorio clínico. Sin embargo, con llamas como las de oxiacetileno y óxido nitroso-acetileno, hoy se pueden determinar más de 60 elementos mediante esta técnica a pesar de que se cuenta sólo con una pequeña fracción de átomos excitados disponibles para la emisión.
ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA
Es una técnica estrechamente relacionada con la espectrometría de emisión de llama, (AAS, atomic absortion spectrophotometry), porque también en la espectroscopía de absorción atómica se usa una llama como atomizador. Por ello, se describirán los factores que afectan la absorción, y para ambas técnicas se harán comparaciones cuando corresponda.
Principios:
En la espectroscopía de absorción atómica, la solución de la muestra se aspira y se introduce en una llama, como en la espectrometría de emisión de llama; el elemento en la muestra se convierte en vapor atómico. De esta manera, la llama contiene átomos del elemento; algunos son excitados térmicamente por la temperatura de la flama, pero casi todos permanecen en estado fundamental. Los átomos en estado fundamental pueden absorber radiación de determinada longitud de onda producida en una fuente especial que contenga a ese mismo elemento (ver “Fuentes”). Las longitudes de onda de la radiación emitida por la fuente son las mismas que absorben los átomos en la llama.
El principio de la espectrofotometría de absorción atómica es idéntico al de la espectrofotometría de absorción clásica y obedece la ley de Lambert-Beer. Esto es, la absorbancia es directamente propor- cional a la longitud de trayectoria en la llama y a la concentración de vapor atómico en ella. Ambas varia- bles son difíciles de determinar, pero se puede mantener constante la longitud de trayectoria y entonces la concentración del vapor atómico será directamente proporcional a la concentración del analito en la solución que se aspira. El procedimiento se puede utilizar para preparar una curva de calibración —de concentración en la solución— en función de la absorbancia.
La desventaja principal de hacer mediciones por absorción atómica, es que para cada elemento se requiere una fuente diferente.
Instrumento de medición:
Como en la espectrofotometría normal de absorción, las necesidades para la espectrofotometría de absorción atómica son una fuente luminosa, una celda (la llama), un monocromador y un detector. La llama se sitúa entre la fuente y el monocromador. En la figura 2 se ve un diagrama esquemático de un espectrofotómetro de absorción atómica. En este caso es un instrumento de haz doble que mide la relación de P0/P. El haz de la fuente se envía de manera alternada a través de la llama y en otra trayectoria que no pasa por ella mediante un espejo de sector que lo divide. El detector mide esta alternancia y despliega el logaritmo de la relación. El amplificador del detector se ajusta para sólo recibir radiación modulada a la frecuencia del espejo de sector y entonces se discrimina contra la emisión emitida por la llama.
Figura 2. Diagrama de un instrumento de absorción atómica. Tomado de Gary, 2009.
1. Fuentes. Se requiere una fuente de líneas nítidas en absorción atómica porque el ancho de la línea de absorción es muy estrecho —de unas milésimas a una centésima de nanómetro, cuando mucho—
. Por ser una línea de absorción tan angosta, sólo se absorbe una pequeña fracción de la radiación producida en una fuente continua que pasa por la rendija y llega al detector.
La fuente que se usa casi exclusivamente es una lámpara de cátodo hueco (HCL, hollow-cathode lamp). Se trata de una fuente de líneas definidas que emite longitudes de onda específicas (en esencia, monocromáticas) cuya construcción básica se ilustra en la figura 3. Consiste en un cátodo cilíndrico hueco hecho del elemento que se va a determinar o alguna aleación del mismo y un ánodo de tungsteno.
Ambos están encerrados en un tubo de vidrio que suele tener una ventana de cuarzo, porque con frecuencia las líneas de interés están en la región ultravioleta. El tubo se encuentra a presión reducida relleno con un gas inerte como argón o neón. Entre los electrodos se aplica un alto voltaje que causa la ionización de los átomos del gas en el ánodo. Estos iones positivos son acelerados hacia el cátodo negativo, y cuando lo bombardean hacen que algo del metal se desprenda y se evapore. El metal vaporizado se excita a niveles electrónicos más altos debido a las continuas colisiones con los iones gaseosos de alta energía; cuando los electrones regresan al estado fundamental emiten las líneas características de ese elemento metálico. También se emiten las líneas del gas de relleno, pero en general no están lo suficientemente cerca de las del elemento como
para interferir.
Estas líneas emitidas por la lámpara de cátodo hueco atraviesan la flama y pueden ser absorbidas por el elemento que se analiza debido a que poseen exactamente la energía necesaria (la longitud de onda adecuada) para producir transiciones electrónicas discretas.
Figura 3. Diseño de una lámpara de cátodo hueco.
Tomado de Gary, 2009.
2. Quemadores. El quemador que se usa en la mayor parte de los instrumentos comerciales es el quemador con cámara de premezcla, que a veces se llama quemador de flujo laminar y que se representa en la figura 4. El combustible y los gases de soporte se mezclan en una cámara antes de entrar a la cabeza del quemador (a través de una rendija), donde se queman. La solución de la muestra se aspira a través de un capilar gracias a un efecto Venturi creado con el gas de soporte para la aspiración, que suele ser aire.
El aire crea un vacío parcial al final del capilar y succiona la muestra por éste. La muestra se divide y forma una aspersión fina en la punta o proceso normal de nebulización. Las gotas más grandes del aerosol que se produce se condensan y drenan de la cámara. Las restantes se mezclan con los gases de combustión y entran a la llama. Hasta 90% de las gotitas se condensan y salen, y sólo 10% entra a la llama.
Figura 4. Quemador de premezcla. a) Nebulizador, cámara y quemador. b) Cabeza del quemador. Tomado de Gary, 2009.
3. Llamas. Las principales llamas que se usan en espectrometría de absorción y emisión atómica se muestran en la tabla 1 con sus temperaturas máximas de combustión. Las llamas que más se usan para absorción atómica son la llama de aire-acetileno y la de óxido nitroso-acetileno. Esta última, de alta temperatura, no se requiere e incluso puede ser perjudicial para muchos casos en absorción atómica debido a que causa la ionización de los átomos gaseosos. Sin embargo, es útil para elementos que tienden a formar óxidos termoestables en la flama de aire-acetileno (los “elementos refractarios”). La flama de aire-acetileno y de otros hidrocarburos absorbe una gran fracción de la radiación a longitudes de onda menores a 200 nm, y para esa región del espectro se prefiere una llama de argón-hidrógeno con admisión de aire para tener la máxima capacidad de detección. Se trata de una llama incolora, y el gas oxidante real es el aire. Se usa para elementos como el arsénico (193,5 nm) y el selenio (197,0 nm) cuando se separan de sus soluciones por volatilización en forma de hidruros (AsH3, H2Se, etc.) y van a la llama como tales. Lo anterior es necesario porque esta llama fría es más propensa a tener más interferencias químicas que otras flamas. Una flama de óxido nitroso-acetileno ofrece una ventaja en esta región del espectro cuando existe el peligro de interferencia molecular; la absorción de la llama es relativamente pequeña a longitudes de onda corta.
Tabla 1. Temperaturas y Velocidades de quemado de llamas de uso frecuente
En el caso de la espectrometría de emisión de llama se requiere una llama caliente para analizar una gran cantidad de elementos, y por ello se recurre a la de óxido nitroso-acetileno. La llama de oxiacetileno tiene gran rapidez de quemado y no se puede usar con un quemador de premezcla
CAPACIDADES RELATIVAS DE DETECCIÓN EN ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA Y DE EMISIÓN DE FLAMA
La tabla 2 es una lista representativa de algunos límites de detección para diversos elementos por espectrometría de absorción atómica y espectrometría de emisión de llama. Se debe diferenciar entre límite de sensibilidad y de detección. El primero de los términos se usa con frecuencia en las publicaciones escritas sobre absorción atómica. Sensibilidad se define como la concentración necesaria para producir 1% de absorción (0.0044 A); ésta es una medida de la pendiente de la curva de calibración analítica. El límite de detección se suele definir como la concentración requerida para producir una señal igual a tres veces la desviación estándar de la línea base (blanco).
En general, la absorción atómica tiene mayor capacidad de detección para los elementos que emiten por debajo de los 300 nm debido a la gran energía térmica necesaria para excitar a los átomos por emisión a esas longitudes de onda, pero a longitudes de onda entre 300 y 400 nm cualquiera de los métodos puede tener capacidades comparables de detección, si bien la emisión de llama en general es superior en la región del visible.
Tabla 2. Límites de detección representativos para espectrometría de absorción atómica (AAS) y de emisión de llama (FES)
Problema 1:
Averigua la importancia de la presencia de los siguientes metales en el vino, sea esta beneficiosa o perjudicial y coméntala:
Calcio – Potasio – Sodio – Cobre – Hierro – Magnesio – Plata
Problema 2:
En relación a la presencia de Calcio, Potasio y Hierro, ¿cuáles son las estrategias para controlar los niveles elevados de estos cationes en los vinos?
Problema 3:
Analizando la longitud de onda a la que absorbe cada uno de los metales propuestos en la tabla 2 y considerando las particularidades en la detección de las técnicas de Espectrometría de Emisión de Llama y de Espectroscopía de Absorción Atómico. Si tuvieses la posibilidad de elegir, ¿Cuál de las 2 técnicas sería más adecuada para cada uno de los metales analizados? Justifique de manera general.
Problema 4:
Realice un análisis de los siguientes metales: Calcio – Potasio – Sodio – Cobre – Hierro – Magnesio Y considerando las siguientes cuestiones:
- La concentración esperable a encontrar en el vino (lo promedio).
- Los límites de detección de la muestra según la tabla 2.
- La utilización de una microgota de 25 microlitros (0,025 mL) para colocar como muestra en estas técnicas.
¿Cuál sería la técnica de su elección para cada uno de los metales? Exprese todos estos datos en una tabla de doble entrada, así como también su respuesta.
Bibliografía
- Chang, Raymond. 2010. Química. 10ma edición. McGraw Hill. México.
• Capítulo 7: Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos - Gary, Christian. 2009. Química Analítica. 6ta edición. McGraw Hill. México.
• Capítulo 17: Métodos de Espectroscopía Atómica.
- García Barceló, Juan. 1990. Técnicas Analíticas para Vinos. 1era edición. GAB Sistemática Analítica.
Barcelona. España.
• Capítulo 12: Metales
- García Cazorla J., Xirau Vayreda M. y Azorín Romero Robert. 2000. Técnicas usuales de análisis en enología. Panreac Química S.A. Barcelona. España.
• Capítulos 14 y 15.
- Tomasset, L.U. 1995. Química Enológica. Ediciones Mundi-Prensa. Madrid. España.
• Capítulo VI, IX y XVII
