Química analítica: qué es, qué estudia, ramas, métodos
¿Qué es la química analítica?
La química analítica es la rama de la química que se dedica a estudiar o analizar (de allí su nombre) la composición de la materia. Esto quiere decir que se encarga de determinar de qué están hechas las sustancias, así como en qué proporción se encuentra sus componentes.
Se trata de una disciplina netamente experimental que combina conocimientos y habilidades de diferentes áreas que van desde la estadística hasta la física moderna y óptica para desarrollar métodos analíticos que permitan determinar, con un nivel adecuado de confianza, qué contiene una muestra.
Además de su importancia en la investigación científica básica, esta rama de la química se aplica en prácticamente todas las industrias. Esto se debe a que permite monitorear desde la calidad de un producto químico o alimenticio, hasta los niveles de contaminantes presentes en los desechos que se están descargando al medio ambiente.
Historia breve de la química analítica
Se puede trazar los orígenes de la química analítica a los trabajos de Antoine Lavoisier a finales del siglo XVIII, quien llevó a cabo estudios importantes relacionados con la composición de los minerales y del aire, así como del proceso de combustión y de la respiración animal.
Sin embargo, no fue sino hasta el siglo XIX cuando el aprendiz de farmaceuta alemán Carl Fresenius Mohr desarrolló lo que serían las primeras marchas analíticas para determinar la composición cualitativa de una muestra. El libro publicado por Mohr se considera el primer texto de química analítica, y muchos de sus principios aún se enseñan hoy en el aula de clases.
Mohr hizo más que solo publicar sus descubrimientos. También inventó las técnicas volumétricas y diseñó y construyó algunos de los instrumentos de análisis volumétrico más importantes en la química analítica, como lo son las pipetas volumétricas y la bureta.
Adicionalmente, en su laboratorio en Frankfurt, entrenó a muchos otros aprendices en las técnicas que él mismo desarrolló. Además de técnicas cuantitativas como la volumetría y la gravimetría, también les enseñó técnicas cualitativas de análisis químico. Por esto y mucho más, se le considera el padre de la química analítica.
Ramas de la química analítica
La química analítica se puede dividir, a grandes rasgos, en dos clases, dependiendo del objetivo del análisis químico:
Química analítica cualitativa
El primer problema que busca resolver la química analítica es determinar qué contiene una muestra desconocida. Es decir, hallar o identificar cuáles son sus componentes. Este tipo de análisis se denomina análisis cualitativo, por lo que a esta rama de la química analítica también se le denomina química analítica cualitativa.
Química analítica cuantitativa
Esta rama de la química analítica se encarga de determinar cuánto hay de cada componente en una muestra. Es decir, busca medir en qué cantidad, proporción o concentración se encuentran los diferentes componentes, a los cuales se les denomina analitos.
En la mayoría de los casos, el análisis cuantitativo siempre es precedido por el análisis cualitativo, ya que no se puede determinar cuánto de un analito hay presente en una muestra si no se sabe qué analitos hay en la misma.
Es por esto que, salvo en contadas ocasiones en las que se sabe de antemano qué se está analizando, la química analítica cualitativa y cuantitativa siempre van juntas de la mano.
Métodos analíticos
La química analítica utiliza métodos tanto cualitativos como cuantitativos para comprender la composición de la materia:
1. Métodos cualitativos
Los métodos cualitativos se basan en reacciones químicas como la precipitación y la formación de complejos, así como en el uso de técnicas de separación para identificar los componentes de una muestra. Estos son métodos clásicos e incluyen los siguientes ejemplos:
- Marchas analíticas catiónicas: conjunto sistemático de pruebas químicas que permite identificar la presencia de ciertos cationes metálicos.
- Las marchas analíticas aniónicas: conjunto sistemático de pruebas químicas que permite confirmar la presencia de ciertos aniones comunes.
- Pruebas de llama: Un análisis sencillo que permite identificar algunos metales según el color de la llama cuando se quema la muestra.
2. Métodos cuantitativos
Estos consisten en la determinación de la concentración de una especie en una muestra. Los métodos analíticos generalmente se dividen en técnicas húmedas clásicas como la volumetría y la gravimetría, y en técnicas instrumentales modernas como las técnicas espectrométricas y la cromatografía, los cuales serán explicados a continuación:
Métodos de análisis volumétrico
Volumetría se refiere a un conjunto de técnicas para la determinación indirecta de la concentración de un analito en una muestra o en una alícuota de la misma, basadas en la medición del volumen de un reactivo de concentración conocida que es necesario para consumir estequiométricamente al analito. A estas técnicas también se le llaman titulaciones o valoraciones.
Todos los métodos volumétricos se basan en hallar el punto de equivalencia, en el cual se cumple que:
Como los equivalentes son iguales a la concentración normal por el volumen, y se conoce la concentración del titulante, entonces medir su volumen implica que se conocerá el número de equivalentes del titulante, y por lo tanto, del analito o titulado, como se muestra a continuación:
Existen muchos métodos analíticos basados en la volumetría, que se diferencian según el tipo de reacción química que utilizan. En función de esto, se pueden distinguir los siguientes tipos de métodos volumétricos:
- Volumetría ácido-base: en estos casos, o bien el analito es un ácido y el titulante una base, o lo contrario. La reacción es una neutralización ácido-base y el punto final de la titulación se determina por el cambio de color de un indicador químico.
- Volumetría de precipitación: en esta técnica la reacción involucrada es la formación de un precipitado insoluble.
- Valoración o volumetría de formación de complejos: en este caso, la reacción es la formación de un complejo metálico, a veces coloreado, a veces no.
- Volumetría Redox: se refiere a la volumetría que implica una reacción de oxidación y reducción entre el titulante y el analito. Uno hace el papel de agente oxidante y el otro el de reductor.
Métodos de análisis gravimétrico
A diferencia del caso anterior, estos métodos se basan en la medición de la masa o del cambio en la masa de una muestra luego de ser sometida a diferentes tipos de tratamientos tanto químicos como térmicos.
Algunos ejemplos de métodos gravimétricos comunes en el laboratorio de química analítica son:
- Métodos de precipitación: en estos casos, el analito suele ser un ion que se precipita cuantitativamente en forma de una sal insoluble. Dicha sal se filtra y se seca para luego determinar su masa. Con esta masa se determina luego la cantidad del analito que había en la muestra original.
- Métodos de volatilización: a diferencia del anterior, el analito en este caso se separa de la matriz de la muestra en forma de un gas. En algunos métodos, este gas se recoge haciéndolo reaccionar con algún reactivo adecuado para luego pesar el producto de dicha reacción. En otros, la masa del gas se determina por medio de la diferencia de peso antes y después de la volatilización.
- Electrodeposición: es similar a los métodos de precipitación, excepto por el hecho de que el analito se deposita sobre un electrodo a causa de una reacción redox generada por una corriente eléctrica. El aumento de masa del electrodo permite determinar la cantidad de analito que había en la muestra.
Métodos instrumentales
Los métodos analíticos modernos se basan, en su mayoría, en el uso de instrumentos científicos avanzados que son capaces de analizar muestras complejas de manera eficiente, precisa y, en algunos casos, automatizada. Estos métodos se basan en la medición de alguna propiedad física que se pueda correlacionar con la concentración del analito en la muestra.
Algunas técnicas miden diferencias de potencial eléctrico o intensidades de corriente, mientras que otras miden la cantidad de luz emitida o absorbida por átomos o moléculas a longitudes de onda específicas. Algunos ejemplos de métodos analíticos instrumentales son:
- Métodos espectrométricos: estos métodos se basan en el fenómeno de absorción de luz por parte de átomos y moléculas, o en la emisión de luz cuando los átomos son calentados a altas temperaturas. En el primer caso, las técnicas se denominan espectrometría de absorción (atómica o molecular según sea el caso) y en el segundo se llaman espectrometría de emisión atómica.
- Métodos electroanalíticos: a diferencia de los anteriores, estos miden cambios en la electricidad o en las propiedades eléctricas de una muestra en presencia del analito. Esto incluye mediciones de intensidad de corriente (como en el caso de la polarografía), de voltaje (como en el caso de los pH-metros), conductividad eléctrica, etc.
Métodos cromatográficos
La cromatografía se puede considerar como una clase aparte de método analítico aparte, ya que incluye separación, identificación cualitativa y cuantificación todo en uno. Estos métodos pueden combinarse con técnicas volumétricas o instrumentales para el análisis de los analitos separados.
En esta técnica, una muestra compleja se disuelve en un solvente adecuado y se hace fluir a través de un material poroso como un gel, un papel de filtro o arena fina, empujado por el mismo solvente.
Los distintos solutos presentes en la muestra tendrán afinidades diferentes por el material poroso por lo que algunos se moverán más rápido a través del mismo que otros. Al final, se recogen las fracciones que van saliendo para su análisis, o se va analizando en línea por medio de un espectrómetro de absorción.