Gravimetría: análisis gravimétrico, métodos, usos y ejemplos

La gravimetría es una de las principales ramas de la química analítica comprendida por una serie de técnicas cuya piedra angular en común es la medición de masas. Las masas puede medirse de innumerables maneras: directa o indirectamente. Para lograr tales mediciones imprescindibles las balanzas; gravimetría es sinónimo de masa y balanzas.

Sin importar la ruta o procedimiento seleccionado para obtener las masas, siempre las señales o resultados deben arrojar luz en la concentración del analito o especie de interés; de lo contrario, la gravimetría carecería de valor analítico. Lo anterior sería equivalente a afirmar que un equipo trabajara sin detector y aun así fuera confiable.

En la imagen superior se muestra una balanza antigua con unas manzanas en su plato cóncavo.

Si con esta balanza se determinara la masa de las manzanas, se tendría un valor total proporcional al número de manzanas. Ahora, si se pesaran individualmente, cada valor de masa correspondería a las partículas totales de cada manzana; su contenido proteico, lipídico, azúcares, agua, cenizas, etc.

Por los momentos no hay atisbos de un enfoque gravimétrico. Pero, supóngase que la balanza pudiera ser extremadamente específica y selectiva, menospreciando los demás constituyentes de la manzana mientras se pesa solo el de interés.

Ajustada esta balanza idealizada, con pesar la manzana se podría determinar directamente cuánto de su masa corresponde a un tipo de proteína o grasa en específico; cuánta agua almacena, cuánto pesan todos sus átomos de carbono, etc. De esta manera se estaría determinando gravimétricamente la composición nutricional de la manzana.

Lamentablemente no hay balanza (al menos hoy en día) que pueda hacer esto. Sin embargo, existen técnicas específicas que permiten separar física o químicamente los componentes de la manzana; para luego, y finalmente, pesarlos por separado y construir la composición.

Índice del artículo

• 1 ¿Qué es el análisis gravimétrico?
  • 1.1 -Tipos de gravimetría
  • 1.2 -Precipitado
• 2 Métodos de la gravimetría
  • 2.1 Precipitación
  • 2.2 Electrogravimetría
  • 2.3 Volatilización
  • 2.4 Mecánica o simple
  • 2.5 Termogravimetría
• 3 Usos
• 4 Ejemplo de análisis
  • 4.1 Fosfitos
  • 4.2 Plomo
  • 4.3 Calcio
  • 4.4 Níquel
• 5 Referencias

¿Qué es el análisis gravimétrico?

Descrito el ejemplo de las manzanas, cuando se determina la concentración de un analito mediante la medición de una masa se habla de un análisis gravimétrico. Este análisis es cuantitativo, ya que responde a la pregunta ‘¿cuánto hay?’ concerniente al analito; pero no la responde midiendo volúmenes ni radiación o calor, sino masas.

En la vida real las muestras no son sólo manzanas sino prácticamente cualquier tipo de materia: gaseosa, líquida o sólida. No obstante, sea cual fuera el estado físico de estas muestras, debe poder extraerse de ellas una masa o diferencia de la misma que pueda medirse; la cual, será directamente proporcional a la concentración del analito.

Cuando se dice “extraer una masa” de una muestra, significa obtener un precipitado, el cual consiste de un compuesto que contiene al analito, o sea él en sí mismo.

Volviendo a las manzanas, para medir gravimétricamente sus componentes y moléculas es necesario entonces obtener un precipitado para cada uno de ellos; un precipitado para el agua, otro para las proteínas, etc.

Una vez se pesen todos (luego de una serie de técnicas analíticas y experimentales), se llegará al mismo resultado que el de la balanza idealizada.

-Tipos de gravimetría

En el análisis gravimétrico existen dos formas principales de determinar la concentración del analito: directa o indirectamente. Esta clasificación es global, y de ellas derivan métodos y sinfines de técnicas específicas para cada analito en determinadas muestras.

Directo

El análisis gravimétrico directo es aquel en el que se cuantifica el analito por simple medición de una masa. Por ejemplo, si se pesa un precipitado de un compuesto AB, y conociendo las masas atómicas de A y B, y la masa molecular de AB, se puede calcular la masa de A o B por separado.

Todos los análisis que produzcan precipitados de cuyas masas se calcule la masa del analito, es gravimetría directa. La separación de los componentes de la manzana en distintos precipitados es otro ejemplo de este tipo de análisis.

Indirecto

En los análisis gravimétricos indirectos se determinan las diferencias de masas. Aquí se realiza una sustracción, la cual cuantifica el analito.

Por ejemplo, si la manzana en la balanza se pesa primero, y luego se calienta a resequedad (pero sin quemarla), se vaporizará toda el agua; es decir, la manzana perderá todo su contenido de humedad. La manzana seca vuelve a pesarse, y la diferencia de masas será igual a la masa de agua; por lo tanto, se ha cuantificado el agua gravimétricamente.

Si el análisis fuera directo, tendría que diseñarse un método hipotético con el que pudiera sustraerse toda el agua de la manzana y cristalizarla en una balanza aparte para pesarla. Evidentemente, el método indirecto es el más fácil y práctico.

-Precipitado

Quizás pueda parecer simple en principio obtener un precipitado, pero implica realmente ciertas condiciones, procesos, uso de enmascarantes y agentes precipitantes, etc.,  para poder separarlo de la muestra y que esté en perfectas condiciones para pesarlo.

Características esenciales

El precipitado debe cumplir con una serie de características. Algunas de estas son:

Alta pureza

Si no fuera lo suficiente puro, se estaría asumiendo las masas de las impurezas como parte de las masas del analito. Por lo tanto, los precipitados deben purificarse, ya sea por lavado, recristalización, o por cualquier otra técnica.

Composición conocida

Supóngase que el precipitado pueda sufrir la siguiente descomposición:

MCO₃(s) => MO(s) + CO₂(g)

Ocurre que no se sabe hasta qué tanto de MCO₃ (carbonatos metálicos) se ha descompuesto en su óxido respectivo. Por lo tanto, no se conoce la composición del precipitado, debido a que podría tratarse de una mezcla MCO₃·MO, o MCO₃·3MO, etc. Para solucionar esto, hay que garantizar la completa descomposición del MCO₃ a MO, pesándose MO solamente.

Estabilidad

Si el precipitado se descompone por la luz ultravioleta, el calor, o por el contacto con el aire, su composición deja de ser conocida; y se está nuevamente ante la situación anterior.

Masa molecular alta

Mientras mayor sea la masa molecular del precipitado, más fácil será su pesada, ya que se necesitará de menores cantidades para anotar una lectura de la balanza.

Baja solubilidad

El precipitado debe ser lo suficientemente insoluble para poder filtrarlo sin mayores complicaciones.

Partículas grandes

Aunque no sea estrictamente necesario, el precipitado debe ser lo más cristalino posible; es decir, el tamaño de sus partículas deben ser lo más grandes posibles. Cuanto más pequeñas sean sus partículas, más gelatinoso y coloidal se vuelve, y requiere entonces de un mayor tratamiento: secado (eliminar solvente) y calcinación (volver su masa constante).

Métodos de la gravimetría

Dentro de la gravimetría existen cuatro métodos generales, los cuales se mencionan a continuación.

Precipitación

Ya mencionado a lo largo de los subapartados, consisten en precipitar cuantitativamente el analito para poder determinarlo. La muestra se trata física y químicamente para que el precipitado sea lo más puro y adecuado posible.

Electrogravimetría

En este método el precipitado se deposita sobre la superficie de un electrodo por el cual se hace pasar una corriente eléctrica dentro de una celda electroquímica.

Este método es ampliamente utilizado en la determinación de metales, ya que se depositan los mismos, sus sales u óxidos e, indirectamente, se calcula sus masas. Primero los electrodos se pesan antes de entrar en contacto con la solución en la que se ha disuelto la muestra; luego, se vuelve a pesar una vez tengan depositado en su superficie el metal.

Volatilización

En los métodos gravimétricos de volatilización se determinan las masas de los gases. Estos gases se originan producto de una descomposición o reacción química que sufre la muestra, los cuales se relacionan directamente con el analito.

Al tratarse de gases, es necesario utilizar una trampa para recolectarlo. La trampa, al igual que los electrodos, se pesa antes y después, calculándose así indirectamente la masa de gases recolectada.

Mecánica o simple

Este método gravimétrico es en esencia físico: se basa en técnicas de separación de mezclas.

A través del uso de filtros, tamices o cedazos, se recolectan los sólidos de una fase líquida, y se pesan directamente para determinar su composición sólida; por ejemplo, el porcentaje de arcilla, residuos fecales, plásticos, arena, insectos, etc., de una corriente de agua.

Termogravimetría

Este método consiste, a diferencia de los demás, en caracterizar la estabilidad térmica de un sólido o material a través de sus variaciones de masa en función de la temperatura. Prácticamente se puede pesar una muestra caliente con una termobalanza, e ir registrando su pérdida de masa a medida que se aumenta la temperatura.

Usos

En términos generales se presentan algunos usos de la gravimetría, independientemente del método y del análisis:

-Separa distintos componentes, solubles e insolubles, de una muestra.

-Realiza un análisis cuantitativo a un tiempo menor cuando no se requiera construir una curva de calibración; se determina la masa y se conoce de una vez cuánto del analito hay en la muestra.

-No solo separa el analito, sino que además lo purifica.

-Determina el porcentaje de cenizas y humedad de sólidos. Asimismo, con un análisis gravimétrico puede cuantificarse su grado de pureza (siempre y cuando la masa de las sustancias contaminantes no sea menor a 1 mg).

-Permite caracterizar un sólido mediante un termograma.

-La manipulación de sólidos y precipitados suele ser más simple que la de los volúmenes, por lo que facilita ciertos análisis cuantitativos.

-En laboratorios de docencia, sirve para evaluar el desempeño de los estudiantes en técnicas de calcinación, de pesada, y en el uso de crisoles.

Ejemplo de análisis

Fosfitos

A una muestra disuelta en medio acuoso se le puede determinar sus fosfitos, PO₃^3-, mediante la siguiente reacción:

2HgCl₂(ac)+PO₃^3-(ac)+3H₂O(l) ⇌ Hg₂Cl₂(s)+2H₃O⁺(ac)+2Cl⁻(ac)+2PO₄^3-(ac)

Nótese que el Hg₂Cl₂ precipita. Si se pesa el Hg₂Cl₂ y se calcula sus moles, se podrá calcular siguiendo la estequiometría de la reacción cuánto PO₃^3- había originalmente. A la disolución acuosa de la muestra se le adiciona un exceso de HgCl₂ para garantizar que todo el PO₃^3- reaccione para formar el precipitado.

Plomo

Si se digiere en medio ácido, por ejemplo, un mineral que contiene plomo, los iones Pb²⁺ pueden depositar como PbO₂ en un electrodo de platino mediante una técnica electrogravimétrica. La reacción es:

Pb²⁺(ac)+4H₂O(l) ⇌ PbO₂(s)+H₂(g)+2H₃O⁺(ac)

El electrodo de platino se pesa antes y después, y así se determina la masa de PbO₂, de la cual con un factor gravimétrico, se calcula la masa de plomo.

Calcio

El calcio de una muestra puede precipitarse adicionando a su disolución acuosa ácido oxálico y amoníaco. De esta manera el anión oxalato se genera lentamente y produce un mejor precipitado. Las reacciones son:

2NH₃(ac) + H₂C₂O₄(ac) → 2NH₄⁺(ac) + C₂O₄^2-(ac)

Ca²⁺(ac) + C₂O₄^2-(ac) → CaC₂O₄(s)

Pero el oxalato de calcio se calcina para producir el óxido de calcio, un precipitado de composición más definida:

CaC₂O₄(s) → CaO(s) + CO(g) + CO₂(g)

Níquel

Y para finalizar, la concentración de níquel de una muestra puede determinarse gravimétricamente mediante el uso de dimetilglioxima (DMG): un agente precipitante orgánico, con el cual forma un quelato que precipita y tiene un color rojizo característico. La DMG se genera insitu:

CH₃COCOCH₃(ac) + 2NH₂OH(ac) → DMG(ac) + 2H₂O(l)

2DMG(ac) + Ni²⁺(ac) → Ni(DMG)₂(s) + 2H⁺

El Ni(DMG)₂ se pesa y con un cálculo estequiométrico se determina cuánto níquel contenía la muestra.

Referencias

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Química Analítica Cuantitativa (quinta ed.). PEARSON Prentice Hall.
2. Harvey D. (23 de abril de 2019). Overview of Gravimetric Methods. Chemistry LibreTexts. Recuperado de: chem.libretexts.org
3. Chapter 12: Gravimetric Methods of Analysis. [PDF]. Recuperado de:  web.iyte.edu.tr
4. Claude Yoder. (2019). Gravimetric Analysis. Recuperado de: wiredchemist.com
5. Gravimetric analysis. Recuperado de: chem.tamu.edu
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 de febrero de 2019). Gravimetric Analysis Definition. Recuperado de: thoughtco.com
7. Siti Maznah Kabeb. (s.f.). Analytical Chemistry: Gravimetric Analysis. [PDF. Recuperado de: ocw.ump.edu.my
8. Singh N. (2012). A rugged, precise and accurate new gravimetry method for the determination of gold: an alternative to fire assay method. SpringerPlus, 1, 14. doi:10.1186/2193-1801-1-14.