A día de hoy, son muchos los procedimientos que se emplean para la identificación y determinación de estos iones metálicos en muestras de agua. Existe una amplia gama de técnicas que se han ido perfeccionando a lo largo de los años y que van desde aquellas basadas en reacciones colorimétricas, las cuales requieren pocos medios instrumentales, hasta las más innovadoras que emplean la compleja y satisfactoria instrumentación electrónica moderna. A continuación iremos definiendo y valorando estos procedimientos.
- MÉTODOS COLORIMÉTRICOS:
Se trata de métodos clásicos, prácticamente en desuso en la actualidad, por su escasa sensibilidad en lo que al análisis del metal se refiere. Se basan en la intensidad del color que toman determinados reactivos específicos en presencia de metales como el cadmio y el plomo. Dicha intensidad puede valorarse macroscopicamente comparándola con la que toman soluciones de concentración conocida, del metal en cuestión. El campo de aplicación puede ampliarse mediante el uso de fotocolorímetros, debido a la mejora de la sensibilidad que supone el empleo de sistemas de filtros y detectores electrónicos.
- MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS:
Se basan en la obtención de compuestos metálicos de cadmio y plomo insolubles, y luego se separan ordinariamente de una solución acuosa, pasando a su posterior desecación y pesada. La técnica más empleada es la centrifugación, la cual nos permite trabajar sin apenas pérdida alguna de precipitado. Tras la centrifugación de la muestra a 5.000 r.p.m. (separación completa), se separa por decantación con sifón capilar o pipeta pasteur el líquido sobrenadante. Prosigue el lavado del precipitado obtenido con agua destilada y, una vez decantada el agua del lavado, se deseca el contenido del tubo en una estufa (a 60°C máximo). Después, se realiza la pesada del contenido seco en una balanza de precisión.
Los reactivos más utilizados para la precipitación del cadmio son el ácido 2-aminobenzoico, el ácido quináldico, el 1-5-difenilcarbazida y la 8-hidroxiquinolina (micogravimetrías).Para el plomo son el 2-mercaptobenzotiazol, la saliciladoxima, la tiourea (identificación cualitativa), ácido cloranílico (determinación cuantitativa). Para ambos se utiliza el dietil-ditiocarbamato sódico. Forma complejos con sustancias solubles en disolventes orgánicos.
-Determinación gravimétrica al estado de sulfuro. Al precipitar el cadmio al estado de sulfuro, es necesario evitar que la disolución esté excesivamente ácida, pues de ser así, la precipitación no es cuantitativa. Cuando la precipitación se hace en caliente, el precipitado resulta más fácilmente filtrable; el color oscila entre el amarillo claro y el pardo oscuro, según la temperatura de precipitación. El sulfuro obtenido se filtra a través de un crisol de porcelana porosa, se lava y se seca a 100ºC. El azufre eventual puede eliminarse previamente lavando con alcohol, sulfuro de carbono y alcohol. El precipitado se observa al microscopio para la identificación de los cristales de cadmio del sulfuro.
CdS * 0.7779 (log=0.89090-1) = Cd
-Determinación gravimétrica de plomo al estado de sulfuro. Las sales de plomo, tanto en medio débilmente ácido como alcalino, precipitan a sulfuro de plomo. Este sulfuro es soluble en ácido nítirco 2N a ebullición, formando nitrato de plomo y precipitado de azufre, y también en ácido clorhídrico concentrado. Cabe destacar que en disoluciones débilmente ácidas, la precipitación del sulfuro de plomo pierde sensibilidad en presencia de cloruros, por lo tanto se debe eliminar la mayor cantidad posible de cloruro sódico que puede contener el agua muestra. El mínimo de detección en precipitaciones a la gota de plomo al estado de sulfuro es de 200 ppm.
- MÉTODOS VOLUMÉTRICOS:
Consiste en verter sobre la solución que contiene al metal de interés, un reactivo cuya cantidad sea medida lo más exactamente posible de su volumen. Para ello se utilizan buretas graduadas en mL y décimas de mL, microburetas y micropipetas. Siempre se utiliza un dispositivo para conocer con mayor precisión el punto exacto del final de la adición del reactivo (indicadores de pH coloreados, determinación del pH por vía electrónica, valoración espectrofotométrica del cambio de color etc.)
Los reactivos utilizados para el cadmio son: ácido 2-aminobenzoico y 8-hidroxiquinoleina (también utilizados para gravimetrías y titrimetrías); y para el plomo son: Titriplex III (sal disódica del ácido etilen-dinitriltetracético) y tioanilida (para gravimetrías y para volumetrías yodométricas de plomo).
-Valoración con sulfuro sódico. En la determinación del cadmio se trata con pequeñas cantidades, por ello se debe partir de pesadas grandes (5 a 10 g), aislar primero el cadmio al estado de sulfuro y después disolver éste con ácido clorhídrico diluído y caliente. La disolución clorhídrica se neutraliza con amoníaco y luego se agrega amoniaco para un exceso de 1 a 2 % en volumen. Se valora entonces con disolución de sulfuro sódico, empleando como indicador papel de plomo. También se debe comprobar la valoración con cadmio metálico en cantidad proporcionada al contenido de la muestra. Este método sólo debe ser empleado para ensayos rápidos y no muy precisos. Cuando hay mayores cantidades de cadmio, basta utilizar pesadas de 1 a 2 g.
-Determinación volumétrica indirecta con disolución de yodo. Esta determinación está basada en la oxidación por el yodo del sulfuhídrico que se produce al disolver el sulfuro en ácido Es conveniente agregar una cantidad conocida de disolución de yodo a la disolución de sulfuro y luego valorar con tiosulfato sódico el yodo en exceso: 1 cc. de disolución 1/10 n. de yodo = 0.00562 gr.* (log = 0.74974 -3) Cd. Sin embargo, como el precipitado de sulfuro de cadmio obtenido con la corriente sulfuhídrica está siempre impurificado, los resultados obtenidos por este método tampoco pueden ser utilizados más que para fines de comprobación industrial.
REACCIÓN: H2S + I2⁼S + 2HI
- REACCIONES A LA GOTA:
Consiste en mezclar una pequeña cantidad de la solución muestra con una gota de reactivo y observar si se producen los cambios esperados que nos informan de la presencia de Cd y Pb en la disolución. Se trata de reacciones orientativas, muy sensibles pero sin la especificidad necesaria para ser considerada una técnica de análisis cuantitativo rutinario. A veces, se combina con gravimetrías y titrimetrías.
Existen numerosas substancias susceptibles de sufrir modificaciones ante la presencia de metales traza como cadmio y plomo y que se utilizan para reaccionar a la gota. Para el Cadmio*: Cadion-2B, Difenilcarbazida, Ditizona. Para el Plomo: Bencidina, Galocianina, 2-mercaptodiazol. Para Cadmio y Plomo se utiliza Etilditiocarbamato de etilamina, Dietilditiocarbamato sódico y 8- Hidroxiquinoleina.
*“El mínimo de cadmio detectable en reacciones a la gota es de 100 ppm”
- MÉTODOS CROMATOGRÁFICOS:
Otra determinación y separación de Cd⁺² y Pb⁺² con una precisión elevada es la cromatografía en papel y en capa fina. En ambos casos, los dos metales están distanciados de una forma extraordinaria. Deste modo, empleando como disolvente de elución el etanol/ácido clorhídrico 5M, se obtienen los siguientes valores de Rf (factor de retención): Para Cadmio se obtienen valores entre 0,79-1 (casi el máximo) mientras que para el Plomo se obtienen cifras de 0,12-0,16. Para su detección se emplean dos tipos de soluciones:
A) 0,5-1% de sulfuro sódico en agua (aporta color y fluorescencia): Cadmio aparece de color amarillo y el plomo de color negro.
B) 0,05% Ditizona en Cloroformo (sólo color): Cd y Pb forman complejos rojos con ditizona (518 nm, el de Cd y 510 nm los de Pb) que se extraen en cloroformo. Es necesario eliminar las interferencias cada uno de ellos en la determinación del otro (método extractofotométrico).
- MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS:
La espectroscopía de emisión se basa en excitar los átomos del metal (incrementando las vibraciones de los electrones) para que emitan radiaciones espectralmente características, lo que permiten el análisis cualitativo y cuantitativo. Son métodos de reducida sensibilidad y el límite de detección oscila entre 50-500 ppm, según el metal. Exiten dos modalidades básicas:
-Espectroscopía de Emisión con Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-AES): La espectroscopía de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente (ICP-AES) se basa en la vaporización, disociación, ionización y excitación de los diferentes elementos químicos de una muestra en el interior de un plasma. El plasma es un gas ionizado, eléctricamente neutro y confinado en un tubo de descarga, donde hai un equilibrio entre partículas cargadas y neutras del gas ionizado. Se necestian temperaturas superiores a las de absorción atómica para elevar el gas al estado atómico. Se trata de un método rápido, sensible y conveniente para determinar metales traza en muestras de agua. Las muestras deben estar filtradas y aciduladas.
Durante el proceso de excitación se producen las emisiones de radiación electromagnética en la zona del UV-visible. Estas radiaciones son características de cada elemento y se separan en función de su longitud de onda y finalmente se mide su intensidad. La selección de la longitud de onda nos permite determinar el metal cualitativamente, mientras que la intensidad de la radiación emitida nos permitirá cuantificarlo.
-Espectrometría de Masas con Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-MS): El ICP-MS es una técnica de análisis inorgánico capaz de determinar y cuantificar la mayoría de los elementos de la tabla periódica. Posee unos límites de detección para la mayoría de los elementos de unas pocas ppb-ppt, ideal para el análisis de elementos traza. La muestra líquida es vaporizada e ionizada gracias a un plasma de argon (Ar). Los iones una vez formados pasan al espectrómetro de masas donde son separados mediante un analizador y detectados. Es posiblemente la técnica más adecuada para el control analítico de la contaminación ambiental por metales traza debido a su capacidad multielemental y rapidez de análisis, bajos límites de detección, capacidad isotópica y versatilidad, bajo coste económico y alta precisión. Además permite un análisis cualitativo, semicuantitativo y cuantitativo, y medida de relaciones isotópicas en una gran variedad de muestras.
Por una parte se obtiene una matriz libre de interferencias y por otra parte, una alta relación señal-ruido característica de esta técnica. El plasma de acoplamiento inductivo de argón es una fuente de ionización a presión atmosférica muy eficaz que permite la introducción continua de muestras líquidas (por nebulización), sólidas (por ablación láser) o gaseosas (por acoplamiento Cromatografía de Gases ICP-MS o generación de hidruros). La muestra introducida en esta fuente sufre tª superiores a 6000°C lo que genera la ruptura total de los enlaces químicos (atomización) y la ionización elemntal en función del potencial de ionización. El espectro de masas de esta fuente de iones es medido por medio de un espectrómetro de masas cuadrupolar.
- MÉTODOS POLAROGRÁFICOS:
La Polarografía utiliza métodos de análisis electrolítico cuyo principio se basa en la observación y registro de las variaciones de intensidad de la corriente de los baños electrolíticos (curvas polarográficas). Esto se debe a la polarización de los electrodos según la concentración y la naturaleza de los cationes disueltos en la muestra. El límite de detección para el cadmio es de 0,01 ppm y para el plomo de 6 ppm. Son técnicas de elevada sensibilidad y exactitud pero requieren un complicado manejo y un elevado coste económico.
-Procedimiento voltamperométrico. A la gran variedad de técnicas electroanalíticas, se han incorporado las denominadas técnicas polarográficas: polarografía de impulsos diferencial ("differential pulse polarography", DPP), voltamperometría de redisolución anódica ("differential pulse anodic stripping voltammetry", DPASV), voltametría adsortiva de redisolución ("adsortive stripping voltammetry" (AdSV), voltamperometría de: redisolución catódica ("differential pulse catòdic stripping voltammetry",DPCSV) y voltametría adsorptiva de redisolución anódica ("differential pulse adsortive stripping voltammetry", DPAdSV). En la siguiente Tabla se indica la técnica incorporada en función del analito y de las concentraciones:
Ion metálico | Concentraciones | Técnica Polarográfica |
Cu, Zn, Cd, Pb | 10ˉ⁴ M > [M] > 10ˉ⁷ M 10ˉ⁷ M > [M] > 10ˉ9 M [M] <10ˉ9 M | DPP con DME/SMDE DPASV con HMDE DPASV con MTFE |
Voltamperometría de impulso diferencial:
El programa de potencial combina saltos lentos de potencial 1 mV/s con una secuencia de pulsos de amplitud fija. Los pulsos, de 5 a 250 mV, son repetidos durante los saltos de potencial y duran alrededor de 50 ms. La corriente se mide dos veces: una vez justo antes de aplicar el pulso y otra durante los ms finales del mismo. La primera corriente se resta instrumentalmente de la segunda por lo que el voltagrama de pulso es un gráfico de diferencias de corriente en función del potencial antes de aplicar el pulso. El uso de pulsos minimiza los efectos de la corriente de carga y mejora la relación señal – ruido,lo que mejora el límite de detección. Cuando el potencial antes y el potencial después del pulso están lejos del potencial formal del analito en disolución no se observará ningún cambio en la corriente faradaica. Sin embargo, cuando al menos uno de esos potenciales se encuentra en la porción de crecimiento de la corriente de la onda voltamperométrica, se medirá una corriente faradaica significativa con esta. La diferencia de corriente media (Δi) proporciona al voltagrama un pico que es análogo a la derivada de la onda polarográfica. La corriente en el pico es una medida cuantitativa de la concentración y el potencial en el pico viene dado por: Emáx. = E1/2 - DE/2
8. MÉTODOS ESPECTROFOTOMÉTRICOS:
Existen dos modalidades:
-Espectrofotometría de Absorción Molecular (MAS). Es un proceso físico según el cual un rayo de luz (blanco,U.V., I.R., etc.) monocromático o con varias longitudes de onda, al atravesar la disolución con el analito problema, sale refractado con una intensidad inferior a la que tenía en el momento de la incidencia. Para ello se utiliza un espectrofotémetro de absorción molecular, el cual mide a una determinada longitud de onda: la densidad óptica, la extinción, la absorbancia y la transmitación. También se utilizan reactivos susceptibles de valoración espectrofotométrica (intensidad de la luz es proporcional a la concentración a una determinada longitud de onda). Estos forman complejos con los metales disueltos, como: Ditizona( Cd y Pb), 8-hidrozxiquinoleina (Cd), sal monosódica de la PAR (Pb). Este es un método se elevada sensibilidad pero falto de especificidad ya que forma complejos con otros metales (interferencias).
- Espectrofotometría de Absorción Atómica (AAS). Es una técnica que utiliza normalmente una llama (de aire-acetileno, tª superior a 900°C) por aspiración directa para atomizar la disolución de la muestra de modo que los elementos a analizar se encuentran en forma de vapor de átomos. Ahora bien, en absorción atómica existe una fuente independiente de luz monocromática, específica para cada elemento a analizar y que se hace pasar a través del vapor de átomos, midiéndose posteriormente la radiación electromagnética absorbida por los átomos del metal. En la absorción atómica, la sensibilidad depende del número de átomos que se encuentran en el estado fundamental. La absorción atómica da lugar, en general, a una mayor sensibilidad que otras técnicas para un gran número de elementos. Además, la absorción atómica es una técnica que presenta menos interferencias y es más simple.
La técnica de aspiración a la llama (FAAS) se puede basar en dos tipos de extracciones de Cd y Pb: con Pirrolidin-ditiocarabamato de amonio (APDC) y metil-isobutilcetona (MIBK) o con Ditizona, formando ditizonatos fácilmente extraíbles con tetracloruro de carbono o cloroformo (disolventes orgánicos). Tras la extracción, se lleva a la llama del espectrofotómetro el decantado obtenido y se prosigue con la realización de las lecturas en aborbancia y comparándolas con las obtenidas de las solución blanco y patrón. La concentración de la muestra se obtendrá comparando con soluciones patrón de concentración conocida (límite de detección para Cd= 0,01ppm y para Pb= 0,1 ppm).
Esta técnica presenta un inconveniente: a bajas concentraciones, se producen interferencias que impiden llegar a obtener límites de detección más pequeños en presencia de cloruro sódico (NaCl). Por ello, se necesita extraer con disolventes selectivos para el NaCl. Con esto se procede a la extracción del NaCl por saturación del agua de la muestra con ácido clorhídrico, ya que es insoluble en este y cristaliza fácilmente. Se puede emplear un aparato que produzca una corriente de ácido clorhídrico seco con la que podemos saturar eventualmente las muestras con concentraciones importantes de NaCl.
Existe otro método alternativo para la determinación de Cadmio y Plomo: la Espectrofotometría de Absorción Atómica por atomización Electrotérmica (ETAAS). Para la atomización electrotérmica se utiliza un Horno de grafito. Este es un método simple, fácilmente automatizable, de elevada sensibilidad, precisión y exactitud pero con límites de detección más bajos y un gasto económico casi prohibitivo. Los espectrofotómetros de absorción atómica con corrector de fondo de lámpara de deuterio y atomizador electrotermal de cámara de grafito son de los aparatos más caros en el mercado.
POR EJEMPLO: Procedimiento y tratamiento estadísticos en la determinación de Cd y Pb por TS-FF-AAS (Thermospray flame furnace atomic absorption spectrometry).
Para aplicar la TS-FF-AAS se emplea un espectrofotómetro de absorción atómica modelo GBC 902 y un espectrofotómetro de absorción atómica Perkin-Elmer "Aanalyst 300". Las mediciones se realizan a condiciones estándar según el manual del espectrofotómetro: longitudes de onda de 228,8 nm para Cd y 283,3 nm para Pb. En todas las mediciones se emplea como corrector de fondo una lámpara de deuterio.
A continuación, la TS-FF-AAS, se procede a inyectar y transportar por medio de una bomba peristáltica a un flujo de 0,5 mL/min un volumen de muestra de 50 µL que pasa a través de un tubo capilar cerámico y que confluye finalmente dentro de un tubo metálico (tubo "Inconel" ASTM B 167), la fuente de atomización que está dispuesta sobre la llama del AAS. Para las mediciones se emplea una válvula de inyección "Knauer" Modelo 2344 provisto con un bucle de volumen de muestra de 50 µL.
Para el tratamiento de las señales analíticas, el equipo de AAS se conecta a un ordenador a través de una interfase y utilizando un software de adquisición y procesamiento de datos. Para el análisis de contraste de significación entre los resultados obtenidos por TS-FF-AAS y los certificados se empleará el software de estadística "Statistica® 5.1 '98 Edition".
Resultados de la técnica:
En la Figura 1 se presentan las típicas señales para la curva de calibración de Cd, y Pb obtenidas por la metodología TS-FF-AAS y usando como matriz una salmuera sintética de 2,5% m/v NaCl; 0,5% m/v MgCI2 y 0,8% m/v CaCl2 (equivalente a 38%o de solutos disueltos). La Tabla 1 muestra la comparación de los límites de detección obtenidos por TS-FF-AAS y por espectrofotometría de absorción atómica con llama. Los límites de cuantificación (10*sblanco/sensibilidad, N=25) por TSFF-AAS fueron: 1,1; 8,4 y 0,7 µg L-1 para Cd y Pb respectivamente.
El uso de la TS-FF-AAS para la determinación de metales traza en sedimento aumentó considerablemente la sensibilidad disminuyendo los límites de detección en aproximadamente 30 veces para Cd y 4 veces para Pb, con respecto de la espectrofotometría de absorción atómica con llama. La repetibilidad de las señales para Cd y Pb calculada como altura de pico fue considerada adecuada, con coeficientes de variación que fluctuaron entre 2 y 4%. En la Figura 2 se presenta como ejemplo la repetibilidad de las señales obtenidas en inyecciones sucesivas para una muestra de Pb de concentración 600 µg L-1. Estas repetibilidades resultaron ser también muy similares a las obtenidas para Cd.
En la Tabla 2 se presenta un resumen los contenidos de Cd y Pb obtenido por TS-FF-AAS en este material de referencia. La exactitud de los resultados en términos de error relativo respecto del valor del material de referencia certificado son de 8% para Cd y 5% para Pb. La aplicación de un test de contraste de significación estadística (H0 è X1=X2; S21=S22 ; N1=6 y N2=110; p>0,05) entre los resultados experimentales y los resultados del Material de Referencia Certificado mostró que estadísticamente hay diferencia significativa en la determinación de Cd y Pb en sedimentos marinos (para Cd p=0,001; para Pb p=0,03).
Dadas las concentraciones de la figura 1 para el cadmio y para el plomo, se puede hallar la recta de calibrado (y= ax + b) con los valores aproximados de la absorbancia:
-Recta de Regresión del Cd: y= 0,0032x + 0,0351 (R^2=0,9892).
-Recta de regresión del Pb: y=0,0004x - 0,06 (R^2=0,9797).
BIBLIOGRAFÍA
- Artículos:
- UNIVERSIDAD DE BARCELONA/ Departamento de Medicina Legal y Toxicología/ "DETRMINACIÓN DEL CADMIO Y DEL PLOMO EN AGUAS DE CONSUMO"/ Emilio Huget Ramia/ Edición 1981/ISBN:84-600-24488-1/DL:B-37435-1981.
-ESTUDIO DE LOS NIVELES DE PLOMO, CADMIO, ZINC Y ARSÉNICO, EN AGUAS DE LA PROVINCIA DE SALAMANCA.Proyecto de Investigación Coordinado Multidepartamental subvencionado por la Junta de Castilla y León (1984). Angel Luis Blanco Hernández (l), Dionisio Alonso Gutiérrez (2), Oroncio Jiménez de Blas (3),Margarita Santiago Guervós(l), Benito de Miguel Manzano (1).
-“Thermospray flame furnace atomic absorption spectrometry (TS-FF-AAS): application for total determination of Cd, Pb and Zn in fresh waters, seawater and marine sediments”. Elizabeth GonzálezI; Ramón AhumadaI; Valentina MedinaI; José NeiraII; Urcesino GonzálezIII
· Libros: Skoog, Holler, Nieman “Principios de Análisis Instrumental”, quinta edición, Mc.Graw-Hill (2000).
· Webs: www.ubu.es, www.uam.es, cdigital.dgb.uanl.mx.
