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Entonces, ¿cómo podemos distinguir las cosas si no están etiquetadas? Los químicos utilizan una técnica llamada análisis elemental para averiguar la composición de los compuestos. Utilizando esta técnica, sería fácil distinguir entre el azúcar y la sal, ¡y evitar otro café estropeado! En este artículo, echaremos un vistazo al análisis elemental y a todos sus usos dentro de la química.
- Este artículo trata del análisis elemental.
- En primer lugar, hablaremos de las distintas aplicaciones del análisis elemental.
- A continuación, trataremos sus diferentes métodos.
- A continuación, veremos un procedimiento general.
- Por último, conoceremos la fórmula utilizada en el análisis elemental y veremos un ejemplo.
Aplicaciones del análisis elemental
Elanálisis elemental es un proceso en el que se analiza una muestra para determinar su composición elemental y, a veces, isotópica.
Los isótopos son formas diferentes de un mismo elemento con el mismo número de protones, pero con un número diferente de neutrones.
Para la composición isotópica, estaríamos determinando la cantidad de isótopos diferentes. Por ejemplo, ver la cantidad de carbono-12 frente a la de carbono-14.
Lo primero que hay que pensar en relación con el análisis elemental es comprender por qué utilizarías esta técnica. Un uso importante sería para muestras de tejido y/o sangre. Si necesitas saber a qué elementos ha estado expuesta una muestra de tejido/sangre, utilizarías el análisis elemental para averiguarlo. En la disciplina de la Toxicología, el análisis elemental es una técnica utilizada a menudo para analizar sustancias.
El análisis elemental tiene amplias aplicaciones en muchas industrias científicas, como el trabajo industrial farmacéutico, la investigación, la geología, la ciencia de los materiales, la ciencia medioambiental y muchas más. Si hay que hacer análisis a granel, como en la industria farmacéutica, el método más habitual sería la fluorescencia de rayos X. El análisis elemental es una técnica analítica crucial en muchos campos de investigación y se utiliza en todo el mundo como forma principal de analizar la composición elemental de las sustancias.
Métodos de análisis elemental
Ahora que sabemos por qué alguien utilizaría el análisis elemental, vamos a sumergirnos en el cómo.
Existen cuatro métodos estándar para realizar análisis elementales mediante instrumentos:
- Fluorescencia de rayos X.
- Absorción atómica.
- Plasma acoplado inductivamente - espectrometría de masas.
- Plasma acoplado inductivamente - espectroscopia de emisión óptica.
Cada una de estas técnicas analíticas tiene sus propias ventajas, y las cuatro se utilizan habitualmente en laboratorios de todo el mundo.
La espectrometría de masas es el método más habitual para realizar análisis elementales (más adelante veremos un ejemplo). Puesto que es el más común, vamos a profundizar un poco más y a recorrer los pasos:
- Se ioniza una muestra: normalmente se pierde un electrón para formar un catión (ion con carga positiva).
- Los iones se clasifican y separan en función de su masa y carga.
- Los iones separados se miden y los datos se muestran en un gráfico.
- Los datos tendrán la masa/carga (m/z) en el eje x y la abundancia relativa en el eje y.
A continuación se muestra una imagen de un espectrómetro de masas:
Fig. 1 - Un espectrómetro de masas.
Al realizar la espectrometría de masas, se dilucidan los resultados de la composición porcentual de cada elemento (de los que hablaremos más adelante), que se utilizan para determinar la fórmula química molecular.
La fórmula química molecular nos da la proporción exacta de los elementos. Esta fórmula es diferente de la fórmula química empírica, que nos dice la proporción más pequeña de elementos dentro de una molécula. Por ejemplo, la fórmula empírica nos daría NO2, mientras que la fórmula molecular es en realidad N2O4.
Procedimiento de análisis elemental
Ahora que ya conocemos los distintos métodos, vamos a ver cómo utilizarlos. Al realizar un análisis elemental, existen dos tipos de análisis: el cualitativo y el cuantitativo.
El análisiscualitativo se centra en determinar qué elementos hay en una muestra, mientras que el cuantitativo mide la cantidad de cada elemento en la muestra.
El procedimiento general para el análisis cualitativo es el siguiente:
- Elige un método para la muestra.
- Utilizando el método elegido, obtienes la identidad de los elementos.
El procedimiento cuantitativo es el mismo, salvo que mide la composición porcentual .
La composiciónporcentual es el porcentaje total de un elemento dentro de una molécula.
- Elegir un método para la muestra
- Con el método elegido, obtener la composición porcentual
- A partir de la composición porcentual, calcula la fórmula empírica o molecular (la que sea pertinente para el método elegido)
Fórmula del análisis elemental
Cualquiera que sea el método que utilicemos, nos dará una tabla con la composición porcentual.
Utilizando la absorción atómica, se obtuvieron los siguientes datos de composición porcentual: 40,9 % de Carbono (C), 4,57 % de Hidrógeno (H) y 54,5 % de Oxígeno (O). ¿Cuál es la fórmula empírica de la muestra?
Nuestro primer paso es convertir de porcentaje a gramos. Podemos suponer que la cantidad total en gramos es de 100 g. Técnicamente, podemos elegir cualquier cantidad, ya que la proporción será la misma, pero este método es más sencillo. Haciendo esta conversión, obtenemos
\(100\,g*40.9\%=40.9\,g\,C\)
\(100\,g*4.57\%=4.57\,g\,H\)
\(100\,g*54.5\%=54.5\,g\,O\)
A continuación, tenemos que convertir a moles. Esto se debe a que la fórmula empírica (y todas las fórmulas químicas) están en unidades de moles. Para ello, divide el número de moles por la masa atómica de cada elemento, que es la cantidad de gramos del elemento por mol. También es el peso que figura bajo el elemento en la tabla periódica.
\(\frac{40.9\,g}{\frac{12.01\,g}{mol}}=3.41\,mol\,C\)
\(\frac{4.57\,g}{\frac{1.01\,g}{mol}}=4.52\,mol\,H\)
\(\frac{54.5\,g}{\frac{16.00\,g}{mol}}=3.41\,mol\,O\)
Nuestro último paso es dividir cada cantidad molar por la variable más pequeña. Al hacerlo, obtendremos la relación entre los elementos.
\(\frac{3.41\,mol\,C}{3.41}=1\,C\)
\(\frac{4.52\,mol\,H}{3.41}=1.33\,H\)
\(\frac{3.41\,mol\,O}{3.41}=1\,O\)
Tenemos una relación de 1:1,33:1; sin embargo, las fórmulas químicas están en números enteros. Entonces, ¿qué hacemos? Pues multiplicamos nuestra proporción por el número más pequeño posible para obtener todos los números enteros. En este caso, ese número es 3.
\(1\,C*3=3\,C\)
\(1,33\,H*3=4\,H\)
\(1\,O*3=3\,O\)
Así que nuestra fórmula final es
\(C_3H_4O_3\)
Algo clave a tener en cuenta es que el cálculo de la fórmula molecular sigue los mismos pasos, salvo que utilizaríamos cantidades exactas en gramos y no estimadas.
Veamos un ejemplo:
Utilizando la absorción atómica, se obtuvieron los siguientes datos de composición porcentual: 85,6 % de carbono (C) y 14,4 % de hidrógeno (H). ¿Cuál es la fórmula molecular de la muestra si la masa total es de 84,16 g?
Como conocemos la masa real, multiplicaremos los porcentajes por dicha masa:
\(84.16\,g*85.6\%=72.1\,g\,C\)
\(84.16\,g*14.4\%=12.1\,g\,H\)
Ahora convertimos de gramos a moles
\(\frac{72.1\,g}{\frac{12.01\,g}{mol}}=6\,mol\,C\)
\(\frac{12.1\,g}{\frac{1.01\,g}{mol}}=12\,mol\,H\)
Así que la fórmula molecular es
\(C_{6}H_{12}\)
Ejemplo de análisis elemental
Ahora que ya hemos cubierto todos los aspectos básicos, ¡es hora de un ejemplo!
Se ha analizado una muestra gaseosa desconocida mediante un espectrómetro de masas, obteniéndose los siguientes datos. ¿Cuál es la fórmula molecular de la muestra?
Fig. 2 - Datos de espectrometría de masas de una muestra desconocida.
Nuestro primer paso es comprender qué nos dicen estos datos. La espectrometría de masas descompone las cosas en fragmentos, no necesariamente en elementos, por lo que cada pico es un fragmento o un elemento. El pico que tiene una intensidad del 100% es el pico de la molécula en sí, por lo que sabemos que la molécula entera tiene una masa de 44 g.
Esto significa que los demás picos son elementos o fragmentos (es decir, moléculas más pequeñas). Vamos a etiquetar cada pico, de izquierda a derecha.
El primer pico es de 12 g, lo que significa que es carbono, que tiene una masa atómica de 12 g/mol. El segundo pico es de 16 g, por lo que es oxígeno (el oxígeno tiene una masa atómica de 16 g/mol).
Ahora el pico de 28 g. Podría ser silicio o monóxido de carbono (CO), que tienen masas de 28 g/mol. Sabemos que esta muestra es un gas, por lo que es más probable que se trate de CO y no de silicio (que suele ser un sólido). Esto también tiene sentido, ya que la masa total de la muestra es de 44 g, y la masa de C+O+Si es de 56 g.
Ahora que conocemos nuestros picos, podemos determinar la identidad de la muestra. Sabemos que la molécula contiene dos elementos: C y O, por lo que podemos restar esas masas de la masa total.
\(44-(12.00+16.00)=16.00\)
Como "sobran" 16 g, eso significa que hay otro átomo de oxígeno presente, por lo que la fórmula completa es \(CO_2\)
Análisis elemental - Puntos clave
- El AnálisisElemental es un proceso en el que se analiza una muestra para determinar su composición elemental y, a veces, isotópica.
- La fórmula química molecular nos da la proporción exacta de elementos. Esto es diferente de la química empírica, que nos dice la proporción más pequeña de elementos dentro de una molécula.
- El análisiscualitativo se centra en determinar qué elementos hay en una muestra, mientras que el cuantitativo mide la cantidad de cada elemento en la muestra.
- Lacomposición porcentual es el porcentaje total de un elemento dentro de una molécula.
- Los pasos básicos del análisis elemental son
- Elegir un método para la muestra.
- Utilizando el método elegido, obtén la composición porcentual.
- A partir de la composición porcentual, calcula la fórmula empírica o molecular (la que sea pertinente para el método elegido).
Referencias
- Fig. 1 - Un espectrómetro de masas (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/50/Thermo_-_Finnigan_LCQ_Mass_Spectrometer_%2815797493459%29.jpg/640px-Thermo_-_Finnigan_LCQ_Mass_Spectrometer_%2815797493459%29.jpg) por Kitmondo LAB (https://www.flickr.com/people/129143611@N03) bajo licencia CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/)
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