1.1: Qué es la Química Analítica

“La química analítica es lo que hacen los químicos analíticos”.

Esta cita se atribuye a C. N. Reilly (1925-1981) al recibir el Premio Fisher de 1965 en Química Analítica. Reilly, quien fue profesor de química en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, fue uno de los químicos analíticos más influyentes de la última mitad del siglo XX.

Para otra visión de lo que constituye la química analítica, consulte el artículo “Quo Vadis, ¿Química Analítica?” , cuya referencia completa es Valcárcel, M. Anal. Bioanal. Chem. 2016, 408, 13-21.

Comencemos con una pregunta engañosamente sencilla: ¿Qué es la química analítica? Como todas las áreas de la química, la química analítica es tan amplia en alcance y tanto en flujo que es difícil encontrar una definición simple más reveladora que la citada anteriormente. En este capítulo trataremos de ampliar esta sencilla definición diciendo un poco sobre lo que es la química analítica, así como un poco sobre lo que no es la química analítica.

La química analítica a menudo se describe como el área de la química responsable de caracterizar la composición de la materia, tanto cualitativamente (¿Hay plomo en este chip de pintura?) y cuantitativamente (¿Cuánto plomo hay en este chip de pintura?). Como veremos, esta descripción es engañosa.

La mayoría de los químicos realizan rutinariamente mediciones cualitativas y cuantitativas. Por esta razón, algunos científicos sugieren que la química analítica no es una rama separada de la química, sino simplemente la aplicación del conocimiento químico [Ravey, M. Spectroscopy, 1990, 5 (7), 11]. De hecho, probablemente hayas realizado muchos de esos análisis cuantitativos y cualitativos en otros cursos de química.

Podrías, por ejemplo, haber determinado la concentración de ácido acético en vinagre usando una titulación ácido-base, o haber usado un esquema de qual para identificar cuáles de varios iones metálicos están en una muestra acuosa.

Definir la química analítica como la aplicación del conocimiento químico ignora la perspectiva única que un químico analítico aporta al estudio de la química. El oficio de la química analítica no se encuentra en realizar un análisis de rutina en una muestra rutinaria —una tarea que apropiadamente llamamos análisis químico— sino en mejorar los métodos analíticos establecidos, en extender estos métodos analíticos a nuevos tipos de muestras y en desarrollar nuevos métodos analíticos para medir fenómenos químicos [de Haseth, J. Espectroscopia, 1990, 5 (7), 11].

Aquí hay un ejemplo de la distinción entre química analítica y análisis químico. Un ingeniero minero evalúa un mineral comparando el costo de eliminar el mineral de la tierra con el valor de su contenido, que estiman analizando una muestra del mineral. El reto de desarrollar y validar un método analítico cuantitativo es responsabilidad del químico analítico; la aplicación rutinaria y diaria del método analítico es tarea del analista químico.

Las siete etapas de un método analítico

1. Concepción del método analítico (nacimiento).
2. Demostración exitosa de que el método analítico funciona.
3. Establecimiento de las capacidades del método analítico.
4. Aceptación generalizada del método analítico.
5. El desarrollo continuo del método analítico conduce a mejoras significativas.
6. Nuevo ciclo a través de los pasos 3—5.
7. El método analítico ya no puede competir con los métodos analíticos más nuevos (muerte).

Los pasos 1—3 y 5 son la provincia de la química analítica; el paso 4 es el ámbito del análisis químico.

Las siete etapas de un método analítico que se enumeran aquí se modifican a partir de Fassel, V. A. Fresenius' Z. Anal. Chem. 1986, 324, 511—518 y Hieftje, G. M. J. Chem. Educ. 2000, 77, 577—583.

Otra diferencia entre la química analítica y el análisis químico es que un químico analítico trabaja para mejorar y extender los métodos analíticos establecidos. Por ejemplo, varios factores complican el análisis cuantitativo del níquel en los minerales, incluyendo la distribución desigual del níquel dentro del mineral, la compleja matriz del mineral de silicatos y óxidos, y la presencia de otros metales que pueden interferir con el análisis. La figura 1.1.1 describe un método analítico estándar en uso a finales del siglo XIX [Fresenius. C. R. Un Sistema de Instrucción en Análisis Químico Cuantitativo; John Wiley and Sons: New York, 1881]. La necesidad de muchas reacciones, digestiones y filtraciones hace que este método analítico consuma mucho tiempo y sea difícil de realizar con precisión.

Figura 1.1.1 : Esquema analítico de Fresenio para el análisis gravimétrico de Ni en minerales. Después de cada etapa, el sólido y la solución se separan por filtración por gravedad. Tenga en cuenta que la masa de níquel no se determina directamente. En cambio, primero se aíslan Co y Ni y se pesan juntos (masa A), y luego se aísla el Co y se pesa por separado (masa B). La línea de tiempo muestra que se tarda aproximadamente 58 horas en analizar una muestra. Este esquema es un ejemplo de un análisis gravimétrico, el cual se explora más a fondo en el Capítulo 8.

El descubrimiento, en 1905, de que la dimetilglioxima (dmg) precipita selectivamente Ni ^{2 +} y Pd ^{2 +} condujo a un método analítico mejorado para el análisis cuantitativo del níquel [Kolthoff, I. M.; Sandell, E. B. Textbook of Quantitative Inorganic Analysis , 3ª Ed., The Macmillan Company: Nueva York, 1952]. El análisis resultante, que se describe en la Figura 1.1.2 , requiere menos manipulaciones y menos tiempo. Para la década de 1970, la espectrometría de absorción atómica de llama reemplazó a la gravimetría como el método estándar para analizar el níquel en minerales, dando como resultado un análisis aún más rápido [Van Loon, J. C. Analytical Atomic Absortion Spectroscopy, Academic Press: New York, 1980]. Hoy en día, el método analítico estándar utiliza un espectrómetro de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente.

Figura 1.1.2 : Análisis gravimétrico de Ni en minerales precipitando Ni (dmg) ₂. La línea de tiempo muestra que se tarda aproximadamente 18 horas en analizar una sola muestra, sustancialmente menos de 58 horas para el método de la Figura 1.1.1 . El factor de 0.2301 en la ecuación para %Ni explica la diferencia en los pesos de fórmula de Ni y Ni (dmg) ₂; ver Capítulo 8 para más detalles. La estructura de dmg se muestra debajo del diagrama de flujo del método.

Quizás una descripción más apropiada de la química analítica es “la ciencia de inventar y aplicar los conceptos, principios, y... estrategias para medir las características de los sistemas químicos” [Murray, R. W. Anal. Chem. 1991, 63, 271A]. Los químicos analíticos a menudo trabajan en los bordes extremos del análisis, extendiendo y mejorando la capacidad de todos los químicos para realizar mediciones significativas en muestras más pequeñas, en muestras más complejas, en escalas de tiempo más cortas y en especies presentes en concentraciones más bajas. A lo largo de su historia, la química analítica ha proporcionado muchas de las herramientas y métodos necesarios para la investigación en otras áreas tradicionales de la química, además de fomentar la investigación multidisciplinaria en, por nombrar algunas, química medicinal, química clínica, toxicología, química forense, ciencia de materiales, geoquímica y química ambiental.

Para un químico analítico, el proceso de hacer una medición útil es crítico; si la medición no es de importancia central para el trabajo, entonces no es química analítica.

Encontrarás numerosos ejemplos de métodos analíticos en este libro de texto, la mayoría de los cuales son ejemplos rutinarios de análisis químicos. Es importante recordar, sin embargo, que los problemas no rutinarios llevaron a los químicos analíticos a desarrollar estos métodos.

Un editorial en Química Analítica titulado “Algunas palabras sobre categorías de manuscritos” destaca muy bien lo que hace que un esfuerzo de investigación sea relevante para la química analítica moderna. La cita completa es Murray, R. W. Anal. Chem. 2008, 80, 4775; para una editorial más reciente, ver “El alcance de la química analítica” de Sweedler, J. V. et. al. Anal. Chem. 2015, 87, 6425.