Química Analítica: Definición, impacto y ejemplos

¿Qué es la química analítica?

La química analítica se centra en la identificación y cuantificación de compuestos específicos. En términos más comunes, la química analítica se interesa por determinar qué es un compuesto y qué cantidad hay de él. Este campo de la química suele utilizar instrumentación moderna, como espectrofotómetros, resonancia magnética nuclear (RMN), cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC), espectrometría de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) y espectrometría de masas (MS). Si bien la instrumentación es una parte importante de la química analítica, en este campo hay más que solo química. El análisis estadístico es un componente importante de la química analítica. Las estadísticas ayudan a los químicos analíticos a determinar si sus resultados son significativos. Con el auge de la automatización y el análisis de alto rendimiento, la programación informática también se está convirtiendo en una habilidad útil en la química analítica. Si bien a menudo pasa desapercibida, la química analítica influye e impacta en cada parte de nuestras vidas.

Historia de la química analítica

La identificación de sustancias desconocidas ha sido importante a lo largo de la historia de la química. Los métodos clásicos como el pesaje, las pruebas de llama y las titulaciones eran básicos en este campo. Sin embargo, en 1859, la química analítica hizo su primer avance importante hacia la instrumentación moderna. El trabajo de Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Robert Kirchhoff resultó en la creación del primer instrumento en el campo de la espectroscopia, el espectroscopio de llama. Cuando se exponen al fuego, los metales emiten una longitud de onda única y cambian el color de la llama. Antes del espectroscopio de llama, los metales se identificaban, de forma algo subjetiva, por el color de una llama. Sin embargo, Kirchoff y Bunsen crearon un instrumento que era capaz de medir la longitud de onda exacta emitida. Esto proporcionó un método objetivo de identificación de metales. De hecho, esto condujo al descubrimiento de los elementos cesio y rubidio.

Si bien el desarrollo del espectroscopio de llama marcó el comienzo de la instrumentación analítica, los verdaderos avances en este campo no comenzarían hasta después de 1900. De hecho, dos de los instrumentos más comunes, el cromatógrafo de gases (GC) y el HPLC, no aparecieron hasta mediados del siglo siguiente.

Fue a principios de los años 50 cuando se inventó el cromatógrafo de gases. El trabajo de Archer Martin y Anthony James había sentado las bases de la cromatografía de gases. Fueron los primeros en utilizar una columna sólida y un gas inerte para separar los ácidos grasos en una columna sólida. Antes de esto, solo se había utilizado la cromatografía de gases y líquidos. En 1955 se inventó el primer cromatógrafo de gases moderno. Fred McLafferty y Roland Gohlke habían combinado un cromatógrafo de gases y un espectrómetro de masas (GS-MS). El espectrómetro de masas mejoró las capacidades del cromatógrafo de gases al fragmentar y separar aún más las diferentes moléculas por masa. Esta fue la adición necesaria para crear el cromatógrafo de gases y los espectrómetros de masas modernos.

El primer HPLC comercialmente exitoso apareció en 1967, donde encontró popularidad entre los químicos orgánicos debido a su capacidad para separar isómeros. Fuera de la química orgánica, se le prestó poca atención al instrumento hasta dos años después. En 1969, el HPLC hizo su aparición en una conferencia en Las Vegas, donde rápidamente ganó popularidad. La tecnología detrás del HPLC continuó avanzando con la atención centrada en la creación de partículas más pequeñas para columnas y el uso de presiones más altas para separar moléculas. El siguiente hito importante en la historia del HPLC fue la creación de columnas de fase ligada. Las moléculas no polares se unían químicamente a partículas de sílice en la columna. La opción más popular rápidamente se convirtió en columnas C18. Las columnas C18 contienen dieciocho átomos de carbono en diferentes configuraciones unidos a sílice. A partir de 2016, se estima que se han desarrollado casi 800 columnas C18 diferentes. El avance más reciente en cromatografía líquida de alta presión viene en forma de cromatografía líquida bidimensional (2-D LC). Esta técnica hace pasar una muestra a través de dos columnas de cromatografía diferentes. Debido a su capacidad para separar mezclas complejas, la LC 2-D ha ganado popularidad en los campos de la metabolómica y la proteómica.

¿Qué hacen los químicos analíticos?

Los químicos analíticos trabajan principalmente en un entorno de laboratorio. Pasan la mayor parte de su tiempo preparando muestras y trabajando con instrumentos. En investigación y desarrollo, los químicos pueden pasar más tiempo leyendo literatura y probando experimentos para determinar la mejor manera de analizar un compuesto. En control de calidad, ya se ha determinado el mejor procedimiento para analizar una muestra, por lo que los químicos se centran más en el funcionamiento de los instrumentos. En un día determinado, un químico analítico podría hacer cualquiera de las siguientes cosas:

• Recoger muestras
• Preparar soluciones
• Calibrar instrumentación
• Ejecutar instrumentación
• Leer literatura científica
• Realizar análisis estadísticos sobre los datos
• Redactar un informe formal que resuma los datos.

Conocimiento especializado

Al igual que en cualquier otro campo de la química, se necesitan conocimientos especializados para ser un químico analítico exitoso. Se necesitan conocimientos de diseño de instrumentos para comprender cómo funciona cada uno y determinar cuál es el mejor para un problema determinado. Se requieren conocimientos de estadística para el análisis de datos. Otros conocimientos especiales incluyen:

• Análisis estadístico (es decir, pruebas t, intervalos de confianza, pruebas de valores atípicos)
• Uso y diseño de instrumentos
• Preparación de soluciones precisa y exacta
• Diseño de experimentos
• Espectroscopia

Métodos de química analítica

En química analítica, el compuesto de interés se denomina “analito”. Los químicos analíticos suelen preparar soluciones para cuantificar el analito. Para ello, utilizan material de vidrio volumétrico y pipetas volumétricas. El material de vidrio volumétrico, como un matraz volumétrico, está etiquetado como “TC”, que significa “contener”. Esto significa que puede contener con precisión el volumen etiquetado en el matraz. Las pipetas volumétricas están etiquetadas como “TD”, que significa “entregar”. Estas pipetas pueden expulsar con precisión el volumen de líquido etiquetado en ellas. A continuación, estas soluciones se analizan utilizando un instrumento.

Independientemente del instrumento utilizado, casi siempre existe una relación lineal entre la concentración de una muestra y la señal que emite. Esta relación lineal entre la concentración y la muestra se conoce como Ley de Beer. Al preparar una serie de soluciones con concentraciones conocidas, un químico puede preparar una curva de calibración que se utiliza para cuantificar el analito. Una curva de calibración se utiliza para encontrar la ecuación de la línea de mejor ajuste. Sin embargo, si el analito en la solución está demasiado concentrado o demasiado diluido, no se puede utilizar la Ley de Beer.

Métodos clásicos

Antes de la llegada de la instrumentación analítica moderna, los químicos analíticos se basaban en lo que se conoce como métodos clásicos. Los métodos clásicos eran tanto cualitativos como cuantitativos. Uno de los métodos cualitativos más conocidos es la prueba de la llama. Una muestra de un metal desconocido se expone al fuego, lo que cambia el color de la llama. Esta es una forma básica de espectroscopia de emisión atómica. Por ejemplo, cuando el cobre se expone al fuego, se produce una llama verde azulada.

Los métodos cualitativos pueden incluir

• Prueba de llama
• Prueba de Griess para nitratos orgánicos
• Prueba de ninhidrina para aminas primarias
• Prueba de solución de yodo para almidones
• Prueba de Kastle-Meyer para detectar la presencia de sangre

La titulación es un método cuantitativo que se puede utilizar para determinar la concentración de un analito en una solución. Esto se puede hacer con un indicador de pH o con una reacción de precipitación. En la industria, el nitrato de plata se utiliza para determinar la concentración de cloro en una solución. Los cationes de plata reaccionan con los iones de cloro para formar un precipitado insoluble. La cantidad de precipitado formado está relacionada estequiométricamente con la cantidad de nitrato de plata añadido. A partir de esta información, el químico puede determinar la concentración de cloruro.

Las pruebas cuantitativas pueden incluir

• Titulación ácido/base
• Titulación colorimétrica
• Análisis gravimétrico
• Refractometría
• Electroanálisis

Métodos instrumentales

La espectroscopia y la cromatografía son dos elementos básicos de los métodos instrumentales en química analítica. Estos dos métodos pueden adoptar muchas formas. La espectroscopia es el estudio de cómo la luz y otras radiaciones electromagnéticas interactúan con la materia. Un método común utilizado en los laboratorios es la espectroscopia UV-Vis. “UV-Vis” significa “ultravioleta-visible”, que es el rango de longitudes de onda utilizadas en el método. Más específicamente, este método utiliza luz entre 170 nm y 780 nm. Otros métodos instrumentales como la transformada de Fourier infrarroja, más comúnmente conocida como FTIR, utilizan radiación electromagnética en el rango infrarrojo que va de 25000 nm a 16 000 nm. Este método se utiliza a menudo para determinar la estructura de las moléculas orgánicas.

La cromatografía se centra en la separación y el aislamiento de compuestos de una mezcla. Este método utiliza las diferentes propiedades de las moléculas, como la polaridad, para separar los compuestos.

La HPLC de fase inversa utiliza una fase estacionaria y una fase móvil para separar los compuestos. La fase estacionaria es una columna que contiene un material no polar. La fase móvil es una solución acuosa que normalmente contiene agua y un disolvente ligeramente más polar, como el metanol. Según la polaridad de los compuestos, algunos se sentirán más atraídos por la fase móvil polar, mientras que otros se sentirán más atraídos por la columna no polar. Las diferentes afinidades de los compuestos son las que permiten separarlos.

La cromatografía de gases (GC) aprovecha los diferentes puntos de ebullición de los compuestos. Un cromatógrafo de gases calienta una muestra para que los compuestos con el punto de ebullición más bajo se vaporicen primero y sean transportados por una fase móvil inerte, como el helio. La fase estacionaria es una columna recubierta de un líquido viscoso. El tipo de columna que se utiliza depende de la composición de la mezcla analizada. En química, “GC” puede referirse tanto a un cromatógrafo de gases como a una cromatografía de gases.

La cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) y la cromatografía de gases (GC) suelen combinarse con la espectrometría de masas (MS) para identificar y cuantificar moléculas. La espectrometría de masas se basa en la descomposición de las moléculas y la separación de los fragmentos según sus diferentes masas. Las moléculas se fragmentan de una manera predecible, lo que permite identificar y cuantificar la estructura original.

Los instrumentos que se pueden utilizar en química analítica incluyen:

• Transmisión infrarroja de Fourier (FTIR)
• Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS)
• Espectroscopia de emisión atómica de plasma de microondas (MP-AES)
• Espectroscopia de absorción atómica de llama (FAAS)
• Cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC)
• Cromatógrafo de gases (GC)
• Espectrómetro de masas (MS)
• Espectrómetro UV-Vis

Impacto de la química analítica

La química analítica afecta a casi todos los campos. En biología, los químicos analíticos ayudan a aislar e identificar nuevas moléculas. En la fabricación de productos farmacéuticos, los químicos analíticos son responsables del control de calidad para garantizar que los medicamentos estén formulados correctamente y proporcionen la dosis correcta. La química analítica también interviene cuando se trabaja en la ciencia forense. Los químicos forenses pueden tomar muestras de sustancias desconocidas para identificar sustancias ilícitas. ¡Cualquier trabajo que requiera la identificación y cuantificación de compuestos requiere química analítica!

Resumen de la lección

El campo de la química analítica es el estudio de la cuantificación e identificación de compuestos desconocidos. La cuantificación e identificación se puede realizar utilizando métodos clásicos o instrumentales. Los métodos clásicos pueden ser tanto cualitativos como cuantitativos. Los métodos cualitativos proporcionan información sobre lo que es una muestra, mientras que los métodos cuantitativos determinan la cantidad de compuesto en una muestra. Los métodos instrumentales se basan en técnicas modernas como la espectroscopia y la cromatografía. No fue hasta 1859 que se inventó el primer instrumento moderno, el espectroscopio de llama. Tanto las técnicas clásicas como las instrumentales se utilizan en campos como la ciencia forense y la fabricación farmacéutica. Trabajar en química analítica requiere conocimientos especializados en análisis estadístico y diseño de instrumentos. Todos los días, los químicos analíticos trabajan en diferentes industrias para aislar nuevos compuestos y analizar productos químicos para garantizar que cumplan con los estándares regulatorios.