Química Analítica Avanzada


DETERMINACIÓN DE HIERRO EN SUELOS MEDIANTE ABSORCIÓN ATÓMICA

OBJETIVOS

• Determinar la concentración de hierro en una muestra de suelo mediante espectrometría de absorción atómica.
• Comparar la concentración de hierro biodisponible y pseudo total en muestras de suelo provenientes de diferentes provincias de Argentina.

INTRODUCCIÓN
El hierro es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, junto con el silicio y el aluminio. Se encuentra en la naturaleza como Fe(III) o como Fe(II), dependiendo del estado redox del sistema.
La principal función del hierro en las plantas es la activación de enzimas, actuando como grupo prostético. Interviene en reacciones fundamentales de óxido-reducción, cataliza la biosíntesis de la clorofila, forma parte de la ferredoxina y de muchas enzimas más. En ausencia de Fe la planta sólo tiene pigmentos amarillos (xantofila y caroteno).
El hierro está presente en grandes cantidades en los suelos, pero su disponibilidad para las plantas es generalmente muy baja. La naturaleza del suelo juega un papel fundamental en la disponibilidad de éste micronutriente. Es sabido que el color del suelo se relaciona frecuentemente con la forma y composición de los depósitos de óxidos e hidróxidos de hierro, cuyo contenido en el suelo suele expresarse en porcentajes o en partes por millón (ppm).
  Las plantas pueden absorber el hierro en sus estados de oxidación Fe2+ (hierro ferroso) y Fe3+ (hierro férrico), pero aunque la mayoría del hierro en la corteza terrestre está en forma férrica, la forma ferrosa es fisiológicamente más importante para las plantas. Ésta forma es relativamente soluble, pero se oxida fácilmente al Fe3+,que tiende a precipitarse. 
En suelos neutros o básicos, el hierro se oxida a formas férricas, de baja solubilidad y difícil absorción, por lo tanto no es disponible para las plantas en los suelos alcalinos y calcáreos. Además, en estos tipos de suelo, el hierro se combina fácilmente con los fosfatos, los carbonatos, el calcio, el magnesio y con los iones de hidróxido. Un problema ampliamente extendido en suelos carbonatados de ambientes áridos y semiáridos es la clorosis férrica, causada por deficiencias de hierro.

La deficiencia de hierro es un problema común y un factor limitante en el crecimiento de la vegetación. 
Los contenidos de arcilla y materia orgánica influyen también en la disponibilidad del Fe. En los suelos arcillosos, existe una tendencia a retener el Fe. Un contenido adecuado de materia orgánica, actúa de forma favorable en cuanto al aprovechamiento del Fe por parte del cultivo, debido a sus características acidificantes y reductoras, así como a la capacidad de determinadas sustancias húmicas para formar quelatos en condiciones adversas de pH.
Debido a lo expuesto anteriormente, el contenido total de Fe en los suelos, no es útil como índice para conocer su disponibilidad para la planta. Un índice adecuado de la disponibilidad de Fe, es la concentración del elemento extraída con una solución de DTPA, TEA y CaCl2 a pH 7.3.
El ácido dietilentriaminopentaacético (DTPA) es un agente quelante multidentado que se utiliza para acomplejar al Fe3+ haciéndolo soluble. Como las deficiencias de hierro mayormente ocurren en suelos calcáreos, la extracción es diseñada de modo de evitar la excesiva disolución de CaCO3, y de esta forma, impedir la liberación del hierro ocluido. Esto se logra añadiendo calcio soluble (CaCl2). Latrietanolamina (TEA), cuyo pKa es 7.8, se utiliza como buffer y asegura que el pH sea el óptimo para la extracción. Además no interfiere en las mediciones de absorbancia.
Unos niveles orientativos sobre la fertilidad del suelo son

|Tipo de suelo |Contenido de Fe (extraído con DTPA) |
|Pobre |< 2.0 ppm |
|Limitante |2.0 – 4.5 ppm |
|Suficiente |> 4.5 ppm |

Salvo raras excepciones, los casos de toxicidad por Fe no suelen producirse, debido a la rapidez de conversión del hierro soluble en compuestos insolubles no disponibles para la planta.
Para caracterizar el estado del hierro en los suelos o para diferenciar las distintas formas en las que se encuentra, se emplean una gran variedad de métodos analíticos.
La técnica utilizada en el presente trabajo práctico para determinar el hierro total y el hierro biodisponible es la espectrometría de absorción atómica.

Cuando los átomos absorben radiación, pasan de su estado fundamental (a temperatura ambiente) a uno o más estados excitados de energía superior. Para que se produzca la absorción de la radiación, la energía de los fotones excitadores debe coincidir exactamente con la diferencia de energía entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de la especie absorbente. Como estas diferencias de energía son características de cada especie, el estudio de las longitudes de onda (o frecuencias) absorbidas proporciona un medio para caracterizar los componentes de una muestra.
A grandes rasgos, los instrumentos espectroscópicosincluyen cinco componentes: (1) una fuente estable de energía radiante, (2) un recipiente transparente para contener la muestra, (3) un dispositivo que aísle una región restringida del espectro para la medida, (4) un detector de radiación, que convierte la energía radiante en energía eléctrica, y (5) un sistema de procesamiento y lectura de la señal. La figura 1 ilustra la configuración de estos componentes.
[pic]
Figura 1. Componentes de los instrumentos para espectroscopia óptica de absorción atómica.

La fuente de radiación más común en espectrometría de absorción atómica es la lámpara de cátodo hueco. Estas lámparas consisten en un ánodo de wolframio y un cátodo cilíndrico, cerrados herméticamente en un tubo de vidrio lleno con argón o neón a una presión de 1 a 5 torr. El cátodo está construido con el metal cuyo espectro se desea obtener. En este caso como se desea determinar la concentración de hierro en la muestra, el cátodo será de hierro.
Para el análisis de absorción, los componentes de la muestra deben convertirse en átomos en estado gaseoso mediante un proceso llamado atomización. En un atomizador de llama (que es el utilizado en el práctico), la solución de la muestra es nebulizada mediante un flujo de gas oxidante, mezclado con el gas combustible, y se transporta a una llama donde se produce la atomización. La mezcla de gases utilizada es aire-acetileno, alcanzándose temperaturas de 2100 - 2400 °C. Una serie compleja de procesos encadenados tienen lugar en la llama: desolvatación, volatilización, disociación y ionización.
Es en la llama donde se desarrolla la etapa más delicada del proceso y es la que suele limitar la precisión del método.
Una vez que el analito está atomizado, se hace pasar por ella el haz deradiación proveniente de la lámpara de cátodo hueco, y la radiación resultante, luego de pasar por el monocromador, incide sobre un detector conectado al sistema de lectura.
El método de absorción atómica en un método muy sensible, se pueden determinar las concentraciones de hierro en el rango de ppm. Se consume poca muestra, la determinación es rápida y las interferencias (tanto químicas como espectrales) son mínimas.
Las interferencias espectrales se producen cuando la absorción de una especie interferente se solapa o aparece muy próxima a la del analito. Las interferencias químicas se producen como consecuencia de diversas reacciones que ocurren durante la atomización, como la formación de compuestos de baja volatilidad, reacciones de disociación y de ionización. Las interferencias químicas son más frecuentes, pero se pueden evitar o minimizar escogiendo las condiciones de trabajo adecuadas.

Los métodos basados en la absorción requieren dos medidas de potencia: una antes de que la radiación haya pasado a través del analito (P0) y otra después de pasar por la muestra (P). La transmitancia (T) y la absorbancia (A) son dos términos que se utilizan ampliamente en la espectrometría de absorción y se definen como
T = [pic] A = - log T = log [pic]
Finalmente la Ley de Beer relaciona la absorbancia y la concentración del analito (C), mediante la ecuación:
A = εbC
Donde b es el paso óptico a través del medio y ε es una constante de proporcionalidad llamada absortividad. Sus unidades dependen de las usadas para b y para C. Para la determinación de la absortividad es necesaria la construcción de una recta de calibrado.

Como se mencionó en los objetivos, el desarrollo del práctico estáorientado a determinar las fracciones de hierro biodisponible (que la planta dispone para realizar normalmente sus actividades metabólicas) y de hierro pseudo total mediante la técnica de absorción atómica.

PARTE EXPERIMENTAL
(Ver cálculos de errores en el apéndice)

Se realizó la cuantificación de Fe pseudo total en la muestra de suelo de Misiones.

Descomposición de la muestra – Fe pseudo total
En un erlenmeyer se pesaron (0.9997 ± 0.0002) g de una muestra de suelo de Misiones, previamente secado al horno y pasado por un tamiz 100. La muestra se puso en digestión con 15 mL de agua regia durante 1 horas en caliente y con agitación constante. El agua regia es una solución altamente corrosiva y oxidante, de color amarillo-anaranjado, formada por la mezcla de ácido nítrico concentrado (HNO3) y ácido clorhídrico concentrado (HCl) generalmente en la proporción 1:3. El agua regia no es muy estable, por lo que debe ser preparada justo antes de ser utilizada. Este procedimiento se realizó bajo campana, controlando que la mezcla no llegue a sequedad.

Una vez pasado el tiempo de digestión, se trasvasó el contenido del erlenmeyer a cuatro tubos falcon y se centrifugaron cuanto tiempo y a cuantas rpm??? Luego se juntaron los cuatro sobrenadantes en un matraz y se llevaron a un volumen final de (100.0 ± 0.1) mL con H2SO4 3.5 M. Ésta es la solución 1.
Posteriormente se tomó una alícuota de (0.50 ± 0.02) mL de la solución 1 y se diluyó a un volumen final de (100.0 ± 0.1) mL, enrasando nuevamente con H2SO4 3.5 M. Ésta es la solución 2.

En el caso de la muestra de suelo de Mendoza, se realizó el mismo procedimiento, excepto en el último paso en el que se tomó una alícuota de 1.5 mL para formar la solución 2.Descomposición de la muestra – Fe biodisponible
Se preparó una solución de extracción disolviendo en agua deionizada 19.67 g de ácido dietilentriaminopentacético (DTPA), 149.2 g de trietanolamina (TEA) y 14.7 g de cloruro de calcio dihidratado (CaCl2.2H2O). Como el DTPA no es muy soluble en agua, se le agregó una pequeña cantidad de la misma y después se disolvió en la solución de TEA. Luego se diluyó hasta aproximadamente 9 litros. Se ajustó el pH a 7.30 con HCl (aproximadamente 83 mL) y se llevó a un volumen final de 10 L. El pH de 7.3 es crítico para la extracción, de modo que debe ser controlado periódicamente.
Una vez realizada esta solución, se pesaron 7.5 g de una muestra de suelo (Mendoza o Misiones) en un erlenmeyer y se agregaron 30 mL del buffer, mezclando dos horas con agitación suave.
Se trasvasó el contenido del erlenmeyer a cuatro tubos falcon y se centrifugaron durante 15 minutos a velocidad máxima.
Por último, se juntaron los cuatro sobrenadantes y se llevaron a un volumen final de 100 mL (Mendoza) o 50 mL (Misiones) con la solución buffer.

Soluciones estándar para calibración
Se prepararon (100.0 ± 0.1) mL de una solución madre a partir de (5.00 ± 0.03) mL una solución stock de Fe 1000 ppm. Para enrasar se utilizó agua milli Q. La concentración de la solución madre resulta entonces (50.0 ± 0.4) ppm.
Tomando alícuotas de la misma se prepararon ocho soluciones de (25.00 ± 0.04) mL, cuyas concentraciones fueron

|Estándar |Concentración (ppm) |Error (± ppm) |
|1 |0 |- |
|2 |0.20 |0.04|
|3 |0.50 |0.04 |
|4 |1.00 |0.05 |
|5 |2.00 |0.04 |
|6 |4.00 |0.08 |
|7 |6.0 |0.1 |
|8 |8.0 |0.1 |

Las muestras de Fe pseudo total y Fe biodisponible se enrasaron con H2SO4 3.5 M y con solución buffer respectivamente.

Curva de calibración y medición de la absorción de la muestra.
Se preparó un blanco con H2SO4 3.5 M (en el caso de la cuantificación de Fe pseudo total) y con la solución buffer (para la determinación de Fe biodisponible). Luego, se determinó la absorción a 248.3 nm de las soluciones blanco, estándares y muestras problemas, en un espectrómetro Perkin–Elmer 3110 de llama de aire-acetileno, con una lámpara de cátodo hueco de hierro.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Curva de calibración y cifras de mérito
Las absorbancias medidas para cada solución estándar se muestran en la siguiente tabla

|Estándar |Concentración (ppm) |Absorbancia |
|1 |0 |0 |
|2 |0.20 |s???? |
|3 |0.50 |0.009 |
|4|1.00 |0.019 |
|5 |2.00 |0.028 |
|6 |4.00 |0.061 |
|7 |6.0 |0.094 |
|8 |8.0 |0.126 |

Con los datos obtenidos, se realizó la curva de calibración (Abs vs concentración) que se muestra a continuación:
[pic]Fe (ppm) cambiar titulo del eje
Realizando un ajuste de los datos por cuadrados mínimos se obtuvo la ecuación:

Absorbancia = 0.01556 x CFe + 4.07163x10-4

|Adj. R2 = 0.99694 |Valor |Error |
|Pendiente |0.01556 |3.85692 x10-4 |
|Ordenada |4.07163x10-4 |0.00173 |

A partir del gráfico se calcularon las cifras de mérito, que son valores numéricos basados en una o más características del sistema y que representan una medida de su eficiencia o efectividad.

Sensibilidad
La sensibilidad de un instrumento o de un método es una medida de su capacidad de diferenciar pequeñas variaciones en la concentración del analito. La sensibilidad de calibrado se define como la pendiente de la curva de calibrado a la concentración objeto de estudio y no tiene en cuenta la precisión de las medidas individuales. Como nuestra curva de calibrado es lineal, la sensibilidad de calibrado es igual a m
Sensibilidad de calibrado = 0.01556

Límite de detección (LOD)
Es la mínima concentración de analitoque se puede detectar y está dado por
LOD = [pic]
Donde m es la pendiente de la recta y S0 es la desviación estándar del blanco. Ésta última se puede determinar experimentalmente realizando 20 o 30 medidas del blanco, sin embargo, se puede asumir que es igual a la desviación estándar de la ordenada al origen de la recta de calibrado (Pablo dijo q asi se puede calcular tmb, no sé que quieren hacer :P). Por lo tanto
LOD = [pic] = 0.367 ppm
La concentración mínima de hierro que puede detectar el equipo utilizado es 0.367 ppm.

Límite de cuantificación (LOQ
Es la concentración más pequeña de analito a la que se pueden realizar medidas cuantitativas. Está dada por la ecuación
LOD = [pic

LOD = [pic] = 1.1118 ppm

La concentración mínima de hierro que puede cuantificar el equipo utilizado es 1.112 ppm.

Rango lineal
Es el intervalo de concentraciones que va desde el límite de cuantificación hasta la concentración a la que la curva de calibrado se desvía de la linealidad. Por lo tanto nuestro rango lineal va desde 1.112 ppm hasta 8 ppm (último valor en la recta).

Rango dinámico
Es el intervalo de concentraciones que va desde el límite de detección hasta la concentración donde la absorbancia permanece constante. Sólo podemos determinar el límite inferior del rango dinámico (0.367 ppm), ya que se realizaron mediciones en un pequeño intervalo donde absorbancia y concentración son directamente proporcionales.

Concentración de hierro pseudo total en la muestra de suelo de Misiones
La absorbancia de la muestra problema fue de 0.078. Vemos que está comprendida en el rango lineal de la curva de calibrado, por lo que con este valor se calculó la concentración de Fe en la muestra de suelo,teniendo en cuenta todo el procedimiento y las diluciones realizadas (ver cálculos detallados en el apéndice).
Fe pseudo total en el suelo de Misiones = ( ± ) ppm = ( ± ) % p/p

Los valores obtenidos por el resto de los grupos en la Comisión 1, fueron
|Lugar |Fe pseudo total (ppm) |Fe biodisponible (ppm) |
|Mendoza |34327.76 |8.5 |
| |34215.00 |10.22 |
| |38822.94 |- |
|Misiones |99909.97 |11.8349 |
| |95360.26 |12.89716 |
| |- |12.04346 |

CONCLUSIONES

Como se puede observar en los resultados obtenidos, la proporción de hierro biodisponible respecto de los valores pseudototales es baja, lo que confirma que gran parte de la concentración de este metal no es metabólicamente activa, está presente como óxidos o hidróxidos insolubles, o está ocluida por los carbonatos presentes en el suelo, haciendo que las plantas no puedan acceder a él.
Si tenemos en cuenta los valores informados en la Tabla 1, todos los suelos presentan cantidades suficientes de Fe (> 4.5ppm); por lo que es de esperar que las plantas que crecen en estas áreas no sufran clorosis férrica.
También se puede notar que la concentración de Fe es mucho menor en el suelo de Mendoza que en Misiones, lo que se puede explicar debido a las características de los suelos. En Mendoza el suelo es calcáreo y alcalino (pH=8), proveniente de una zona volcánica, por esta razón, la mayor parte del hierro se encuentra como hidróxidos u óxidos insolubles, es decir, en la fracción no disponible. El hecho de que la concentración de este micronutriente sea mayor en la tierra misionera (pH=6), es un resultado esperado desde el principio, debido al conocimiento de la existencia de tierra colorada en esta región que corresponde a la presencia de hierro.
Finalmente, el hecho principal que cabe destacar es la reproducibilidad con que se realizaron las determinaciones, ya que los valores obtenidos son semejantes para toda la comisión.

BIBLIOGRAFÍA
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Skoog, D. A.; Holler, F. J.; Nieman, T. A. Principios de análisis instrumental. 5ta edición. Mc Graw Hill. 2001.
https://www.mineralesdelrecreo.com.ar/pdf/hierro.pdf
Raun W.R.; Johnson G.V.; Martin K.; Freeman K.W.; Westerman R.L. Soil-plant nutrient cycling and environmental quality. Department of Plant and Soil Sciences. Oklahoma State University
Olson, R. V.; Roscoe Ellis Jr. Methods of soil analysis, part 2. Chemical and microbiological properties. Agronomy monograph. N° 9, chapter 17. Second edition. Iron.

APÉNDICE

PROPAGACIÓN DE ERRORES
Cuando se miden magnitudes indirectamente, es decir, que se calculana partir de los valores medidos de otras magnitudes, la propagación de errores permite asignar un error al resultado final.
Suma y resta
Sea L = x + y + z, la incertidumbre de L será
aˆ†L = aˆ†x + aˆ†y + aˆ†z
Multiplicación y división
Sea L= [pic], la incertidumbre de L será:
[pic] = [pic] + [pic] + [pic]

La mayoría de los cálculos de este informe, involucran multiplicaciones y divisiones, por lo que la propagación de errores será la suma de los errores relativos de cada magnitud medida.

Errores del material volumétrico utilizado
|Material |Volumen (mL) |Error (± mL) |
|Matraz |25.0 |0.04 |
| |100.0 |0.1 |
|Pipeta graduada |1.00 |0.01 |
|Ball pipeta (doble aforo) |1.00 (azul) |0.01 (2 x 0.007) |
| |2.00 (naranja) |0.02 (2 x 0.010) |
| |3.00 (negra) |0.02 (2 x 0.010) |
| |4.00 (roja) |0.03 (2 x 0.015) |
| |5.00 (blanca) |0.03 (2 x 0.015) |

Cálculo del error en la concentración de la solución madre

[pic] = [pic] + [pic]

[pic] = [pic] + [pic]

[pic] = 0.4 ppm

Cálculos delos errores en las soluciones estándar

[pic] = [pic] + [pic] + [pic]

[pic] = [pic] + [pic] + [pic]
aˆ†C2 = 0.04 ppm

[pic] = [pic] + [pic] + [pic]
aˆ†C3 = 0.04 ppm

[pic] = [pic] + [pic] + [pic]
aˆ†C4 = 0.05 ppm

[pic] = [pic] + [pic] + [pic]
aˆ†C5 = 0.04 ppm

[pic] = [pic] + [pic] + [pic]
aˆ†C6 = 0.08 ppm

[pic] = [pic] + [pic] + [pic]
aˆ†C7 = 0.1 ppm

[pic] = [pic] + [pic] + [pic]
aˆ†C8 = 0.1 ppm

Cálculo del porcentaje de Fe en la muestra de suelo y su error

Teniendo en cuenta la recta de ajuste, se obtiene que la concentración de Fe en la solución 2 es:

Absorbancia muestra problema = 0.01556 ppm-1 x CFe + 4.07163x10-4
0.078 = 0.01556 x CFe + 4.07163x10-4
CFe = 4.986686183 ppm ( Solución 2

1000 mL de Solución 2 — 4.986686183 mg Fe
100 mL de Solución 2 — x = 0.4986686183 mg Fe.

Éstos mg de Fe venían de la alícuota de 0.5 mL de la Solución 1, por lo tanto,

0.5 mL de Solución 1 — 0.4986686183 mg Fe
100 mL de Solución 1 — x = 99.73372366 mg Fe

Éstos mg de Fe estaban presentes en la muestra de suelo. Si lo referimos a 1L de solución 1, tenemos que
CFe = 997.3372366 ppm ( Solución 1

0.9997 g suelo — 99.73372366 mg Fe
1000 g suelo — x = 99763.65276 mg Fe

Muestra de suelo [pic]

Abs = m x Csol2 + b

[pic] = [pic] + [pic]

[pic] = [pic] + [pic]

aˆ†Csol2 =
Esto lo hace la anto!

[pic] = [pic] + 2 x [pic] + [pic] + [pic

[pic] = [pic] + 2 x [pic] + [pic] + [pic]

aˆ†Csuelo =

[pic]foto de Fe unido a DTPA (