Química analítica para niños
La química analítica es una rama de la química que se encarga de estudiar y usar herramientas y métodos para separar, identificar y medir la materia. Imagina que tienes una mezcla de sustancias y quieres saber qué hay en ella y en qué cantidad; ¡ahí entra la química analítica!
En la práctica, los químicos analíticos pueden separar las sustancias, identificarlas o medir su cantidad. A veces, hacen una sola de estas cosas, y otras veces, combinan varios métodos.
- La separación ayuda a aislar las sustancias que nos interesan (llamadas analitos).
- El análisis cualitativo nos dice qué sustancias están presentes (por ejemplo, si hay hierro o cobre).
- El análisis cuantitativo nos dice cuánto de cada sustancia hay (por ejemplo, 10 gramos de hierro o 5 mililitros de cobre).
La química analítica usa tanto métodos clásicos (como los que se hacían en laboratorios con líquidos y llamas) como métodos modernos que usan instrumentos avanzados. Los métodos clásicos para identificar sustancias pueden usar la precipitación (hacer que algo se vuelva sólido en un líquido), la extracción (separar algo de una mezcla) o la destilación (separar líquidos por su punto de ebullición). La identificación se puede basar en el color, el olor, el punto de fusión (cuando algo se derrite), el punto de ebullición (cuando algo hierve) o cómo reacciona una sustancia. Para medir cantidades, los métodos clásicos usan cambios en la masa o el volumen.
Los métodos modernos usan instrumentos para separar muestras con técnicas como la cromatografía (que separa componentes de una mezcla), la electroforesis (que usa electricidad para separar moléculas) o el fraccionamiento de flujo de campo. Luego, estos mismos instrumentos pueden identificar y medir las sustancias, a menudo usando la interacción con la luz, el calor, campos eléctricos o campos magnéticos. ¡Un solo instrumento puede hacer todo el trabajo!
La química analítica también busca mejorar cómo se hacen los experimentos, usar las matemáticas para entender mejor los datos (quimiometría) y crear nuevas herramientas de medición. Esta rama de la química es muy útil en muchos campos, como la investigación de escenas de crímenes (ciencia forense), la medicina, la ciencia en general y la ingeniería.
Contenido
¿Cómo ha evolucionado la química analítica?
La química analítica ha sido muy importante desde los inicios de la química. Siempre ha sido necesario saber qué elementos y sustancias están en una muestra. Al principio, se desarrollaron métodos para analizar los elementos de forma sistemática y para estudiar las sustancias orgánicas basándose en cómo reaccionaban sus grupos funcionales.
El primer análisis con instrumentos fue la espectrometría de emisión de llama, creada por los científicos Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff. Ellos usaron esta técnica para descubrir dos elementos nuevos, el rubidio (Rb) y el cesio (Cs), en 1860.
La mayoría de los grandes avances en química analítica ocurrieron después del año 1900. En este periodo, los instrumentos se volvieron cada vez más importantes. Muchas de las técnicas básicas que usan la luz y la masa para analizar sustancias se descubrieron a principios del siglo XX y se mejoraron a finales del mismo siglo.
Las ciencias de la separación también evolucionaron de manera similar, volviéndose más y más sofisticadas con instrumentos de alta tecnología. En la década de 1970, muchas de estas técnicas comenzaron a usarse juntas, combinándose para analizar las muestras de forma más completa.
Desde los años 70 hasta hoy, la química analítica se ha interesado cada vez más en temas biológicos (química bioanalítica). Antes, se enfocaba más en sustancias inorgánicas o moléculas pequeñas. Los láseres se han usado cada vez más en química para investigar y hasta para iniciar o influir en reacciones. A finales del siglo XX, la química analítica también se empezó a aplicar en campos como la ciencia forense, el estudio del medio ambiente, la industria y la medicina (por ejemplo, en el estudio de tejidos).
La química analítica moderna se basa principalmente en el uso de instrumentos. Muchos químicos analíticos se especializan en un solo tipo de instrumento. Los investigadores suelen buscar nuevas formas de aplicar estos métodos o descubrir nuevas maneras de analizar. Por ejemplo, un químico analítico podría participar en el descubrimiento de una sustancia en la sangre que aumenta el riesgo de cáncer. O podría trabajar en el desarrollo de un nuevo método que use un láser especial para hacer un análisis más preciso y sensible.
Muchos métodos, una vez que se desarrollan, se mantienen sin cambios para poder comparar los datos a lo largo del tiempo. Esto es muy importante en el control de calidad industrial, en las aplicaciones forenses y en el estudio del medio ambiente. La química analítica también es fundamental en la industria farmacéutica, no solo para el control de calidad, sino también para descubrir nuevos medicamentos y entender cómo interactúan con los pacientes.
Métodos clásicos de análisis
Aunque la química analítica moderna usa instrumentos muy avanzados, sus orígenes y muchos de los principios que usan los instrumentos actuales provienen de técnicas tradicionales. Muchas de estas técnicas todavía se usan hoy en día y son la base de lo que se enseña en los laboratorios de química analítica en las universidades.
Métodos instrumentales
Los métodos instrumentales usan equipos especiales para analizar las sustancias.
Espectroscopia
La espectroscopia mide cómo las moléculas interactúan con la radiación electromagnética (como la luz). Hay muchos tipos de espectroscopia, como la espectroscopia de absorción atómica, la de emisión atómica, la ultravioleta-visible, la de fluorescencia de rayos X, la infrarroja y la de resonancia magnética nuclear.
Espectrometría de masas
La espectrometría de masas mide la relación entre la masa y la carga de las moléculas usando campos eléctricos y magnéticos. Hay diferentes formas de "ionizar" (dar carga eléctrica) a las moléculas y diferentes tipos de analizadores de masa, como el cuadrupolo o el de tiempo de vuelo.
Análisis electroquímico
Los métodos electroanalíticos miden el potencial (voltios) o la corriente (amperios) en una celda electroquímica que contiene la sustancia a analizar. Se clasifican según lo que se controla y lo que se mide en la celda. Las categorías principales son la potenciometría, la culombimetría, la amperimetría y la voltametría.
Separación
Los procesos de separación se usan para simplificar mezclas de materiales. La cromatografía, la electroforesis y el fraccionamiento de flujo de campo son ejemplos importantes en este campo.
Técnicas combinadas
Cuando se combinan varias técnicas, se crean técnicas "híbridas" o "con guion". Por ejemplo, la cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) o la cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC-MS). Estas combinaciones son muy populares y se están desarrollando nuevas. A menudo, una de las técnicas es algún tipo de cromatografía. Se usan mucho en química y bioquímica.
Microscopía
Ver moléculas individuales, células, tejidos biológicos y nanomateriales es muy importante en la ciencia analítica. La microscopía se divide en tres tipos: microscopía óptica, microscopía electrónica y microscopía con sonda de barrido. Este campo avanza rápidamente gracias al desarrollo de las computadoras y las cámaras.
Laboratorio en un chip
Son dispositivos muy pequeños, de solo unos pocos centímetros cuadrados, que integran varias funciones de laboratorio en un solo chip. Pueden manejar volúmenes de líquidos extremadamente pequeños, incluso menos que un picolitro (una billonésima parte de un litro).
¿Qué son los errores en las mediciones?
Un error en química analítica es la diferencia entre el valor que medimos y el valor real de algo.
Se puede calcular el error absoluto (
) con la siguiente fórmula:
Donde:
- es el error absoluto.
es el valor verdadero.
es el valor que observamos.
Cuanto menor sea el error, más precisa es la medición. Los errores también se pueden expresar de forma relativa o como un porcentaje.
Estándares de medición
Curva estándar
Un método común para analizar la concentración de una sustancia es crear una curva de calibración. Esto permite determinar la cantidad de un producto químico en un material comparando los resultados de una muestra desconocida con los de una serie de muestras con concentraciones conocidas. Si la concentración es muy alta, se puede diluir la muestra. Si es muy baja, se puede usar el método de adición, donde se añade una cantidad conocida de la sustancia para ayudar a la medición.
Estándares internos
A veces, se añade una sustancia de referencia (un estándar interno) en una concentración conocida directamente a la muestra para ayudar a medir la cantidad de la sustancia que nos interesa.
Adición estándar
El método de adición estándar se usa para determinar la concentración de una sustancia en una muestra desconocida. Es similar a usar una curva de calibración, pero ayuda a resolver problemas cuando la muestra tiene otras sustancias que pueden afectar la medición.
Señales y ruido
En química analítica, es muy importante maximizar la señal que queremos medir y minimizar el "ruido" (interferencias) que la acompaña. La calidad de una medición se conoce como la relación señal/ruido (S/N o SNR).
El ruido puede venir de factores del ambiente o de procesos físicos básicos.
Ruido térmico
El ruido térmico se produce por el movimiento de las partículas cargadas (como los electrones) en un circuito eléctrico debido al calor. Es un ruido "blanco", lo que significa que su energía se distribuye de manera uniforme en todas las frecuencias.
Ruido de disparo
El ruido de disparo es un tipo de ruido electrónico que ocurre cuando el número de partículas (como electrones o fotones) es tan pequeño que causa pequeñas variaciones en la señal.
Ruido de parpadeo
El ruido de parpadeo es un ruido electrónico que disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Puede ser causado por impurezas en los materiales o por la forma en que se mueven las cargas en un transistor. Se puede reducir modulando la señal a una frecuencia más alta.
Ruido ambiental
El ruido ambiental proviene del entorno del instrumento analítico. Fuentes de ruido electromagnético incluyen líneas eléctricas, estaciones de radio y televisión, dispositivos inalámbricos, lámparas fluorescentes y motores eléctricos. A veces, se necesita aislar el instrumento de la temperatura y las vibraciones.
Reducción de ruido
El ruido se puede reducir usando equipos especiales (hardware) o programas de computadora (software). Ejemplos de reducción de ruido por hardware son usar cables blindados o filtros. Ejemplos por software son el filtrado digital o el promedio de señales.
Aplicaciones de la química analítica
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La química analítica tiene muchas aplicaciones, incluyendo:
- Ciencias forenses: Ayuda a resolver crímenes analizando pruebas.
- Bioanálisis y análisis clínico: Estudia sustancias en sistemas biológicos y en el cuerpo humano para diagnósticos médicos.
- Análisis ambiental: Monitorea la calidad del aire, el agua y el suelo.
- Análisis de materiales: Determina la composición y propiedades de diferentes materiales.
La investigación en química analítica busca mejorar el rendimiento de los métodos (hacerlos más sensibles, selectivos, rápidos y precisos) y reducir los costos. Las técnicas modernas que usan láseres y plasma son cada vez más importantes. También se está trabajando mucho en reducir el tamaño de los instrumentos de análisis para que quepan en un "chip" (laboratorio en un chip), lo que los haría más portátiles, rápidos y económicos.
Muchos avances mejoran el análisis de sistemas biológicos. Algunos campos en rápido crecimiento son:
- Genómica: El estudio de los genes y el ADN.
- Proteómica: El análisis de las proteínas.
- Metabolómica: El estudio de los metabolitos (sustancias producidas durante el metabolismo).
- Transcriptómica: El estudio del ARN mensajero.
- Lipidómica: El estudio de los lípidos (grasas).
- Peptidómica: El estudio de los péptidos.
- Metalómica: El estudio de las concentraciones de metales.
La química analítica ha sido clave para entender la ciencia básica y aplicarla en áreas como la biomedicina, el monitoreo ambiental, el control de calidad industrial y la ciencia forense.
Los avances recientes en la automatización por computadora y las tecnologías de la información han llevado la química analítica a nuevos campos biológicos. Por ejemplo, las máquinas automáticas de secuenciación de ADN fueron fundamentales para completar el Proyecto Genoma Humano. La identificación de proteínas y la secuenciación de péptidos por espectrometría de masas abrieron el nuevo campo de la proteómica.
La química analítica también ha sido indispensable en el desarrollo de la nanotecnología. Los microscopios electrónicos y los microscopios de sonda de barrido permiten a los científicos ver estructuras a nivel atómico y analizar sus propiedades químicas.
Galería de imágenes
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Laboratorio de cromatografía de gases.
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Gustav Kirchhoff (izquierda) y Robert Bunsen (derecha).
Véase también
En inglés: Analytical chemistry Facts for Kids
