ANLISIS INSTRUMENTAL.

A comienzos del siglo XX se comenzaron a utilizar fenmenos distintos de los utilizados por las tcnicas clsicas para resolver los problemas analticos presentes en la determinacin de iones metlicos. As, numerosas tcnicas analticas han sido desarrolladas para el anlisis cuantitativo para la determinacin de Mercurio y otros metales pesados en muestras reales, estas incluyen tcnicas como la electroqumica, cromatografa, la fluorescencia atmica, fluorescencia de rayos X y mtodos espectrofotomtricos han sido utilizados para el anlisis y determinacin de estos iones en diferentes muestras (Al-Kady & Abdelmonem, 2013; Zarei et al., 2006). Por ello las tcnicas clsicas como destilacin, extraccin y precipitacin empezaron a ser remplazadas, ya que las tcnicas instrumentales son mucho ms sensibles y selectivas proporcionando resultados muy precisos y con lmites de deteccin ms bajos. Incluso permite el anlisis de grandes cantidades de muestras y, en ocasiones, la automatizacin (Skoog D.A., 2005).

Para el anlisis de metales en aguas ambientales, de consumo y residuales, estos se pueden determinar satisfactoriamente mediante espectrometra de absorcin atmica con vapor fro (CV-AAS) (Dadfarnia et al., 2002), espectrofotometra de absorcin atmica con llama o sin llama (AAS) (Moghimi et al., 2011) y mediante tcnicas colorimtricas utilizando espectrofotometra de absorcin molecular UV/VIS (Al-Kady & Abdelmonem, 2013; Lee & Choe, 2001; Romberg & Mller, 1997). Los lmites de deteccin de las primeras tcnicas espectroscpicas son aproximadamente del mismo orden de magnitud, partes por billn (ppb), mientras que la ltima a pesar de tener lmites de deteccin ms altos, partes por milln (ppm), resulta una tcnica ampliamente utilizada debido a su simplicidad, rapidez, bajo costo y de amplia aplicacin (Al-Kady & Abdelmonem, 2013; Zarei et al., 2006). Dado que se dispone de un buen nmero de reactivos cromognicos con altas sensibilidades, es por ello que la espectrofotometra sigue siendo un mtodo indispensable para la determinacin de Mercurio.

Las limitaciones que se presentan en los laboratorios de investigacin, debida a la falta de instrumentacin, se pueden superar implementando o desarrollando mtodos alternativos. Por lo tanto, se puede realizar algunos cambios en metodologas instrumentales utilizadas cuyo costo sea aceptable y de este modo poder determinar la concentracin de un analito. Generalmente para el anlisis de metales en muestras acuosas, se hace empleo de sustancias qumicas que reaccionen selectivamente con el analito en estudio, ya sea para concentrarlo o mejorar la sensibilidad del anlisis.

Hoy en da, el desarrollo e implementacin de nuevos mtodos analticos, deben reducir la cantidad de reactivos txicos utilizados ya que los desechos producidos son tan importantes como cualquier otra funcin analtica. Algunos mtodos analticos utilizan reactivos o generan desechos qumicos que son ms txicos que los analitos de inters. Por lo tanto, hay una gran necesidad para desarrollar mtodos que son menos perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente (Al-Kady & Abdelmonem, 2013). El desarrollo de mtodos alternativos de anlisis trae como principal beneficio el estudio de un mayor nmero de sustancias pues, en ocasiones, la falta de instrumentacin impide el anlisis de determinados analitos que, debido a su naturaleza, requieren de tcnicas ms complejas y costosas que las usuales (Lee & Choe, 2001).

Espectrofotometra UV-Vis.

Esta tcnica de fcil acceso, es aplicada para la determinacin de metales desde hace muchos aos, a pesar de que, presenta ciertas dificultades para la determinacin de los mismos, particularmente por su poca selectividad y baja sensibilidad (Snchez Contreras, 2010). La investigacin de diferentes complejos inorgnicos donde se han evaluado un buen nmero de agentes quelantes, mediante el uso de surfactantes han permitido mejorar la selectividad y sensibilidad disminuyendo los lmites de deteccin (Cestari, Vieira, Lopes, & da Silva, 2004; Fu-Sheng & Fang, 1983; Sarker & Ullaha, 2013; Soomro, Ahmed, & Memon, 2011; Thakur & Deb, 1999; Varshney, Rafiquee, & Somya, 2008). Por lo tanto, con objeto de disponer de esta tcnica como sistema de control para la determinacin de Mercurio se pondr a punto una metodologa para la determinacin por espectrofotometra UV-Vis empleando ditizona como agente cromognico en un medio micelar. Por consiguiente esto permitir mejorar la sensibilidad del mtodo, como lo reportan diferentes estudios para metales empleando ditizona y medios micelares utilizando surfactantes (Ingman, 1971; Michalska & Kowal, 1985; Romberg & Mller, 1997; Ueno et al., 1979).

Principios de la espectrofotometra de absorcin molecular UV/VIS.

La espectroscopia emplea la interaccin de la radiacin electromagntica con la materia, en este caso al estimular el analito que se encuentra en su estado de energa ms bajo, estado fundamental, puede ocurrir ausencia de absorcin o una absorcin parcial. La absorcin es una propiedad muy especfica de la estructura molecular de los diferentes tipos de materiales y cuanto ms mviles o ms dbilmente unidos estn los electrones, menor ser la magnitud correspondiente a la diferencia entre los dos estados energticos moleculares; correspondientemente, menor ser la frecuencia de absorcin y mayor la longitud de onda. As pues, la absorcin de la radiacin atena el haz de luz electromagntica en concordancia con la ley de absorcin que se describe a continuacin (Skoog D.A., 2005).

La ley de absorcin, tambin llamada ley de Beer-Lambert, indica cuantitativamente la forma en que el grado de atenuacin depende de la concentracin de las molculas absorbentes y de la longitud de trayecto en que ocurre la absorcin. Segn la ley de Beer, la concentracin de una sustancia en solucin es proporcional a la absorbancia (A) de la disolucin. Cuando una radiacin monocromtica pasa a travs de una disolucin homognea en una celda, la intensidad de la radiacin emitida depende de la longitud de la celda (b) y de la concentracin (c) de la disolucin. Como se expresa en la ecuacin 13.

Aqu, es la constante de proporcionalidad llamada absortividad molar, dado que la absorbancia es una cantidad sin unidades, la absortividad tiene las siguientes unidades Lmol-1cm-1.

Dadas las variaciones de la absortividad segn las condiciones de medida, es aconsejable calcular su valor en trabajos cuantitativos. As pues, se utilizan soluciones patrn del analito en el mismo disolvente y a temperatura similar para obtener la absortividad en el momento de anlisis, posteriormente puede ser utilizada para el anlisis de muestras desconocidas bajo las mismas condiciones de anlisis una vez graficada la curva de calibracin. Para asegurar la fiabilidad de los resultados, estos pueden acompaarse de un anlisis estadstico que cuantifica los errores asociados a cada punto de la recta, a la pendiente y ordenada en el origen de la recta (Skoog D.A., 2005).

Al proceso de establecer, tanto de manera cualitativa como cuantitativa, los errores y la incertidumbre de la medicin se le denomina proceso de validacin del mtodo analtico. Gracias a este proceso se asegura que cada determinacin de la concentracin del analito en estudio es la mejor estimacin del valor real y que esta se encuentra dentro de ciertos lmites de confianza, establecidos experimentalmente a travs de la interpretacin analtica y de las herramientas estadsticas.

Especies absorbentes.

La absorcin de radiacin ultravioleta y visible por parte de las molculas ocurre en una o ms bandas de absorcin electrnicas cada una de las cuales se componen de transiciones de un electrn del estado fundamental a uno de los muchos estados de energa vibratoria y rotacional relacionada con cada estado de energa electrnica excitado. La absorcin de radiacin por molculas orgnicas en la regin de la longitud de onda entre 180 y 780 nm resulta de la interaccin de los fotones y electrones que participan de manera directa en la formacin de enlaces o que se localizan en torno a tomos como los de oxgeno, azufre, nitrgeno y halgenos (Skoog D.A., 2005).

Por ejemplo, sistemas de enlaces simples tienden a exhibir transiciones electrnicas desde orbitales sigma enlazantes a sigma antienlazantes (*) y ocasionalmente transiciones de electrones no enlazantes a orbitales sigma antienlazantes (n*), siempre que estos electrones puedan verse involucrados.

En la regin UV/VIS son comunes las transiciones de orbitales pi a orbitales pi antienlazantes (*) y transiciones de electrones no enlazantes a orbitales pi antienlazantes (n*) (Marios & Mercedes, 2011; Pino & Prez, 1983). Por lo tanto, en la estructura de compuestos cromoforos debe presentar enlaces dobles (como en los etilenos, acetilenos y carbonilos); pares de electrones libres de heterotomos asociados a enlaces dobles (grupos carbonilos, nitro y azo) y enlaces simples junto a heterotomos con pares de electrones libres (alcoholes, amidas y agua) respectivamente. Existen otros grupos llamados auxcromos; estos son grupos que no exhiben absorcin por s mismos, pero s pueden afectar la longitud de onda o la intensidad de la banda de absorcin del cromforo.

Los metales de transicin tienen orbitales d incompletos y normalmente exhiben bandas de absorcin en la regin UV/VIS. La longitud de onda de las transiciones d-d dependen del metal involucrado (nmero de electrones d inicialmente presentes), el nmero de grupos coordinados, la basicidad de los tomos donadores de electrones en el ligando y de la geometra de los grupos coordinados (Pino & Prez, 1983).

Adicionalmente, la habilidad de los metales de formar complejos, en especial los elementos de transicin, con molculas orgnicas e inorgnicas que absorben en la regin visible, proporciona la base para el anlisis espectrofotomtrico cuantitativo. Las absorciones se deben al movimiento de electrones entre los niveles de energa del complejo metal-ligando. Los ligandos ms utilizados en estas determinaciones han sido la ditizona, compuestos azo, ditiocarbamato y tiocianato (Marios & Mercedes, 2011).

DITIZONA O DIFENILTIOCARBAZONA.

Propiedades fsicas y qumicas.

La 1,5-Difenil-3-tiocarbazona es un reactivo orgnico cuya frmula molecular es C6H5(NH)2CS(N)2C6H5, generalmente se conoce como difeniltiocarbazona o ditizona, se abrevia como H2Dz, tiene una masa molecular de 256,33 g/mol, presenta una apariencia de cristales de tipo ajuga color marrn oscuro, es inodoro y su punto de fusin es de 168C. Su estructura molecular es la mostrada en la Figura 3.

Figura 3: Estructura molecular ditizona (Carrasquero-Durn, Domnguez, & Acosta, 2004).

A partir de la figura anterior se observa que su estructura molecular exhibe tres grupos funcionales, en primer lugar el grupo tiocarbonilo (1) presenta transferencia electrnica de tipo - que involucran orbitales 3p transfirindole estabilidad a la molcula. El segundo grupo funcional importante es el grupo azo (2) que est constituido por una unin doble entre tomo de nitrgeno (-N=N-) y el tercer grupo funcional que determina el comportamiento qumico de la ditizona est representado por ambos anillos aromticos (3), lo cual adems de conferirle estabilidad a la molcula por efectos resonantes, contribuye junto con el grupo azo las propiedades de coloracin que exhibe el compuesto (Carrasquero-Durn et al., 2004).

Solubilidad de la ditizona.

La ditizona por ser una estructura molecular orgnica es insoluble en disolventes polares, pero se disuelve en la mayora de los solventes orgnicos. Su solubilidad en cloroformo a temperatura ambiente es aproximadamente de 2g/100 mL, y en tetracloruro de carbono alrededor de 0.05g/100mL. Para fines analticos, estos solventes son los ms ampliamente empleados en la preparacin de soluciones de ditizona, son exclusivamente usados para anlisis espectrofotomtrico de metales pesado e incrementar la sensibilidad de anlisis (Hernandez, 2006; Irving & Nowicka-Jankowska, 1971; Kiwan, 1997; Litman, Williams, & Finston, 1977). Pero el uso de estos disolventes presenta una desventaja relacionada con la contaminacin ambiental, debido a que son disolventes orgnicos clorados muy txicos.

ltimamente existen diferentes trabajos de investigacin informando acerca de la solubilidad de la ditizona y algunos de sus complejos en medio acuoso por agregados micelares de surfactantes. Esta propiedad se ha utilizado para el anlisis espectrofotomtrico de algunos metales (Fu-Sheng & Fang, 1983; Hernandez, 2006; Khan, Ahmed, & Bhanger, 2005; Luca., 2013; Shar & Bhanger, 2001). Estos mtodos de anlisis de metales pesados son procesos alternativos a los mtodos de extraccin con solventes orgnicos clsicos, adems estos procesos presentan una variedad de ventajas, entre las que se encuentran la eliminacin de solventes orgnicos txicos, procesos menos tediosos, mayor eficiencia en el anlisis de los analitos de inters, menor costo entre otros. Finalmente estos procesos de anlisis contribuyen con el medio ambiente a la determinacin de metales pesados en matrices acuosas.

La solucin de la ditizona en solventes orgnicos exhibe dos picos, los que sugieren la existencia de dos formas tautomericas en equilibrio, ver figura 4. El cambio mostrado en la altura de los picos de los espectros de absorcin visible, de un solvente a otro, indica un cambio en las proporciones de las formas denominadas tiol y tiona (Acua Ruiz, 2012; Khan et al., 2005; Pemberton & Buck, 1981).

Figura 4: Equilibrio tautomrico de la ditizona en solucin (Acua Ruiz, 2012).

El pico de absorcin de mayor longitud de onda corresponde a la forma tiona, el cual est asociado a transiciones electrnicas de tipo -* en el grupo azo (N=N-) a aproximadamente 580 nm (Carrasquero-Durn et al., 2004). En la siguiente figura 5 se puede observar la diferencia de los dos picos correspondientes a las formas tautomericas de la ditizona en un disolvente orgnico y muestra la estabilidad de la ditizona con respecto al tiempo.

Figura 5: Espectro de la ditizona (Hernandez, 2006).

Las soluciones de ditizona en solventes orgnicos presentan color verde, presentando dicrosmo a concentraciones altas (refleja luz verde y transmite luz roja). Es un reactivo inestable a la luz, al calor, a oxidantes y an al oxgeno del aire; oxidndose fcilmente a bis 1,5-difenilformazan-3-il-disulfuro (Acua Ruiz, 2012; Hernandez, 2006; Marios & Mercedes, 2011; Pemberton & Buck, 1981; Pino & Prez, 1983). El producto de oxidacin presenta una coloracin amarilla. La estructura mostrada en la Figura 6 corresponde a uno de los compuestos de oxidacin anteriormente mencionado. Igualmente, las sustancias muy oxidantes, en el medio donde se encuentra disuelta, tambin pueden oxidarla. Por ejemplo, en la literatura se mencionan algunos agentes oxidantes de la ditizona, como el hierro (II), el yodo y el talio (III).

Figura 6: Estructura de uno de los productos de oxidacin de la ditizona (Marios & Mercedes, 2011).

Quelatos metlicos con Ditizona.

La ditizona es un ligante muy utilizado para la separacin de iones metlicos en solucin, o para la determinacin de los mismos en muestras acuosas, formando complejos coordinados de tipo quelato coloreados, que han servido de base para el desarrollo de mtodos de anlisis espectrofotomtricos en la regin visible del espectro electromagntico (Ahmed & Alam, 2003; Das & Sen, 2012). Los metales ms utilizados son Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pd, Ag, Cd, Hg, Pb, entre otros. La mayora de sus iones en disolucin acuosa forman sulfuros insolubles. Adicionalmente, el procedimiento para medir la absorbancia de los complejos de ditizona implicaba la extraccin del complejo en un solvente orgnico (Cooper & Sullivan, 1951; Hernandez, 2006; Hibbard, 1937; Litman et al., 1977). Los quelatos metlicos de ditizona poseen una baja polaridad, permitiendo una buena separacin cuantitativa en una fase orgnica con un nmero adecuado de extracciones. No obstante, dicho procedimiento resulta tedioso, consume tiempo y no es selectivo. Adems, el cloroformo y el tetracloruro de carbono se encuentran en la lista de solventes declarados por la EPA como cancergenos (Marios & Mercedes, 2011).

La Ditizona es bien conocido como un reactivo muy selectivo y sensible para Mercurio (II), formando complejos de color extrables con alto valores de absortividad molar (Romberg & Mller, 1997; Ueno et al., 1979).

Las estructuras de los ditizonatos metlicos ha sido determinada mediante el anlisis de rayos X de los cristales de estos complejos (Irving & Nowicka-Jankowska, 1971; Marios & Mercedes, 2011; Meriwether, Breitner, & Sloan, 1965; Michalska & Kowal, 1985). Dichos estudios demostraron que la molcula est conformada por dos ligandos bidentados de ditizona coordinados tetradricamente al ion metlico. Esta unin se realiza mediante un tomo de azufre y uno de nitrgeno de cada residuo de ditizona, tal como se aprecia en la Figura 7.

Figura 7: Complejo metalico ditizona-Mercuri(II) (Marios & Mercedes, 2011).

Otra de las caractersticas de los complejos metlicos formados con la ditizona es la sensibilidad al pH, dado que la ditizona posee un equilibrio cido-base que cambia la forma qumica de la molcula, la estabilidad y el tipo de enlace de coordinacin metal ligando. Esta propiedad permite controlar la selectividad y la sensibilidad del analito de inters encontrando las condiciones adecuadas de pH, ver figura 8 y tabla 1.

Figura 8: Equilibrio cido base ditizona (Snchez Contreras, 2010).

Los complejos metlicos se forman cuando algunos metales remplazan a uno o a ambos hidrgenos cidos de la ditizona, los que actualmente se conocen como ditizonatos primarios y secundarios (Khan et al., 2005; Michalska & Kowal, 1985; Snchez Contreras, 2010).

Algunos autores sealan la existencia de complejos primarios y secundarios entre algunos metales y la ditizona. Los primarios son aquellos donde el complejo se forma a partir de la primera ionizacin de la ditizona, y los secundarios son aquellos donde la ditizona libera sus dos iones hidronio. La formacin de este segundo tipo de complejo se da a valores altos de pH y ante la deficiencia de ligando (Irving & Nowicka-Jankowska, 1971), donde el segundo protn es reemplazado. Los metales que pueden formar este tipo de complejo son: Cu, Ag, Au, Bi, Pd y Hg. De estos, el ditizonato primario de mercurio es color amarillo naranja, mientras que el secundario es morado (Marios & Mercedes, 2011)