Capitulo1 B Y F

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ANALÍTICA 1

INTRODUCCION__________________________________________________________3 1.1

Métodos clásicos: ___________________________________________________________3

1.2

Métodos instrumentales: _____________________________________________________4

2

Los Medicamentos _________________________________________________________4

3

REVISION DE ALGUNOS CONCEPTOS IMPORTANTES _______________________7

4

ELECTROLITOS __________________________________________________________8

5

FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACION ______________________________9 5.1

Concentración másica. (x) ___________________________________________________9

5.2

Fracción másica.  (x) _____________________________________________________10

5.3

Concentración en porcentual. (%) ____________________________________________10

5.3.1

a) Por ciento masa-volumen. % m-V ________________________________________________ 10

5.3.2

b) Por ciento masa-masa. % m-m ___________________________________________________ 11

5.3.3

c) Por ciento volumen- volumen.

% V-V ____________________________________________ 12

5.4

Concentración molar. c(x) __________________________________________________12

5.5

Concentración molar del equivalente. c (x/z*)__________________________________13

6

EQUILIBRIO QUIMICO ___________________________________________________16

7

ACIDOS Y BASES ________________________________________________________17

8

CONSTANTE DEL PRODUCTO DE SOLUBILIDAD ___________________________18

9

CLASIFICACION DE LOS METODOS CLASICOS DE ANALISIS CUANTITATIVOS 19 9.1

Métodos de análisis gravimétrico _____________________________________________19

9.2

Métodos de análisis volumétrico ______________________________________________19

10

ETAPAS DE UN ANALISIS QUIMICO CUANTITATIVO ______________________20

10.1

DEFINICION DE LOS OBJETIVOS _________________________________________22

10.2

SELECCIÓN DEL METODO ANALITICO ___________________________________22

10.2.1

Características del analito (o los analitos): ____________________________________________ 22

10.2.2

Características de la matriz: ________________________________________________________ 23

10.2.3

Características de los métodos analíticos: _____________________________________________ 23

10.3 10.3.1

Validación del método analítico ______________________________________________24 Especificidad.- __________________________________________________________________ 25

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10.3.2

Exactitud.- _____________________________________________________________________ 25

10.3.3

Precisión.- _____________________________________________________________________ 25

10.3.4

Límite de detección.- _____________________________________________________________ 26

10.3.5

Límite de Cuantificación.- _________________________________________________________ 26

10.3.6

Linealidad.- ____________________________________________________________________ 26

10.3.7

Rango.- _______________________________________________________________________ 26

10.3.8

Robustez.- _____________________________________________________________________ 26

10.4

MUESTREO ______________________________________________________________27

10.5

PREPARACION DE LA MUESTRA _________________________________________28

10.5.1

Preparación de la muestra _________________________________________________________ 30

10.5.2

Preparación de la porción de ensayo. _________________________________________________ 30

10.5.3

Dilución: ______________________________________________________________________ 31

10.5.4

Extracción sólido-líquido: _________________________________________________________ 31

10.5.5

Clarificación: ___________________________________________________________________ 31

10.5.6

Destilación: ____________________________________________________________________ 31

10.5.7

Incineración: ___________________________________________________________________ 31

10.5.8

Digestión: _____________________________________________________________________ 31

10.5.9

Cálculos relacionados con la etapa de preparación de la muestra. __________________________ 32

11

DETERMINACION ANALITICA __________________________________________34

12

CALCULOS, INFORME E INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS ________34

12.1

13

Interpretación de los resultados ______________________________________________38

Errores en el análisis cuantitativo __________________________________________38

13.1

Errores determinados o sistemáticos: _________________________________________39

13.2

Errores del método: ________________________________________________________39

13.3

Errores debido a los instrumentos y a los reactivos empleados: ____________________39

13.4

Errores de operación: ______________________________________________________40

13.5

Errores personales: ________________________________________________________40

13.6

Errores indeterminados o accidentales ________________________________________40

14 14.1

15

El ensayo en blanco ______________________________________________________41 Determinaciones en paralelo _________________________________________________41

EJERCICIOS PROPUESTOS ______________________ ¡Error! Marcador no definido.

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1 INTRODUCCION La Química Analítica, considerada por muchos la rama más antigua de la Química, es la ciencia que estudia el conjunto de principios, leyes, métodos y técnicas cuya finalidad es la determinación de la composición química de una muestra natural o artificial. Es, por tanto, la ciencia creadora y elaboradora de esos métodos y técnicas y puede definirse como la rama de la química que se ocupa de la identificación y cuantificación de uno o varios componentes químicos en una muestra dada. De acuerdo con esta definición la Química Analítica se divide en cualitativa y cuantitativa. La Química Analítica Cualitativa tiene por objetivo el reconocimiento o identificación de los elementos, compuestos o grupos químicos presentes en una muestra; mientras que el de la Química Analítica Cuantitativa, es la determinación de las cantidades en las cuales tales elementos, compuestos o grupos químicos se encuentran la muestra. Para cumplimentar cualquiera de estos objetivos (cualitativo o cuantitativo), la química analítica se vale del procedimiento denominado método analítico, el cual puede definirse como el conjunto de operaciones físicas y químicas que permite identificar y/o cuantificar un componente químico (el analito) en el sistema material que lo contiene (la muestra). La complejidad en la composición (matriz) de la muestra será la que determine el procesamiento a que deberá ser sometida esta última a fin de lograr resultados óptimos en el análisis. Un ejemplo de muestra con matriz compleja es la sangre, frecuentemente analizada con múltiples objetivos. Los métodos de análisis químico pueden clasificarse de diferentes formas. La más aplicada es la que los divide según la naturaleza de la medida final del análisis. De acuerdo con esto, los métodos de análisis químico pueden clasificarse en clásicos e instrumentales.

1.1 Métodos clásicos: Son los más antiguos e involucran generalmente la aplicación de una reacción química en la que interviene el constituyente que se desea determinar. Si el fin es cualitativo, la reacción deberá dar lugar a la aparición de coloración, turbidez, precipitado o cualquier otro cambio perceptible, que indicará la posible presencia de especies químicas determinadas. Estas reacciones características serán descritas y aplicadas en cursos posteriores. Si por el contrario, el objetivo del análisis es cuantitativo, el procedimiento químico empleado deberá concluir con la medición final de una masa o un volumen que permitirá calcular la cantidad o concentración de analito presente en la muestra. Este texto tratará sobre los métodos clásicos de análisis cuantitativo.

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1.2 Métodos instrumentales: Constituyen un conjunto de procedimientos basados en la medición instrumental de alguna propiedad físico-química de las sustancias, que resulta proporcional a la masa o concentración de las mismas en el sistema estudiado. Estos métodos, por lo general, no involucran reacción química alguna y presentan una enorme diversidad. En ocasiones, requieren de equipos que pueden resultar altamente sofisticados y muy caros, pero que ofrecen resultados imposibles de lograr por otras vías. Son aplicados ampliamente tanto con fines cualitativos como cuantitativos. A diferencia de los métodos clásicos, los cuales han experimentado poco cambio a través de los años, los métodos instrumentales están sometidos a un permanente perfeccionamiento y desarrollo, constituyendo una herramienta imprescindible en casi todas las ramas de la ciencia. No obstante, los métodos clásicos mantienen amplia aplicabilidad en el control de la calidad materias primas y medicamentos. Esto se debe a que, en dependencia del objetivo que se persigue con un análisis dado, debe seleccionarse el método analítico adecuado, es decir, aquél que ofrece los resultados con el nivel de exigencia requerido y que no necesariamente es el más moderno o costoso. Un científico nunca deberá invertir tiempo o recursos para lograr más exactitud y precisión de la requerida para un análisis dado, aunque tampoco deberá desarrollar un trabajo analítico cuyos resultados no estén a la altura de la exigencia que se plantea para el mismo.

2 Los Medicamentos Medicamento es toda sustancia o preparado que, poseyendo propiedades curativas o preventivas, es elaborado para ser administrado al hombre o a los animales, ayudando al organismo a recuperarse de los desequilibrios producidos por las enfermedades o a protegerlo de las mismas. De forma general, un medicamento está compuesto por una sustancia o compuesto principal que es la sustancia o principio farmacológicamente activo (o fármaco), responsable de ejercer la actividad preventiva o terapéutica (curativa) que se persigue con su administración frente a una enfermedad o padecimiento dado; y otra serie de sustancias inactivas o inertes, que se conocen como sustancias auxiliares o excipientes, que permiten o coadyuvan a una mejor absorción del principio activo por el organismo al mismo tiempo que garantizan su estabilidad y posibilitan la preparación de la forma farmacéutica (tableta, ungüento, crema, loción, jarabe, colirio, inyectable, polvos, etc.) en que será administrado. Entonces, la forma farmacéutica es la presentación externa de un medicamento con el fin de posibilitar su administración al individuo. En ocasiones, un medicamento incluye en su composición más de un principio activo y entonces se dice que es una asociación medicamentosa. Así por ejemplo, en las tabletas de KCl 500 mg, administradas a pacientes hipopotasémicos (con niveles deprimidos de potasio en sangre), el cloruro de potasio constituye el principio activo o fármaco, mientras que los otros componentes de la tableta (glicerina, estearato de magnesio, hidróxido de aluminio y acacia), son las sustancias auxiliares o excipientes.

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Por otra parte, antes de formar parte del medicamento, cada uno de los compuestos que va a ser utilizado en su elaboración, constituye una materia prima (figura 1.1).

Figura 1.1 - Esquema representativo de los componentes presentes en las tabletas de KCl.

Para garantizar la calidad de un medicamento debe controlarse cuidadosamente la calidad de cada uno de los componentes que forman parte del mismo, así como del proceso productivo mediante el cual es elaborado. De ello depende tanto la adecuada presentación del producto terminado, como su efectividad preventiva o terapéutica y su estabilidad física y química. Por tal motivo, todas las materias primas que van a ser utilizadas en la elaboración de un medicamento deben ser sometidas a un riguroso control de calidad mediante la aplicación de una serie de técnicas analíticas que permiten comprobar si cumplen o no con los requisitos de pureza establecidos para cada una de ellas. Sin embargo, ese control no basta para garantizar la calidad del producto terminado. Durante el proceso tecnológico mediante el cual se elabora el medicamento deben realizarse diferentes chequeos con el fin de comprobar que todos los parámetros tecnológicos se comportan adecuadamente y no se ha producido alteración alguna en las distintas etapas productivas. Finalmente, el producto terminado es sometido a una serie de pruebas o análisis de diferentes tipos (físicos, químicos, químico-físicos, microbiológicos, bioquímicos, etc. en dependencia de sus características) para establecer si el mismo se encuentra o no apto para el consumo humano o animal. En las farmacopeas, compendios que se publican en los países con más desarrollo en

producción de

medicamentos, se recogen todos los análisis a que deben ser sometidos tanto las materias primas (principios activos, sustancias auxiliares, agua de uso industrial, envases, etc.) como los productos terminados (medicamentos y otros productos de uso farmacéutico) que se producen en cada uno de ellos. Para cada análisis se establece el “criterio de calidad”, o sea el intervalo en el que deben encontrarse los resultados del análisis en cuestión, para que tales materias primas o productos puedan ser considerados aptos para el uso farmacéutico. Esta evaluación es obligatoria tanto si se trata de producciones nacionales como de productos importados. Igualmente, debe realizarse un control periódico a las materias pri-

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mas o formas terminadas que se mantienen almacenadas porque debe comprobarse que mantienen la calidad requerida durante su almacenamiento. En cursos posteriores se tratarán detalladamente los aspectos concernientes al control de la calidad en la industria farmacéutica. No obstante, en el presente texto serán utilizados muchos ejemplos que permitirán ilustrar de forma concreta la aplicación directa de los métodos clásicos de análisis cuantitativo en ese campo. Cuando se va a aplicar una técnica o procedimiento analítico dado, es imprescindible discernir claramente cuál es la muestra, cuáles son las características de su matriz y cuál es el analito. Para ello, pueden tomarse como ejemplo las tabletas de cloruro de potasio (KCl) esquematizadas anteriormente. Entonces, desde el punto de vista analítico, cuando se desea determinar experimentalmente la pureza de la materia prima “cloruro de potasio”, esta última constituirá la muestra a analizar, en la que deberá determinarse el contenido de KCL (componente químico) que realmente presenta y que constituirá el analito, en una matriz que pudiera estar compuesta por el KCL (analito) y otras impurezas que pudieran estar presentes en la materia prima, considerando que es prácticamente imposible obtener un compuesto 100% puro. El análisis mencionado forma parte de un conjunto de pruebas establecidas para el control de la calidad de esta materia prima en particular. Por otra parte, si lo que se realiza es el control de calidad de un lote fabricado o importado de tabletas de KCl, y se desea determinar si el contenido de principio activo en las tabletas cumple con el que declara el fabricante (500mg) entonces, la muestra serían las tabletas (con la matriz que las caracterizan) que llegan al laboratorio para ser analizadas y, el analito, el KCl contenido en ellas. Es preciso aclarar que, cuando la muestra es un medicamento, el analito puede o no ser específicamente el principio activo pues, frecuentemente, se hace necesaria la determinación cuantitativa de otros compuestos que acompañan o pudieran acompañar al fármaco en el medicamento, cuya presencia y concentración deben ser estrictamente controladas. El Análisis Químico (cualitativo o cuantitativo, clásico o instrumental) tiene una amplísima aplicación en el campo farmacéutico. Además de utilizarse, en gran medida, en el control de la calidad de materias primas y productos terminados, se aplica también en estudios farmacológicos, toxicológicos, farmacocinéticos, de estabilidad, en la investigación y desarrollo de nuevos principios activos y medicamentos, en el desarrollo de kits para el diagnóstico de enfermedades, en la fabricación de cosméticos y otros productos de aseo y cuidado personal, etc.

Igualmente, los métodos de análisis químico cualitativo y cuantitativo

son aplicables en el campo de las ciencias alimentarias, medicina, criminalística, bioquímica, biología, en el control ambiental, en el control antidopaje, mineralogía, agricultura, antropología, y por supuesto en la industria química, entre otros. Los métodos clásicos de análisis químico cuantitativo constituyen el primer peldaño en el largo recorrido dentro del amplio campo del análisis farmacéutico. Los conceptos y definiciones que se estudian son de aplicación permanente en este campo. El estudio de los métodos clásicos no sólo proporciona una serie

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de herramientas teóricas y habilidades prácticas de aplicación directa en diversos perfiles de trabajo del profesional farmacéutico, sino también resultan imprescindibles para el ulterior aprendizaje de métodos y técnicas de análisis más complejos y especializados, como por ejemplo los métodos instrumentales. Por tanto, el estudio de los métodos clásicos de análisis cuantitativo, con el enfoque farmacéutico que se le ha dado en el presente texto, debe capacitar al estudiante y futuro profesional farmacéutico para: 

identificar los métodos clásicos de análisis químico cuantitativo



aplicar los principios, conceptos y leyes en que se fundamentan estos métodos



manipular adecuadamente los reactivos y la cristalería propia de un laboratorio analítico, así como otros materiales utilizados en el mismo



preparar las soluciones necesarias



interpretar correctamente el lenguaje analítico utilizado en la literatura farmacéutica



ejecutar los métodos y técnicas analíticas reportados en ese tipo de literatura



evaluar la posibilidad de aplicar los diferentes métodos clásicos de análisis cuantitativo según las características químicas de una muestra dada



utilizar adecuadamente la libreta de trabajo en el laboratorio



realizar los cálculos necesarios y expresar correctamente los resultados parciales y finales del trabajo analítico, haciendo referencia a los criterios de calidad establecidos en la literatura farmacéutica



interpretar científicamente los resultados del análisis realizado



detectar las posibles fuentes de error que inciden en los resultados del trabajo experimental y proponer la forma de minimizar la magnitud de estos



acometer el estudio de otros métodos de análisis cuantitativo

3 REVISION DE ALGUNOS CONCEPTOS IMPORTANTES El estudio de los métodos cuantitativos de análisis requiere del constante uso de una serie de conceptos con los cuales el estudiante debe familiarizarse completamente y revisar con frecuencia. Entre estos conceptos se encuentran: tipos de electrolitos, soluciones y sus propiedades, carácter ácido - base de las sustancias, unidades de masa y volumen, formas de expresar la concentración y la conversión entre ellas, leyes del equilibrio químico, y otros, algunos de los cuales serán repasados brevemente. Comenzaremos precisando que en el Sistema Internacional de Unidades (SI) adoptado nacionalmente en Cuba, la única unidad química para una cantidad de sustancia es el mol. El mol se define como la cantidad de materia que contiene tantas especies elementales (átomos, electrones, iones, pares de io-

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nes o moléculas explícitamente especificados) como átomos de carbono hay en exactamente 0,012 kg de carbono-12 (éste es el número de Avogadro). Las unidades de masa que se utilizan son las que corresponden al Sistema Métrico Decimal, o sea, gramo (g), miligramo (mg), microgramo (µg), etc. Igualmente, se aplican las de volumen: litro (L), mililitro (mL), microlitro (µL), nanolitro (nL), etc. En las Tablas I y II se relacionan algunas de las conversiones de unidades de masa y volumen más utilizadas en análisis químico cuantitativo.

Tabla I - Conversiones entre unidades de masa

1ki log ramo (Kg)  10 3 g 1miligramo

(mg )  10 3 g

1microgramo (g)  10  6 g  10 3 mg 1nanogramo (ng)  10 9 g  10 6 mg  10 3 g 1picogramo (pg)  10 12 g  10 9 mg  10  6 g  10 3 ng

Tabla II - Conversiones entre unidades de volumen

1mililitro

(mL )  10 3 L

1microlitro (L )  10 6 L  10 3 mL 1nanolitro (nL )  10 9 L  10 6 mL  10 3 L 1picolitro (pL )  10 12 L  10 9 mL  10 6 L  10 3 nL

4 ELECTROLITOS Los electrolitos son sustancias que se disocian más o menos completamente en sus iones cuando se disuelven en agua. Los electrolitos fuertes están virtualmente disociados por completo, mientras que los débiles se encuentran presentes en solución tanto disociados como en forma molecular. Ejemplos de electrolitos fuertes: 

los ácidos inorgánicos (perclórico, nítrico, clorhídrico, bromhídrico, yodhídrico)



los hidróxidos alcalinos y alcalinotérreos



casi todas las sales inorgánicas (excepto los halogenuros, cianuros y tiocianatos de cadmio, zinc y algunos otros)

Ejemplos de electrolitos débiles:

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

Algunos ácidos inorgánicos (fosfórico, bórico carbónico)



Algunos hidróxidos inorgánicos (amonio, la mayoría de los hidróxidos de metales divalentes y trivalentes,etc.)



La mayoría de los ácidos orgánicos



Haluros, cianuros y tiocianatos de mercurio, zinc y cadmio

5 FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACION Existen múltiples formas de expresar la concentración, todas, de mucha aplicación en el análisis químico y en especial en el análisis químico farmacéutico.

A continuación se relacionan las más comúnmente

empleadas no sólo cuando se trata de soluciones que se utilizan durante el desarrollo del análisis, sino también cuando se reportan los resultados del mismo como por ejemplo: pureza de una materia prima, contenido de principio activo o de impurezas en un medicamento, etc.

5.1 Concentración másica. (x) La concentración másica ((x)) expresa la masa de soluto contenida en una unidad de volumen de disolución y se calcula según:

 ( x) 

m asa del soluto x m( x)  volumen de disolución V(D)

[ 1.1]

Puede expresarse indistintamente en g/L, mg/L, g/L, g/mL, mg/mL, etc. Por ejemplo, si se disuelven 40 g de NaOH hasta 250 mL de disolución, la concentración de la solución resultante se puede expresar en g/L,  (NaOH) 

m (NaOH) 40 g   160g / L V (D) 0,25 L

La concentración de esta misma solución puede ser expresada en cualquier unidad que relacione la masa de NaOH por unidad de volumen de disolución. Para realizar estas conversiones sólo es necesario conocer las relaciones entre las diferentes unidades de masa y volumen. Así, se puede decir que:  (NaOH)  160 g / L  0,16 g / mL  160000mg / L  160 mg / mL, entre otras formas.

Nótese que el valor de la concentración expresada en g/L y mg/mL es el mismo (160), o sea, la relación masa / volumen se mantiene constante. Las unidades mg/L expresan la concentración de soluciones muy diluidas, aunque también comúnmente se expresan en partes por millón (ppm):

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6

ppm = masa de soluto x 10 / masa de solución Puesto que la densidad de una disolución muy diluida no difiere significativamente de la del agua ( 1g/mL), puede asumirse que 10

6

mg de disolución, es equivalente a un litro de la misma. Por tal moti-

vo, puede considerarse que 6

ppm = mg de soluto / 10 mg de solución = mg de soluto / L de solución Para soluciones todavía más diluidas la concentración puede expresarse en partes por billón (ppb), es 9

decir masa de soluto x 10 / masa de solución. La concentración másica se emplea usualmente para expresar la concentración de soluciones o de principios activos en colirios, soluciones tópicas, gotas nasales, jarabes, etc..

5.2 Fracción másica.  (x) La fracción másica ((x)) expresa la masa de soluto contenida en una unidad de masa de muestra, o lo que es lo mismo, la relación entre la masa de un soluto dado y la masa total de la muestra que lo contiene, y se calcula según:

 ( x) 

masa del soluto x m( x)  masa de muestra m(m)

[ 1.2]

De forma análoga a la explicada para el caso de la concentración másica, las unidades en las cuales puede expresarse la fracción másica dependerán de las unidades en las cuales se exprese la masa de soluto y la masa de la muestra; así, la fracción másica puede expresarse en g/g, mg/g, g/g, g/Kg, mg/Kg , /g, etc. La fracción másica suele emplearse con mucha frecuencia para expresar la concentración de un analito en una muestra farmacéutica sólida (mg de principio activo por gramo de granulado, etc.)

5.3 Concentración en porcentual. (%) De manera general, el por ciento expresa el número finito de unidades contenidas en un conjunto cualquiera por cada 100 unidades del conjunto. En química analítica, la concentración en por ciento puede referirse a tres casos diferentes: masavolumen (%m-V), masa-masa (%m-m) y volumen-volumen (%V-V).

5.3.1 a) Por ciento masa-volumen. % m-V El por ciento masa-volumen (%m-V) se define como los gramos de soluto contenidos en 100 mL de disolución y se puede calcular a través de la siguiente expresión: capitulo1 b y f.docx

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%m  V 

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m ( x ) exp resada en g masa del soluto x 100   100 volumen de disolución V (D) exp resado en mL

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[ 1.3]

Retomando el ejemplo, utilizado anteriormente, de la disolución de NaOH obtenida por disolución de 40 g de NaOH hasta 250 mL, la concentración de esta disolución expresada en %m-V será:

% (NaOH ) 

40 g  100  16 g NaOH / 100 mL de disolución 250 mL

También, se obtiene el mismo resultado a partir del siguiente análisis: en 250 ml de disolución

están

en 100 ml de disolución

estarán contenidos

x g de NaOH 

contenidos

40 g de NaOH x g de NaOH

40 g  100  16 g NaOH / 100 mL de disolución  16% 250 mL

Nótese que las unidades de masa y volumen no son arbitrarias, pues para ser consecuentes con el concepto de %m-V, éstas siempre deben expresar la masa de soluto (en gramos) contenida en 100 mL de disolución. El por ciento masa-volumen (%m-V) es la forma de expresar la concentración de medicamentos cuya presentación es en forma líquida, como por ejemplo los colirios y las soluciones tópicas.

5.3.2 b) Por ciento masa-masa. % m-m El por ciento masa-masa (%m-m) se define como los gramos del constituyente a cuantificar (analito) contenidos en 100g de muestra y puede calcularse a partir de la siguiente expresión:

%m  m 

m(analito ) exp resada en g m(muestra) exp resada en g

 100 [1.4.]

El %m-m es una expresión comúnmente empleada para expresar la concentración de analitos en muestras sólidas. Por tanto, es la forma de expresar el % de pureza de las materias primas que se emplean en la industria farmacéutica. El % m-m es también la forma de expresión de la pureza de algunos reactivos comercializados en soluciones altamente concentradas como por ejemplo los ácidos sulfúrico, clorhídrico, nítrico y el amoníaco. Nótese que, en este caso, el soluto no es un sólido. El % de pureza de tales reactivos se encuentra especificado, en la etiqueta del frasco o envase de presentación, y es un dato de mucha utilidad cuando se requiere preparar soluciones a partir de ellos, lo cual será explicado detalladamente en el Capítulo 3.

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5.3.3 c) Por ciento volumen- volumen.

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% V-V

El por ciento volumen-volumen se define como los mL de soluto líquido contenido en 100 mL de disolución y puede calcularse según:

%VV 

volumen del soluto líquido ( x) V( x)  100  x 100 volumen de disolución V(D)

[1.5]

El por ciento volumen-volumen también se emplea para expresar el grado alcohólico de soluciones de etanol pero, de todas las expresiones de concentración, es la de menos utilización en análisis farmacéutico. Existen también otras dos formas de expresar la concentración que se aplican a soluciones de uso frecuente en la química cuantitativa. Ellas son las expresiones de concentración molar y concentración molar del equivalente.

5.4 Concentración molar. c(x) La concentración molar representa el número de moles de soluto contenidos en un litro de disolución. Se expresa en unidades de mol/L, y puede calcularse según: c ( x) 

cantidadde sus tancia n ( x)  volumende disolución V (D)

[1.6]

donde: n(x) es expresada en mol y V(D) en litros.

n ( x)  La cantidad de sustancia n(x) puede calcularse por :

m ( x) M ( x)

[ 1.7]

siendo m(x) la masa de sustancia expresada en gramos y M(x), su masa molar expresada en g/mol. Por tanto,

m (x) M (x) c ( x)  V (D)

[ 1.8]

Así, por ejemplo, si se disuelven 6,3 g de ácido oxálico dihidratado (H 2C2O4 . 2H2O) en agua, hasta completar 500 mL de disolución la concentración molar de esta última será: 6,3 g 126 g / mol c (H2C2O4 . 2H2O)   0.1 mol / L 0,5 L

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Nótese que, en definitiva, la concentración molar expresa la cantidad de moles de una sustancia dada en un litro de disolución.

5.5 Concentración molar del equivalente. c (x/z*) La concentración molar del equivalente expresa la cantidad de sustancia en moles equivalentes de soluto contenidos en un litro de disolución. Se expresa en mol/L y puede calcularse a través de la siguiente expresión: c ( x / z* ) 

cantidadde sus tan cia equivalent e n ( x / z* )  volumende disolución V (D)

[1.9]

donde: *

n(x/z ) es expresada en mol y V(D), en litros. Cabe recordar que z* es el número de equivalentes intercambiados en una reacción química, es decir es +

-

el número de iones H , iones OH , cargas positivas, cargas negativas o electrones que aporta, requiere o intercambia la sustancia considerada en una reacción dada. La diferencia entre esta expresión y la concentración molar radica en el concepto de cantidad de sustancia del equivalente (n(x/z*)) la cual se define como el número de moles químicamente equivalentes de una sustancia en una reacción química dada. n (x / z * ) 

La (n(x/z*)) puede calcularse según:

m ( x) M(x / z * )

[1.10]

donde: *

m(x) es la masa de sustancia expresada en gramos y M(x/z ) es la masa molar del equivalente expresada en g/mol, que resulta del cociente entre la masa molar M(x) y el número de equivalencia (z*) de la sustancia en la reacción dada. Así por ejemplo, en la reacción entre el ácido oxálico y el hidróxido de sodio, representada según: H2C2O4 + 2NaOH

Na2C2O4 + 2H2O

un mol de H2C2O4 requiere de dos moles de NaOH para completar la reacción, por cuanto son dos los +

-

iones H que requieren ser neutralizados y cada mol de NaOH aporta solo un ión OH . Conforme a la definición antes indicada, el número de equivalente (z*) para el H 2C2O4 y para el Na2C2O4 será igual a 2, en tanto para el NaOH será igual a 1. Entonces, las masas molares equivalentes de estas tres sustancias pueden calcularse de la siguiente forma: capitulo1 b y f.docx

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 H C O . 2H2 O   H C O . 2H2 O  126 g / mol   M  2 2 4   M  2 2 4  63 g / mol * 2 2 z      Na 2 C 2 O 4 M  z* 

  Na 2 C 2 O 4   M  2  

 134 g / mol    67 g / mol 2 

 NaOH 40 g / mol  NaOH   M M   40 g / mol    * 1 1    z 

Por tanto, para la solución preparada por disolución de 6,3 g de ácido oxálico dihidratado (H 2C2O4

.

2H2O) en agua destilada hasta completar 500 mL, la concentración molar del equivalente será igual a: 6,3 g  H2C2O4 . 2H2O  63 g / mol   c  0,2 mol/ L 2 0.5L  

Nótese que la magnitud de la concentración molar del equivalente del ácido oxálico es el doble de la magnitud de su concentración molar [0,2 mol/L = 2(0,1 mol/L)], puesto que un mol de sustancia de H2C2O4 representa dos moles equivalentes de ácido. Por tanto, la concentración molar del equivalente puede también obtenerse según: c(x/z*) = c(x) x z*

[1.11]

Para el caso considerado del ácido oxálico quedaría:  H C O . 2H2 O    c (H2 C 2 O 4  2H2 O) c  2 2 4 z*  

 H C O . 2H2O  c 2 2 4   0,1 mol / L 2  

x

x

z*

2

 H C O . 2H2O  c 2 2 4   0,2 mol/ L 2  

De forma análoga, la concentración molar de la solución de Na2C2O4 será la mitad de la magnitud de su concentración molar del equivalente, pero para la solución de NaOH, ambas concentraciones tendrán el mismo valor, por cuanto su número de equivalencia es igual a 1. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) instituyó a principios de la década de los años 80, como parte del Sistema Internacional de Unidades, los términos de concentración molar y concentración molar del equivalente. Sin embargo, en la práctica científica estos términos aún no se han generalizado y en la mayoría de los textos y publicaciones actuales (incluso las farmacopeas), se siguen empleando las viejas denominaciones de NORMALIDAD (para referirse a la concentración molar del equivalente) y MOLARIDAD (para referirse a la concentración molar). Estas denominaciones no indican de forma explícita (aunque sí implícitamente) las unidades (mol/L) en que se expresan ambas formas de concentración.

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Así, una solución de HCl de concentración molar equivalente igual a 0,1 mol/L se representa como 0,1 N (0,1 Normal) y una de concentración molar igual a 0,1 mol/L, se representa como 0,1 M (0,1 Molar). Con el objetivo de que los estudiantes se familiaricen con ambas terminologías, en este texto se emplearán indistintamente los términos de concentración molar del equivalente o normalidad y concentración molar o molaridad. Como ejemplo de las formas en que puede expresarse la concentración para una misma disolución, tomaremos la que resulta de disolver 1,58 g de permanganato de potasio (KMnO4) en agua destilada hasta completar un volumen total de 250 mL. La concentración podrá ser expresada en: a) por ciento masa – volumen. %m  v 

m(KMnO4 ) V(D)

x

%mv 

1,58 g 250 mL

100  0,63%

x

100

en unidades de concentración másica.  (KMnO4 ) 

m (KMnO4 ) 1,58 g   0,0063 g / mL V (D) 250 mL

 (KMnO4 )  0,0063 g / mL  6,3 g / L  6,3 mg / mL  6300mg / L  6300ppm

en unidades de concentración molar.

n (KMnO 4 ) c (KMnO 4 )   V (D)

m (KMnO 4 ) 1,58 g M (KMnO 4 ) 158 g / mol   0,04 mol / L  0,04 M V (D) 0,25 L

en unidades de concentración molar del equivalente m (KMnO4 )  KMnO4 c   z*

n (KMnO4 / z * ) M (KMnO4 / z * )     V (D) V (D) 

-

El MnO4 es un agente oxidante fuerte que en medio ácido se reduce a Mn nes, según: -

+

MnO4 + 8H + 5e

2+

Mn

+ 4H2O

por lo que el número de equivalencia de KMnO4 es igual a 5, entonces: M (KMnO4 ) 158 g/mol  KMnO4  M   31,6 g/mol   z * 5 5  

 KMnO 4 y la c   z*

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  de la solución sería igual a : 

2+

intercambiando 5 electro-

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1,58 g  KMnO 4  31,6 g / mol c   0,2 mol / L  0,2 N   5 0,25 L  

Las diferentes formas de expresar la concentración y la conversión entre ellas deben ser de total dominio de todo profesional farmacéutico.

6 EQUILIBRIO QUIMICO Dada la importancia que presenta el equilibrio químico en el análisis químico cuantitativo, será necesario retomar este concepto en múltiples oportunidades durante el desarrollo de los diferentes métodos que serán abordados en el presente texto. No obstante, en este capítulo se recordarán algunos aspectos esenciales. En primer lugar debe tenerse siempre presente que las reacciones químicas no son completas, sino que se desarrollan hasta que la relación entre las concentraciones molares entre los productos y reaccionantes es constante. Esta relación numérica, llamada constante de equilibrio es de gran importancia práctica en el estudio y aplicación de los métodos cuantitativos de análisis. Si se tiene en cuenta que en los métodos clásicos de análisis químico cuantitativo se desarrolla generalmente una reacción química que involucra directa o indirectamente el analito, y que debe asegurarse que tales reacciones ocurran de la forma más completa posible para garantizar resultados que realmente reflejen la cantidad del mismo presente en la muestra, todo lo relacionado con el alcance del equilibrio químico de tales reacciones resulta de sumo interés para el analista. Si consideramos como ecuación general de un sistema en equilibrio: aA + bB

dD

+ eE

donde A y B son los reaccionantes; C y D, los productos y las letras minúsculas sus respectivos coeficientes estequiométricos, la constante de equilibrio quedará expresada según:

K eq 

c(D)d c(E)e c( A )a c(B)b

[1.12]

Para el caso de las reacciones que ocurren en fase gaseosa, en la expresión de la constante de equilibrio aparecen las presiones parciales. Las expresiones de las constantes de equilibrio para las diferentes reacciones permiten predecir la dirección en que ocurre una reacción y en qué medida está favorecida esa dirección, pero no ofrecen información sobre la velocidad con que se desarrollará hasta alcanzar la condición de equilibrio. El valor numérico de la constante de equilibrio dependerá de la temperatura, y es independiente del camino por el cual el equilibrio ha sido alcanzado.

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Como ya se ha mencionado, al estudiar los diferentes tipos de reacciones de interés en el análisis cuantitativo, se hará referencia a estos aspectos y se precisarán aquellos que son de particular aplicación en los mismos.

7 ACIDOS Y BASES El concepto del comportamiento ácido – base de una sustancia dada en solución, fue propuesto por Brnsted y Lowry en el año 1923. El concepto propuesto por ellos expresa lo siguiente: “un ácido es una sustancia capaz de ceder un protón y una base es una sustancia que puede aceptar un protón. Para ello, deberá estar presente un aceptor o donador de protones respectivamente”. Este concepto incluye que cada ácido tiene asociada una base conjugada y cada base, un ácido conjugado. Muchos disolventes son aceptores o dadores de protones y por tanto inducen el comportamiento ácido o básico en solutos disueltos en ellos. El agua es un solvente anfiprótico típico, capaz de comportarse como dador o aceptor de protones en dependencia del soluto presente, lo cual puede ejemplificarse según: NH3 + H2O base

NH4

ácido

+ H2O base

+

ácido conjugado

ácido

HNO2

+

NO2 base conjugada

OH

-

base conjugada

-

+

H3O

+

ácido conjugado

Puede observarse que un ácido, después de ceder un protón, se convierte en su base conjugada, la que a su vez se comporta como aceptora de protones (ácido) para volver a la forma ácida original. Similarmente ocurre con la base y su ácido conjugado. A su vez el agua es un solvente anfiprótico, o sea, sufre su propia disociación o autoprotólisis, para formar un par de especies iónicas mediante una reacción ácido – base. Otros ejemplos de solventes anfipróticos lo constituyen el metanol y el amoníaco. H2O

+

H2O

H3 O

CH3OH + CH3OH NH3

+

+

+

CH3OH2

NH3

NH4

+

+

OH

–

+ CH3O +

NH2

–

–

Para el caso del agua, el catión producido se denomina “ión hidronio”. Esta es la especie más estable de todas las que pueden formarse por enlaces covalentes del protón con los pares de electrones no compartidos del oxígeno, por lo que se utiliza para simbolizarlas a todas. No obstante, en ocasiones se prefiere utilizar el símbolo H protones.

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+

para simplificar la expresión de las ecuaciones en las que intervienen estos

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8 CONSTANTE DEL PRODUCTO DE SOLUBILIDAD Si consideramos una solución acuosa de una sal poco soluble AB, el equilibrio de esta reacción puede describirse mediante la siguiente ecuación: +

AB(S)

A +B

-

donde AB(S) representa la fase sólida. Esto es un equilibrio dinámico que existe entre un compuesto de escasa solubilidad y sus iones en solución, mediante el cual la sal poco soluble AB(s) está sometida a un constante proceso de disolución, así como de formación. Como las velocidades de estos dos procesos son iguales en el estado de equilibrio, el sistema no experimenta ningún cambio apreciable en su composición, siendo constante la concentración de los iones en la solución. Así pues, el equilibrio entre la sal AB(s) y sus iones puede describirse mediante la siguiente expresión:

Keq 

c ( A  ) x c (B  ) c ( AB( S ) )

[1.13]

en la que las concentraciones se expresan como concentraciones molares. Ahora bien, esta fórmula puede simplificarse si se tiene en cuenta que la posición de equilibrio no se ve afectada por la cantidad de sólido, es decir, la cantidad de precipitado presente no afecta las concentraciones de la soluciones saturadas puesto que su concentración (más exactamente actividad) es constante, o sea, para este caso: c(AB(S)) = constante. Entonces puede escribirse: Keq

+

-

x c(AB (s)) = Kps = c (A ) x c (B )

[1.14]

La constante de equilibrio (Keq) se denomina constante del producto de solubilidad (Kps) y puede definirse como “el valor (máximo y constante) del producto de las concentraciones de los iones en solución en equilibrio con su precipitado”. Cuando la sustancia poco soluble es del tipo AyBz, la expresión 1.14 toma la forma: y

Kps = c (A) x

c (B)

z

[1.15]

Nótese que la constante del producto de solubilidad (algunos autores la representan también con la letra Se define la condición de equilibrio en términos de concentraciones de los iones en solución que proceden del sólido. Nótese además que el valor de Kps se define para cada precipitado como “máximo y constante”, de lo que se deduce que un precipitado comenzará a formarse en una solución, una vez que el producto de las concentraciones de sus iones en solución alcance o supere el valor numérico de la Kps y que no ocurrirá precipitación en soluciones en que este producto sea numéricamente inferior al valor de Kps del sólido. Así por ejemplo para el caso del AgCl : capitulo1 b y f.docx

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+

-

Ag + Cl

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AgCl (S) -

+

Kps AgCl = c (Cl ) x c (Ag ) = 1,8 x 10

-10

-

En una solución que contenga iones Cl a una determinada concentración y a la cual se adiciona una +

solución que contenga iones Ag ; el precipitado de AgCl no comenzará a formarse hasta tanto el produc-

+

-

+

to de las concentraciones de los iones Cl y los iones Ag (c(Cl ) x c(Ag )) en solución no alcance el valor -10

+

de 1,82 x 10 . A partir de este momento la sucesiva adición de iones Ag contribuirá al incremento de la -

+

cantidad de precipitado de AgCl(S) y la del producto de las concentraciones de los iones Cl y Ag será -10

siempre de 1,8 x 10 . De ahí que el valor de Kps se defina como “máximo y constante”. Es de vital importancia comprender que la Kps se aplica solamente a una solución saturada que está en contacto con un exceso de sólido sin disolver. Los valores numéricos de la Kps dependen de la temperatura. Una relación de estos valores, para diferentes precipitados, puede observarse en la opción Apéndices. La gran utilidad de la Kps radica en que permite calcular la concentración de un ión en solución en equilibrio con su precipitado si se conoce la concentración del otro ión, lo cual constituye una importante herramienta en análisis químico, cuando se desea deducir el orden de precipitación de varios iones presentes en una solución.

9 CLASIFICACION DE LOS METODOS CLASICOS DE ANALISIS CUANTITATIVOS Como se ha mencionado antes, los métodos clásicos de análisis químico cuantitativo generalmente se basan en una reacción química en la que interviene el componente de la muestra que se desea determinar. Basándose en la naturaleza de la medida final del análisis, cuya magnitud es proporcional a la cantidad de analito en la muestra, estos métodos se subdividen en:

9.1 Métodos de análisis gravimétrico En los que la determinación del analito se realiza midiendo directa o indirectamente su masa.

En la

mayoría de los casos es el producto de una reacción química el que se separa de la solución por filtración y se pesa después de secar. En otros pocos casos, no es necesaria una reacción química para realizar la determinación cuantitativa.

9.2 Métodos de análisis volumétrico En los que la determinación se realiza mediante la medida exacta del volumen de solución consumido durante una reacción total en la que está involucrado el analito. Si el producto de la reacción es un gas, el método recibe el nombre particular de gasométrico. capitulo1 b y f.docx

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Existe también otra clasificación de los métodos clásicos que se basa en la cantidad de muestra que se toma para la determinación, y que los divide en tres grupos: los macroanálisis (> 0.1 g), los semimicroanálisis (0.01 – 0.1 g) y los microanálisis (1 mg – 10 mg). Esta clasificación es de menor importancia y sólo se utiliza cuando es importante hacer énfasis en el tamaño de muestra de la que se parte.

10 ETAPAS DE UN ANALISIS QUIMICO CUANTITATIVO El Análisis Químico ha experimentado en los últimos 20 años un gran desarrollo. En la actualidad, tanto los laboratorios analíticos dedicados a la investigación, como los vinculados a la industria se enfrentan diariamente a problemáticas mucho más complejas que las de hace algunas décadas. El surgimiento de nuevos materiales implica la consideración de nuevas matrices y nuevos analitos. Si se enfoca esta realidad desde el punto de vista químico, esos nuevos materiales pueden representar un reto analítico de gran envergadura si se tiene en cuenta lo siguiente: pueden estar constituidos por un número pequeño o elevado de sustancias químicas, con estructuras similares o muy diferentes, pudiera interesar la determinación analítica de uno, varios o todos sus componentes, los componentes pueden encontrarse en un amplio rango de concentraciones. Lo ideal sería contar con un método analítico simple, rápido y de bajo costo, con adecuados criterios de calidad, que permita determinar simultáneamente todos los analitos de interés y que, además, requiera de una mínima cantidad de muestra. En la práctica, eso es imposible en la casi totalidad de los casos, aunque cuando se diseña un procedimiento para resolver un determinado problema analítico, todos esos requerimientos deben ser tomados en cuenta. En muchos casos, la literatura reporta suficiente información y sólo resta aplicar la metodología descrita. En otros, se hace necesario elaborar o diseñar el procedimiento analítico que se considera más apropiado lo que no resulta una tarea fácil, incluso para analistas de vasta experiencia, pues además de tenerse que considerar un gran número de detalles inherentes a la matriz de la muestra y especies químicas de interés, se debe demostrar que los resultados que ofrece el método o procedimiento propuestos son suficientemente confiables. A todo lo anteriormente considerado debe sumarse la evaluación que debe hacerse sobre la duración y el costo del análisis. En ocasiones se exigen resultados rápidos, pero en muchos casos, la rapidez implica un mayor costo. Métodos más novedosos y rápidos pueden resultar incomparablemente más caros que otros tradicionales, sencillos y baratos y que pudieran resultar apropiados en igual medida. Tampoco debe invertirse tiempo y recursos en lograr una exactitud no requerida. Lo ideal es lograr un balance entre todos los factores anteriormente mencionados, siempre que se garantice la calidad de los resultados. No menos importante es tener en cuenta que el camino que conduce al conocimiento de la composición total o parcial de una matriz depende indiscutiblemente del esfuerzo intelectual, aptitud, experiencia, intuición y sobre todo de un adecuado criterio químico analítico de la capitulo1 b y f.docx

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persona o el colectivo que tengan a su cargo el diseño y realización de una determinación cuantitativa dada. Este criterio tiene muchas veces más peso que la disponibilidad de modernos y costosos instrumentos. La solución es llegar a una metodología analítica que permita transformar el material (matriz) en una muestra apta para ser analizada y que a la vez proporcione resultados confiables. Para conseguir estos objetivos debe centrarse la atención tanto en las especies a analizar como en la matriz de la muestra y plantearse una serie de interrogantes que deben ser resueltas al enfrentar un problema analítico. Algunas de esas interrogantes son: 

¿Cuál especie química será objeto de estudio en la muestra y cuáles son sus propiedades? (Puede tratarse de más de una especie química).



¿En qué rango de concentraciones puede encontrarse esa especie?



¿En qué matriz se encuentra y cuáles son sus características?



¿Con qué nivel de precisión y exactitud deben reportarse los resultados?



¿Qué reporta la literatura sobre el análisis de este tipo de matriz?



¿Qué operaciones o procesos químicos, físicos o biológicos pueden afectar la concentración o la estabilidad de la especie objeto de estudio?



¿Qué métodos analíticos pudieran ser aplicados y cuál resultaría más apropiado?



¿Qué componentes propios de la matriz pueden constituir interferencias en el análisis?



¿Qué materiales y equipos se necesitan para ejecutar el proyecto?



¿Qué costo pudiera tener el procedimiento propuesto y de qué forma pudiera disminuirse éste sin afectar la calidad de los resultados que se obtengan?

De la respuesta a estas interrogantes (o de muchas más, especialmente, si son varias las especies a investigar) depende la elaboración o diseño del procedimiento analítico a seguir. En cualquier caso, un procedimiento analítico es diseñado mediante el cumplimiento de una serie de etapas que, aunque pueden ser bien definidas individualmente, guardan una estrecha interdependencia entre sí. Tales etapas son: 

Definición de los objetivos



Selección del método analítico



Muestreo



Preparación de la muestra



Determinación analítica



Cálculos, reporte e interpretación de los resultados.

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Cada una de estas etapas serán explicadas brevemente y son válidas tanto para el análisis cuantitativo clásico como para el instrumental.

10.1 DEFINICION DE LOS OBJETIVOS El objetivo de cualquier análisis es el de obtener la respuesta más concluyente en el menor tiempo posible. Esto exige, en primer lugar, saber exactamente lo que se busca y su finalidad. El analista debe primero diagnosticar la situación y decidir qué debe hacer para resolverla. Para ello, debe conocer y saber manejar las vías y métodos más convenientes para obtener los datos necesarios, calcular los resultados, y presentarlos con el grado de exactitud que el problema requiera. Lo fundamental es definir exactamente qué hay que investigar o qué problemática hay que resolver, y para qué se necesitan los resultados que se obtengan. Para analistas experimentados esta etapa pudiera parecer trivial, sin embargo para los estudiantes o analistas de poca experiencia es sumamente importante diferenciar entre el objetivo analítico y el problema experimental a resolver. Indiscutiblemente de la correcta definición de los objetivos del análisis depende en gran medida el éxito de la determinación.

10.2 SELECCIÓN DEL METODO ANALITICO La selección del método analítico siempre ha sido considerada como una de las etapas de mayor importancia ante un problema analítico a resolver. Esta selección es, frecuentemente difícil, requiere experiencia y también algo de intuición por parte del analista, puesto que debe tenerse en cuenta, no sólo la exactitud que hay que lograr, sino también el costo total del procedimiento. Por ejemplo, uno de los aspectos es el número de muestras a analizar porque, cuando éste es considerable, deben evitarse aquellos procedimientos cuyas etapas preliminares son muy largas y laboriosas. Para la correcta selección de un método de análisis es necesario dar respuesta a todas las interrogantes planteadas al inicio. Para ello, deberán estudiarse cuidadosamente las características del (o los) analito(s), de la matriz y de los métodos analíticos a emplear a partir de la literatura especializada disponible.

10.2.1 Características del analito (o los analitos): Debe buscarse toda la información posible sobre la naturaleza química y las propiedades físicas, químicas y físico-químicas de cada uno de las especies a cuantificar. No existe ningún método analítico universal para todo tipo de analito. Por tanto, debe tenerse en cuenta si lo que se va a determinar es la concentración de un compuesto inorgánico u orgánico, si se trata de una molécula pequeña o de gran tamaño, cuál es su carácter ácido-base, si puede dar lugar a precipitados, si es químicamente estable ante

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factores atmosféricos o cambios de pH, etc. Sin embargo, no basta tener en cuenta las características del analito, pues también es importante conocer las características de la matriz que lo contiene.

10.2.2 Características de la matriz: Al seleccionar un método analítico hay que preguntarse si éste puede ser aplicado al analito dentro de la matriz que lo contiene. Obviamente entre las características importantes a considerar está el estado de agregación y la complejidad de la matriz. El procedimiento a seguir varía si se parte de una muestra sólida o líquida, o si lo que se analiza es el ambiente de un laboratorio o industria. Mientras más compleja es la matriz, es decir, mientras mayor sea el número de componentes que posea o mayor similitud estructural presenten estos entre sí (u otros factores), más específico deberá ser el método seleccionado y más complejo será el procedimiento de preparación de la muestra, a fin de eliminar las posibles interferencias durante el análisis. Para las matrices con un reducido número de componentes la selección del método puede resultar mucho más fácil.

10.2.3 Características de los métodos analíticos: Los métodos analíticos presentan una serie de características relacionadas con el grado de incertidumbre que presenta la medición de la magnitud física o físico-química que los distingue. Por ejemplo, la masa y el volumen son las magnitudes físicas que se miden cuando se aplican los métodos clásicos de análisis cuantitativo. Otras son las magnitudes que corresponden a los métodos instrumentales. Cuando se va a seleccionar un método analítico hay que disponer de una información lo más completa posible sobre los mismos. En primer lugar, debe revisarse toda la literatura química en general, y farmacéutica en particular, en la que esté recogida la experiencia de otros científicos. Si ya existe un método reportado debe evaluarse la posibilidad de su aplicación a la muestra objeto de estudio; en caso contrario, deberá diseñarse un procedimiento que pudiera tomar elementos de los que aparecen en la bibliografía consultada, o ser totalmente nuevo. Los métodos reportados en la literatura pueden ser utilizados si han sido suficientemente validados, esto es, si se demuestra en qué medida los resultados obtenidos son confiables. Tal requisito surge como consecuencia de que toda medición de una magnitud física presenta un determinado grado de incertidumbre que, en el mejor de los casos, puede ser disminuido hasta un nivel aceptable, tomando una serie de precauciones y medidas durante su elaboración y ejecución. El diseño de un procedimiento analítico incluye, por tanto, determinación de ese grado de incertidumbre, para que pueda ser considerado o aceptado como válido para el cumplimento de un objetivo dado. El término validación está directamente relacionado con la palabra calidad. En términos generales, la validación es el método científico que proporciona la evidencia documental para demostrar la confiabilidad, reproducibilidad y efectividad de cualquier operación o proceso. De hecho pueden ser validados los métodos analíticos, los instrumentos, el personal, el proceso productivo, etc. Internacionalmente, cada capitulo1 b y f.docx

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día son más las exigencias sobre la validación de todos aquellos factores involucrados en el aseguramiento de la calidad de un producto o un servicio dado.

10.3 Validación del método analítico En este epígrafe se abordarán brevemente algunas generalidades sobre la validación de los métodos analíticos debido a que esta temática será tratada en cursos posteriores con mayor amplitud. La validación de un método analítico es el proceso mediante el cual queda establecido, por estudios de laboratorio, que las características de ejecución de un método cumplen los requerimientos para las aplicaciones analíticas a que es destinado. Este proceso incluye el análisis estadístico de todos los datos obtenidos mediante el cual se determinan las variables que proporcionan la información sobre las posibilidades de aplicación del procedimiento analítico seleccionado. Hay importantes razones para validar los métodos de análisis. Desde el punto de vista comercial los productos, reactivos, materias primas, etc. cuya calidad está sustentada en métodos correctamente validados son aceptados favorablemente por los compradores, facilitándose con ello las transacciones comerciales entre las empresas. Para la fabricación, importación y exportación de medicamentos y de las materias primas utilizadas en la industria farmacéutica se exige la existencia de métodos validados mediante los cuales se pueda comprobar la calidad de los diferentes productos o insumos, realizar estudios de estabilidad, almacenamiento, toxicidad y otros de interés farmacéutico. Para proceder a la validación de los métodos analíticos debe tenerse en cuenta el objetivo que se persigue con el análisis con vistas a seleccionar el procedimiento a seguir. La diversidad existente en la literatura especializada, tanto sobre definiciones, términos y parámetros a considerar como sobre la metodología a seguir para evaluar estos, ha ocasionado muchos inconvenientes a los científicos que intentan demostrar que el procedimiento propuesto para una determinación cuantitativa dada ofrece resultados confiables, es decir, que intentan validar un método analítico. En aras de unificar criterios, diversas entidades y organismos internacionales de reconocidos prestigio y autoridad en la materia, han elaborado una serie de documentos que, en cierta medida, facilitan el trabajo de los especialistas. A su vez, los centros reguladores nacionales establecen las normas que regulan de forma oficial los

procesos de

validación de métodos analíticos que deben ser aplicados en las diversas ramas de la ciencia, la producción y los servicios. Los principales productores de medicamentos se basan, en lo posible (según sus criterios), en los documentos publicados por la Conferencia Tripartita Internacional sobre Armonización (Tripartite International Conference on Harmonisation (ICH) en relación con los procedimientos analíticos, glosario de términos y otros aspectos relacionados con la validación de los métodos analíticos en el campo farmacéutico. Otras fuentes contienen información al respecto, como por ejemplo la documentación que emite la Organización Mundial de la Salud.

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Por tanto, para proceder a validar un método analítico, debe definirse qué será evaluado y cómo; es decir, cuáles criterios de calidad serán evaluados, y mediante qué procedimiento experimental (variables a considerar, réplicas a realizar, etc.) y estadístico será realizada dicha evaluación. Todo ello dependerá de una serie de factores relacionados con las características de la matriz, complejidad del método analítico propuesto, exactitud y precisión con que deban expresarse los resultados, aplicación que tendrá el método propuesto, entre otros aspectos. Los criterios de calidad de los métodos analíticos que deben ser evaluados, durante un proceso de validación a continuación, tomando como referencia lo publicado en los documentos de la ICH y en algunas farmacopeas que asumen en general, salvo algunas diferencias puntuales, los mismos criterios. Tales términos y definiciones, con algunas precisiones o particularidades, son también asumidos por los laboratorios de producción y control de la calidad de la industria farmacéutica de Cuba. La metodología a seguir para su determinación, también descrita en tales documentos, no será incluida en el presente texto, por cuanto serán explicadas en cursos posteriores.

10.3.1 Especificidad.Es la capacidad para determinar inequívocamente el analito en presencia de componentes que, probablemente se encuentren presentes (impurezas, productos de degradación y los propios componentes de la matriz). La carencia de especificidad de un procedimiento analítico individual puede ser compensada por otros procedimientos analíticos de apoyo. (Otras organizaciones internacionalmente reconocidas (IUPAC, AOAC) han preferido el término “selectividad”, reservando el de “especificidad” para aquellos procedimientos que son completamente selectivos.)

10.3.2 Exactitud.Expresa el grado de concordancia entre el valor aceptado como un valor verdadero convencional o un valor aceptado de referencia, y el valor hallado.

10.3.3 Precisión.Expresa el grado de concordancia entre una serie de mediciones obtenidas de múltiples muestreos de la misma muestra homogénea bajo las condiciones prescritas. La precisión de un método analítico es usualmente expresada como la desviación estándar o la desviación estándar relativa (coeficiente de variación) de una serie de mediciones. La precisión puede ser una medida del grado de reproducibilidad o de repetibilidad de un método analítico bajo condiciones operacionales normales. En este contexto, la reproducibilidad se refiere al uso del procedimiento analítico en diferentes laboratorios mediante un estudio colaborativo. La precisión intermedia expresa la variación dentro del laboratorio, como son diferentes días, analistas o diferente equipamiento dentro de un mismo laboratorio. La repetibilidad se refiere al uso del procedimiento analítico en un mismo laboratorio, dentro de un corto período de tiempo, usando el capitulo1 b y f.docx

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mismo analista con el mismo equipamiento. Cada uno de estos términos aparece individualmente definido de la siguiente forma:

10.3.4 Límite de detección.Es la menor cantidad de analito en una muestra que puede ser detectada, pero no necesariamente cuantificada, como un valor exacto.

10.3.5 Límite de Cuantificación.Es la menor cantidad de analito en una muestra que puede ser cuantitativamente determinada con precisión y exactitud apropiados. El límite de cuantificación se expresa como la concentración de analito (ej. por ciento, partes por billón) en la muestra

10.3.6 Linealidad.Es la habilidad del procedimiento analítico para obtener resultados de ensayos que sean directamente proporcionales a la concentración del analito en la muestra dentro de un rango dado.

10.3.7 Rango.Es el intervalo entre la concentración más baja y más alta del analito en la muestra (incluidas estas concentraciones) para las cuales ha sido demostrado que el procedimiento analítico tiene un nivel de precisión, exactitud y linealidad apropiados.

10.3.8 Robustez.Es la medida de la capacidad de un procedimiento analítico de no sufrir afectaciones ante pequeñas, pero deliberadas, variaciones en los parámetros del método y da una indicación de su confiabilidad durante su uso normal. Algunas o todas estas características de los métodos de análisis cuantitativo deben ser evaluadas, según corresponda. Los procedimientos para llevar a cabo esta evaluación están descritos para cada una de ellas y también, en algunos casos, según se trate de una materia prima, de un producto terminado, de una muestra biológica, etc. Toda la documentación correspondiente al proceso de validación de un método analítico (experimentos, resultados, procesamiento estadístico, variables calculadas, etc.) debe constar en un expediente debidamente organizado el cual deberá mostrarse a todas aquellas personas autorizadas que lo soliciten. La

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validación en cuestión debe ser repetida periódicamente, especialmente cuando se ha producido algún cambio en las condiciones para las cuales fue realizada.

10.4 MUESTREO El muestreo se define como un proceso de selección de una muestra para ser analizada, de forma tal que sea representativa del conjunto del material del cual se ha tomado y sea además congruente con la definición del problema analítico; dicho de otro modo, la concentración del analito en la porción de la muestra que se analiza, debe ser igual a la concentración del analito en la población (lote, partida, fluido biológico, etc.) de la cual se ha tomado la muestra. De nada serviría realizar un análisis perfecto cuando la muestra no es representativa, ya que estos resultados no representarían la composición de todo el material de donde fue tomada la muestra y por tanto los resultados que se obtendrían no proporcionarían una información verdadera. En términos generales, los químicos analíticos no siempre le han dado la importancia, que en los resultados analíticos puede tener y de hecho tiene, a la etapa de selección de la muestra o muestreo. Con frecuencia, un analítico entrenado puede olvidar algunas de las reglas básicas del muestreo o puede aplicar éstas de forma incorrecta con la consecuencia anteriormente expresada. En realidad, el analista no ha sido entrenado en el muestreo. En la mayoría de los casos, el analista no tiene responsabilidad en las fases de diseño y realización del muestreo, sino que el primer contacto que tiene con la muestra se produce cuando ésta llega al laboratorio, detalladamente identificada. Sin embargo, si el analista debe proponer la forma de realizar el muestreo, es importante que tenga sentido de la incertidumbre involucrada en esta etapa del análisis. Esta incertidumbre determina, en gran medida, la variabilidad que puede ser permitida pues conociendo el error potencial de un muestreo, se conoce más de las dos terceras partes del error total del análisis. Los procedimientos de muestreo pueden ser totalmente diferentes para cada tipo de producto, pues dependen del estado de agregación de la sustancia y de sus características particulares. El muestreo no debe estar dirigido con la intención de lograr el resultado deseado. Debe ser realizado siguiendo estrictamente las normas establecidas para ello, según las características y factores que determinan el “tamaño de muestra” y la forma de realizar el muestreo. Para cada tipo de material analizado existen instrucciones especiales que establecen como debe realizarse el muestreo y qué cantidad de muestra debe ser tomada. Estas instrucciones aparecen en manuales de análisis técnicos conocidos como Normas de Muestreo y serán tratadas en cursos posteriores. El principio general de cualquier procedimiento de muestreo consiste en que la muestra representativa debe estar compuesta del mayor número posible de porciones tomadas de manera absolutamente arbitraria (al azar) de diversos lugares de la “población” que se estudia (partida, lote, enfermos, personas sanas, fluidos biológicos, etc). Cuanto mayor número de porciones se escojan al azar, tanto mayor será

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la probabilidad de que todas las desviaciones eventuales del promedio se compensen y la composición de la muestra se acerque a la composición media del total de la población que se analiza. Para garantizar la representatividad de la muestra, el muestreo debe ser aleatorio y estratificado. Muestreo aleatorio.- Cuando se realiza totalmente al azar, es decir, todas las unidades pueden ser igualmente seleccionadas. Muestreo estratificado.- Cuando todos los niveles en que puede encontrarse el material a analizar están representados (diferentes ubicaciones: diferentes cuartos, estantes, pisos, etc.) Usualmente la muestra representativa primaria no se emplea directamente en el análisis debido a que aún es muy grande (varios kg) y heterogénea. Por eso se toma sólo una porción de ésta y se tritura (en los casos en que es procedente) para aumentar su homogeneidad. En este sentido, deben diferenciarse los términos muestra y porción de ensayo. La muestra es la porción del material tomado de la población inicial (lote de un proceso de producción de medicamentos, almacén de materias primas o formas terminadas, etc) que llega al laboratorio analítico y debe ser de un tamaño adecuado (entre 50 g y 1 Kg o más). La porción de ensayo es la cantidad de muestra tomada en el laboratorio por el analista para realizar el análisis, y su tamaño depende de las características del método y de los objetivos del análisis. Usualmente estos términos no se distinguen y se habla de forma general de muestra, pero el analista debe tener presente la diferencia. El muestreo consta de dos fases: fase de diseño y fase de implementación. En la fase de diseño el analista aplica los principios estadísticos para generar un plan de muestreo. Dicho plan intenta minimizar las diferencias entre las propiedades estimadas para una muestra y las propiedades de la población en su totalidad. La fase de implementación involucra la realización física de la toma de las porciones estadísticamente diseñadas. En esta etapa hay que considerar la instrumentación del muestreo, los recipientes para las muestras así como el almacenamiento y la conservación de las mismas.

10.5 PREPARACION DE LA MUESTRA La etapa de preparación de la muestra es una de las etapas que puede considerarse crítica en una metodología analítica. De forma general, en la literatura científica suele dársele mayor importancia a la etapa de selección del método analítico que a la etapa de preparación de la muestra. Sin embargo, en los últimos años, diversos autores han llamado la atención con respecto a la importancia de esta última. La mayoría de las determinaciones analíticas requiere de una preparación previa de la muestra debido, principalmente, a las siguientes razones: Alta complejidad de la matriz, lo que aumenta la posibilidad de la presencia de interferencias. En este sentido se debe recordar que la complejidad de una matriz está relacionada con diferentes criterios y no solamente con el alto número de componentes. Debe destacarse que, pocas propiedades químicas o físicas, importantes en análisis químico, son exclusivas de una especie química en particular. Por el capitulo1 b y f.docx

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contrario, las reacciones usadas y las propiedades medidas son características de un grupo de elementos o compuestos. Esta carencia de reacciones y propiedades específicas complica grandemente el trabajo del analista, el cual debe incluir dentro del procedimiento analítico aquellos pasos que garantizan el aislamiento de la especie de interés o la separación de las interferencias, nombre con el que identifican las sustancias que afectan la medida directa de la concentración del analito (o su detección). Muestras muy diluidas, es decir, el o los analitos se encuentran en bajas concentraciones en la muestra original pudiendo encontrarse por debajo del límite de detección del método analítico. Muestras muy concentradas, para las que el método analítico no proporciones respuestas satisfactorias. En el caso más simple bastaría realizar un proceso de dilución para resolver este problema. Las características físico-químicas de la muestra (matriz) no son compatibles con el método analítico. Por ejemplo el método puede exigir que el analito se encuentre en disolución, y está contenido en una muestra sólida. En el caso más sencillo, bastaría seleccionar el disolvente adecuado para preparar una disolución de la muestra. Por tanto, el objetivo central del proceso de preparación de la muestra es proporcionar las condiciones óptimas para que el analito pueda ser analizado; dicho de otro modo, obtener muestras enriquecidas en las sustancias de interés analítico y asegurar la detección y/o cuantificación eficiente del o los analitos, así como la compatibilidad con el sistema analítico, lo cual está obviamente relacionado con el éxito del análisis. La siguiente tabla muestra una estimación del tiempo promedio que se invierte en las etapas de un proceso analítico, las cuales han sido condensadas en 4 grandes grupos:

Tabla 1.3 Tiempo utilizado en diferentes etapas del proceso analítico Gestión de datos

27%

Muestreo

6%

Preparación de la muestra

61%

Determinación

6%

Nótese que el mayor tiempo es consumido, justamente, en la etapa de preparación de la muestra. De lo anteriormente expresado se infiere que la etapa de preparación de la muestra requiere de un diseño y planificación riguroso tomando en consideración la información sobre lo siguiente: 

Naturaleza química del analito.



Concentración del analito en la matriz.



Característica de la matriz (homogeneidad o heterogeneidad, estabilidad, volatilidad, solubilidad).

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

Naturaleza química de las posibles sustancias interferentes.



Características del método analítico seleccionado.



Como sub-etapas de la preparación de la muestra se consideran la preparación de la muestra y la preparación de la porción de ensayo.

10.5.1 Preparación de la muestra Constituye un proceso de tratamiento de la muestra, aunque en ocasiones no resulta necesario. Está dirigido a propiciar las condiciones necesarias para aplicar el procedimiento analítico seleccionado de manera que éste pueda garantizar la representatividad de los resultados. Se realiza, como su nombre lo indica, a la muestra que llega al laboratorio antes de proceder a tomar la parte de ésta (masa o volumen) que será utilizada finalmente en el análisis. Usualmente, el procedimiento de preparación de la muestra aparece descrito en normas que regulan e indican como debe realizarse esta sub-etapa en función de las características de la matriz. Así por ejemplo, en el análisis de tabletas se procede a la trituración y homogenización de la cantidad indicada en el ensayo correspondiente.

10.5.2 Preparación de la porción de ensayo. Esta etapa se inicia invariablemente con la medición exacta de la porción de la muestra homogenizada, puesto que los resultados finales del análisis se expresan en unidades de concentración, o sea, cantidad de analito en función de la cantidad de muestra tomada para el análisis (por ciento, mg/g, mg/L, mg/100 g, etc), como se verá más adelante. Una vez medida exactamente la porción de ensayo, se realizan diferentes tratamientos con una serie de pasos que dependerán de la complejidad de la matriz y posible interferencia de algunos de los componentes de la misma, que persiguen la separación del analito o de las sustancias interferentes para facilitar la cuantificación. A partir del análisis de estos aspectos se diseña una estrategia analítica la cual puede enfocarse desde dos puntos de vista: A partir de la matriz original se realizan las operaciones químicas necesarias que permiten eliminar las interferencias. (Proceso de limpieza o “clean up”) A partir de la matriz original se extraen selectivamente los compuestos de interés (analitos). (Proceso de extracción) No es posible ofrecer pautas generales que permitan la eliminación del efecto de las interferencias presentes en una muestra, pues para ello deben tenerse en cuenta las características propias de la matriz, del analito y de la determinación que va a ser aplicada. Existen muy diversos métodos de separación que pueden abarcar desde la simple adición de un agente enmascarante, filtración o extracción con

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solvente, hasta un sofisticado método instrumental. Dado el enorme número de posibilidades que se pueden presentar, sólo serán brevemente descritos algunos de los procedimientos de separación y de preparación de la muestra (porción de ensayo) más comúnmente empleados en el análisis cuantitativo clásico.

10.5.3 Dilución: Se emplea para muestras líquidas en las cuales el analito se encuentra en altas concentraciones o en productos fuertemente coloreados cuya coloración interfiere en el análisis. Es uno de los procedimientos más simples de preparación.

10.5.4 Extracción sólido-líquido: Consiste en la extracción del analito a partir de una matriz sólida empleando un disolvente adecuado capaz de disolver el componente en estudio. Este procedimiento de extracción sólido-líquido puede ser relativamente sencillo o involucrar varias etapas con diferentes solventes y otras operaciones engorrosas.

10.5.5 Clarificación: Consiste en eliminar las interferencias por precipitación o floculación empleando un agente precipitante adecuado.

10.5.6 Destilación: El analito o algún producto obtenido cuantitativamente a partir de él, se separa del resto de los componentes que pueden interferir en el análisis aplicando un procedimiento de destilación.

10.5.7 Incineración: La incineración es el proceso de combustión de la materia orgánica que deja un residuo de material inorgánico conocido como cenizas. En algunas determinaciones de compuestos de naturaleza inorgánica se requiere eliminar primeramente el material orgánico para facilitar el análisis.

10.5.8 Digestión: Es un proceso de hidrólisis (ácida fundamentalmente) de la materia orgánica, que puede incluso, en función de las condiciones de tratamiento, producir agentes oxidantes que transforman la materia orgánica a dióxido de carbono, vapor de agua y otros compuestos volátiles. La determinación de nitrógeno total por capitulo1 b y f.docx

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el método Kjeldahl incluye una etapa de digestión que transforma el nitrógeno orgánico en sulfato de amonio con el empleo de ácido sulfúrico concentrado y calor en presencia de un catalizador de sulfato de cobre. En esta determinación se realiza además una posterior destilación, por lo que constituye un ejemplo en que se combinan varios procedimientos con vistas a transformar el analito en una sustancia fácilmente cuantificable. Los procedimientos arriba explicados constituyen tan solo unos pocos ejemplos de las numerosas operaciones que pueden emplearse como parte de la preparación de la muestra. Esta etapa deberá realizarse con mucha profesionalidad y rigor científico pues, de lo contrario, los resultados analíticos serían desastrosos y considerable el despilfarro de tiempo y recursos materiales que tendría lugar. La etapa de preparación de muestras no ha avanzado a la par del desarrollo de los métodos analíticos. Muchos de los métodos empleados son considerados clásicos y se utilizan desde hace mucho tiempo. Sin embargo, con la introducción de la extracción en fase sólida comenzó un proceso de desarrollo de los métodos de preparación de muestra en los últimos años que se ha visto incrementado con el empleo de los fluidos supercríticos y las microondas.

10.5.9 Cálculos relacionados con la etapa de preparación de la muestra. El proceso de preparación de la muestra involucra siempre un tratamiento de la matriz que produce, en la mayoría de los casos, una variación de la masa y/o la concentración del analito contenido inicialmente en la matriz. En otras palabras, los procesos de dilución, clarificación, destilación, extracción, etc., a que es sometida la matriz, con el objetivo de facilitar la determinación cuantitativa del analito, traen como resultado que la masa de este último que se encuentra en la solución final que se va a ser analizada, difiera de la masa contenida inicialmente en la porción de ensayo a partir de la cual se comenzó el procedimiento. Por ejemplo, si para la determinación del contenido de principio activo en una muestra de loción tópica Lindano al 1% se aplica el procedimiento siguiente: Se toman exactamente 25 mL del medicamento, se diluyen con agua destilada hasta completar 250 mL de disolución y se transfiere una alícuota de 10 mL exactos a un vaso de precipitados para realizar el cuantificación del analito. A partir de esa descripción, puede interpretarse que los 25 mL de loción inicialmente tomados constituirán la porción de ensayo y, a la vez, la solución inicial de la cual se parte para el análisis. Esta solución inicial sufre un proceso de dilución hasta 250 mL, de la que capitulo1 b y f.docx

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finalmente se toman sólo 10 mL para realizar la determinación. Estos 10 mL constituirán la solución final o solución de ensayo, pues a partir de ésta no se hacen nuevas diluciones ni se toman nuevas alícuotas. Paralelamente, debe realizarse el siguiente razonamiento: al tomar una alícuota de 25 mL de loción, se está tomando una masa determinada de principio activo (según el fabricante, la loción de Lindano al 1% contiene 1 gramo de principio activo por cada 100 mL de disolución por lo que, al tomar 25 ml de loción, supuestamente, se estarán tomando 0,25 gramos del principio activo) al diluir los 25 mL de loción hasta un volumen de 250 mL, se está variando la concentración de la solución, pero no se está produciendo ningún cambio en la masa de analito tomada al transferir una alícuota de 10 mL de la solución preparada al vaso de precipitados, se está tomando parte de la masa total contenida en la misma, pero no se está produciendo cambio alguno en su concentración Entonces, cabe preguntarse: ¿en qué medida varió la concentración del analito durante ese procedimiento? ¿qué parte de la masa, inicialmente contenida en la porción de ensayo o solución inicial, se encuentra realmente en la solución final? a) Cálculo de las veces que varió la concentración durante la preparación de la porción de ensayo. Al diluir 25 mL de la loción tópica hasta 250 mL de disolución, la concentración del principio activo obviamente ha disminuido 10 veces, lo cual puede calcularse según:

f.d. 

25 mL de medicament o 1  250 mL de solución 10

donde f.d. es el factor de dilución y 10, las veces que resultó diluida la solución original. Es decir, la concentración de lindano en los 250 mL de disolución es 10 veces más pequeña que la existente en el medicamento original y por supuesto, en los 25 mL de medicamento inicialmente tomados (porción de ensayo). Debe notarse que, durante el proceso de dilución, no ha ocurrido cambio en la masa de principio activo, sólo ha cambiado su concentración entre las respectivas soluciones. b) Cálculo de las veces que varió la masa durante la preparación de la porción de ensayo. La alícuota de 10 mL extraída de la solución preparada en el volumétrico de 250 mL posee la misma concentración que esta última, sin embargo, contiene sólo parte de la masa total del principio activo presente en el volumétrico. Para conocer cuántas veces disminuyó la masa durante todo el procedimiento, se calculará el factor de variación de la masa (f.v.m.).

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f.v.m. 

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10 mL extraídos 1  250 mL de solución 25

Por consiguiente, la masa de lindano contenida en la alícuota de 10 mL es 25 veces menor que la inicialmente presente en los 25 mL de medicamento tomados para el análisis. El ejemplo mostrado es un caso muy sencillo de preparación de la porción de ensayo. Como se explicó al desarrollar los aspectos concernientes a la etapa de “Preparación de la muestra”, la mayoría de las veces, este procedimiento puede constar de numerosos pasos que involucran sucesivas operaciones químicas y químico-físicas.

11 DETERMINACION ANALITICA La etapa de determinación analítica consiste en aplicar el método analítico propiamente dicho en el análisis de la solución final o solución de ensayo. Al igual que durante la preparación de la muestra, se debe seguir minuciosamente la metodología de trabajo establecida en la técnica analítica. Es necesario tener presente que los resultados del análisis son válidos sólo si se cumplen rigurosamente todas las condiciones planteadas en la metodología descrita, pues ésta ha sido comprobada y validada estrictamente para estas condiciones. Cualquier cambio en relación con la metodología original (sustitución de algún reactivo por otro, modificación en los volúmenes adicionados o en la concentración de alguna de las soluciones empleadas, etc.) puede conducir a errores y disminuir apreciablemente la precisión y exactitud del método.

12 CALCULOS, INFORME E INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS El resultado final del análisis cuantitativo se calcula a partir de los datos obtenidos experimentalmente (pesadas realizadas, mediciones de volúmenes, señal que se obtiene de un equipo instrumental, etc). Los cálculos de los resultados del análisis son una parte integrante del procedimiento analítico al igual que cualquier otra operación del mismo; de ahí que un error en esta etapa, entrañe las mismas consecuencias que un error cometido en cualquiera de las otras etapas u operaciones experimentales. Al realizar los cálculos, una vez realizada la determinación analítica por el método seleccionado deben tenerse en cuenta el factor de dilución y/o el de variación de masa (según se haya efectuado el proceso de preparación de la muestra) para, a partir de la concentración o masa hallada en la solución final, calcular la concentración o masa de analito en la solución inicial. Entonces, volviendo al ejemplo de la Loción de Lindano al 1%, utilizado al explicar la etapa de “Preparación de la muestra”,

y considerando que la masa de lindano determinada en la solución final fue de

0,0099g, puede calcularse el contenido del principio activo en el medicamento utilizando cualquiera de las vías siguientes: Calculando la masa en la solución inicial utilizando el factor de variación de la masa.

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m (a) SOLUCIÓN

 m (a) SOLUCIÓN

INICIAL

m(a) SOLUCIÓN

INICIAL

m (a) SOLUCION

INICIAL

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FINAL

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/ factor de variación de la masa

0,0099  0,0099 g  25 1 / 25  0,2475 g



O lo que es lo mismo: m (a) SOLUCIÓN

INICIAL

 m (a) SOLUCIÓN

FINAL

m(a))SOLUCIÓN

INICIAL

 0,0099 g

25

m (a) SOLUCIÓN

INICIAL

 0,2475 g

x

x

W,

donde W representa las veces que varió la masa. Finalmente, si se desea expresar el resultado en por ciento, se calcula el contenido del principio activo (expresado en %) en la solución inicial o porción de ensayo (25 mL), que como se recordará, tiene igual concentración que la loción por constituir una alícuota de la misma. Para ello se utiliza la expresión:

%m  V 

masa de soluto  100 V (D)

m (a) SOLUCION V

FINAL

 100

SOLUCION FINAL

%m  V 

0.248 g  100 25 mL



0,992 %

% m-V = 0,99 %

Si por el contrario, se toma en consideración que los criterios de calidad establecidos para materias primas y medicamentos especifican un rango dentro del cual puede considerarse válido el resultado obtenido y que para la loción Lindano al 1% éste es de 10 + 3 mg/mL, entonces, el resultado final podría calcularse utilizando la expresión:

 ( x) 

m asa del soluto x m( x )  volumen de disolución V(D)

donde,  (x) = concentración de analito en la solución inicial Por tanto,

( x ) 

(x)

m(a) SOLUCIÓN VSOLUCIÓN =

9,9

mg/mL capitulo1 b y f.docx

FINAL

FINAL



247,5 mg 25 mL



9,9 mg / mL

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El resultado final permite comprobar que el contenido de principio activo en el medicamento se encuentra dentro del rango que establece el criterio de calidad para el mismo (103 mg/mL). b) Calculando la concentración de analito en la solución inicial utilizando el factor de dilución Como la concentración másica (en mg/mL) del analito en la solución final se calcula según:

( x ) SOLUCIÓNFINAL



9,9 mg 10 mL



0,99 mg / mL

la concentración másica de analito en la solución inicial, sería:

( x) SOLUCIÓN

INICIAL



0,99 mg / mL  f.d.

0,99  0,99 1 / 10

x 10

 9,9 mg / mL

El contenido en por ciento es igualmente calculado en la solución final,

% mV 

0.0099 g mL



100



0,099 %

y a partir de éste, el correspondiente a la solución inicial, dividiendo por el factor de dilución, como anteriormente, o multiplicando por las veces que varió la concentración (10 en este caso).

% m  V  0,099 x 10  0,99% , en la solución inicial Mediante el ejemplo anterior se han mostrado diferentes vías para llegar al mismo resultado, cualquiera de las cuales puede utilizarse indistintamente, aunque el estudiante debe saber seleccionar las adecuadas en dependencia de la forma en que deba expresar el resultado final. Igualmente se demuestra la enorme importancia que tiene el cálculo correcto de los factores de dilución o variación de la masa durante el proceso de preparación de la muestra, para poder llegar correctamente al resultado final. Un segundo ejemplo corresponde al siguiente procedimiento que incluye tanto la preparación de la muestra como la de la porción de ensayo: Para la determinación de un principio activo X, en cápsulas de 50 mg, se vertió el contenido de 20 cápsulas en un vaso de precipitados, homogenizándolo adecuadamente. Posteriormente, se pesó, exactamente, una masa de polvo equivalente a 500 mg de principio activo, disolviéndola en agua destilada hasta completar 100 mL. Se filtró la solución y se tomaron 20 mL del filtrado para trasvasarlos a un volumétrico de 50 mL, enrasando con agua destilada. De esta solución, se transfirieron 25 mL a un vaso de precipitados para proceder a la determinación cuantitativa. Se conoce que el contenido de principio activo en las cápsulas debe encontrarse entre el 93 y el 107% de la cantidad declarada. Cuando se va a ejecutar esta técnica, primeramente hay que calcular la masa de polvo que se debe pesar, es decir, la “masa de polvo equivalente a 500 mg de principio activo “. Para ello, debe tomarse en cuenta la cantidad declarada por el fabricante, o sea 50 mg por cápsula. capitulo1 b y f.docx

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Entonces, si una cápsula contiene 50 mg de principio activo, 20 cápsulas deberán contener 1000 mg de principio activo. De lo anterior se deduce que para desarrollar la técnica, deberá tomarse la mitad de la masa total de polvo contenido en las 20 cápsulas, lo que equivale a decir que se estará tomando la masa de polvo (porción de ensayo) correspondiente a 10 cápsulas. Entonces, si se considera que la masa final (m f) de principio activo (analito) determinada experimentalmente en la solución final o solución de ensayo fue de

0,0498, y si se

calcula el factor de variación de la masa según el procedimiento ya explicado (ver Cálculos relacionados con la etapa de preparación de la muestra):

f.v.m. 

20 25 1   100 50 10

puede afirmarse que la masa varió 10 veces, es decir, la masa de analito presente en la alícuota de 25 mL (0.0498 g) es 10 veces más pequeña que aquélla inicialmente contenida en la porción de ensayo. Entonces:

m i  m f / f.v.m. 0,0498 g mi   0.0498 g  10 1 / 10 m i  m(analito )EN LA PORCIÓN DE ENSAYO  0,498 g  498 mg Este resultado corresponde a un 98,6 % de la cantidad declarada (500 mg de principio activo supuestamente contenidos en la porción de ensayo que representan el 100 %). Debe tenerse en cuenta que se parte de una masa de polvo equivalente a 500 mg de principio activo, asumiendo que el contenido de cada cápsula es de 50 mg, según declara el fabricante. Igualmente puede considerarse que si en la porción de ensayo (muchas veces denominada también como “muestra”) hay 498 mg de X, el contenido de principio activo en cada cápsula es de 49,8 mg (498 mg / 10 cápsulas). Según este análisis, el 100% serían los 50 mg supuestamente contenidos en cada cápsula y, 49,8 mg hallados como contenido real, el 98,6 % de la cantidad declarada. Según este resultado, puede decirse entonces que el medicamento cumple con el criterio de calidad establecido para el contenido de principio activo. En un proceso de producción de medicamentos, el resultado del análisis frecuentemente se utiliza para orientar y corregir el proceso tecnológico inmediatamente después de recibir los resultados del laborato-

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rio de control de calidad. Es evidente que, en este caso, un error de cálculo podría acarrear gravísimas consecuencias.

12.1 Interpretación de los resultados De nada valdría realizar correctamente los cálculos si no se sabe interpretar el resultado obtenido, ni tomar decisiones sobre las acciones que deben acometerse a partir del mismo. Algunas de las interrogantes que pudieran derivarse del resultado de un análisis químico cuantitativo en el campo farmacéutico podrían ser: ¿La concentración de analito determinada en un medicamento indica un deterioro del producto que puede resultar dañino a la salud? ¿Se rechaza el producto y se retira del mercado?. ¿Se mantiene el producto en el mercado por un corto período de tiempo? ¿Se puede concluir que las condiciones de almacenamiento no fueron adecuadas, que hubo negligencia del personal a cargo? ¿El resultado obtenido pudiera deberse a errores experimentales durante el análisis en el laboratorio? ¿Se tuvieron en cuenta todas las posibles fuentes de error? ¿Se preparó adecuadamente una formulación en el dispensario de la farmacia? ¿Se ha incorporado la cantidad establecida de principio activo en la formulación? ¿Se ha detectado una falla en el proceso tecnológico? . . Estas, y otras muchas, son las interrogantes que pueden aflorar de un resultado analítico que, como puede apreciarse, puede tener importantes consecuencias de diversa índole. De ahí lo esencial que resulta, el desarrollo de un trabajo experimental riguroso, y la realización cuidadosa de todos los cálculos, desde el inicio, hasta la obtención del resultado final. El profesional de la rama farmacéutica podrá dar respuestas acertadas si, además de ello, es capaz de realizar una correcta interpretación de los resultados obtenidos.

13 Errores en el análisis cuantitativo Por más minuciosamente que se efectúa una determinación cuantitativa, el resultado obtenido siempre difiere algo del contenido verdadero. Además de resultar teóricamente imposible de conocer el valor verdadero de una magnitud física, debido a la inconmesurabilidad de la cantidad medida y de la unidad en que se expresa, hay errores que inevitablemente están presentes durante el trabajo experimental o como consecuencia de las reglas de aproximación y redondeo que invariablemente deben ser aplicadas al realizar los cálculos correspondientes. Por tal motivo hay un límite en la exactitud con que puede hacerse una observación o una medición. No obstante, muchos de los posibles errores que afectan un resultado analítico pueden y deben ser reducidos al mínimo. Para lograr esto, lo primero que debe conocer un analista son las posibles fuentes de error, cuáles pueden ser eliminadas y de qué forma. Igualmente, debe conocer cómo utilizar las cifras durante la realización de los cálculos, es decir, cuántos dígitos debe mantener, cuándo y cómo debe redondear los datos y/o resultados parciales y qué error puede ocasionar el desconocimiento o incumplimiento de tales aspectos en el resultado final.

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Cuando se mide una magnitud con la mayor exactitud de que son capaces el equipamiento y el método, y con el mayor cuidado y habilidad que pueda desplegar un analista, siempre ocurre que los resultados de sucesivas mediciones realizadas con las mismas condiciones difieren entre sí en mayor o menor grado. Posiblemente, ninguno o sólo algunos pocos de los valores obtenidos sean correctos. Por tal motivo, se acepta como el más probable el valor medio de una serie de mediciones. Generalmente, el valor medio no será el valor real. De toda esta incertidumbre en los resultados de un análisis se ha derivado la obligatoriedad actual de validar los métodos analíticos si se pretende adoptarlos como métodos oficiales para el control de la calidad o para cualquier otro fin relacionado con la producción o los servicios, tanto en el campo farmacéutico como en cualquier otro campo que así lo demande. Por su carácter los errores de análisis se dividen en errores determinados o sistemáticos y errores indeterminados o accidentales.

13.1 Errores determinados o sistemáticos: Son los errores del mismo signo originados por causas definidas que influyen en el resultado, aumentando o disminuyéndolo. Estos errores, generalmente, se pueden prever y eliminar, haciendo las correcciones correspondientes. Los errores determinados pueden clasificarse atendiendo al tipo de causa que los originan como:

13.2 Errores del método: Se deben a las particularidades del método utilizado, por ejemplo: reacciones que no son suficientemente cuantitativas; solubilidad parcial de un precipitado; coprecipitación de diversas impurezas; descomposición o volatilización parcial del precipitado durante la calcinación; carácter higroscópico del precipitado calcinado; reacciones secundarias que se producen simultáneamente con la reacción principal, etc. Los errores de método constituyen la causa más grave de la alteración de los resultados en las determinaciones cuantitativas y son más difíciles de eliminar.

13.3 Errores debido a los instrumentos y a los reactivos empleados: En esta categoría se incluyen, por ejemplo, los errores debido a la insuficiente precisión de la balanza o al empleo de recipientes para la medición exacta de volúmenes mal calibrados, etc.. Forman parte de la misma categoría los errores debidos a la contaminación de la solución con productos de destrucción del vidrio o la porcelana con los que están fabricados los recipientes utilizados; errores debido a la presencia en los reactivos empleados.

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13.4 Errores de operación: Estos se deben al incumplimiento de las técnicas establecidas para la realización de las operaciones analíticas. En esta categoría entran, por ejemplo, un lavado insuficiente de los precipitados, o un lavado excesivo, una calcinación insuficiente o excesivamente prolongada de los precipitados; el traslado no cuantitativo de los precipitados del vaso al crisol; la incorrecta manipulación de las pipetas, buretas, volumétricos, balanzas, etc. Los errores operativos son comunes cuando el analista que efectúa la operación es poco experimentado. De hecho, estos son los errores que con mayor frecuencia cometen los estudiantes durante el proceso de aprendizaje.

13.5 Errores personales: Estos errores dependen de las particularidades de cada analista; por ejemplo, de su incapacidad de apreciar con exactitud el cambio de color en una valoración, etc. Entre estos deben clasificarse también los llamados errores psicológicos, debido a cierta idea preconcebida que tienen frecuentemente algunos analistas en relación con los datos que podrían proporcionar mejores resultados. Por ejemplo, durante las pesadas o valoraciones repetidas, puede existir la tendencia a elegir, entre dos divisiones vecinas de la escala de la balanza o de la bureta, aquélla que se corresponde mejor con las determinaciones precedentes o con la que resulta más conveniente para la obtención de un buen resultado, en lugar de la que realmente debe ser elegida. Se sobrentiende que esto, no sólo disminuye la precisión de los resultados del análisis, sino que, en ocasiones, puede hacerlos absolutamente inaceptables. Por tal motivo, se debe tomar como regla ser lo más objetivo posible y no admitir ninguna opinión preconcebida al realizar el experimento o evaluar los resultados finales. Los errores ocasionados por los instrumentos y reactivos empleados, los de operación y los personales, pueden ser detectados y su magnitud disminuida al mínimo.

13.6 Errores indeterminados o accidentales Así se denominan los errores indeterminados por su valor y signo, que se cometen sin regularidad alguna. Pueden ocasionarlos, por ejemplo, un cambio de temperatura, la humedad del aire, pérdidas eventuales de la sustancia, etc. Los errores accidentales se cometen en toda medición, por más cuidadosamente que se realice. Estos errores se manifiestan en las pequeñas diferencias de los resultados de determinaciones repetidas de una misma sustancia, efectuadas por un mismo método, por la misma persona, y con los mismos cuidados y precauciones.

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A diferencia de los errores determinados, los indeterminados no se pueden detectar, ni eliminar. Sin embargo, es posible disminuirlos apreciablemente, aumentando el número de determinaciones paralelas. La influencia de los errores indeterminados en los resultados del análisis se pueden tener en cuenta teóricamente, elaborando los resultados obtenidos de una serie de determinaciones. Muchos errores determinados pueden evitarse, o al menos reducirse, aplicando diferentes procedimientos. A continuación de describen dos de los más utilizados en análisis químico cuantitativo.

14 El ensayo en blanco Como ya se ha mencionado, la etapa de preparación de la muestra y de la porción de ensayo, persigue como objetivo lograr que el analito se encuentre en condiciones de ser sometido con éxito al método de cuantificación seleccionado. Sin embargo, aun cuando se lleve a cabo una cuidadosa preparación de la muestra, el gran número de etapas, operaciones, recipientes y reactivos que pueden estar involucrados, pueden introducir interferencias, y por ende, errores en la determinación. Precisamente, con el objetivo de eliminar la influencia de interferencias no provenientes de la matriz, se realiza un ensayo en blanco. Pero, ¿qué es un ensayo en blanco? Un ensayo en blanco es una determinación que se realiza de forma paralela y exactamente en las mismas condiciones (etapas, operaciones, reactivos, etc.) que el análisis principal pero sin la inclusión de la muestra. Con los resultados de la determinación o ensayo en blanco, se puede realizar la corrección oportuna del resultado del análisis de la muestra, siempre y cuando no impliquen un valor muy grande que haga muy incierto el valor final que deba obtenerse. Tanto en los análisis gravimétricos como en los volumétricos, es recomendable realizar un ensayo en blanco. La forma de utilizar el resultado del ensayo en blanco, para realizar la corrección de los resultados correspondientes a la muestra, se explicará cuando se describan los procedimientos generales de trabajo en ambos tipos de análisis.

14.1 Determinaciones en paralelo Nunca es recomendable realizar una determinación aislada, sino que la costumbre adoptada por los analistas es la de realizar siempre dos determinaciones en las mismas condiciones y simultáneamente, sobre dos muestras semejantes o sobre dos alícuotas de la disolución de la muestra. Las determinaciones así realizadas se conocen como determinaciones en paralelo o réplicas del análisis. Si los resultados de ambas determinaciones coinciden dentro de un margen aceptable (0,3% para valores de porcentaje pequeños), indica que es buena la precisión del análisis. No obstante, la obtención de los dos resultados coincidentes, no evita la posibilidad de que el análisis esté mal efectuado, porque puede estar presente un mismo error constante. Esta es la causa por la cual la precisión de un método capitulo1 b y f.docx

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analítico no es criterio suficiente para evaluar la confiabilidad de los resultados y tengan que ser considerados, además, otros parámetros o criterios al respecto. Por otra parte, si los resultados de las réplicas son apreciablemente diferentes, significa que debe revisarse todo el procedimiento, tanto desde el punto de vista teórico, como experimental y de manipulación y tomar la decisión que corresponda antes de efectuar otras dos determinaciones en paralelo.

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