Dependencia de las absortividades molares del azul de timol de la temperatura y salinidad: Aplicación a la determinación espectrofotométrica del pH en aguas estuáricas

Temperature and salinity dependence of molar absorptivities of thymol blue: Application to the spectrophotometric determination of pH in estuarine waters

M.D. Gabriel, J.M. Forja*, J.A. Rubio and A. Gómez-Parra

^* Departamento de Química Física. Facultad de Ciencias del Mar Universidad de Cádiz, Campus Río San Pedro, s/n 11510 Puerto Real, Cádiz, España. * E-mail: jesus.forja@uca.es

Recibido en junio de 2003;
aceptado en julio de 2004.

Resumen

Se determinaron las absortividades molares del azul de timol en soluciones sintéticas de fuerza iónica variable entre 0.1 y 0.7 M_w. Para ello, las disoluciones se tamponaron a pH 11.5 para caracterizar el espectro de absorción de la forma básica del indicador, y a pH 5.0 para la especie HI^-. Las absortividades molares correspondientes a los máximos de absorción de estas formas del indicador, así como las absortividades molares que describen las absorbancias residuales a estas mismas longitudes de onda, se calcularon por regresión lineal entre la concentración del indicador en las muestras y las absorbancias de los máximos, tras adiciones sucesivas de azul de timol 2 mM. Se encontró una dependencia lineal de las absortividades molares con la temperatura entre 5°C y 30°C, y con la salinidad solamente para ₅₉₆ε (I^2-). La aplicación de las expresiones de los coeficientes de extinción molar para el cálculo del pH espectrofotométrico proporciona resultados congruentes con medidas potenciométricas del pH en la escala de la concentración total del ión hidrógeno.

Palabras clave: pH espectrofotométrico, azul de timol, coeficientes de extinción molar, aguas estuáricas, agua de mar.

Abstract

Molar absorptivities of thymol blue have been determined in synthetic solutions of ionic strength ranging from 0.1 to 0.7 M_w The solutions were buffered to pH 11.5 in order to characterize the absorption spectrum of the basic form of the indicator and to pH 5.0 to characterize the HI^- form. The extinction coefficients corresponding to the maximums of absorption of these forms of the indicator, as well as the molar absorptivities that describe the residual absorbances at the same wavelengths, were determined through linear regression between the indicator concentration in these samples and the absorbances of the maximums after successive additions of 2 mM thymol blue. A linear dependence of the molar absorptivities was found with temperature between 5°C and 30°C, and with salinity only for ₅₉₆ε (I^2-). The application of the expressions of the molar absorptivities for the calculation of the spectrophotometric pH provided results in accordance with the potentiometric pH measurements in the total hydrogen ion concentration scale.

Introducción

La aparición de distintas escalas de pH basadas en una disminución del efecto del potencial de unión líquida en muestras salinas, así como la falta de consenso entre la comunidad científica, ha hecho del estudio de las reacciones ácido-base uno de los temas más confusos de la química marina (Dickson, 1981). Por esta razón, en los 15 últimos años se ha realizado un importante esfuerzo por establecer métodos de determinación del pH en el agua de mar mediante indicadores coloreados del grupo de las sulfonaftaleinas (Gabb y Latchem, 1968). Mediante esta técnica se evita tener que realizar una calibración previa a la determinación del pH, pero se requiere una caracterización de las propiedades espectrofotométricas y termodinámicas del indicador antes de su utilización (Clayton y Byrne, 1993; Zhang y Byrne, 1996; Balderas-Hernández et al., 1998; Hopkins et al., 2000). El principal interés en la actualidad se centra en aumentar la precisión y la rapidez de este método aplicado fundamentalmente a aguas oceánicas y en continuo (Byrne y Breland, 1989; Bellerby et al., 1995; DelValls, 1999; Tapp et al., 2000), o incluso aplicar sistemas de valoración que permitan la determinación de la alcalinidad total (Breland y Byrne, 1993; Clayton et al., 1995; Roche y Millero, 1998; Yao y Byrne, 1998; Byrne et al., 2002).

Aunque el método se encuentra bien establecido para el agua de mar, su aplicación a aguas estuáricas o agua intersticial de sedimentos litorales requiere una mejor caracterización de la influencia de la fuerza iónica o las interacciones específicas sobre las constantes de disociación de los indicadores y sus absortividades molares.

En este trabajo se han cuantificado las absortividades molares del azul de timol en disoluciones sintéticas de distinta fuerza iónica (entre 0.1 y 0.7 M_w) en el intervalo de 5°C a 30°C. El dispositivo experimental empleado permite una comparación directa de los valores obtenidos para el pH espectrofotométrico en muestras estuáricas con valores de pH potenciométrico en la escala de la concentración total del ión hidrógeno.

Material y métodos

Los espectros de absorción del azul de timol se registraron con un espectrofotómetro de doble haz (Lambda 16, Perkin Elmer) y celdas de flujo termostatizadas de 10 cm de paso óptico. Los barridos se realizaron cada nm dentro del intervalo de longitudes de onda comprendido entre 350 y 700 nm, y a una velocidad de 480 nm min^-1. La celda del espectrofotómetro estuvo conectada mediante una bomba peristáltica a un recipiente también termostatizado, en el que se midieron el pH potenciométrico y la temperatura mediante un potenciómetro (DMS 716 Tinitro, Metrohm), electrodos combinados de vidrio (Ref. 6.0210, Metrohm) y una sonda Pt 200 (Ref. 6.1110, Metrohm). Este sistema lleva acoplado una autobureta que permite una adición precisa (±1 µL) del indicador. El pH se midió en la escala de la concentración total del ión hidrógeno (pHT), calibrando con disoluciones de HCl Tris/Tris en agua de mar sintética (Dickson, 1993).

El control de la temperatura en el sistema se realizó con un baño criostático (Ecoline RE-306, Lauda) conectado en paralelo a la celda de medida y al recipiente de valoración del potenciómetro. Para cada una de las fuerzas iónicas estudiadas, se registraron los espectros de absorción a 5°C, 10°C, 15°C, 20°C, 25°C, 30°C y 35°C. Para evitar la condensación en las paredes de la celda, se introdujo una corriente continua de aire sintético en el interior del compartimento de medida.

Con objeto de poder calcular las absortividades molares, es conveniente obtener los espectros independientes de estas formas del indicador. Para ello, se prepararon disoluciones de distinta fuerza iónica y tamponadas a pHs a los cuales prácticamente la totalidad del indicador se encuentra como I^2- o como HI^-. En el caso de I^2-, se emplearon disoluciones a pHT de 11.5 tamponadas con fosfato, y para HI^- a pH_T 5.0 tamponadas con acetato. En la tabla 1 se muestra la composición de estas disoluciones y la fuerza iónica total resultante.

En el caso de la medida potenciométrica de muestras de aguas naturales, la salinidad se determinó con un salinómetro de inducción (RS-10, Rosemount).

En todos los casos, se recirculaban por el sistema 60 mL de disolución. Cuando la medida potenciómetrica del pH era estable, se procedía a ajustar el cero de la señal espectrofoto-métrica; a continuación se añadían cantidades conocidas del indicador, y se registraban los espectros correspondientes una vez que el pHT era constante. En la determinación de las absortividades molares se emplearon adiciones sucesivas de 25 µL, mientras que para la medida del pH espectrofotométrico en muestras reales se efectuaron tres adiciones únicas (100, 150 y 200 µL).

Resultados y discusión

donde pH_E es el pH espectrofotométrico. Se empleó la segunda constante de disociación del azul de timol propuesta por Zhang y Byrne (1996):

donde S es la salinidad y T la temperatura absoluta. Operando adecuadamente, se obtiene una expresión que permite el cálculo del pH a partir de las medidas experimentales de absorbancia a 596 y 435 nm, y de las absortividades molares (Robert-Baldo et al., 1985; Byrne, 1987; King y Kester, 1989; Clayton y Byrne, 1993; Zhang y Byrne, 1996):

Puesto que los valores de la constante de disociación del azul de timol se han calculado tomando como referencia disoluciones de HCl Tris/Tris en agua de mar sintética, los valores de pHE son congruentes con los obtenidos potenciométricamente en la escala de la concentración total del ión hidrógeno. A diferencia de otros trabajos (e.g., Zhang y Byrne, 1996), las distintas absortividades molares, λε (H_nI^(2-n)-), se han obtenido a partir de adiciones sucesivas de indicador. En la figura 2 se muestran los espectros de absorción obtenidos para distintas adiciones de azul de timol a pHT de 11.5. Puede observarse la existencia de un máximo bien definido a 596 nm correspondiente a la especie I^2- del indicador. Asimismo, existe una elevada linealidad entre los datos de absorbancia a esta longitud de onda y la concentración del indicador en su forma I^2-, de cuya pendiente puede calcularse 596ε (I^2-). El espectro de absorción presenta una banda ancha, de forma que la absorbancia residual a la longitud de onda del máximo de absorbancia de la especie HI^- no es despreciable. Con objeto de corregir este efecto, es necesario calcular el coeficiente de extinción molar de la especie I^2- a 435 nm por regresión lineal de la absorbancia a esta longitud de onda y la concentración de I^2-.

Análogamente, 435ε (HI^-) se puede obtener mediante adiciones de indicador a pHT de 5.0 (fig. 3). En este caso se observa un máximo de absorbancia bien definido a 435 nm que guarda una relación lineal con la concentración de indicador, así como una absorbancia residual a 596ε nm, generalmente inferior a 0.008 unidades. Por esta razón, la cuantificación de 596e (HI^-) lleva asociado un mayor grado de incertidumbre.

Se ha encontrado una clara dependencia de las absortividades molares de la temperatura para las distintas fuerzas iónicas estudiadas. Para las absortividades molares que corresponden a los máximos de absorción, 596ε (I^2-) y 435ε (HI^-), existe una disminución lineal con la temperatura (fig. 4). Por el contrario, las absortividades molares residuales, 435ε (HI^-) y 596ε (HI^-), experimentan un aumento lineal con la temperatura. En la bibliografía se suele describir la dependencia de la temperatura de determinadas relaciones entre absortividades molares (Zhang y Byrne, 1996), que generalmente presentan aumentos o disminuciones exponenciales. En este sentido, las variaciones con la temperatura de la relación entre las absortividades molares que se han obtenido son muy similares a las propuestas por estos autores. En la tabla 2 se recogen los parámetros de ajuste para las regresiones lineales de las absortividades molares con la temperatura a distintas fuerzas iónicas. En todos los casos, los coeficientes de regresión obtenidos son superiores a 0.9.

Para la base de datos completa, no se ha observado una tendencia bien marcada de las absortividades molares con la fuerza iónica. Solamente se ha apreciado una variación con la salinidad en 596ε (I^2-). En este caso, los parámetros de ajuste con la temperatura muestran a su vez una dependencia lineal con la fuerza iónica (fig. 5).

En la tabla 3 se recogen las expresiones propuestas para las absortividades molares del azul de timol en función de la temperatura y salinidad. Para aquellas absortividades molares que no presentan tendencias definidas con la salinidad, se ha incluido el valor medio de las distintas fuerzas iónicas ensayadas.

La consistencia de los resultados obtenidos se ha comprobado mediante la comparación del pH_E y el pH_T para distintas muestras de aguas naturales. En la figura 6 se muestra el espectro de absorción del azul de timol para una muestra de agua estuárica. A partir de la relación entre los máximos después de cada adición (596A/435A) puede calcularse pH_E.

La adición del indicador produce una variación del pH inicial de la muestra. En la figura 6 se han representado para dos muestras estuáricas, la variación del pHE con el volumen de indicador añadido. Ya que el pH de la disolución de azul de timol es próximo a 7.95, puede apreciarse como existe un aumento o disminución en función del pH inicial de la muestra. En las condiciones utilizadas, las variaciones del pHE con el volumen de indicador son lineales, y el cálculo del pHE inicial de la muestra puede obtenerse por interpolación lineal.

El método puede considerarse relativamente preciso (±0.0005 unidades), pero se han obtenido diferencias apreciables con los valores de pHT, sobre todo a bajas salinidades y pH inferiores a 8. En la figura 7 se observa como existe una cierta dispersión de los datos en torno a la recta de regresión entre las dos formas de medir experimentalmente el pH, en parte debida a la menor precisión de las medidas de pHT. En este sentido, debe considerarse que la medida del pH en la escala total del ión hidrógeno se realiza después de calibrar los electrodos con una disolución de fuerza iónica muy próxima al agua de mar. Por otra parte, sólo se conoce la dependencia de la segunda constante del azul de timol en el intervalo de 30 a 40 de salinidad (Zhang y Byrne, 1996). Aunque de la expresión propuesta por estos autores puede deducirse que el efecto de la temperatura es del orden de diez veces más importante que el de la salinidad para un intervalo de variación similar, esta tendencia no ha sido comprobada experimentalmente para salinidades bajas. En la figura 8 se muestra, para distintas condiciones de salinidad y temperatura, la variación del pH_E con la relación ₅₉₆A/₄₃₅A, que constituye la variable experimental. Puede observarse cómo la utilización de indicador es especialmente recomendable para pHs relativamente elevados, próximos o superiores a 8. A pHs menores, existen cambios importantes del pH_E cuando varía la relación entre las absorbancias en los máximos.

Consideraciones finales

La medida del pH espectrofotométrico puede considerarse una técnica precisa y sujeta a un menor número de inconvenientes para la medida del pH en aguas oceánicas que las técnicas potenciométricas (Culberson, 1981; Dickson, 1993; Clayton et al., 1995; Murphy, 1996; French et al., 2002). No obstante, existen pocos estudios que hayan abordado la influencia de la salinidad sobre las absortividades molares y/o la constante de disociación del azul de timol en aguas estuáricas.

Para la determinación de las absortividades molares se empleó un diseño experimental basado en adiciones sucesivas en medios adecuadamente tamponados, a diferencia de otros autores que utilizan adiciones para el control del pH hasta conseguir una absorbancia no variable sobre una cantidad fija de indicador en la muestra (Zhang y Byrne, 1996). La linealidad encontrada entre las absorbancias en los máximos y la concentración del indicador ha sido, en todos los casos, muy elevada. Asimismo, se proponen expresiones de tipo lineal para la dependencia de las absortividades molares de la temperatura, así como con de la salinidad para 596ε (I^2-).

Otra cuestión pendiente, que permitiría una mayor generalización de las medidas espectrofotométricas del pH, es la estandarización de los colorantes usados, con objeto de evitar tener que caracterizarlos de forma previa a su utilización.

Los autores agradecen la inestimable ayuda prestada por Teodora Ortega en la discusión de los resultados. Este trabajo ha sido financiado por la CICYT mediante el proyecto MAR97-0187.

Referencias

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