QUÍMICA ANALÍTICA GENERAL

UNIDAD N ° 16: CATIONES Y ANIONES DE IMPORTANCIA BIOLOGICA

ARSENICO EN AGUA

1. Introducción

El agua limpia es un don que no todos tienen. En nuestro país en la Provincia de Tucumán, ya se han presentado proyectos para erradicar el Arsénico de las aguas subterráneas, este proviene principalmente de la combustión de materiales fósiles. Ya que es de público conocimiento que las aguas subterráneas son una fuente importante de agua fresca, en EE.UU., la mitad de la población se surte de esta manera.

La calidad de las fuentes de agua varía dependiendo de la geología local, actividades agrícolas y fuentes industriales/municipales de contaminación. El agua subterránea contiene más contaminantes minerales, como el arsénico (elemento tóxico) que el agua superficial, debido a que el agua que se filtra a través de la piedra recogen minerales en su camino.

2. Proceso analítico

2.1. Toma de muestra

Se eligió un muestreo al azar, es decir, tomando muestras para el análisis en aguas subterráneas, río abajo y río arriba.

Al momento de tomar la muestra debe hacerse una homogenización previa a la toma de muestra, sobre todo para el caso del Arsénico que es un fluido en reposo. Se utilizará como toma-muestra botellas para extraer la muestra.

En el caso de que la muestra se tomara de un fluido en movimiento se debe evitar la contaminación de los Toma-muestras, por esto se usarán recipientes herméticos con diafragma auto-hermetizante, que se conecta al circuito abriendo una válvula manual como se ve en al figura.

2.2. Análisis Cualitativo

Todos los compuestos del arsénico son tóxicos. Es insoluble en ácido sulfúrico y nítrico diluidos, disolviéndose fácilmente en nítrico diluido, produciéndose óxido arsenioso y en ácido nítrico concentrado (agua regia) o hipoclorito de sodio dando ácido arsénico.

As4 + 4HNO3 d ! 2As2O3 + 4NO + 2H2O

3As4 + 20HNO3 c + 8H2O ! 12H3AsO4 + 20NO

As4 + 10NaClO + 6H2O ! 4H3AsO4 + 10NaCl

Existen dos tipos de compuestos de arsénico:

• Los compuestos arseniosos que provienen del óxido arsenioso anfótero As2O3 , que forman sales con los ácidos fuertes.

• Los compuestos arsénicos que corresponden al pentóxido, As2O5.

Las siguientes reacciones son aplicables a toaos los com­puestos de arsénico.

2.2.1.Reacción de Marsh

Esta reacción debe efectuarse bajo campana; se basa en que todos los compuestos solubles de arsénico se reducen por medio del hidrógeno “naciente” en solución ácida a arsina, AsH3, gas incoloro, dé olor aliáceo y extremadamente tóxico. Si el gas, mezclado con hidrógeno, se hace pasar por un tubo de vidrio calentado, se descompone en hidrógeno y arsénico libre que se deposita a continuación de la parte caliente del tubo formando un “espejo”, negro parduzco.

Quemando la mezcla de gases, compuesta de hidrógeno y de arsina (después de expulsar totalmente el aire del aparato), arden con llama azul pálida desprendiéndose humos blancos de óxido arsenioso; si se introduce en la llama una pequeña cáp­sula de porcelana se obtiene en la cara fría un depósito negro de arsénico, que se disuelve fácilmente en soluciones de hipo­clorito de sodio o de polvos blanqueantes.

Zn + H2SO4 ! ZnSO4 + H2

6H2 + As4 ! 4AsH3

4AsH3 ! As4 + 6H2 (en caliente)

2AsH3 + 6O2 ! 2As2O3 + 6H2O

As4 + 10NAClO + 6H2O ! 4H3AsO4 + 10NaCl

La forma más conveniente de efectuar la reacción de Marsh es la siguiente: Se arma el aparato que se ve en la figura .Se adapta a un frasco de erlenmeyer de 125 ml de capacidad un tapón de goma con dos agujeros, por uno pasa un embudo de vástago largo o tubo de seguridad que llega casi al fondo del recipiente y, por el otro, un tubo de 5 - 7 mm doblado en ángulo recto; este último se une por un tubo corto de goma de vacío a un tubo en U, llenado con lana de vidrio humedecida con solución de acetato de plomo, para absorber el sulfuro de hidrógeno que pueda desprenderse (éste se puede omitir, pues su eficacia es discutible), después a un pequeño tubo que contiene cloruro de calcio anhidro, granulado, de 8 mallas luego a un tubo de vidrio infusible, de 25 cm de largo y 7 mm de diámetro, con dos estrechamientos de 2 mm de diámetro cerca del medio del tubo; la distancia entre ellos es de 6 - 8 cm.

Los tubos secadores y el tubo ABC se aseguran con pinzas. Todos los reactivos a usarse deben estar libres de arsénico. Se coloca en el recipiente 15 - 20 g de cinc libre de arsénico, se agrega ácido sulfúrico diluido (1 + 3) hasta que se desprenda abundante cantidad de hidrógeno. La pureza de los reactivos se ensaya haciendo pasar los gases por medio de un tubo de desprendimiento, conectado mediante un tubo corto de goma en el extremo de C durante varios minutos, a través de una solución de nitrato de plata; la ausencia de una suspensión o de un precipitado negro, prueba que no hay cantidades apreciables de arsénico.

6AgNO3 + 3H2O + AsH3 ! H3AsO3 + 6Ag + 6HNO3

La solución en que se ha de investigar arsénico se agrega entonces, en pequeñas porciones al contenido del recipiente. Si hay presente mucho arsénico se ennegrece inmediatamente la solución de nitrato de plata. Se desconecta el tubo de goma en C.

Se calienta el tubo en A hasta poco antes del punto de ablan­damiento; se forma un espejo de arsénico en la parte fría menos estrecha del tubo. Se puede poner una segunda llama en B para asegurar una descomposición total (la arsina es suma­mente tóxica). Obtenido un espejo satisfactorio se quitan las llamas de A y B y se enciende en C. Se coloca una cápsula fría en la llama Y se ensaya la solubilidad del depósito negro o pardo en solución de hipoclorito de sodio.

En la solución del nitrato de plata el arsénico se halla pre­sente como ácido arsenioso y se puede determinar mediante solución de yodo en yoduro de potasio que se decolora debido a la formación de los ácidos yodhídrico y arsénico.

H3AsO3 + I2 + H2O ! H3AsO4 + 2IH

La técnica original de Marsh consistía en quemar la arsina y depositar el arsénico sobre una superficie fría. Actualmente se acostumbra efectuar el ensayo del espejo. La reacción con el nitrato de plata (conocida como reacción de Hofmann) es muy útil como prueba confirmatoria.

2.2.2. Reacción de Gutzeit

Es en esencia una modifica­ción del ensayo de Marsh; la principal diferencia consiste en que sólo se requiere un tubo de ensayo y la arsina se reconoce por medio de nitrato de plata o cloruro mercúrico. Se coloca en el tubo de ensayo 1 - 2 gramos de cinc libre de arsénico, se agrega 5 - 7 ml de ácido sulfúrico diluido, se tapa el tubo flojamente con algodón cubriéndolo con un papel de filtro hu­medecido con solución de nitrato de plata. Puede ser necesario calentar suavemente el tubo para producir un des­prendimiento regular de hidrógeno. Después de un cierto tiem­po, unos 2 minutos, se retira el papel de filtro y se examina la parte que cubría el tubo de ensayo; generalmente se obtiene una mancha pardo clara debida los vestigios de arsénico que con­tienen los reactivos. Se quita el ta­pón de algodón, se agrega 1 ml de la solución en análisis, se vuelve a colocar nuevo algodón y el papel de nitrato de plata, colocando éste de modo que cubra el tubo con una nueva porción de su superficie. Después de 2 minutos, en el su­puesto que la velocidad de despren­dimiento del gas sea aproximada­mente la misma que en el ensayo en blanco, se quita el papel de fil­tro y se compara las dos manchas. Si hay mucho arsénico presente, la segunda mancha (debida a la plata libre) aparece negra.

6AgNO3 + 3H2O + AsH3 ! H3AsO3 + 6Ag + 6HNO3

2.2.3. Reacción de Fleitmann

Se basa en que el hidrógeno naciente generado en solución alcalina, con aluminio y cinc y solución de hidróxido de sodio, reduce los compuestos arseniosos a arsina; pero no afecta los compuestos de antimonio. Esto proporciona un método para distinguir compuestos de arsénico y de antimonio. Primero se deben reducir los arseniatos al estado arsenioso. La forma de operar es semejante al empleado en la de Gutzeit, con la diferencia de que el cinc o aluminio y solución de hidróxido de sodio reemplazan al cinc y ácido sulfúrico diluido. Es necesario calentar la solución. Por acción de la arsina se obtiene una mancha negra de plata.

2.2.4. Reacción de Reinsch

Si una lámina brillante de cobre se hierve en una solución de un compuesto arsenioso acidificado, por lo menos, con un décimo de su volumen de ácido clorhídrico concentrado, el arsénico se deposita sobre el cobre en forma de una película gris de arseniuro de cobre, Cu5As2. También se deposita en estas condiciones, antimonio, mercurio, plata y otros metales. Es necesario, por lo tanto, investi­gar, por vía seca&, el depósito de arsénico. Se lava la lámina con agua destilada, se seca entre papeles de filtro y se calienta sua­vemente en un tubo de ensayo; se obtiene un depósito blanco cristalino de óxido arsenioso. Éste se reconoce examinándolo por medio de una lupa, observándose cristales incoloros de for­ma octaédrica y tetraédrica; se puede también disolver en agua e investigar el arsénico mediante la reacción dé Fleitmann o de Bettendorff&&.

Los arseniatos son también reducidos por el cobre; pero, sólo lentamente, aún a ebullición.

&Ensayos por vía seca

• Ensayo al soplete: Los compuestos de arsénico ca­lentados sobre carbón con carbonato de sodio dan incrustacio­nes blancas de óxido arsenioso y olor aliáceo durante el calentamiento.

• Cuando se calienta con un exceso de cianuro de pota­sio y carbonato de sodio anhidro en un tubo seco, se obtiene en la parte fría del tubo un espejo negro de arsénico soluble en solución de hipoclorito de sodio.

&Reacción de Bettendorff

Se agregan unas gotas de solución de arsenito a 4 ml de ácido clorhídrico concentrado y 1 ml de solución saturada de cloruro estannoso y se calienta suavemente la solución con lo que toma color pardo oscuro y finalmente negro, debido a la separación de arsénico libre.

Na3AsO3 + 6HCl ! AsCl3 + 3NaCl + 3H2O

2AsCl3 + 3SnCl2 ! 2As + 3SnCI4

Si la reacción se efectúa con los sulfuros precipitados en solución ácida, entonces sólo interfiere el mercurio; esta inter­ferencia se evita mediante la transformación en arseniato amónico magnésico, que calcinado al rojo pasa a piro-arseniato, Mg2As2O7.

Se mezcla una gota de la solución en análisis en un mi­crocrisol con 1 - 2 gotas de solución concentrada de amoníaco, 2 gotas de peróxido de hidrógeno de 20 volúmenes y 2 gotas de solución de cloruro de magnesio al 10 %. Se evapora len­tamente y al final se calienta hasta que cese el desprendimien­to de humos. Se trata el residuo con 1 - 2 gotas de solución de cloruro estannoso en ácido clorhídrico concentrado y se calien­ta suavemente. Se obtiene una coloración o precipitado pardo o negro.

2.3. Análisis Cuantitativo

2.3.1. Determinación de arsénico como arsenito de plata

Consideraciones generales :Los arseniatos en solución se precipitan como arseniato de plata Ag3AsO4,con solución neutra de nitrato de plata;

AsO4-3 + AgNO3 ! Ag3AsO4 + NO3-

la solución en análisis debe ser neutra; si fuera débilmente ácida se agrega un exceso de acetato de sodio para disminuir la acidez ; si fuera fuertemente ácida ,se neutraliza la mayor parte del ácido con solución de hidróxido de sodio.

El arseniato de plata precipitado se separa por filtración, se neutraliza la mayor parte del ácido nítrico diluido y la plata se titula con solución valorada de tiocianato. Por este método se puede determinar cantidades pequeñas de arsénico.

Los arsenitos deben oxidarse a arseniatos, por tratamiento con ácido nítrico. Pequeñas cantidades de antimonio y estaño no interfieren pero no deben haber cromatos, fosfatos, molibdatos, tungstatos y vanadatos ,que precipitan como sales de plata.

La técnica que se da a continuación es aplicada a todos los compuestos del arsénico.

Técnica

Se disgrega 0.5g de la muestra, finamente pulverizada, con 3-5 g de una mezcla de partes iguales de carbonatos de sodio y nitrato de potasio. La porción de muestra pesada, se mezcla con dos tercios de la mezcla fundentes oxidante a emplearse, y se cubre con el tercio restante. También puede efectuarse la disgregación de la muestra , empleándose 10 a 12 veces su peso de peroxido de sodio el producto de la función una vez frío se trata con agua caliente y se filtra. Se acidifica el filtrado, que contiene arseniato en solución con ácido nítrico diluido se hierve para eliminar el dióxido de carbono y se enfría. Se agrega solución de hidróxido de sodio hasta reacción alcalina a la fenolftaleína y entonces ácido acético hasta que desaparezca el color rojo .Se agrega solución de nitrato de plata en ligero exceso, se agita fuertemente y se deja sedimentar el precipitado, en oscuridad. Se filtra el líquido sobrenadante por un crisol filtrante de vidrio, se lava el precipitado por decantación con agua destilada fría se pasa el precipitado al crisol filtrante y se lava hasta la eliminación del nitrato de plata. Se desecha el filtrado y lavados, se lava bien el frasco cónico para filtración al vacío .Se disuelve el arseniato de plata en ácido nítrico diluido , se lava con ácido nítrico muy diluido y el filtrado y los lavados se llevan a un volumen en un matraz aforado de 250 ml y se homogeneiza. Se titula una porción alícuota conveniente con solución valorada de tiocianato de amonio o de potasio, empleando alumbre férrico como indicador. Se calcula el tanto por ciento de arsénico en la muestra analizada.

1 ml de NH4SCN o KSCN = 0,02497g de As

2.3.2. Determinación de arsénico como trisulfuro de arsénico, As2S3

El arsénico debe estar en la solución al estado trivalente, para ser precipitado como trisulfuro. El arsénico se reduce a arsenioso, mediante sulfato ferroso, cloruro cuproso u ácido fosforoso. Se lo separa de los tres elementos, por destilación de una solución de ácido clorhídrico, manteniendo la temperatura del vapor por debajo de los 108º C ; en estas condiciones destila solamente tricloruro de arsénico; se precipita As2S3 asiendo pasar sulfuro de hidrógeno, por la solución del destilado.

2AsCl3 + 3SH2 ! As2S3 + 6ClH

Técnica

Por la solución de arsenioso en ácido clorhídrico 9 N a una temperatura de 20º C se hace pasar una corriente de sulfuro de hidrógeno. Se deja en reposo durante una o dos horas y se filtra por crisol filtrante de Gooch, vidrio sinterizado o e porcelana porosa. Se deja el precipitado con ácido clorhídrico 8 N saturado con sulfuro de hidrógeno y se prosigue lavando con alcohol con disulfuro de carbono para eliminar el azufre libre que pueda estar presente, y finalmente con alcohol. Se seca a 105º C, hasta constancia de peso. Se pesa As2S3.

2.3.3. Determinación de arsénico como piroarseniato de magnesio, Mg2As2O7

El arsénico debe estar como pentavalente, arseniato. No deben haber fosfatos y otras sustancias, que precipitan con la mezcla magnesiana, ni tampoco materia orgánica, pues reduciría el arseniato a arsenito, que no precipita con la mezcla magnesiana.

As2O7-4 + Mg+2 ! Mg2As2O7

Técnica

Todo el arsénico debe estar como arseniato, y el volumen de la solución no debe ser mayor de 100 ml por cada 0,1 g de arsénico. Se agrega, lentamente, agitando a la solución de arseniato (100 ml), 5 ml de ácido clorhídrico concentrado, unas gotas de solución del indicador rojo de metilo y 10 - 15 ml de solución (o mezcla) magnesiana por cada 0,1 g de arsénico que se estiman presentes. La solución se enfría en agua con hielo y se agrega, lentamente y agitando solución concentrada de amoníaco puro, hasta que la solución sea alcalina. Se agita la solución durante unos minutos, se agrega 10 ml más de la solución concentrada de amoníaco. Se deja en reposo, a temperatura ambiente, durante, por lo menos, 4 horas o de preferencia hasta el día siguiente. Se filtra el precipitado por crisol filtrante de sílice (vitreosil) o de porcelana porosa, tarado; se lava con solución fría de amoniaco (1+25), hasta eliminación de cloruro, y después, por succión se extrae la mayor parte de la solución de lavado. Se seca el precipitado a 100º C, durante una o dos horas, se coloca el crisol en un crisol de níquel o en una cápsula para la calcinación de crisoles, que se va calentando gradualmente, al principio hasta que no se desprenda mas amoniaco, finalmente a la mayor temperatura que da un mechero de tipo Meker, durante 10 minutos. Se enfría en un desecador y se pesa. Se repite la calcinación hasta constancia de peso. Se pesa Mg2As2O7.

3. Determinación de arsénico en orina

El arsénico, a pesar de su reputación, no es un veneno común. Todavía sigue siendo un veneno favorito de homicidas, pero los envenenamientos con fines homicidas son raros. Como el arsénico es un ingrediente en algunos herbicidas o insecticidas, enve­nenamientos accidentales, agudos o cróni­cos, pueden encontrarse todavía de cuando en cuando.

Clínicamente, los síntomas de envenena­miento de arsénico, tanto agudos como cró­nicos, pueden confundirse fácilmente con otras condiciones muy diversas. No es excepcional, por ello, que un médico solicite excluir la presencia de arsénico, como ayuda en el diagnóstico diferencial. La muestra de elección en este caso es la orina, aun cuan­do hayan transcurrido dos a tres semanas después de la ingestión del veneno. En casos crónicos de largo término, puede dar información el análisis del cabello y las uñas, pero está sujeto a dificultades de in­terpretación.

En la literatura antigua, el arsénico se describe frecuentemente como un “veneno protoplásmico”. Este término es tan bueno como cualquier otro para describir el modo de acción del metal. El arsénico se combina fácilmente con proteínas a causa de su gran afinidad por los grupos sulfhídricos. De ello resulta precipitación de proteínas, lo cual produce irritación gastrointestinal e in­hibición irreversible de sistemas enzimáticos importantes, los cuales son los efectos tóxi­cos relevantes del arsénico. La gran afinidad de arsénico por proteínas tisulares es tam­bién la causa de que el arsénico sea separado rápidamente de la sangre. Por ello, la sangre no es una buena muestra, salvo en casos en que ha sido ingerida una dosis muy excesiva de esta sustancia.

2.4.1. Detección de arsénico

El análisis que se describe se denomina comúnmente reacción de Reinsch. Se basa en el hecho de que el cobre metálico en presencia de ácido reduce arsénico a la for­ma elemental. El arsénico se deposita en el cobre como una película obscura visible:

3Cu° + 2As+3 ! 3Cu+2 + 2As°

Reactivos

1. Acido clorhídrico concentrado.

2. Espiral de cobre. Se arrolla herméti­camente una espiral de alambre de cobre limpio y brillante en torno de una varilla de 3 mm aproximadamente dándole unas ocho a 10 vueltas para que la espiral sea muy cerrada.

Procedimiento

A 100 ml de orina en una cápsula plana, se agregan 10 ml de HCI concentrado. Se agrega la espiral de cobre y suavemente se hierve la solución hasta que el volumen se reduce a 20 ml aproximadamente. Se saca el cobre, se enjuaga suavemente con agua destilada, se examina y se anota cualquier cambio de color que en él se observe.

Interpretación

Si el cobre es todavía brillante, se habrá eliminado la presencia de arsénico (25 g/l o más), mercurio (50 g/l00 ml o más) y selenio (50 g/100 ml o más). En pre­sencia de arsénico, la superfi­cie del cobre aparecerá de color gris a ne­gro y, en presencia de mercurio, la película será de color gris claro a plateado y se volverá brillante al frotarla.

En el caso de reacción positiva, ha de comprobarse con otros análisis la naturaleza del depósito sobre el cobre. El arsénico puede determinarse cuantitativamente, des­pués de la digestión húmeda de otra mues­tra, por un método colorimetrito excelente. Ya se usa la técnica de espectroscopia de absorción atómica en la determinación prác­tica de arsénico en material biológico.

Los niveles normales de arsénico en orina son de menos de 50 g/l. En caso de en­venenamiento crónico, los niveles de arsé­nico en orina subirán a 100 g/l y en envenenamiento agudo podría haber pre­sente 1 mg/l o más.

Como el arsénico es enlazado fácilmente por grupos sulfhidrílicos de proteínas, con­siderable cantidad de arsénico es enlazada por queratina y subsiguientemente es depo­sitada en cabello y uñas. Este fenómeno ha conducido al análisis del cabello y las uñas en un esfuerzo para determinar si ha ocu­rrido exposición anterior a arsénico. La interpretación de estos análisis es difícil, a causa del problema de poder distinguir entre contaminación superficial del cabello y arsénico endógeno. Si se solicita un análi­sis de esta naturaleza, habrá de remitir a un toxicólogo especialista una cantidad mí­nima de 1 g de cabello limpio (mechón grande), cortado cerca del cuero cabelludo.

Este es el caso de la muerte de Napoleón Bonaparte, cuyo artículo se expone a continuación