Otros métodos ópticos: medida de la turbidez. Medida del índice de refracción. Polarimetría

Además de los métodos espectroscópicos de absorción y emisión, hay métodos ópticos no espectroscópicos, en los que no hay intercambio de energía sino cambios en la dirección o en las propiedades físicas de la radiación: dispersión (turbidimetría y nefelometría), refracción (refractometría) y rotación óptica (polarimetría).

1. Medida de la turbidez

1.1. Concepto

La turbidez de una muestra de agua es la reducción de su transparencia ocasionada por partículas en suspensión: arcillas, limos, materia orgánica e inorgánica finamente dividida, compuestos orgánicos solubles coloreados, plancton y otros microorganismos, mantenidos en suspensión por su naturaleza coloidal o por la turbulencia. Es una propiedad óptica que hace que la luz se disperse y absorba en lugar de transmitirse en línea recta. Su correlación con la concentración en peso de materia en suspensión es difícil de establecer, porque en la dispersión intervienen el tamaño, la forma y el índice de refracción de las partículas; partículas ópticamente negras, como las de carbón activo, absorben luz y aumentan la turbidez medida.

En el agua de consumo, la turbidez confiere mal aspecto, suele indicar un tratamiento inadecuado y es sospechosa de contaminación, especialmente bacteriológica. Debe medirse en campo o, en su defecto, dentro de las 24 horas siguientes al muestreo.

1.2. Turbidimetría y nefelometría

El método de medida de la turbidez del agua suele ser nefelométrico. En turbidimetría, la atenuación sigue una ecuación análoga a la de Beer-Lambert: S = log I₀/I = k · b · C, donde k es el coeficiente de turbidez (depende del diámetro y geometría de las partículas, de la longitud de onda y de los índices de refracción de partículas y medio), b el espesor de la cubeta y C la concentración de sólidos. Es estrictamente válida solo para partículas pequeñas (dispersión Rayleigh) y concentraciones bajas, por lo que en la práctica se trabaja con una curva de calibrado.

1.3. Patrones y unidades

• El patrón primario de referencia es la formacina (formazina), utilizada desde 1926 por ser más constante y reproducible. Se prepara mezclando una disolución de sulfato de hidracina (1,0 g/100 mL) y otra de hexametilentetramina (10,00 g/100 mL), 5 mL de cada una, que se dejan 24 horas a unos 25 °C hasta formar un precipitado blanco y se enrasan a 100 mL; a esta suspensión se le asigna 400 UNT; se debe preparar mensualmente. Diluida 10 veces da un patrón de 40 UNT, a partir del cual se preparan los patrones de trabajo.

• UNT / NTU (Unidades Nefelométricas de Turbidez): medida a 90° y basada en la formacina; las suspensiones de polímeros, más estables, se aceptan como alternativa.

• FTU (Unidades de Turbidez de Formacina): no especifican ángulo de detección.

• Existen otras escalas industriales (unidades EBC o ASBC en cervecería, ppm de diatomita). Las correlaciones entre instrumentos de distinta técnica o fabricante son difíciles, por lo que es esencial la repetibilidad del instrumento.

• El sulfato de hidracina es tóxico y debe manejarse con mucho cuidado (evitar inhalación, ingestión y contacto con la piel).

Si la turbidez de la muestra supera el patrón más alto, se diluye: UNT = A · (B + C)/C, siendo A las UNT de la muestra diluida, B el volumen de agua de dilución y C el de muestra.

1.4. Turbidez en el agua de consumo (RD 3/2023)

• Valor paramétrico: 4,0 UNF en depósitos de distribución y regulación, redes de distribución e instalaciones interiores.

• A la salida de la ETAP o depósito de cabecera, el valor de referencia es 0,8 UNF; en el control operacional, el 95 % de las muestras anuales a la salida de la filtración debe ser ≤ 0,3 UNF.

• Valores de no aptitud: 2 UNF a la salida de la ETAP o depósito de cabecera y 6 UNF en red.

• Para la eficacia de la desinfección se recomienda, durante 30 minutos, al menos 0,5 mg/L de cloro libre residual, con pH inferior a 8,0 y turbidez máxima de 1 UNF.

• Incertidumbre máxima del método: 30 %, estimada al nivel de 1 UNF.

2. Medida del índice de refracción

2.1. Concepto

El índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz en el aire y su velocidad en la sustancia analizada; es igual a la relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción. Puede determinarse con gran precisión (en ocasiones hasta cinco cifras significativas) y es una de las constantes más importantes para identificar un compuesto y su pureza.

Varía con la longitud de onda y con la temperatura. Salvo indicación contraria se refiere a la línea D del sodio (589,3 nm) y se expresa como n(D)ᵗ, normalmente a 20 °C. Por ejemplo, para el agua pura n(D) a 20 °C es 1,33299 (1,33369 a 10 °C y 1,33061 a 40 °C): el índice disminuye al aumentar la temperatura; como corrección aproximada puede tomarse 0,00045 por grado.

2.2. Refractómetros

• Refractómetro de Abbe (el de uso corriente): fuente luminosa, un par de prismas móviles termostatizados entre los que se coloca la muestra, dos prismas de Amici que compensan las diferencias de refracción de las distintas longitudes de onda, un visor y una escala.

• Tipos según la detección: sistemas transparentes (refractómetros portátiles y de Abbe), basados en la refracción en el límite del prisma; y sistemas de reflexión (refractómetros digitales), en los que un sensor capta la posición de la línea límite entre luz y sombra, cuyo ángulo es proporcional al índice de refracción.

• Escala Brix: porcentaje de sólidos solubles; está calibrada en gramos de azúcar por 100 g de disolución de azúcar.

2.3. Manejo y calibración

• Calibrar previamente con sustancias patrón de índice estable y conocido (por ejemplo, agua destilada, acetona, tolueno y monobromonaftalina), representando el valor obtenido frente al tabulado y corrigiendo la temperatura.

• Depositar tres o cuatro gotas sobre el prisma con pipeta Pasteur de plástico (para no rayarlo), cerrar el prisma de iluminación, llevar la línea divisoria entre campo claro y oscuro a la intersección del retículo y hacerla nítida con el compensador; leer tres decimales y estimar el cuarto; anotar la temperatura del prisma.

• Con muestras turbias, coloreadas o con partículas se opera con luz reflejada.

• Limpiar los prismas con un paño suave y etanol, sin frotar.

3. Polarimetría

3.1. Fundamento

Al atravesar un medio ópticamente activo, la luz polarizada en un plano sufre un desplazamiento angular de su plano de polarización. Las sustancias son dextrógiras (+) o levógiras (−) según lo desvíen hacia la derecha o hacia la izquierda. El poder rotatorio de una sustancia es proporcional al espesor de la capa atravesada y depende además de:

1. la concentración (en algunos casos proporcional; hay que comprobar el intervalo lineal);

2. la temperatura (por convenio se refiere a 20 °C);

3. la longitud de onda (las longitudes de onda menores sufren mayor rotación; normalmente se usa la línea D del sodio, 589,3 nm);

4. el disolvente;

5. la mutarrotación en algunos azúcares (la D-glucosa, por ejemplo, se estabiliza en +52,7°).

Rotación específica (ley de Biot): [α]ᵀ(D) = 100 · α / (l · c), donde α es la rotación observada, l la longitud del tubo en decímetros y c los gramos de soluto en 100 mL de disolución. Debe indicarse el disolvente y la concentración, y las rotaciones específicas solo son comparables con el mismo disolvente.

3.2. Polarímetro y manejo

• Componentes: fuente luminosa, prisma de Nicol polarizador, compartimento para el tubo de muestra (de 1 o 2 dm), prisma de Nicol analizador, lentes de observación y escala de rotación (divisiones de 0,25° con nonius de unos 0,01°).

• Punto cero: se establece en aire o con el tubo lleno de agua destilada; si no coincide con 0°, se corrigen las medidas con el error de cero.

• La disolución debe estar libre de partículas y burbujas y, a ser posible, ser incolora; se trabaja en semioscuridad para distinguir los semicampos.

• Se gira el analizador hasta igualar los campos y se leen tres veces (a ser posible por observadores distintos), anotando el signo.

• Aplicaciones: riqueza en sacarosa (industria azucarera), azúcares, vitaminas y aminoácidos; pureza y concentración de sustancias ópticamente activas, e hidrólisis de la sacarosa.

Fuentes: Universidad Politécnica de Madrid, J. V. Alonso Felipe, «Prácticas con técnicas instrumentales de análisis físico-químico en laboratorios industriales», 2021, prácticas V-UV 03, TFQ-11 y TFQ-12 (https://oa.upm.es/42341/); Universidad de Murcia (OCW), Análisis Químico, tema 8 (clasificación de los métodos ópticos) (https://www.um.es/web/innovacion/plataformas/ocw/listado-de-cursos/analisis-quimico-2012-/material-de-clase); Universidade da Coruña, SAI, Unidad de Análisis de Aguas (turbidimetría) (https://www.sai.udc.es/es/unidades/UAA); Real Decreto 3/2023, anexos I y III (https://www.boe.es/buscar/act.php?id=BOE-A-2023-628). Consultadas el 07/10/2026.