QUI 070 Química Analítica V Análise Instrumental. Aula 8 Potenciometria

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1 Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas Depto. de Química QUI 070 Química Analítica V Análise Instrumental Aula 8 Potenciometria Julio C. J. Silva Juiz de Fora, 2014

2 Potenciometria Introdução O método potenciométrico mede a f.e.m de cela galvânicas f.e.m Diferença de Potencial Cela galvânica constituída por dois eletrodos: indicador e referência Eletrodo indicador deve ser sensível a espécie iônica de interesse Eletrodo de referência deve manter seu potencial constante durante a medida Esses dois eletrodos são associados através de uma ponte salina E cela = E ind E ref Onde: E ind depende da atividade (concentração) da espécie eletroativa E ref tem um valor constante e definido

3 Potenciometria Introdução Eletrodo de referência/ponte salina/solução do analito/eletrodo indicador E ref E J E ind A potenciometria compreende: a POTENCIOMETRIA DIRETA e a TITULAÇÃO POTENCIOMÉTRICA Potenciometria Direta determina a atividade de uma espécie iônica, medindo a f.e.m. de uma cela. Titulação Potenciométrica a medida da f.e.m da cela serve para localizar o ponto final da titulação. Eletrodos usados na potenciometria pertencem a três categorias: eletrodos de referência, eletrodos metálicos e eletrodos de membrana.

4 Eletrodos de Referência Para que os potenciais de eletrodos possam ser obtidos, é preciso referi-los a um eletrodo de referência com potencial invariante Internacionalmente, adotou-se com referência o EPH, que é um eletrodo com parâmetros rigorosamente controlados. Em virtude das dificuldades na preparação e uso do EPH em trabalhos de rotina, foram introduzidos os eletrodos de referência secundários (ERS) ERS eletrodos mais práticos para uso em rotina, cujos potenciais foram cuidadosamente medidos em relação ao EPH. Os mais comuns são os de mercúrio-cloreto de mercúrio(i) e prata-cloreto de prata Os ERS devem ser de fácil construção, dar potenciais reprodutíveis e exibir grande estabilidade EPH parâmetros definidos: a H + = 1 mol dm -3, p H2 = 1 atm E EPH = 0

5 Eletrodos de Referência (Eletrodo de Calomelano - ECS) O sistema eletródico consiste em mercúrio, cloreto de mercúrio(i) e uma solução de KCl (saturada com Hg 2 Cl 2 (s)) com concentração definido Hg/Hg 2 Cl 2 (sol.sat),kcl(x mol L -1 )// Reação eletródica Hg 2 Cl 2 (s) + 2e - 2Hg(líq) + 2Cl - O potencial do eletrodo depende da concentração do íon cloreto (x) São usadas soluções de KCl (25 o C): 0,1 mol L -1 0,3356 V 3,5 mol L -1 0,2500 V Saturado 0,2444 V Obs.: Por convenção IUPAC, um eletrodo de referência é SEMPRE escrito como um ânodo

6 Eletrodos de Referência (Eletrodo de Calomelano)

7 Vantagens: Eletrodos de Referência (Eletrodo de Calomelano) Fácil preparação Potencial constante Desvantagens: Em mudanças de temperatura, a estabilização do E é muito lenta; Coeficiente de temperatura elevado maior DIFERENÇA DE TEMPERATURA (T), maior DIFERENÇA DE POTENCIAL (E)

8 Eletrodos de Referência (Eletrodo de Prata/Cloreto de Prata) Um dos eletrodos mais empregados na atualidade, principalmente nas leituras de ph. O eletrodo de Ag/AgCl tem a vantagem de ser mais versátil e de maior facilidade de montagem: Consiste basicamente de um fio de prata, sobre o qual é depositada uma camada de AgCl através da passagem de uma corrente elétrica pelo eletrodo em uma solução de cloreto. Esse fio é imerso em uma solução 3,5M (ou saturada) de KCl Ag/AgCl(sol.sat),KCl(x mol L -1 )// Reação eletródica AgCl(s) + e - Ag(s) + Cl - E o = 0,199 (25 o C)

9 Eletrodos de Referência (Eletrodo de Prata/Cloreto de Prata) Principal vantagem: Pode ser empregado em temperaturas superiores a 60ºC, o que não é possível com o ECS. Desvantagem: Reage com um número maior de componentes do que o mercúrio do ECS, como por exemplo, proteínas.

10 Eletrodos de Referência (Eletrodo de Prata/Cloreto de Prata)

11 Eletrodos Indicadores São basicamente de dois tipos: Eletrodos metálicos Eletrodos de membrana Eletrodo indicador ideal: Resposta rápida e reprodutível Seletivo ao íon analisado

12 Eletrodos Indicadores Metálicos 1ª Classe: Cu e- Cu E = E o Cu 0,0592/2 log1/[cu 2+ ] 2ª Classe: AgCl (s) + e- Ag + Cl - E = E o 0,0592 log[cl - ] 3ª Classe (Hg): Ca e- Ca E = E o 0,0592/2 log1/[ca 2+ ] Eletrodos Inertes (platina): Fe 3+ + e- Fe 2+ E = E o 0,0592 log[fe 2+ ]/[Fe3 + ] Sistemas de oxi-redução

13 Ex: Eletrodos Indicadores de Membrana Determinação de cálcio Determinação de H+ Determinação de sódio e potássio Solubilidade mínima: deve ser próxima de zero. Formadas por moléculas grandes ou agregados moleculares (vidros ou resinas poliméricas); Condutividade elétrica: deve existir, mesmo que pequena. A condução ocorre na forma de migração dos íons de carga unitária, dentro da membrana; Reatividade seletiva: deve se ligar seletivamente ao analito. Três tipos de ligações são conhecidos: troca iônica, cristalização e complexação.

14 Ex: Eletrodos Indicadores de Membrana Determinação de cálcio Determinação de H+ Determinação de sódio e potássio Solubilidade mínima: deve ser próxima de zero. Formadas por moléculas grandes ou agregados moleculares (vidros ou resinas poliméricas); Condutividade elétrica: deve existir, mesmo que pequena. A condução ocorre na forma de migração dos íons de carga unitária, dentro da membrana; Reatividade seletiva: deve se ligar seletivamente ao analito. Três tipos de ligações são conhecidos: troca iônica, cristalização e complexação.

15 Eletrodos de vidro Indicadores de ph No início do século foi observado que uma película fina de vidro separando duas soluções aquosas, com concentrações diferentes em íons H +, originava uma diferença de potencial entre as duas soluções Vidros de membranas eletroativas óxidos de cátions +3 (Si e Al), +2 e +1 (Ca e Na) Os vazios da rede são ocupados por cátions fracamente ligados por forças eletrostáticas dos íons hidrogênio

16 Eletrodos de vidro Indicadores de ph A troca catiônica na superfície da membrana de vidro, é o que causa a diferença de potencial H + (sol) + Na + Vid - Na + (sol) + H + Vid -

17 Eletrodos de vidro Indicadores de ph A troca catiônica depende: tamanho do íon, solvatação dos cátions e intensidade das forças eletrostáticas Um membrana de vidro é permeável quase que exclusivamente a cátions univalentes mas sobretudo ao H + Íons H + podem penetrar no vidro, deslocando íons Na + causando uma diferença de potencial Ânions: tem tamanho maiores que os cátions e apresentam repulsão por parte do oxigênio da rede sua penetração é difícil

18 Eletrodos de vidro Indicadores de ph

19 Composição da Membrana de Vidro Durante muito tempo foi usado o vidro de soda-cal: 72% SiO2, 22% Na2O e 6% em CaO Essa membrana responde seletivamente a íons H + até ph 10 Para valores de ph 10, a membrana torna-se sensível ao íons sódio e outros íons alcalinos (erro da alcalinidade). Erro ácido Para valores de ph 0,5 (contrário do erro alcalino). Nessa situação o valor de ph tende a ser muito alta. As causas do erro ácido não são bem compreendidas. Erro no tempo para atingir o equilíbrio: As medidas de ph geralmente são obtidas após algum tempo de contato do eletrodo com a solução de interesse. Em uma solução bem tamponada, sob agitação adequada, este tempo de espera fica em torno de 30 segundos. Em uma solução mal tamponada (por exemplo, próxima ao ponto de equivalência de uma titulação) necessita de um tempo maior para atingir o equilíbrio

20 Hidratação da Membrana de Vidro A membrana de vidro deve sofrer uma hidratação de sua superfície para que o eletrodo funcione regularmente (erro de hidratação) Antes que o eletrodo comece a ser usado, a sua membrana é imersa em uma solução ativante (HCl 1 mol L -1 ) por 24 horas. O tratamento é completado pela imersão da membrana em água por 48 horas. Esse tratamento assegura a formação de uma camada de gel sobre a superfície que garante a hidratação da membrana Embora haja outros eletrodos para medida de ph, o eletrodo de vidro é universalmente usado. Seu potencial não é afetado pela presença de agentes oxidantes ou redutores, e ele pode operar em larga faixa de ph. Sua resposta é rápida e funciona bem em todos os sistemas (fisiológicos, solo, etc.)

21 Instrumentação para Potenciometria

22 O Instrumentação para Potenciometria (Titulação Potenciométrica)

23 Titulação Potenciométrica Na titulação potenciométrica, a medida do sinal de um eletrodo indicador é usada para acompanhar a variação da concentração de uma espécie iônica envolvida na reação e, assim, detectar o ponto de equivalência

24 Titulação Potenciométrica Um eletrodo indicador e um eletrodo de referência são, convenientemente, associados para construir uma cela galvânica, cuja f.e.m é medida no curso da titulação As titulações potenciométricas requerem equipamento especial e são de execução mais demorada que a titulação visual Vantagens da titulação potenciométrica A grande sensibilidade da técnica soluções diluídas A técnica potenciométrica é aplicavel a titulações em meio não aquosos As titulações potenciométricas de soluções coradas ou turvas não apresentam dificuldades A técnica potenciométrica pode ser usada onde a técnica convencional (visual) é impraticável falta de indicadores

25 Titulação Potenciométrica Aplicação da titulação potenciométrica Reações de neutralização eletrodos de hidrogênio, quinidrona e membrana de vidro Reações de precipitação eletrodos de prata-haletos de prata Reações de complexação eletrodos de 1ª e 2ª classe Reações de oxidação/redução eletrodos inertes

26 Titulação Potenciométrica Titulação potenciométrica Determinação do ponto Final

27 Titulação Potenciométrica Titulação potenciométrica Determinação do ponto Final

28 Titulação Potenciométrica Titulação potenciométrica Determinação do ponto Final

29 Titulação Potenciométrica Titulação potenciométrica Determinação do ponto Final

30 Titulação Potenciométrica Titulação potenciométrica Determinação do ponto Final

31 Titulação Potenciométrica Titulação potenciométrica Determinação do ponto Final

32 Titulação Potenciométrica Titulação potenciométrica Determinação do ponto Final

33 Titulação Potenciométrica Titulação potenciométrica Determinação do ponto Final ΔpH ΔV = ph 2 ph 1 V 2 V 1 2 ph V 2 = ΔpH ΔV 2 ΔpH ΔV 1

34 Referências - Juliano, V. F. Notas de Aula. Depto de Química. UFMG Faria, L.C. Notas de Aula. Instituto de Química. UFG Silva, L.L.R. Notas de Aula. FACESA. UFVJM D. A. SKOOG, F. J. HOLLER e T. A. NIEMAN Princípios de Análise Instrumental, 5 a ed., Saunders, A. I. VOGEL - Análise Analítica Quantitativa, LTC, 6ª ed., Rio de Janeiro. - D. A. SKOOG, D. M. WEST e F. J. HOLLER Fundamentals of Analytical Chemistry, 6 a ed., Saunders, Galen W. Ewing. Métodos Instrumentais de Análise Química (Volume 1). Editora Edgard Blücher/Ed. da Universida