INSTRUMEMACÀO E COSTROLE CE PROCESSOS. MEDIÇÃO DE ph. A medição de ph permite determinar o grau de acidez ou alcalinidade de uma solução.

Transcrição

1 INSTRUMEMACÀO E COSTROLE CE PROCESSOS MEDIÇÃO DE ph Introdução A medição de ph permite determinar o grau de acidez ou alcalinidade de uma solução. Em diversos processos industriais a medição e controle do ph é utilizada para varias finalidades: a) Neutralização de efluentes, para descarga em rios e redes de esgotos; b) Inibição de corrosão, especialmente em caldeiras; c) Em usinas de açúcar, a adição de cal para neutralizar a acidez causada pela sulfitação necessária para o branqueamento; d) Controle de qualidade de produtos químicos e farmacêuticos. Teoria Na água, existem continuamente moléculas (H O) e íons hidrogênio (H ) e hidroxila (OH ). A dissociação da água em íons pode ser descrita pela expressão: H O H + OH A concentração de íons hidrogênio é igual a de íons hidroxila, e vale 10 íons-grama por litro, a 25 C. Um íon-grama é igual ao peso atômico do íon, expresso em gramas. Em 1 litro de água existem, portanto, a 25 C, gramas de íons hidrogênio e gramas de íons hidroxila. O produto das concentrações de dois ions vale 10 a 25 C. Esse produto se mantém constante, mesmo que haja uma substancia em solução. As temperaturas mais altas, ambas as concentrações são maiores, e o produto será portanto maior. Quando se dissolve um acido na água, o mesmo também se dissocia. A forma geral de um acido é do tipo HA. A expressão da dissociação será: HA H + A Em conseqüência aumenta a concentração de íons hidrogênio em uma solução acida, reduzindo-se ao mesmo tempo a concentração de íons hidroxila. Quando se dissolve uma base (alcali) (com expressão geral BOH) na água, a expressão da dissociação será: 1

2 BOH B + OH Em conseqüência, aumenta a concentração de íons hidroxila, reduzindo-se a concentração de íons hidrogênio. Resumindo, temos as seguintes relações, a 25 C: Ácidos: [H ] > 10 Água: [H ] = 10 Bases: [H ] < 10 A medida da acidez ou, da alcalinidade de uma solução poderia ser feita pela concentração de íons hidrogênio na solução. Entretanto, visto que essa concentração é dada por um numero muito pequeno, prefere-se usar a escala de ph, mais pratica. Define-se como ph de uma solução o coiogaritmo da concentração de íons-hidrogênio (em íons-grama por litro), da solução. Essa definição pode ser expressa por: ph = colog [H ] = - Iog [H ] = log [ ] (1) A água tem [H ] = 10. O ph da água será portanto igual a 7. Uma solução ácida tem [H ] > 10, o ph de um solução ácida será portanto menor que 7. Quanto mais forte, ou mais concentrada for uma solução ácida, menor será o seu ph. Uma base tem [H ] < 10, o ph de uma solução básica será portanto maior que 7. Quanto mais forte, ou mais concentrada for uma solução básica, maior terá o seu ph. O valor de ph de algumas soluções é dado pela seguinte tabela: ph Soda Caustica, a 4% 14 Leite de cal 12,5 Leite de magnésio 10,5 Bórax 9,5 Clara de ovo 8 Água 7 Leite 6,5 Suco de Laranja 3,5 Suco de Limão 1,5 Ácido sulfúrico, a 5% 0 A faixa usual de medição de ph se estende de 0 a 14, embora possa haver soluções concentradas de ácidos fortes com ph menor que 0, e de bases fortes com ph maior que 14. 2

3 Métodos de Medição Em laboratórios, é comum o uso de processos de titulação e de papeis indicadores, que mudam de cor quando imersos em soluções com diversos valores de ph. O método industrial de medição utiliza um sistema composto, basicamente de: a) Um eletrodo de medição, geralmente de vidro; b) Um eletrodo de referencia; c) Um amplificador, acoplado a um indicador ou registrador; O eletrodo de vidro se baseia na descoberta de que uma membrana de vidro, em contacto com uma solução, desenvolve na sua superfície uma diferença de potencial relacionada linearmente com o ph da solução. Essa diferença de potencial vale 59,14 mv por unidade de ph, a 25 C; 54,2 mv a 0 C; e 74 mv a 100 C. O aspecto de um eletrodo de vidro pode ser visto na fig.1. Para a medição do potencial é necessário estabelecer contato com as superfícies interna e externa da membrana. A conexão a superfície interna é feita por um fio de prata, recoberto de cloreto de prata, e imerso em uma solução com ph =7, contida dentro do eletrodo. O contato com a superfície externa é feito por intermédio de um eletrodo de referencia, descrito mais adiante. A presença de íons de sódio introduz erros na medição do ph de soluções de alta alcalinidade. Tem sido desenvolvidos alguns tipos de vidro especiais, que reduzem esse efeito. Em algumas aplicações especiais tem sido usados com êxito eletrodos de antimônio. Eletrodos desse tipo não são afetados por íons de sódio. Podem ser utilizados com soluções de amônia e de acido fluorídrico, que atacam o vidro. São mais resistentes a abrasão. Entretanto, são mais influenciados pela temperatura da solução, a qual devera ser mantida constante para se obter bons resultados. O eletrodo de referencia e utilizado para completar o circuito de medição. A primeira vista, a imersão de um fio na solução suficiente para essa finalidade; entretanto, verifica-se experimentalmente que os metais em contato com soluções desenvolvem diferenças de potencial que dependem não só do ph mas também da natureza do metal e da solução. O aspecto de um eletrodo de referencia pode ser visto na fig. 2. Um fio de prata recoberto de cloreto de prata é imerso em um reservatório de vidro contendo uma solução de cloreto de 3

4 potássio, de concentração 4M, saturada com cloreto de prata para prolongar a vida útil do eletrodo, O contato com a solução cujo ph se deseja determinar é feita através de um pequeno orifício existente na parte inferior, que o eletrólito flua lentamente para a solução. Quando a solução se encontrar a uma pressão superior à atmosférica, o interior do eletrodo pode ser pressurizado por uma coluna liquida do próprio eletrólito, ou aplicando uma pressão de ar comprimido. Dessa maneira fica garantida a vazão do eletrólito para fora do eletrodo, impedindo-se que a solução flua para dentro do eletrodo, contaminando dessa maneira o eletrólito. A compensação de temperatura pode ser feita manualmente ou através de um termocompensador. Essa compensação é necessária devido ao fato de a diferença de potencial produzida no eletrodo de vidro ser dependente da temperatura. O termocompensador serve para compensar essas variações. Ele é constituído por um termistor ou bulbo de resistência, que é colocado em contato com a solução. Note-se que o termocompensador tem por função apenas a de compensar variações na característica do eletrodo de medição com a temperatura. O ph de uma solução é afetado, também, pela temperatura. Um indicador de ph, devidamente compensado, indicara corretamente o valor do ph de uma solução, à temperatura em que for realizada a medição; a eventual correção da leitura, para condições "standard" de temperatura só poderá ser feita se for conhecida a relação entre o ph e a temperatura da solução, em diversas condições de temperatura. Assim, p.ex., o ph da água destilada vale 7,46 a 0 C; 6,62 a 50 C e 6,12 a 100 C. Uma câmara de medição é normalmente utilizada para montar o eletrodo de medição, o eletrodo de referencia é o termocompensador. Câmaras de medição podem ser de submersão, para instalação em tanques, ou de passagem, para instalação em tubulações. Um amplificador é ligado por um cabo especial ao conjunto de eletrodos. Trata-se de um amplificador eletrônico com altíssima impedância de entrada (visto que o eletrodo de vidro tem uma alta resistência interna), dotado de indicador e/ou sinal de saída, em ma ou mv, para acoplamento a indicador, registrador ou controlador, NOTAS; 1. Dada a alta impedância do circuito de medição, devem ser evitadas a todo custo correntes de fuga que possam afetar os resultados. O cabo de ligação deve ser mantido limpo e seco. Em geral, utiliza-se silica-gel na câmara de medição e no amplificador, afim de reduzir a umidade a um baixo nível; 2. O cabo de ligação deve ser instalado em conduite metálico, longe de linhas da rede, para reduzir fenômenos de indução elétrica; 3. Os eletrodos devem ser mantidos sempre limpos. Algumas soluções podem causar incrustações ou depósitos no eletrodo de vidro, reduzindo sua sensibilidade. Recomenda-se uma limpeza periódica, com freqüência a ser determinada pela experiência, ou a utilização de dispositivos mecânicos ou ultrasônicos, para limpeza continua; 4. A calibração deve ser verificada periodicamente, pela imersão em soluções tampão, de ph conhecido; 4

5 5. O cabo de ligação deve ser tão curto quanto possível, para reduzir efeitos de fuga, indução e de atraso de medição. Alguns fabricantes oferecem préamplificadores, que podem ser montados nas proximidades das câmaras de medição, e que podem ser ligados por fios comuns ao indicador. 5