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. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DA AMAZÔNIA INSTITUTO SÓCIO-AMBIENTAL E DE RECURSOS HÍDRICOS DISCIPLINA: QUÍMICA PROFESSORA: RUTH GRANHEN TAVARES ASSUNTO: VOLUMETRIA DE OXI-REDUÇÃO 1. INTRODUÇÃO As reações de oxidação-redução envolvem a transferência de elétrons de uma espécie, molecular ou iônica, para outra. As reações de oxidação-redução se desdobram em dois processos elementares, ou reações parciais: uma envolve a doação de elétrons e a outra a fixação de elétrons. As espécies que doam elétrons perdem carga negativa, aumentando seu número de oxidação. Elas sofrem, portanto, uma oxidação. As que fixam (ou recebem) elétrons ganham carga negativa, diminuindo seu número de oxidação. Assim, elas sofrem uma redução. As reações de oxidação-redução só ocorrem se esses dois processos ocorrerem simultaneamente. Consideremos, por exemplo, a reação que ocorre quando uma solução de sulfato de ferro (III) é posta em contato com uma solução (ácida) de sulfato de cério (IV): Fe2+ Fe3+ + e- (oxidação) Ce4+ + e- Ce3+ (redução) Fe2+ + Ce4+ Fe3+ + Ce3+ (oxi-redução) As espécies que doam elétrons se oxidam e provocam uma redução nas espécies com as quais estão reagindo (que estão recebendo esses elétrons); são chamadas, portanto, de agentes redutores. As espécies que fixam elétrons se reduzem e provocam a oxidação nas espécies com as quais reagem; são chamadas, portanto, de agentes oxidantes. As reações de oxidação-redução que interessam à química analítica são, em sua maioria, reações reversíveis. A posição do equilíbrio é determinada pelas tendências relativas dos reagentes em doar ou fixar elétrons. Uma mistura de um forte agente oxidante com um forte agente redutor conduz a um equilíbrio predominantemente deslocado para a direita, no sentido da formação dos produtos. Entretanto, a mistura de um fraco agente oxidante com um fraco agente redutor tem uma tendência menos acentuada para a transferência de elétrons, o que proporcionará uma reação menos completa, porque o equilíbrio da reação estará deslocado para a esquerda. A maior ou menor tendência de um agente oxidante (ou redutor) receber (ou doar) elétrons é caracterizada pelos valores dos potenciais de oxidação-redução. Muitos deles foram obtidos experimentalmente, através da medida da f.e.m. (força eletromotriz) de uma célula, com o eletrodo padrão de hidrogênio como segundo eletrodo. Outros, entretanto, que não podem ser medidos diretamente, foram calculados a partir de dados termodinâmicos, através da equação de Nernst: E = Eo - ox red C C ln nF RT Tais valores podem ser encontrados em qualquer livro de química que trate sobre o assunto (oxidação-redução). Os valores de potenciais de todos os sistemas são referidos à temperatura de 25 ºC e são dados em relação ao eletrodo normal (ou padrão) de hidrogênio (ENH ou EPH), ao qual – por convenção – foi atribuído o valor de 0,0 volts. Todos os sistemas que apresentam potenciais negativos reduzem o hidrogênio, e os que apresentam potenciais positivos oxidam o hidrogênio. Assim, uma espécie será um agente redutor tanto mais forte, quanto mais negativo for o valor do seu potencial. Por outro lado, espécies com elevados valores positivos de potencial, são fortes agentes oxidantes. A volumetria de oxi-redução é o método de análise que se destina à determinação de teores de agentes oxidantes ou redutores. Baseia-se, portanto, em reações de oxidação-redução. . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 2 Assunto: Volumetria de Oxi-redução Prof. RUTH GRANHEN TAVARES 2. CLASSIFICAÇÃO DA VOLUMETRIA DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO Numerosos são os métodos volumétricos de oxidação e redução, que podem ser reunidos em dois grupos. a) Métodos oxidimétricos, pelos quais um redutor é determinado com uma solução padrão (ou padronizada) de um oxidante. Os principais são: permanganimetria, dicromatometria, cerimetria, vanadatometria, iodometria direta e bromatometria. b) Métodos redutimétricos, pelos quais um oxidante é determinado com uma solução padrão (ou padronizada) de um redutor. Entre esses tem-se a iodometria indireta, com sais ferrosos e com cloreto estanoso. A volumetria de oxidação-redução não se aplica à determinação direta de elementos que se apresentam, invariavelmente, em um único estado de valência. Como nem sempre a espécie a ser determinada está no estado de oxidação adequado, é necessário convertê-la quantitativamente ao estado de oxidação adequado, antes de iniciar a titulação. Este processo é denominado pré-oxidação ou pré-redução, e é realizado adicionando-se ligeiro excesso de pré-oxidante ou de pré-redutor, sendo o excesso eliminado antes de iniciar a titulação. Entre os pré-oxidantes comuns estão o peróxido de hidrogênio e o peróxido de sódio. Os pré- redutores mais comuns são os metais, o amálgama, o dióxido de enxofre e o cloreto estanoso. Muitas reações de oxidação-redução são lentas e, como a rapidez de uma reação é indispensável para que uma titulação possa ser executada, é freqüente a necessidade de aumentar a velocidade das reações na volumetria de oxidação-redução mediante titulação à quente, ou em presença de outros catalisadores. A permanganimetria é um dos métodos volumétricos mais empregados e usa o permanganato de potássio, que é um forte agente oxidante. As soluções de permanganato de potássio possuem coloração violeta intensa. Na maioria das titulações, o ponto final pode ser assinalado pela coloração do íon permanganato. O permanganato de potássio não é um padrão primário, e suas soluções têm estabilidade limitada. A incidência da luz do sol direta decompõe lentamente as soluções. Assim, recomenda-se que as soluções de permanganato sejam acondicionadas em frasco escuro. Embora o permanganato de potássio seja um oxidante enérgico, sua utilização acaba ficando limitada, em razão da baixa estabilidade de suas soluções. Tais soluções são de preparo muito trabalhoso, e têm que ser padronizadas antes de cada uso, através de um redutor padrão primário (o mais utilizado é o oxalato de sódio). Outro método oxidimétrico comum é a dicromatometria, que utiliza a ação oxidante do dicromato de potássio. Este não é um agente oxidante tão poderoso quanto o permanganato de potássio, mas tem muitas vantagens sobre o mesmo, pois pode ser obtido puro e é estável até seu ponto de fusão; por isso mesmo, é um excelente padrão primário. Pode-se preparar solução de concentração exatamente conhecida pela pesagem do sal seco e puro, e dissolução no volume apropriado de água. Além disso, as soluções aquosas são indefinidamente estáveis, se forem adequadamente protegidas contra a evaporação. As soluções de dicromato são reduzidas com menos facilidade por matéria orgânica do que as de permanganato, mas são estáveis em relação à luz. O dicromato de potássio só é usado em meio ácido, e se reduz rapidamente, à temperatura ambiente, a sal de cromo (III), de coloração verde. 3. IMPORTÂNCIA DO pH DO MEIO O pH do meio é importante durante titulações que envolvem reações de oxi-redução. Um exemplo é o comportamento do permanganato frente a diferentes valores de pH. a) Em meio neutro ou levemente alcalino, o permanganato é reduzido a Mn+4 (MnO2). O sistema 4MnO /MnO2 possui E = 0,59 V, ou seja, um valor que não é muito positivo (é um valor baixo). Sendo assim, em meio neutro ou levemente alcalino, o permanganato não é um oxidante muito enérgico. Além disso, o MnO2, produto da redução do permanganato, é uma substância pouco solúvel (precipitado) e de coloração pardo-escura, o que dificultariaa . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 3 Assunto: Volumetria de Oxi-redução Prof. RUTH GRANHEN TAVARES visualização do fim da titulação entre o permanganato e o redutor a ser dosado por ele nesse meio. Portanto, em meio neutro ou levemente alcalino, o permanganato não é utilizado para fins de análise. 4MnO + 2H2O 4MnO2 + 3O2 + OH - b) Em meio fortemente alcalino, o permanganato é reduzido em duas etapas: inicialmente forma-se o 2 4 MnO e, em seguida, esse íon é reduzido a MnO2. O sistema 4MnO / 2 4 MnO (1ª etapa) possui E = 0,56 V, e o sistema 2 4 MnO /MnO2 (2ª etapa) possui E = 0,60 V. Aqui, também, os valores dos potenciais não são muito elevados, e o produto da redução é o mesmo: o MnO2. Então, pelas mesmas razões expostas acima, em meio fortemente alcalino, o permanganato não é utilizado para fins de análise. 4MnO + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O c) Em meio ácido, a redução pode ser representada pela seguinte equação: 4MnO + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O 4MnO + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O O sistema 4MnO /Mn2+ possui E = 1,51 V. Assim, o íon permanganato, em solução ácida, é um forte agente oxidante. É nesse meio que se realiza a permanganimetria. Observação: O ácido mais apropriado para acidificar o meio é o sulfúrico, pois, em solução diluída, não reage com o permanganato. Já com o ácido clorídrico haveria a possibilidade de ocorrer a reação: 2 4MnO + 10Cl- + 16H+ 2Mn2+ + 5Cl2 + 8H2O e, dessa forma, parte do permanganato seria consumida na formação do cloro, provocando erro na análise. 4. DETECÇÃO DO PONTO FINAL NAS TITULAÇÕES DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO O ponto final na volumetria de oxidação-redução é identificado, visualmente, segundo vários métodos, conforme a natureza da reação envolvida. a) Ocasionalmente, o titulante é fortemente corado, e ele próprio pode atuar como indicador. O ponto final é acusado pela coloração produzida por um ligeiro excesso do titulante. b) Em certos casos, são usados indicadores específicos, isto é, substâncias que reagem especificamente com uma das espécies participantes da reação. c) Algumas vezes, são usados corantes que mudam de coloração de maneira não reversível. d) São, também, utilizados os indicadores de oxidação-redução para indicar o ponto de equivalência em uma titulação. 5. INDICADORES DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO Um indicador de oxidação-redução deve assinalar a brusca variação potencial de oxidação na vizinhança do ponto de equivalência, numa titulação de oxidação-redução. O indicador de oxidação- redução ideal é aquele que possui o potencial de oxidação situado entre o do analito e o do titulante, e que apresente uma mudança de cor nítida e facilmente perceptível. Um indicador de oxidação-redução (indicador redox) indicador de oxidação-redução é uma substância cujas formas oxidada e reduzida têm cores diferentes: ind.ox + n e- ind.red A oxidação e a redução devem ser reversíveis. Num potencial E, a razão entre as concentrações das duas formas é dada pela equação de Nernst: . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 4 Assunto: Volumetria de Oxi-redução Prof. RUTH GRANHEN TAVARES E = Eoind. - ox.ind red.ind C C ln nF RT onde Eoind. é o potencial padrão do indicador. Se as intensidades das cores das duas formas forem comparáveis, uma estimativa prática do intervalo de viragem de cor corresponde a uma variação na razão Cind.red / Cind.ox de 10 para 1/10. Assim, a mudança de coloração se dará em um intervalo de potencial caracterizado pela equação, o que leva ao seguinte intervalo de potencial: E = Eoind. ± n 0591,0 V, a 25 ºC Se as intensidades das cores das duas formas forem consideravelmente diferentes, a cor intermediária será atingida num potencial um tanto distante do Eoind., mas é pouco provável que o erro seja maior do que 0,0591 V. Para que se tenha uma viragem de cor nítida no ponto final, o Eoind. deve diferir dos potenciais padrões dos outros sistemas envolvidos na reação em, pelo menos, 0,15 V. Como o potencial de um sistema de oxidação-redução, dentro de certos limites, não é afetado por diluição, a sensibilidade de um indicador de oxidação-redução (para um certo potencial) não é definida pelas concentrações efetivas do oxidante e do redutor, mas somente pela relação entre essas concentrações. A partir do intervalo de transição ou potencial padrão de um dado indicador, é possível prever a coloração deste em um meio com potencial definido. Por outro lado, a variação do potencial no curso de uma titulação, especialmente às proximidades do ponto de equivalência pode ser calculada (ou determinada experimentalmente por titulação potenciométrica). Finalmente, como existe uma série de indicadores de oxidação-redução, com diferentes potenciais padrões, existe, também, condições de escolher indicadores apropriados para cada titulação. As curvas de titulação das reações de oxi-redução (curvas de oxi-redução) têm formatos semelhantes aos das curvas de neutralização. Assim, as titulações oxi-redutimétricas se caracterizam por uma variação brusca do potencial, nas imediações do ponto de equivalência. Essa variação brusca do potencial pode ser assinalada com o auxílio de indicadores de oxidação-redução. A mudança de coloração se dá como conseqüência da oxidação ou redução do próprio indicador. O indicador tem que possuir suas formas oxidada e reduzida diferentemente coradas, e se constitui em um sistema de oxidação-redução com potencial padrão característico. A Tabela 1 (página 8) relaciona uma série de indicadores de oxidação-redução. Os mais importantes são a difenilamina e derivados, os derivados do trifenilmetano e certos íons complexos de ferro II, que possuem, todos, potenciais padrões elevados. 6. DETERMINAÇÃO DE CARBONO ORGÂNICO NO SOLO 6.1. Fundamentos do Método O carbono orgânico é determinado por volumetria de oxidação-redução, utilizando a ação oxidante do dicromato de potássio sobre a matéria orgânica do solo, em presença de ácido sulfúrico, durante reação à quente. Como a reação entre o carbono (agente redutor) e o dicromato de potássio (agente oxidante) não é instantânea, realiza-se a titulação indireta. Adiciona-se um excesso de dicromato de potássio sobre a quantidade de amostra do solo a ser analisada, em meio ácido sulfúrico concentrado. Aguarda-se um determinado tempo para que todo o carbono da amostra reaja com parte do dicromato de potássio adicionado, e titula-se o excesso de dicromato de potássio com solução padronizada de sulfato ferroso amoniacal. Ao final dessa titulação tem-se o volume de sulfato ferroso (Va) necessário para reagir com o dicromato de potássio excedente. Paralelamente, realiza-se a “prova em branco”, ou seja, utilizam-se todos os reagentes, excetuando-se a amostra. Ao término dessa titulação passa-se a conhecer o volume de sulfato ferroso (Vb) necessário para reagir com todo o dicromato de potássio (pois não havia carbono para reagir com . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 5 Assunto: Volumetria de Oxi-redução Prof. RUTH GRANHEN TAVARES ele). A prova em branco é necessária para evitar erros que poderiam ser provocados pelo consumo de dicromato pelos reagentes usados durante a análise. A reação entre o carbono e o dicromato é: 2 Cr2O 2 7 + 3 C + 16 H+ = 4 Cr3+ + 3 CO2 + 8 H2O ou, 2 K2Cr2O7 + 3 C + 8 H2SO4 = 2 K2SO4 + 2 Cr2(SO4)3 + 3 CO2 + 8 H2O A reação entre o dicromato excedente e o Fe(II) é: Cr2O 27 + 6 Fe2+ + 14 H+ = 2 Cr3+ + 6 Fe3+ + 7 H2O ou, K2Cr2O7 + 6 Fe(NH4)2(SO4)2 + 7 H2SO4 = K2SO4 + 6 (NH4)2SO4 + Cr2(SO4)3 + 3 Fe2(SO4)3 + 7 H2O O volume de sulfato ferroso correspondente à quantidade de carbono orgânico existente na amostra de solo é obtido, então, por diferença (Va – Vb). Quando o sulfato ferroso (agente redutor) reage com o dicromato de potássio (agente oxidante), o Fe2+ (do sulfato ferroso) é oxidado a Fe3+. Este último possui coloração amarela, o que pode prejudicar a visualização do fim da reação. Para evitar tal problema, antes de adicionar o indicador e iniciar a titulação (tanto na prova em branco, quanto com a amostra), adiciona-se ácido fosfórico, o qual forma um complexo incolor com o Fe3+. O ponto final da titulação é observado com o auxílio do indicador difenilamina. A forma oxidada desse indicador possui coloração violeta (ver Tabela 1). Somente após todo o dicromato ser reduzido a Cr3+ pelo sulfato ferroso, este último irá reagir com o indicador, provocando sua redução. A forma reduzida da difenilamina é incolor (ver Tabela 1) e o Cr3+ (produto da redução dos íons dicromato) possui coloração verde. Então, o fim da reação é identificado pela mudança da coloração violeta para verde forte. 6.2. Método de Determinação Determinação com a amostra: 1. Pesar 0,5 g de T.F.S.A. e transferir para erlenmeyer de 250 ml. 1 2. Adicionar 100 ml de solução de dicromato de potássio 1N e, rapidamente, 10 ml de ácido sulfúrico concentrado. 3. Após mais ou menos 30 minutos, adicionar 3 ml de ácido fosfórico P.A. e 50 ml de água destilada. 4. Adicionar 10 gotas do indicador difenilamina a 1% e agitar com o máximo de cuidado. 5. Titular, lentamente, com solução padronizada de sulfato ferroso 1 N, até obtenção de coloração verde forte. 6. Anotar o volume gasto do titulante (Va). “Prova em branco”: 1. Proceder da mesma forma descrita acima sem, entretanto, executar o item 1, ou seja, sem utilizar a amostra de solo. 2. Anotar o volume gasto do titulante (Vb). 6.3. Cálculos O teor de carbono orgânico é expresso em porcentagem, que é calculada com o auxílio da expressão V x N x f = m / meq-g, comum a qualquer volumetria (ver apostila sobre Introdução à Química Analítica), onde V, N e f correspondem ao sulfato ferroso e m e meq-g ao carbono. O Eq-g do carbono é obtido dividindo seu peso (12) por 4 (nº de elétrons envolvidos2). O teor de matéria orgânica é obtido multiplicando-se o teor de carbono por 1,72: % M.O. = % C x 1,72 1 Para amostras com teor muito alto de matéria orgânica, pesar uma quantidade menor de solo (P g). 2 O equivalente-grama de oxidantes e redutores é obtido dividindo-se o peso molecular pelo nº de elétrons recebidos ou doados durante a reação. . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 6 Assunto: Volumetria de Oxi-redução Prof. RUTH GRANHEN TAVARES Tabela 1. ALGUNS INDICADORES DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO Coloração Eº Indicadores Forma Forma (volts) oxidada reduzida em pH=0 1 . De baixo potencial padrão Safranina T Vermelha Incolor 0,24 Vermelho neutro Vermelha Incolor 0,24 Fenossafranina Vermelha Incolor 0,28 Indigotetrassulfonato Azul Incolor 0,36 Azul de metileno Azul Incolor 0,53 2,6 - dibromofenolindofenol Azul Incolor 0,67 2 . Difenilamina e derivados Difenilamina (e difenilbenzidina) Violeta Incolor 0,76 Ácido difenilaminossulfônico Violeta-avermelhada Incolor 0,85 Ácido N-fenilantranílico Vermelho-purpúrea Incolor 1,08 Ácido 2,3-difenilaminocarboxílico Azul-violeta Incolor 1,12 Ácido o,o’-difenilaminocarboxílico Azul-violeta Incolor 1,26 3 . Derivados do trifenilmetano Erioglaucina A Vermelha Amarelo-verde 1,00 Setoglaucina O Vermelho-fraca Amarelo-verde 1,06 4 . Íons complexos de Fe (II) 4,7-dimetilferroína Azul-fraca Vermelha 0,88 5,6-dimetilferroína Azul-fraca Vermelha 0,97 Sulfato de 2,2 dipridilaferro II Azul-fraca Vermelha 0,97 Metilferroína Azul-fraca Vermelha 1,02 Ferroína Azul-fraca Vermelha 1,14 Nitroferroína Azul-fraca Vermelha 1,25 . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 7 Assunto: Volumetria de Oxi-redução Prof. RUTH GRANHEN TAVARES 7. EXERCÍCIOS 01. Diferencie os seguintes termos: oxidação, redução, agente oxidante, agente redutor. 02. O que são reações de oxidação-redução? 03. Conceitue “Potencial de oxidação-redução”. Como esses potenciais podem ser determinados? Como interferem durante uma reação de oxidação-redução? 04. Que fatores determinam (e de que modo) a posição do equilíbrio de uma reação de oxidação- redução? 05. Conceitue volumetria de oxidação-redução. PARA RESPONDER AS QUESTÕES DE NÚMEROS 06 a 0 9, CONSIDERE OS DADOS CONTIDOS NO QUADRO ABAIXO: SUBSTÂNCIA POTENCIAL DE OXIDAÇÃO-REDUÇÃO A - 0,897 V B - 0,897 V C 0,897 V D - 0,154 V E 1,413 V F 0,154 V 06. Existe possibilidade de ocorrer uma reação de oxidação-redução entre as substâncias A e B? Por quê? 07. Ao se fazer reagir as substâncias A e C, qual atuaria como agente oxidante e qual seria o agente redutor? Por quê? 08. Ao se fazer reagir as substâncias E e C, qual atuaria como agente oxidante e qual seria o agente redutor? Por quê? 09. Para determinar o teor da substância F, o operador nº 1 escolheu a substância D como titulante e o operador nº 2 a substância A. Qual dos operadores realizou a melhor escolha? Por quê? De acordo com a sua opção a substância F atuaria como agente oxidante ou redutor? Por quê? 10. Como se classificam os métodos de volumetria de oxidação-redução? 11. O que significa pré-oxidação e pré-redução? 12. Por que não se deve realizar a permanganimetria nos meios neutro, levemente ou fortemente alcalino? 13. Por que só se deve realizar a permanganimetria em meio ácido? 14. Para acidificar o meio durante a permanganimetria, utiliza-se o ácido sulfúrico. Por que não é usado o ácido clorídrico? 15. Relacione os diversos métodos utilizados para se identificar visualmente o ponto final na volumetria de oxidação-redução. 16. O que são indicadores de oxidação-redução e, de uma maneira geral, como atuam?. 17. Para determinar o teor de carbono orgânico no solo procede-se, em linhas gerais, da seguinte maneira: 1ª etapa: pesa-se uma certa quantidade de T.F.S.A. e, sobre ela, adiciona-se um excesso de dicromato de potássio e solução de ácido sulfúrico concentrado. Após um certo tempo, adiciona-se ácido fosfórico e, em seguida, solução de difenilamina. Titula-se com solução padronizada de sulfato ferroso, até o aparecimento de coloração verde, e anota-se o volume gasto (Va). 2ª etapa: realiza-se a “prova em branco” e anota-se o volume gasto (Vb). . Disciplina: QUÍMICA / ISARH / UFRA 8 Assunto: Volumetria de Oxi-redução Prof. RUTH GRANHEN TAVARES a) por que o carbono (que é um agente redutor) não é titulado diretamente com o dicromato de potássio (que é um agente oxidante)? b) por que se utiliza um excesso de dicromato de potássio durante a análise? c) qual a função do ácido sulfúrico durante a análise? d) qual a função do ácido fosfórico durante a análise? e) qual a função da difenilamina durante a análise? f) como atua o sulfato ferroso durante a análise? g) considerando que a forma oxidada da difenilamina possui coloração violeta, e que a forma reduzida é incolor, explique o aparecimento da coloração verde no fimda reação. h) Explique o que é “prova em branco” e com que finalidade é realizada. 18. Considerando que o permanganato de potássio é um oxidante mais enérgico do que o dicromato de potássio, e que suas soluções são mais facilmente reduzidas pela matéria orgânica, do que as soluções de dicromato, por que – para determinação de carbono orgânico no solo – utiliza-se a dicromatometria? 19. Usando as informações contidas no item 6 (e seus subitens) deste texto, deduza as expressões abaixo, utilizadas para calcular a porcentagem de carbono no solo, considerando que o rendimento da reação é de 77%: a) para baixos teores ou teores médios de carbono: % C = 385,0 3,0xxf)VaVb( 4FeSO b) para altos teores de carbono: % C = 77,0Px 3,0xxf)VaVb( 4FeSO