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QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL – DCE 417 Docente: Giovana de Fátima Lima Martins Instituto de Química Curso de Farmácia Métodos Eletroanalíticos Métodos interfaciais Estáticos (i=0) Potenciometria (E) Titulação potenciométrica (vol) Dinâmicos (i>0) Potencial controlado Voltametria i = f(E) Titulações amperométricas (vol) Eletrogravimetria (m) Coulometria com E constante (Q = It) Corrente constante Titulações coulométricas (Q = It) Eletrogravimetria (m) Métodos não- interfaciais Condutometria (G=1/R) Titulações condutométricas (vol) MÉTODOS ELETROANALÍTICOS CONDUTOMETRIA MÉTODOS ELETROANALÍTICOS Definição da condutividade. A condutividade de uma solução eletrolítica é a expressão numérica quantitativa da sua capacidade de transportar a corrente elétrica. Ela é definida como sendo o inverso da resistência elétrica de 1 cm cúbico do líquido a uma temperatura de 25ºC. • Baseiam-se nos fenômenos que ocorrem no seio da da solução. A condutimetria (ou condutometria) mede a condutância de soluções iônicas. CONDUTÂNCIA • A condução da eletricidade através das soluções iônicas é devida à migração de íons positivos e negativos com aplicação de um campo eletrostático. • A condutância da solução iônica depende do número de íons presentes, bem como das cargas e das mobilidades dos íons. • A condutância elétrica de uma solução é a soma das condutâncias individuais da totalidade das espécies iônicas presentes. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS CONDUTOMETRIA MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria • Transporte de carga em materiais – Um material apresenta condutividade elétrica quando possuir partículas carregadas que podem se mover livremente através do material SÓLIDOS • Condutores – elétrons • Semicondutores – elétrons e lacunas • Isolantes – não há transporte (significativo) SOLUÇÕES CONDUTORAS Íons carregados negativamente e positivamente (Ex: Na+, Ca2+, NH4+, Cl-, SO4 2-, CH3COO -) CONDUTOMETRIA Condutividade vs Concentração - Todo íon conduz; - Para concentrações da ordem de 10-2, a condutividade aumenta linearmente com a concentração; - Para concentração maiores que 10-2 devido á interações entre as espécies o aumento não é linear. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutores Eletrônicos e Iônicos Eletrônicos: Obedecem a lei de Ohm (E = IR) E = Diferença de Potencial (volts) devido ao movimento de elétrons R = Resistência (ohms) do condutor à passagem de Corrente I = Corrente (amperes) Iônicos: Obedecem a lei de Ohm para pequenos valores de corrente E = Diferença de Potencial (volts) devido ao movimento de íons R = Resistência (ohms) do eletrólito à passagem de corrente I = Corrente(amperes) Condutância das soluções aquosas: • Sob a influência de um potencial elétrico aplicado, os íons em uma solução são quase instantaneamente acelerados em direção ao eletrodo polarizado com carga oposta a do íon. • A velocidade de migração dos íons se relaciona linearmente com a f.e.m aplicada, mas é limitada pela resistência imposta pelo fluído ao movimento das partículas. • As soluções de eletrólitos obedecem a 1ª lei de Ohm, isto é, E = Ri (ou V = Ri). MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria • RESISTÊNCIA E CONDUTÂNCIA EM SOLUÇÕES ELETROLÍTICAS R = . d/A • R = resistência (ohm) • = constante de proporcionalidade (ohm.cm) • d = distância entre as placas (cm) • A = área da seção reta dos eletrodos (cm2) L = 1/R • L = Condutância MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria • Combinando-se as expressões da resistência R e da condutância L, tem-se: L = A/ . D • O inverso da resistência específica, 1/, é denominado condutância específica K, expressa em Siemens (S.cm-1). L = K . A/d A condutância específica representa a condutância do centímetro cúbico de solução eletrolítica contida entre os dois eletrodos afastados entre si de 1 cm e área de 1 cm2. Neste caso, L = K, e a condutância específica é chamada simplesmente, de CONDUTÂNCIA MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância das soluções aquosas: A condutividade elétrica de uma substância ou solução é definida como a capacidade dessa em conduzir corrente elétrica. • A condutância específica (k) ou condutividade da solução de um eletrólito é função da concentração deste. • Para um eletrólito forte, k aumenta muito com o aumento da concentração. • Para um eletrólito fraco, k aumenta muito gradualmente com o aumento da concentração. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Influência da temperatura MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância das soluções aquosas: Eletrólito forte Eletrólito fraco Em concentrações muito baixas, mesmo um eletrólito fraco encontra- se praticamente todo dissociado. Assim, a pequena diferença entre a condutividade da solução do eletrólito forte e da solução do eletrólito fraco é devida às contribuições individuais de cada íon, cátion e ânion. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância das soluções aquosas: HAc HCl KCl C, mol/L Maior contribuição do H+ MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria 1. Eletrólitos fortes têm condutividade alta 2. aumenta com a C 3. Para CH3COOH (eletrólito fraco) condutividade não depende da C MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância das soluções aquosas: C A condutividade aumenta com a concentração, porém em altas concentrações do eletrólito a condutividade começa a decrescer devido às interações iônicas. Sem interações na solução Com interações na solução MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância das soluções aquosas: • O conceito de condutância equivalente () foi introduzido para criar um critério de comparação entre as condutâncias de diferentes eletrólitos: É a condutância associada com um faraday de carga. Ela é definida como a condutância de uma solução contendo um equivalente-grama do eletrólito colocada entre eletrodos planos distantes 1 cm um do outro e com área superficial exatamente suficiente para conter todo o volume da solução. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância das soluções aquosas: Para eletrólitos fortes, diminui linearmente com o aumento da c Para eletrólitos fracos, a diminuição de é muito mais acentuada com o aumento da c MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância das soluções aquosas: • As condutâncias equivalentes de um eletrólito tendem para um valor limite em soluções muito diluídas, o. • A condutância depende do número de íons e da velocidade destes íons. • Em soluções diluídas de eletrólitos fracos, a condutância aumenta, essencialmente, devido ao aumento do grau de ionização. • O aumento para os eletrólitos fortes é explicado pela maior liberdade dos íons. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância das soluções aquosas: Na condição de diluição infinita, qualquer eletrólito se encontra completamente dissociado e as forças de interação entre os íons deixam de existir, de modo que os íons atuam independentemente uns dos outros e cada um contribui com a sua parte para a condutância total. A condutância equivalente em diluição infinita de um eletrólito é a soma das contribuições de suas espécies iônicas. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância equivalente iônica em diluição infinita de algumas espécies iônicas a 25°C. Cátion l+ (S.cm2.eq-1) Ânion l- (S.cm2.eq-1) H+ 349,8 OH- 199,1 K+ 73,5 SO4 2- 80,0 NH4 + 73,5 Br- 78,1 Ba2+ 63,6 I- 76,8 Ag+ 61,9 Cl- 76,3 Ca2+ 59,5 NO3 - 71,5 Cu2+ 53,6 CO3 2- 69,3 Mg2+ 53,0 ClO4 - 67,3 Na+ 50,1 F-55,4 Li+ 38,6 Ac- 40,9 MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutância das soluções aquosas: • Na condição de diluição infinita: o = l°+ + l°- . • Em diluição infinita, a mobilidade atinge um valor máximo, a mobilidade absoluta u°. • Para os sais completamente ionizados, a condutância equivalente, em diluição infinita, é proporcional às mobilidades absolutas dos íons. o = F(u°+ + u°-); l°+ = F u°+ e l°- = F u°- Onde F é a constante de Faraday. Cátion Mobilidade m2/(s.V) Ânion Mobilidade m2/(s.V) H+ 36,3x10-8 OH- 20,5x10-8 K+ 7,62x10-8 I- 7,96x10-8 NH4 + 7,61x10-8 Cl- 7,91x10-8 Na+ 5,19x10-8 NO3 - 7,40x10-8 MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Células de condutância Condutivímetro Solução de calibração MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Sensor de temperatura Célula de condutância Condutivímetro Solução de calibração MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria • ANÁLISE BASEADA NA CONDUTÂNCIA ELETROLÍTICA DE SOLUÇÕES • DIRETA: determinação da concentração de uma solução eletrolítica através de uma única medida da condutância, que é limitada face ao caráter não-seletivo dessa propriedade. • MEDIDAS RELATIVAS: TITULAÇÃO CONDUTOMÉTRICA – Se fundamenta na medida da condutância do eletrólito de interesse, enquanto um de seus íons, pela titulação, é substituído por outro de condutividade diferente. CONDUTOMETRIA Uma série de medidas antes e depois do PE, assinala o ponto final da titulação como uma descontinuidade na variação da condutância. Condutimetria direta Generalidades: Correção do solvente: • A pureza do solvente (geralmente a água) é importante nos trabalhos sobre condutâncias de soluções. • Nas medidas, onde é requerida maior exatidão, é preciso levar em conta a contribuição da água na condutância observada. • Soluções em geral possuem condutividade > 1 mS cm-1, então, a condutância específica da água (< 1 mS cm-1) pode ser ignorada. • No caso de soluções com condutâncias específicas menores que 1 mS cm-1, a contribuição da água precisa ser descontada, desde que os eletrólitos da solução não reajam com as impurezas iônicas da água. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Calibração das células de condutância: • Executa-se a calibração do sistema de medição com soluções de KCl de concentrações adequadas à faixa de condutividade em que serão realizadas as medições. t (°C) Gramas de KCl em 1000g de solução (no vácuo) 71,1352 7,41913 0,745263 0 0,06517 0,007137 0,0007736 18 0,09783 0,011166 0,0012205 25 0,11134 0,012856 0,0014087 Condutância específica (S.cm-1) para soluções de KCl Condutimetria direta O sistema somente necessita ser calibrando quando se deseja relatar o valor absoluto da condutividade ou para posterior comparação. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Para que serve condutimetria direta? A medição da condutividade serve para: • Verificar a pureza de uma água destilada ou desionizada; • Verificar variações nas concentrações das águas minerais; • Determinar o teor em substâncias iônicas dissolvidas, por exemplo a determinação da salinidade do mar em trabalhos oceanográficos; • Determinar a concentração de eletrólitos de soluções simples. Uma aplicação interessante é a determinação de nitrogênio em matéria orgânica. O nitrogênio é convertido em amônia, que é, então, absorvida em uma solução de ácido bórico para a medida de condutância. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Aplicações da Condutimetria direta: Controle da pureza: Em água destilada e desionizada, condensados, substâncias orgânicas. Água pura (0,055 S.cm-1); Água destilada (0,5 S.cm-1); Água mineral (30 a 700 S.cm-1); Água potável (500 S.cm-1); Água doméstica (500 - 800 S.cm-1); Água do mar (56.000 S.cm-1); MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Determinação dos eletrólitos residuais: Em água potável, água desmineralizada, água para alimentação de caldeiras, efluentes. 1,4 S.cm-1 – 1 mg/L de sais dissolvidos Limite de potabilidade da OMS (máximo de 500 mg/L de sais dissolvidos); Aplicações da Condutimetria direta: Controle de qualidade de água p/ a Indústria Farmacêutica – USP e WFI (water for injection) MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Processamento químico: Detecção do fim de lavagem de precipitados, determinação da solubilidade de sais pouco solúveis. Concentração de sais: Em banhos de salmoura, salinas, solos, águas de irrigação, fertilizantes, fibras e têxteis, banhos de anodização, galvanização e eletrodeposição, soluções fisiológicas (diálise), alimentos e sucos de frutas. Aplicações da Condutimetria direta: MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Para que serve a titulação condutimétrica? • Titulações ácido-base; • Titulações de precipitação; • Titulações de complexação; • Titulações de oxirredução. • Não serve devido ao alto teor iônico invariante, quer seja dos reagentes, quanto do meio fortemente ácido ou básico onde se processa a reação. Obs: Na titulação condutimétrica, a falta de especificidade dos métodos condutimétricos não apresenta problema, pois não é necessário o conhecimento exato da condutância a cada ponto, mas que a variação da mesma dependa apenas da reação principal. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria • Requer uma célula que possibilite facilmente a adição de incrementos da solução tiulante e a medida da condutividade; • Não requer o conhecimento da constante de célula, tampouco a calibração do sistema. Os eletrodos precisam manter sua distância e área constantes durante a titulação; • As lâminas dos eletrodos necessitam ficar na vertical para evitar deposição de material sólido sobre os mesmos. A distância entre elas deve ser menor quanto menor for a condutividade. Titulação Condutimétrica MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria • As diferenças de condutâncias iônicas das espécies envolvidas na reação são responsáveis pelo formato da curva de titulação. • O primeiro ramo da curva de titulação corresponde ao consumo das espécies iônicas do titulado e a introdução de novas espécies iônicas do titulante (ramo da reação). • A variação da condutância da solução será tão mais pronunciada quanto maior for a diferença das condutâncias iônicas individuais. • O esboço da curva de titulação é feito com base nos valores de condutância iônica em diluição infinita de cada espécie iônica envolvida na reação entre titulante e titulado. Titulação Condutimétrica MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria O valor absoluto da condutividade não tem importância alguma. A variação da condutividade devido à reação entre o titulante e o titulado deve provocar uma alteração significativa na inclinação ou uma descontinuidade da curva para que o ponto final possa ser detectado. A+ + B- + C+ + D- AD + B- + C+ VPE VPE VPE VPE titulado titulante 00 CA ll 00 CA ll 00 CA ll 00 CA ll 0Dl 0 Dl 0Dl 0Dl + D-excesso Até o PE Após o PE MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Titulação Condutimétrica • Titulação de ácido forte com base forte: HX x MOH • Espécies envolvidas: H3O +, OH-, M+, X- Reação: H3O+ + OH- ⇌ H2O Cátion l+ (S.cm2.eq-1) Ânion l- (S.cm2.eq-1) H+ 349,8 OH- 199,1 K+ 73,5 SO4 2- 80,0 NH4 + 73,5 Br- 78,1 Ag+ 61,9 I- 76,8 Ca2+ 59,5 Cl- 76,3 Cu2+ 53,6 NO3 - 71,5 Mg2+ 53,0 CO3 2- 69,3 Na+ 50,1 F- 55,4 Li+ 38,6 Ac- 40,9 Volume de base k VPE Os pontos ao redor do PE não devem ser utilizados para o traçado das retas MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Titulação Condutimétrica • Titulação de ácido fraco com base forte: HA x MOH • Espécies envolvidas: H3O +, OH-, M+, A- Reação: H3O + + OH- ⇌ H2O Equilíbrio:HA + H2O ⇌ H3O + + A- Cátion l+ (S.cm2.eq-1) Ânion l- (S.cm2.eq-1) H+ 349,8 OH- 199,1 K+ 73,5 SO4 2- 80,0 NH4 + 73,5 Br- 78,1 Ag+ 61,9 I- 76,8 Ca2+ 59,5 Cl- 76,3 Cu2+ 53,6 NO3 - 71,5 Mg2+ 53,0 CO3 2- 69,3 Na+ 50,1 F- 55,4 Li+ 38,6 Ac- 40,9 Volume de base k VPE Formação do tampão MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Titulação Condutimétrica • Titulação de ácido fraco com base fraca: HA x B • Espécies envolvidas: H3O +, OH-, BH+, A- Reação: H3O + + OH- ⇌ H2O Equilíbrio: HA + H2O ⇌ H3O + + A- B + H2O ⇌ BH + + OH- Cátion l+ (S.cm2.eq-1) Ânion l- (S.cm2.eq-1) H+ 349,8 OH- 199,1 K+ 73,5 SO4 2- 80,0 NH4 + 73,5 Br- 78,1 Ag+ 61,9 I- 76,8 Ca2+ 59,5 Cl- 76,3 Cu2+ 53,6 NO3 - 71,5 Mg2+ 53,0 CO3 2- 69,3 Na+ 50,1 F- 55,4 Li+ 38,6 Ac- 40,9 Volume de base k VPE Formação do tampão MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Titulação Condutimétrica • Titulação de AgNO3 x NaCl • Espécies envolvidas: Ag+, NO3 -, Na+, Cl- Cátion l+ (S.cm2.eq-1) Ânion l- (S.cm2.eq-1) H+ 349,8 OH- 199,1 K+ 73,5 SO4 2- 80,0 NH4 + 73,5 Br- 78,1 Ag+ 61,9 I- 76,8 Ca2+ 59,5 Cl- 76,3 Cu2+ 53,6 NO3 - 71,5 Mg2+ 53,0 CO3 2- 69,3 Na+ 50,1 F- 55,4 Li+ 38,6 Ac- 40,9 Volume de NaCl k VPE Reação: Ag+ + Cl- ⇌ AgCl MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Titulação Condutimétrica Variação da condutância de cada uma das espécies iônicas durante o curso da titulação de HCl com NaOH. k Volume NaOH H3O+ OH- 0 VPE Na+ Cl- MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Titulação Condutimétrica A condutância específica é diretamente proporcional à concentração de eletrólitos. • A condutância sofre, então, alteração pelo aumento do volume da solução? • O que se pode fazer quando a diluição afeta significativamente a condutância? Usar um titulante de 20 a 100 vezes mais concentrado que o titulado; Usar um grande volume inicial; Proceder com a correção da condutividade em função do fator de diluição. i iad c V VV kk + S I M ! MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Titulação Condutimétrica Vantagens (em comparação à titulação clássica) • Pode ser utilizada para soluções turvas, opacas ou coloridas; • Titulação de ácido fraco com base fraca (melhor que na potenciometria); • Ponto final muito próximo ao ponto de equivalência (maior exatidão na determinação do PE); • Aproveita certas reações para as quais a técnica convencional é impraticável por falta de indicadores; • Permite automação e até miniaturização; • Aplicável para soluções muito diluídas; • Não requer calibração da célula condutimétrica (em relação à condutimetria direta). MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Titulação Condutimétrica Desvantagens (em comparação à titulação clássica) • Requer um tempo maior na análise (questionável); • Requer equipamento especial (condutivímetro e células) e, consequentemente, energia elétrica; • Maior custo da análise (questionável); • Não dá bons resultados se a matriz apresentar uma alta condutividade de fundo invariante. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Titulação Condutimétrica Ex 1: Foram preparados vários balões de 50,00 mL com concentrações crescentes a partir de uma solução padrão de NaCl 10% (m/V), conforme tabela abaixo. Volume NaCl, mL k, mS cm-1 2,50 100 3,75 155 6,25 245 7,50 300 10,00 405 a) Construa a curva analítica e determine a [NaCl] para uma amostra que forneceu uma leitura de 215 mS cm-1. b) Determine a sensibilidade do método. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutometria A partir dos dados de volume da solução padrão de NaCl, obtém-se os valores de concentração correspondentes, com os quais constrói-se o gráfico k vs [NaCl]. [NaCl], % k, mS cm-1 0,500 100 0,750 155 1,25 245 1,50 300 2,00 405 a) 215 = 201,05C - 0,2632 C = 1,07 % b) Sensibilidade = 201,05 mS cm-1 %-1 y = 201,05x - 0,2632 R 2 = 0,9988 0 100 200 300 400 500 0 0,5 1 1,5 2 2,5 [NaCl], % k , m S c m -1 MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria Condutometria Ex 2: Uma alíquota de 2,00 mL de uma amostra de soro fisiológico foi transferida para um béquer e foram adicionados 150,0 mL de água. Procedeu-se com a titulação com AgNO3 0,050 mol/L, obtendo-se os dados a seguir: Volume AgNO3, mL k, mS cm-1 0,00 55 1,00 54 2,00 53 3,00 52 4,00 51 5,00 57 6,00 63 7,00 69 8,00 75 9,00 81 a) Determine a concentração de NaCl na amostra de soro em % m/v. b) Se houvesse no soro fisiológico Br- além de Cl-, a titulação poderia ser realizada mesmo assim? O que aconteceria com o formato da curva? O volume do ponto final aumentaria ou diminuiria?. Justifique. Dados: Kps AgCl = 1,8 x 10 -10 Kps AgBr = 5,0 x 10 -13 MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0 2 4 6 8 10 k , m S c m -1 Volume de AgNO3, mL Volume AgNO3, mL k, mS cm-1 kcorr, mS cm-1 0,00 55 55 1,00 54 54,4 2,00 53 53,7 3,00 52 53,0 4,00 51 52,3 5,00 57 58,9 6,00 63 65,5 7,00 69 72,2 8,00 75 78,9 9,00 81 85,8 VPF = 4,00mL b) A presença de Br- no soro fisiológico não impediria a realização da titulação, porém haveria um consumo maior de AgNO3, levando a um resultado incorreto. Haveria inicialmente a precipitação de AgBr até consumir todo Br- e posteriormente precipitaria AgCl. A curva teria praticamente o mesmo formato, pois a condutância iônica em diluição infinita do Br- é quase igual à do Cl-. a) CNaCl= 4,00x0,050/2 = = 0,1 mol/L = 0,58 % MÉTODOS ELETROANALÍTICOS - Condutometria
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