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15/05/2014 1 CONDUTOMETRIA Técnicas Não-Interfaciais Técnicas Eletroanalíticas Compreendem um conjunto de métodos analíticos cujas informações quantitativas sobre o analito são obtidas com base em propriedades elétricas. Métodos Eletroanalíticos Técnicas Interfaciais Condutometria (G = 1/R) Titulações Condutométricas Potenciometria Voltametria Eletrogravimetria Coulometria Titulações Potenciométricas Métodos Estáticos (I = 0) Métodos Dinâmicos (I > 0) Condutometria ou Análise Condutométrica - baseia-se em medições de condutância das soluções iônicas; - condutância resulta da contribuição individual de cada íon presente na solução. DIRETA - quando a concentração do eletrólito é determinada através de uma única medição de condutância da solução. RELATIVA (Titulação Condutométrica) - quando se procedem medições da variação de condutância no decorrer de uma titulação e, através delas, estabelece-se o ponto final da titulação. Condutores AS SUBSTÂNCIAS OU MATERIAIS QUE CONDUZEM A CORRENTE ELÉTRICA PODEM SER CLASSIFICADOS EM DOIS GRANDES GRUPOS: 1) CONDUTORES DE PRIMEIRA CLASSE ou ELETRÔNICOS - metais, ligas metálicas, óxidos metálicos e o grafite, nos quais a condução é feita às custas de elétrons, sem que haja alterações das propriedades químicas do condutor ou transporte de matéria 2) CONDUTORES DE SEGUNDA CLASSE ou ELETROLÍTICOS - soluções iônicas, nas quais a condução de eletricidade se faz às custas do movimento de íons ocorrendo, simultaneamente, transporte de matéria e reações eletroquímicas ao nível dos eletrodos 15/05/2014 2 Definição de Condutância e Condutividade V I R 1ª Lei de Ohm resistência S Considerando-se uma coluna de solução de um eletrólito, com L (cm) de comprimento e secção reta de S (cm2), delimitada por dois eletrodos planos de platina, a corrente, I, que pode fluir através da solução depende da tensão aplicada, V, e da resistência, R, da coluna de solução entre os eletrodos e é dada pela lei de ohm: L Definição de Condutância e Condutividade que indica que, a resistência que um condutor oferecerá à passagem da corrente elétrica é proporcional ao seu comprimento, L, mas inversamente proporcional à área S de sua secção reta, sendo , a constante de proporcionalidade. A relação só é válida quando o condutor tem natureza homogênea e secção constante. ENTRE A RESISTÊNCIA DO CONDUTOR E SUAS DIMENSÕES, EXISTE A SEGUINTE RELAÇÃO: S L R 2ª Lei de Ohm resistividade L S A condutância é o inverso da resistência. No caso das soluções eletrolíticas, a condutância é representada pelo inverso da resistência, 1/R, e expressa em ohms recíprocos (ohm-1 ou -1) – Siemens (S). L S L S R 11 Definição de Condutância e Condutividade 15/05/2014 3 Condutância específica ou condutividade - O inverso da resistividade chama-se condutância específica ou condutividade. No caso dos eletrólitos, a condutividade é representada pela letra grega e expressa em ohm-1 cm-1. A condutância específica de um eletrólito é função da concentração. CONCENTRAÇÃO No caso de solução ideal, é função linear da raiz quadrada da concentração; essa linearidade só é atingida no caso de soluções diluídas de eletrólitos fortes. No caso de eletrólitos fracos, ocorrem interações que impedem que exista essa linearidade. 1 A condutância equivalente, (lambda), de um eletrólito é a condutância de uma solução imaginária que contém um equivalente desse eletrólito por cm3. Para Sais: Por equivalente de um eletrólito entende-se um número de íons com cargas positivas total igual a +eN e um número de íons com carga negativa total igual a –eN, onde e é a carga do elétron e N é o número de Avogadro. Exemplo: um equivalente-grama de KCl é a massa desse eletrólito que, ao se dissolver, origina o número de Avogadro de íons K+ e de íons Cl- Exemplo: um equivalente-grama de MgSO4 é a massa desse eletrólito que, ao se dissolver, origina a metade do número de Avogadro de íons Mg2+ e de íons SO4 2- Condutância equivalente - Normalidade - A normalidade de uma solução é um enunciado do número de moles das “unidades equivalentes” por litro. - As unidades de normalidade são equivalentes por litro (equiv./L). - Para reagentes redox, um equivalente é a quantidade de substância que pode doar ou receber um mol de elétrons - Equivalente-grama = A massa de substância contendo um equivalente. nMN Normalidade Número de mols de elétrons Molaridade / Concentração em mol L-1 Normalidade nMN Normalidade Número de mols de e- Molaridade / Concentração em mol L-1 Conc. Molar / mol L-1 Conc. Normal / eq L-1 HCl 0,1 M HCl 0,1 N H2SO4 0,05 M H2SO4 0,1 N MgCl2 0,1 M MgCl2 0,2 N H3PO4 0,1 M H3PO4 0,3 N MgSO4 0,1 M MgSO4 0,2 N Al2(SO4)3 0,01 M Al2(SO4)3 0,06 N 15/05/2014 4 Condutância equivalente - A condutância equivalente pode ser definida como a condutância que será medida em uma célula cujos eletrodos distam de 1 cm entre si e possuem uma área tal que, entre eles, exista um volume de solução que contém um equivalente grama do eletrólito. Se a solução fosse 1 N (Equi./L), a superfície dos eletrodos deveria ter superfície igual a 1000 cm2. Como a distância que separa esses eletrodos é de 1 cm, sua área deverá ser igual a 1000/Normalidade. eNormalidad S 1000 A condutância equivalente, (lambda), de um eletrólito é a condutância de uma solução imaginária que contém um equivalente desse eletrólito por cm3. Condutância equivalente - Como : e Segue-se que: em cm2 ohms-1 equivalente-1 a unidade de volume que está sendo utilizada é 1000 cm3 (1 dm3); na prática, porém utiliza-se o litro, pois a diferença entre o dm3 e o litro pode ser negligenciada; L = 1 cm A condutância equivalente mede a capacidade de transporte da corrente elétrica de um equivalente grama de soluto eNormalidad S 1000 L S R 1 S L R eNormalidad 1000 Condutância equivalente - O valor limite da condutância equivalente, quando a concentração tende a zero, chama-se condutância equivalente a diluição infinita (ou concentração zero), 0 ou . No caso de eletrólitos fortes, 0 é obtido fazendo-se um gráfico de valores de em função da raiz quadrada da normalidade e, extrapolando-se a condutância para concentração igual a zero. 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 N 0,001 0,005 0,01 0,02 0,05 N 500 400 300 200 100 0 HCl H2SO4 KCl LaCl3 NaAc HAc co nd ut iv id a d e e qu iv a le nt e , a 2 5 C ck 0 lei de Kohlrausch Eletrólitos Fracos No caso de eletrólitos fracos, 0 é determinado a partir da lei de Kohlrausch da migração independente, segundo a qual, em diluição infinita, os íons tem comportamento independente, logo: 0 = 0 cátion + 0 ânion onde 0 cátion e 0 ânion são as condutâncias equivalentes a diluição infinita dos íons, calculadas a partir de suas mobilidades iônicas a diluição infinita. 15/05/2014 5 Lei de Arrhenius Através da teoria de Arrhenius da ionização incompleta, o grau de ionização pode ser calculado a partir da expressão: - A relação ao lado é válida para o estudo das titulações condutométricas. - Dessa forma, pode-se considerar a condutância equivalente () dos íons como independente da concentração,o que permite prever o andamento das titulações condutométricas. 0 0 ânionocátiono __0 ânionocátiono __ Eletrólitos Fracos 1 .2 c K Se considerarmos um eletrólito fraco de concentração c e grau de dissociação α, a constante de dissociação estequiométrica será )( . 1 . 22 cc K e definindo o grau de dissociação por α = / 0, onde é a condutividade para uma concentração, e 0 é o valor da condutividade equivalente a diluição infinita, obtém- se Expressão da lei de diluição de Ostwald 2).( .11 K c 1 1 c Condutâncias Equivalentes iônicas a diluição infinita a 25 C (cm2 -1 Eq-1) CÁTION 0 + ÂNION 0 - H + 349,8 OH- 198,0 Li+ 38,7 F- 55,0 Na+ 50,1 Cl- 76,3 K+ 73,5 Br- 78,4 NH4 + 73,4 I- 76,8 Ag+ 61,9 NO3 - 71,4 ½ Mg2+ 53,1 IO3 - 55,0 ½ Ca2+ 59,5 ClO4 - 68,0 ½ Sr2+ 59,4 HCO3 - 44,5 ½ Ba2+ 64,0 HCOO- 55,0 ½ Fe2+ 54,0 CH3COO - 40,9 ½ Co2+ 55,0 C6H5COO - 32,4 ½ Cu2+ 54,0 ½ CO3 2- 70,0 ½ Zn2+ 53,0 ½ SO4 2- 79,8 ½ Hg2+ 53,0 ½ C2O4 2- 70,0 ½ Pb2+ 73,0 ½ CrO4 2- 82,0 1/3 Fe3+ 68,0 1/3 PO4 3- 80,0 1/3 La3+ 69,6 1/3 Fe(CN)6 3- 101,0 1/3 Ce3+ 70,0 ¼ Fe(CN)6 4- 110,0 Medidas Condutômetricas Diretas A constante geométrica da célula de condutividade precisa ser determinada: Para cada célula, por construção, a relação S/L é constante: constante da célula (cm-1) L S R 1 S L R R 15/05/2014 6 Determinar o valor da constante da célula - onde R é a resistência da solução com normalidade N, do eletrólito com condutância equivalente , medida na célula cuja constante se pretende determinar. eNormalidad 1000 1000 eRNormalidad R Alternativamente, pode-se trabalhar com uma célula calibrada, assim, a constante da célula não precisa ser estabelecida diretamente. Para tanto, empregam-se soluções padrão, cujas condutâncias específicas, , a 25 C, sejam exatamente conhecidas, como é o caso das seguintes soluções de cloreto de potássio: g KCl / kg de solução , -1 cm-1 71,1352 0,11134 7,41913 0,01256 0,74526 0,0014088 Calibração da Célula Medidas Condutométricas Diretas - As medidas diretas de condutância são importantes na prática, pois, através delas, pode-se determinar baixas concentrações (menores que 10-3 N). - A partir dos valores de concentração assim determinados pode-se também calcular constantes de dissociação, de instabilidade e de solubilidade. R eNormalidad 1000 Medição da Condutância Eletrolítica EVITAR CORRENTE CONTÍNUA – EVITAR ELETRÓLISE Por essa razão , nessas medições emprega-se corrente alternada, com tensões de 6 a 10 V e freqüências que podem variar de 60 a 10000 Hz. Com freqüências dessa ordem, a corrente alternada é conduzida unicamente pelo movimento dos íons, que a cada meio ciclo se inverte, pois ora os íons positivos, ora os íons negativos são atraídos pela superfície dos eletrodos. 15/05/2014 7 Medição da Condutância Eletrolítica Modelos de Células de Condutividade utilizado em medições que exijam grande exatidão utilizados em titulações condutométricas Controle da Temperatura É necessário frisar que o controle de temperatura a 0,1 C é indispensável, pois a variação da condutância com temperatura é da ordem de 1-2 % por grau centígrado. A resistência das soluções eletrolíticas diminui com o aumento da temperatura; como a condutância é o inverso da resistência, ela aumenta com o aumento da temperatura. Exemplo A concentração de uma solução diluída de acetato de sódio foi obtida através da medida de resistência em uma célula de condutância com eletrodos paralelos, com área de 1 cm2 e distanciados de 0,25 cm. A resistência medida foi de 274700 . Calcular a normalidade da solução a 25 C. NaOAc = Na+ + OAc- = 50,1 + 40,9 = 91,0 cm 2 -1 eq-1 eNormalidad 1000 S L R Nx xx x RS LR eNormalidad 51000,1 12747000,91 100025,0 15/05/2014 8 Titulações Condutométricas Na condutometria relativa ou titulações condutométricas, as medições de resistência não precisam ser exatas, bastando que suas variações no decorrer da titulação sejam medidas com precisão. Com os dados obtidos constrói-se um gráfico colocando-se as condutâncias em ordenadas e os correspondentes volumes de titulante adicionados em abscissas. Essa sucessão de pontos origina duas retas que devem então ser prolongadas; o ponto de encontro entre ambas corresponde ao ponto de equivalência e sua projeção ortogonal no eixo de abcissas fornece o volume no ponto de equivalência. Titulações Condutométricas O método condutométrico de verificação do ponto final de titulações é aplicável sempre que haja uma variação significativa da condutância da solução no decorrer da titulação. Pode, portanto ser empregado, com excelentes resultados, em titulações que se baseiam em reações de neutralização, complexação ou precipitação. Não pode ser aplicado em casos onde o conteúdo iônico total é muito grande. É o que acontece com as reações de oxi-redução que ocorrem em meio fortemente ácido; a concentração iônica inicial é muito grande e a variação de condutância no decorrer da titulação é insignificante se comparada à condutância total que a ponte deverá medir. Titulações Condutométricas Nas titulações condutométricas, além do controle da temperatura, que pode ser obtido simplesmente colocando-se o becker com a solução e a célula de condutância em um recipiente maior contendo água, deve-se usar uma solução titulante 10 vezes mais concentrada que a solução a ser titulada, a fim de diminuir a variação do volume no decorrer da titulação. O efeito da diluição só pode ser ignorado nas titulações condutométricas, se a solução titulante for cem vezes mais concentrada que a titulada. Para se corrigir as sucessivas resistências que são medidas no decorrer da titulação, elas devem ser multiplicadas pelo fator de correção V/(V+v), sendo V o volume inicial e v o volume total de solução titulante adicionado até a leitura considerada. Titulações Condutométricas 15/05/2014 9 Correções do Volume Portanto, resistências e condutâncias corrigidas devem ser calculadas através das expressões: medidacorrigida R vV V R V vV R R vV VR medida medida corrigida 111 DADOS DE UMA TITULAÇÃO CONDUTOMÉTRICA DE 100 mL 0,01 N HCl COM NaOH 0,100 N. Dados devem ser tabelados da seguinte maneira: VOLUME CONDUTÂNCIA FATOR DE CONDUTÂNCIA NaOH, mL MEDIDA, ohm-1 CORREÇÃO CORRIGIDA, (V+v)/V ohm-1 x 104 0 90,0 1,00 90,0 2 76,9 1,02 78,4 4 65,3 1,04 67,9 6 52,6 1,06 55,7 8 38,4 1,08 41,5 10 26,6 1,10 28,9 12 31,7 1,12 35,5 14 40,0 1,14 45,6 16 45,4 1,16 52,7 18 51,2 1,18 60,5 20 58,1 1,20 69,7 Condutância inicial da solução de HCl 0,01 N é elevada (baixa resistência), pois os íons H+ tem mobilidade muito grande, contribuindo com cerca de 82 % da condutância da solução. A contribuição dos íons Cl- (cerca de 18 %), mantém-se inalterada no decorrer de toda a titulação. No decorrerda titulação, em virtude das sucessivas adições de solução titulante de NaOH, os íons H+ vão sendo substituídos por íons Na+, de menor condutância equivalente (ou mobilidade) e, com isso, a condutância decresce linearmente, até o ponto de equivalência. 100 80 60 40 20 co nd ut â nc ia , oh m x 1 0 4 Titulações Condutométricas 4 8 12 16 20 VOLUME NaOH, mL Condutâncias Equivalentes iônicas a diluição infinita a 25 C (cm2 -1 Eq-1) CÁTION 0 + ÂNION 0 - H + 349,8 OH- 198,0 Li+ 38,7 F- 55,0 Na+ 50,1 Cl- 76,3 K+ 73,5 Br- 78,4 NH4 + 73,4 I- 76,8 Ag+ 61,9 NO3 - 71,4 ½ Mg2+ 53,1 IO3 - 55,0 ½ Ca2+ 59,5 ClO4 - 68,0 ½ Sr2+ 59,4 HCO3 - 44,5 ½ Ba2+ 64,0 HCOO- 55,0 ½ Fe2+ 54,0 CH3COO - 40,9 ½ Co2+ 55,0 C6H5COO - 32,4 ½ Cu2+ 54,0 ½ CO3 2- 70,0 ½ Zn2+ 53,0 ½ SO4 2- 79,8 ½ Hg2+ 53,0 ½ C2O4 2- 70,0 ½ Pb2+ 73,0 ½ CrO4 2- 82,0 1/3 Fe3+ 68,0 1/3 PO4 3- 80,0 1/3 La3+ 69,6 1/3 Fe(CN)6 3- 101,0 1/3 Ce3+ 70,0 ¼ Fe(CN)6 4- 110,0 15/05/2014 10 A partir do p.e., onde a resistência da solução é máxima, as sucessivas adições de excesso de NaOH provocam novo aumento de condutância. Note-se que o coeficiente angular da reta obtida após o p.e. é menor que o da primeira reta, devido à mobilidade do íon OH- ser menor que a dos íons H+. Portanto, o primeiro ramo da curva até o ponto anguloso, corresponde ao decréscimo da concentração do íon H+ até zero e, o segundo ramo, corresponde ao aumento da concentração de íons OH- . Titulações Condutométricas 4 8 12 16 20 VOLUME NaOH, mL 100 80 60 40 20 co nd ut â nc ia , oh m x 1 0 4 As reações de neutralização apresentam condições muito favoráveis pois as mobilidades dos íons H+ e OH- são muito maiores que as dos demais íons Evidentemente, o caso mais favorável de titulação de neutralização é o que envolve a titulação de um ácido forte e uma base forte (curva discutida anteriormente). Titulações Condutométricas (Neutralização) Em uma titulação de um ácido forte HA com uma base forte MOH, o resultado final da reação: H+ + A- + M+ + OH- H2O + M + + A- - a substituição dos íons H+ por íons M+. Como os íons H+ tem mobilidade maior que os íons M+, a condutância diminui. ÁCIDO FORTE com BASE FORTE Nas titulações de um ácido forte e uma base forte, o ângulo formado pelas retas de reação e do reagente, é tanto mais agudo quanto mais concentradas forem as soluções. Por via condutométrica, pode-se titular bases fortes com ácidos fortes, e vice-versa, até concentrações da ordem de 10-5 N. 0,1 N 0,01 N 0,001 N 0,0001 N VOLUME NaOH, mL co nd ut â nc ia , oh m - 1 Titulações Condutométricas (Neutralização) Titulações de Ácidos Fracos com Base Forte co n d u tâ n ci a, o h m -1 co n d u tâ n ci a, o h m -1 VOLUME TITULANTE, mL VOLUME TITULANTE, mL Vp.e. Vp.e. HA 0,1 N Ka = 10 -5 Ka >> Ka = 10 -5 Ka = 10 -7 Ka = 10 -10 0,1 N 0,001 N 0,0001 N A forma do primeiro ramo da curva depende da constante de dissociação e da concentração inicial do ácido (ou base) fraco. 15/05/2014 11 Titulações de Ácidos Fracos com Base Forte co n d u tâ n ci a, o h m -1 co n d u tâ n ci a, o h m -1 VOLUME TITULANTE, mL VOLUME TITULANTE, mL Vp.e. Vp.e. HA 0,1 N Ka = 10 -5 Ka >> Ka = 10 -5 Ka = 10 -7 Ka = 10 -10 0,1 N 0,001 N 0,0001 N Quando a constante de dissociação ou a concentração são grandes, logo após as primeiras adições de titulante, a condutância tende a diminuir, pois há substituição dos íons H+ ou OH- provenientes da dissociação do ácido (ou base) fraco por íons dotados de menor mobilidade. A medida que vai ocorrendo a formação do sal, a ionização do ácido (ou base) fraco vai sendo reprimida pelo efeito do íon comum, o que provoca um encurvamento da primeira reta de titulação. Titulações de Ácidos Fracos com Base Forte co n d u tâ n ci a, o h m -1 co n d u tâ n ci a, o h m -1 VOLUME TITULANTE, mL VOLUME TITULANTE, mL Vp.e. Vp.e. HA 0,1 N Ka = 10 -5 Ka >> Ka = 10 -5 Ka = 10 -7 Ka = 10 -10 0,1 N 0,001 N 0,0001 N Quando a constante de dissociação ou concentração são menores, esse decréscimo de condutância ocorre apenas na porção inicial da primeira reta, observando-se, a seguir, um aumento linear da condutância, devido à formação do sal totalmente dissociado. Finalmente quando o ácido (base) é muito fraco, a reta inicial é ascendente até o ponto de equivalência, subindo, a seguir, com inclinação mais acentuada. Titulações de Ácidos Fracos com Base Forte co n d u tâ n ci a, o h m -1 co n d u tâ n ci a, o h m -1 VOLUME TITULANTE, mL VOLUME TITULANTE, mL Vp.e. Vp.e. HA 0,1 N Ka = 10 -5 Ka >> Ka = 10 -5 Ka = 10 -7 Ka = 10 -10 Casos mais favoráveis são aqueles em que o ácido (ou base) são bastante fracos ou, se dotados de constantes muito elevadas, se apresentem muito diluídos. 0,1 N 0,001 N 0,0001 N Isso, sem dúvida constitui uma vantagem sobre a potenciometria. Assim, por exemplo, o ácido bórico (Ka = 10 -9) pode ser titulado muito bem via condutométrica, ao passo que via potenciométrica é praticamente impossível titulá-lo com precisão razoável. Outra vantagem da condutometria é permitir titulações de ácidos fracos e fortes com bases fracas, por exemplo, amônia. Vantagens da Condutometria 15/05/2014 12 TITULANTE: solução aquosa de AMÔNIA ÁCIDO ACÉTICO 0,01 N HCl 0,001 N VOLUME NH3, mL VOLUME NH3, mL Vp.e. Vp.e. co nd ut â nc ia , oh m - 1 co nd ut â nc ia , oh m - 1 Após o p.e., a condutância se mantém praticamente constante, porque o excesso de íons NH4 + formados na neutralização se opõe à dissociação do hidróxido de amônio (efeito do íon comum). tampão NH4 +/NH3 HOAc + NH3 H2O + NH4 + + OAc- HCl + NH3 H2O + NH4 + + Cl- tampão NH4 +/NH3 tampão HOAc/OAc- Curvas de Titulação NH4Cl 0,01 N com NaOH 0,1 N co nd ut â nc ia , oh m - 1 VOLUME NaOH, mL Vp.e. Pode-se titular diretamente sais contendo cátion ou ânion hidrolizável (titulações impossíveis de serem realizadas potenciometricamente, pois formam-se tampões e o salto de pH é muito pequeno). hidrólise do sal NH4 + + Cl- + Na+ + OH- H2O + NH3 + Cl - + Na+ 50,1 cm2 -1 eq-1 73,4 cm2 -1 eq-1 tampão NH4 +/NH3 Titulação de Deslocamento NaOAc 0,01 N com HCl 0,1 N co nd ut â nc ia , oh m - 1 VOLUME HCl, mL Vp.e. Na+ + OAc- + H+ + Cl- HOAc + Cl- + Na+ 76,3 cm2 -1 eq-1 40,9 cm2 -1 eq-1 tampão HOAc/OAc- Titulação de Deslocamento CONDIÇÃO NECESSÁRIA: a espécie formada na reação seja pouco solúvel ou pouco dissociável Titulação de Condutométricas (Precipitação e Complexação) AS REAÇÕES DE PRECIPITAÇÃO PODEM SER REPRESENTADAS COMO: M+ + A- + N+ + B- MB + N+ + A- solução titulada solução titulante - Há, portanto, substituição do cátion M+ pelo cátion N+. - O primeiro ramo da curva dependerá da diferença que existir entre as condutâncias equivalentes dos cátions, M+ e N+ . 15/05/2014 13 Dados: Condutâncias equivalentes à diluição infinita para as seguintes espécies: Espécie iônica 0 ½ Ba2+ 64,0 Na+ 50,1 Cl- 76,3 ½ SO4 2- 79,8 Desenhar a curva de titulação condutométrica de uma solução 0,1 M de sulfato de sódio com uma solução 0,1 M de cloreto de bário.
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