# Unidade 2 - Espectrofotometria UV-Visivel, Lei de Beer-Lambert e Fotometria de Emissao de Chama
Modulo de Formacao Tecnica e Fundamentacao Cientifica - Acervo Integrativia.
Introducao Geral a Unidade
O estudo de Espectrofotometria UV-Visivel, Lei de Beer-Lambert e Fotometria de Emissao de Chama na disciplina de Quimica Analitica e Instrumental Laboratorial estabelece as bases conceituais, metodologicas e praticas indispensaveis para a formacao e atuacao tecnica do profissional biomedico e de saude, integrando a fundamentacao cientifica aos protocolos laboratoriais, interpretacao analitica e conduta clinica integrada.
Capítulo 2: Unidade 2 — Mecanismos de Ação, Diagnóstico e Patologias
Módulo de síntese técnica e conduta clínica do acervo Integrativia.
O pH, no ponto de equivalência, é igual a 5,1. Logo, o vermelho de metila é um bom indicador para a titulação, já que ele muda de cor próximo a pH 5,0. 2. O indicador azul de bromotimol seria mais adequado, pois muda de pH ao longo de um intervalo próximo de pH=7 e as cores da forma básica e da forma ácida são bem diferentes. O vermelho de metila não é sensível à variação de pH quando pH > 6,0; enquanto a fenolftaleína não é sensível à variação de pH quando pH < 8,0, de modo que nenhum muda de cor em pH = 7,0. 3. Alternativa B. Primeiro ponto a se observar é antes da titulação se iniciar, pois, nesse ponto, há somente a solução ácida, a qual podemos verificar quando a curva se inicia em pHs baixos ou somente solução básica quando a curva se inicia com valor de pHs altos. Então, já é possível saber qual solução (ácida ou básica) pertencerá à coordenada x que indica o volume de titulante. Para sanar a dúvida, caso tenha ficado, entre as curvas indicadas por I e III, visto que ambas apresentam o mesmo formato, observe, mais uma vez, a indicação do valor de pH. Quando temos uma solução de ácido forte, como HCl, sabemos que o pH é menor quando comparado a uma solução de ácido fraco, como CH3COOH, o que faz com que a titulação indicada em I seja de um ácido forte com base forte e em III de um ácido fraco com base forte. 4. Primeiro, é preciso indicar a reação química entre o ácido e a base: CH COOH OH CH COO H O aq aq aq l
Agora, para determinar a concentração do ácido acético, seguiremos os passos: a) Calcular a quantidade de matéria de íons OH- no volume de 27,2 ml, que foi o volume necessário na titulação:
b) Calcular a quantidade de matéria do CH3COOH consumida na reação: nCH COOH mol de CH COOH já que a estequiometria 2 72 10
,
é 1 1 : c) Calcular a concentração do CH3COOH usando o volume da amostra de vinagre, 4,00 ml: CH COOH CH COOH M 2 72 10 4 0 10 0 68
UNIDADE 4
MINHAS METAS VOLUMETRIA DE PRECIPITAÇÃO Aprender os métodos de titulação volumétrica de precipitação. Relembrar os conhecimentos de equilíbrio de solubilidade. Aprender os equilíbrios de solubilidade. T E M A D E A P R E N D I Z A G E M 4
INICIE SUA JORNADA Você já deve ter lido os rótulos de águas minerais que são comercializadas e observado que eles contêm íons cloreto (Cl-). O cloreto de sódio, sal, comumente utilizado no preparo de alimentos, contém, também, esse íon. Você já deve ter notado que, nos laboratórios de análises clínicas, as amostras de sangue e urina dos pacientes são submetidas a testes químicos para verificar se o paciente está saudável ou não. Entre esses testes, está a determinação de alguns íons. Os íons Cl- participam do equilíbrio hídrico das células e, se presentes em menor ou maior quantidade do que o necessário no organismo, pode ocorrer a hipocloremia ou a hipercloremia, respectivamente, as quais podem ser diagnosticadas usando-se os conceitos da columetria de precipitação. A quantidade de íons Cl- na urina de um paciente pode ser determinada por um método específico, em que se faz a adição de nitrato de prata (AgNO3) em excesso à amostra de urina e, após, titula-se essa amostra com uma solução padrão de tiocianato de potássio, KSCN, usando o indicador alúmen férrico. Mas como a quantidade de íons Cl- pode ser determinada usando esses reagentes? Quais equilíbrios químicos estão envolvidos nessa análise volumétrica? UNICESUMAR
Topico 4 - VAMOS RECORDAR? Os íons Cl-, presentes na urina do paciente, podem ser determinados fazendo-os reagir com algum reagente que cause a sua separação do restante da amostra, por exemplo, formando um sólido. Para formar um sal insolúvel, pode-se adicionar uma solução contendo íons prata à amostra e, assim, será formado cloreto de prata (AgCl). O excesso de íons prata pode ser titulado com uma solução padrão, contendo íons tiocianato, e um indicador, contendo Fe3+; dessa maneira, forma-se um complexo de cor vermelha e, assim, consegue-se identificar a presença de íons Cl- na urina. A presença do complexo vermelho informa a presença de íons Cl-, e a ausência do complexo indica a ausência dos íons Cl- na amostra em estudo. Por meio dos equilíbrios químicos estabelecidos, abordados no Tema 1, e das concentrações conhecidas das soluções utilizadas, é possível realizar os cálculos estequiométricos e obter a quantidade de íons Cl- na amostra. Um adulto, em condições normais de saúde, excreta de 0,075 a 0,200 mol de íons Cl- na urina, em 24 horas. O método específico utilizado para encontrar a quantidade de íons Cl- em uma amostra de urina é chamado método de Volhard, que é efetuado da seguinte maneira: a urina desse paciente é coletada durante 24 horas, depois, é evaporada e diluída a 1000 mL em um balão volumétrico. Uma alíquota de 25 mL é transferida para um erlenmeyer e, a seguir, adicionam-se 50 mL de uma solução de AgNO3 0,120 mol/L. O excesso dessa prata é titulado com uma solução padrão de KSCN 0,100 mol/L. Considerando-se que, na titulação, gastaram-se 25,42 mL dessa solução de KSCN, qual a quantidade, em mol, de íons Cl- presente nessa amostra de urina? Voltaremos a discutir essa determinação ao final desse tema.
DESENVOLVA SEU POTENCIAL Os métodos de titulação são amplamente usados para quantificar um analito presente em uma amostra. As titulações volumétricas envolvem a medida de volume de uma solução de concentração conhecida e necessária para reagir, completamente, com o analito, por meio de uma reação química. A volumetria de precipitação trata das titulações que envolvem reações químicas de precipitação, ou seja, reações químicas em que há a formação de um composto sólido, o precipitado. Os precipitados são compostos iônicos de baixa solubilidade, alguns com solubilidade tão baixa que são considerados insolúveis. O brometo de prata, AgBr, é um composto iônico presente nas fotografias em preto e branco. Um filme preto e branco consiste em uma emulsão de AgBr, finamente pulverizado, que recobre uma película de polímero. O equilíbrio químico de solubilidade do AgBr em solução é: + - (s) (aq) (aq) AgBr Ag + Br O AgBr é utilizado nos filmes de fotografia por ser, praticamente, insolúvel, pois o valor de sua constante do produto de solubilidade (Kps) é 4,9 · 10-13, a 25 °C. Lembre-se que a expressão da Kps contém a concentração dos íons em solução, os quais são provenientes da dissolução do composto; no caso de AgBr, a expressão de sua Kps é: + - ps K = [Ag ] [Br ] Quanto menor o valor da Kps, menor é a solubilidade do composto, menos íons estão presentes em solução e maior quantidade está no estado sólido, o precipitado. Os compostos formados por prata, mercúrio e chumbo apresentam baixa solubilidade, o que pode ser notado pelos valores das constantes. Por exemplo, a 25 °C, o valor de Kps, para AgCl, é 1,82 · 10-10; para Hg2Cl2, é 1,43 · 10-18; e, para PbCl2, é 1,70 · 10-5. Para que um precipitado se forme, é necessária a adição de um agente precipitante na solução do analito. A velocidade lenta, na qual a maioria dos precipitados se forma, restringe o uso do número de agentes precipitantes, sendo AgNO3 o mais utilizado. UNICESUMAR
Topico 4 - Um agente precipitante ideal deve reagir, especificamente (ou, pelo menos, seletivamente), com o analito, e formar um produto que seja de solubilidade suficientemente baixa. Precipitados que possuem solubilidades muito baixas, geralmente, são coloidais. Dependendo do tamanho das partículas que formaram o precipitado, obtém-se uma suspensão coloidal ou uma suspensão cristalina. Partículas de 10-7 a 10-4 cm de diâmetro formam suspensões coloidais, e partículas da ordem de décimos de milímetros ou maiores constituem uma suspensão cristalina e formam precipitados mais puros que as partículas coloidais. O tamanho das partículas de um precipitado é determinado pelo processo predominante na sua formação, que pode ser a nucleação ou o crescimento das partículas. A formação se inicia com a nucleação, que consiste na junção de alguns íons para formar um sólido estável, posteriormente à nucleação inicial, há uma competição entre a nucleação adicional e o crescimento dos núcleos existentes. Se a nucleação predomina, o resultado é um precipitado contendo um grande número de pequenas partículas, e, se o crescimento predomina, um número menor de partículas de tamanho maior é obtido. O crescimento das partículas é o mecanismo de precipitação majoritário quando há supersaturação relativa baixa na solução, resultando em suspensões cristalinas. As variáveis experimentais que minimizam a supersaturação incluem a adição lenta do agente precipitante, sob agitação eficiente, e o uso de soluções diluídas. Na volumetria de precipitação, as reações devem seguir alguns requisitos: • completar-se em tempo relativamente curto; • ser quantitativa no ponto de equivalência; • ter estequiometria definida e sistema indicador que possibilite a sinalização do ponto final.
Os indicadores respondem a variações na concentração dos íons Ag+, e, por isso, a curva de titulação, para as reações de precipitação, é um gráfico de pAg versus volume do reagente de prata, geralmente, AgNO3. + pAg = - log[Ag ] A concentração de íons prata [Ag+] é resultado da quantidade de íons Ag+ livres em solução, a qual é proveniente da dissolução do precipitado (que, mesmo minimamente dissolvido, gera Ag+), ou da quantidade de Ag+, que é remanescente da reação com o analito. Para construir uma curva de titulação de precipitação, é preciso determinar [Ag+] em três diferentes pontos da titulação: pré-equivalência, ponto de equivalência e pós-equivalência. As titulações de precipitação são utilizadas, principalmente, para a determinação de halogênios, em que o titulante é um agente de precipitação, e o ponto final da titulação é caracterizado pela ausência de precipitação (não há mais formação do precipitado). Vamos considerar a determinação de Cl- em uma amostra, contendo NaCl, por meio da titulação com AgNO3, ou seja, Cl- é o analito de interesse, e Ag+, o titulante. A reação que ocorre entre o analito e o titulante é de dupla troca: 3(aq) (aq) (s) 3(aq) AgNO + NaCl AgCl + NaNO Há a formação do precipitado AgCl, em que Ag+ e Cl- reagem na proporção estequiométrica de 1:1. O valor de Kps, para o AgCl, é 1,82 · 10-10, o que significa que há pouquíssimos íons em solução, o sal está, quase que totalmente, no estado sólido, porém há íons em solução, e esses íons Ag+ livres resultam no valor de pAg, utilizado para construir a curva de titulação. O equilíbrio de dissolução do AgCl é: + − − ⋅ (s) (aq) (aq) ps AgCl
Ag + Cl K = 1,8 10
Considere que o volume utilizado de amostra foi de 50,0 mL, a concentração de NaCl na amostra é de 0,100 mol/L e a concentração de AgNO3 é de 0,100 mol/L. O valor da [Ag+] é diferente para cada estágio da titulação: pré-equivalência, ponto de equivalência e pós-equivalência. UNICESUMAR
Topico 4 - Pré-equivalência Na pré-equivalência, o ponto de equivalência, ainda, não foi atingido, há mais titulado que titulante, e os íons Ag+ livres são resultantes, apenas, da dissolução do composto AgCl. Assim, para se determinar [Ag+], primeiramente, determina-se [Cl-] e, depois, [Ag+], por meio da expressão de Kps. Após a adição de 10,0 mL de AgNO3, [Cl-] pode ser calculada a partir da seguinte expressão: [ ] −= mol de analito - mol de titulante Cl volume total [ , − − − ⋅ ⋅ (5,00 10 ) - (1,00 10 ) Cl ] = 0 0600 − − ⋅ [Cl ] = 6,67 10 mol/L Sabendo que Kps é igual a 1,82 · 10-10, a [Ag+] é determinada da seguinte maneira: + - ps K = [Ag ] [Cl ] − − ⋅ ⋅ + 1,82 10 = [Ag ] 6,67 10 [ − ⋅ Ag] = 2,73 10 mol/L E para obter pAg: + pAg = - log[Ag ] − ⋅ pAg = - log(2,73 10 ) pAg = 8,56
Ponto de equivalência No ponto de equivalência, as quantidades de analito e titulante são iguais. Todos os íons Ag+ adicionados reagem com os íons Cl-, e todos os íons Cl- são consumidos por Ag+, resultando em uma solução saturada, contendo o sal pouco solúvel, AgCl. A única fonte de Ag+ e Cl- é a dissolução de AgCl, e, como Cl- e Ag+ reagem em quantidades estequiometricamente equivalentes, [Ag+] = [Cl-]. Após a adição de 50,00 mL de AgNO3, determina-se [Ag+] pela Kps: + - ps K = [Ag ] [Cl ] + ps K = [Ag ] [ , + − ⋅ Ag ] = 1 82 10 + − ⋅ [Ag ] = 1,35 10 mol/L pAg = 4,87 Pós-equivalência No ponto de pós-equivalência, o ponto de equivalência já foi atingido, há mais titulante que analito, e os íons Ag+ livres são os remanescentes da reação com o analito. Após a adição de 50,10 mL de AgNO3, a [Ag+] pode ser calculada a partir da expressão: [ ] + = mol de titulante - mol de analito Ag volume total [ , − − + ⋅ ⋅ (5,01 10 ) - (5,00 10 ) Ag ] = 0 1001 [ + − ⋅ Ag ] = 9,99 10 mol/L [ + Ag ] = 4,00 mol/L pAg = 2,04 UNICESUMAR
Topico 4 - Com os cálculos de pAg, pode se construir a curva de titulação, que, para 50,00 mL de uma solução 0,100 mol/L de NaCl e 0,100 mol/L de AgNO3 como titulante, possui o perfil observado na Figura 1: Figura 1 – Curva de titulação de uma solução 0,100 mol/L de NaCl com uma solução 0,100 mol/L de AgNO3 Fonte: adaptada de Baccan et al. (2001). Descrição da Imagem: a figura apresenta um gráfico com eixos x e y, em que y é pAg (com as numerações: 0, 2, 4, 6, 8, 10 e 12); e x é volume de nitrato de prata (com os volumes em mL: 0, 10, 20, 30, 40, 50 e 60), para a titulação de 50,00 mL de uma solução 0,100 mol/L de NaCl com 0,100 mol/L de AgNO3. A pAg vai diminuindo conforme nitrato de prata é adicionado, havendo uma diminuição brusca em seu valor no volume de titulante próximo de 50 mL, e essa ação é representada por uma curva. Fim da descrição.
O perfil das curvas de titulação se modifica com a alteração das concentrações do analito e do agente precipitante. Quanto mais acentuado for o aumento ou a diminuição da função p na região ao redor do ponto de equivalência, melhor será a detecção do ponto final de uma titulação, e mais nítida e mais exata pode ser a visualização do ponto final. Concentrações maiores de analito e precipitante causam maior variação nos valores de pAg na região do ponto de equivalência, indicada pelas linhas tracejadas na Figura 2. Assim, ocorrem quebras mais intensas na curva no início e no fim da região do ponto final, isso quer dizer que o início e o fim dessa região são mais pronunciados, mais visíveis, permitindo, assim, determinar, com melhor exatidão, o ponto final em soluções mais concentradas, do que em soluções menos concentradas. A Tabela 1 descreve os valores de pAg para duas soluções, antes do ponto de equivalência, com 24,0 mL de AgNO3, no ponto de equivalência, com 25,0 mL de AgNO3 e após o ponto de equivalência, com 26,0 mL de AgNO3. PAG VOLUME DE AGNO3 50,0 ML DE NACL 0,0500 MOL/L COM AGNO3 0,100 MOL/L 50,0 ML DE NACL 0,005 MOL/L COM AGNO3 0,010 MOL/L 24,0 6,87 5,87 25,0 4,87 4,87 26,0 2,88 3,88 Tabela 1 – Variações no pAg na titulação de Cl- com AgNO3 / Fonte: adaptada de Skoog et al. (2014). As curvas de titulação, para as duas soluções da Tabela 1, estão apresentadas na Figura 2. Quando comparamos a solução de maior concentração (curva A) e a solução de menor concentração (curva B), observamos que a curva A apresenta variações mais acentuadas de pAg no ponto de equivalência, em que o volume de AgNO3 é de 25,0 mL, ou seja, um intervalo maior de pAg corresponde ao mesmo valor de volume, 25,00 mL, de AgNO3 na curva A, enquanto, na curva B, um intervalo menor de pAg corresponde ao volume de 25,00 mL. UNICESUMAR
Topico 4 - O intervalo de valores de pAg, na região do ponto final, é menor na curva B, o que faz com que a visualização do ponto final dessa titulação se torne mais complexa e com maiores chances de erro, pois, somente, valores bastante próximos da [Ag+] e equivalentes ao ponto de equivalência correspondem ao volume exato do ponto de equivalência, 25,0 mL. O fato de volumes próximos ao valor de 25,00 mL também pertencerem à região de potencial ponto final na curva B pode induzir ao erro. Figura 2 – Curva de titulação para (A) 50,0 mL de NaCl 0,0500 mol/L titulado com AgNO3 0,100 mol/L e (B) 50,0 mL de NaCl 0,005 mol/L titulado com AgNO3 0,010 mol/L / Fonte: Skoog et al. (2014, p. 408). Descrição da Imagem: a figura apresenta um gráfico com eixos x e y, em que y é pAg (com numerações: 0, 2, 4, 6, 8 e 10) e x é volume de nitrato de prata (com os volumes em mL: 0,00, 10,00, 20,00, 30,00 e 40,00). Nesse gráfico, são apresentadas duas curvas de titulação: a curva “A” é para a titulação de 50,0 mL de uma solução de NaCl 0,0500 mol/L com AgNO3 0,100 mol/L, e a curva “B” é para a titulação de 50,0 mL de NaCl 0,005 mol/L com AgNO3 0,010 mol/L. A curva “A” apresenta uma maior inflexão, e a região de ponto final em potencial é maior em “A”. Fim da descrição. O perfil das curvas de titulação se altera, também, com a alteração dos valores das constantes do produto de solubilidade do precipitado formado. Quanto menor é o valor de Kps do produto formado, mais completa é a reação entre o analito e o precipitante, pois mais sólido é formado, mais íons permanecem associados, formando o sólido, e poucos íons estão dissociados, o que é evidenciado pela variação no pAg na região do ponto final.
Quanto menor for o valor de Kps, maior será a variação de pAg no ponto de equivalência e, quanto maior for o valor de Kps, menor será a variação de pAg no ponto de equivalência. Tomaremos, como exemplos, cinco soluções de ânions (I-, Br-, Cl-, IO3e BrO3-) na mesma concentração e volume, sendo tituladas por uma solução de AgNO3 0,100 mol/L. Os equilíbrios de solubilidades e os valores das respectivas Kps são: Quanto maior for o valor de Kps, menor será a variação de pAg no ponto de equivalência + − − ⋅ (s) (aq) (aq) ps AgI
Ag + I K = 8,3 10
− − ⋅ (s) (aq) (aq) ps AgBr Ag + Br K = 5,2 10
− − ⋅ (s) (aq) (aq) ps AgCl
Ag + Cl K = 1,8 10
- − − ⋅ (s) (aq) (aq) ps AgIO
Ag + IO K = 3,0 10
- − − ⋅ (s) (aq) (aq) ps AgBrO
Ag + BrO K = 5,7 10
Analisando as curvas de titulação de precipitação na Figura 3, percebemos que o composto AgI possui a maior inflexão na curva, e AgBr e AgCl possuem inflexões menores, porém satisfatórias, com começo e fim bem estabelecidos, que permitem a determinação confiável do ponto final, enquanto, para AgIO3 e AgBrO3, é impossível determinar o ponto final com exatidão. O composto com menor Kps, AgI, apresenta a maior variação de pAg na região do ponto final, e o composto com maior Kps, AgBrO3 apresenta a menor variação de pAg na região do ponto final. A propósito, esse composto não apresenta inflexão, pois a inflexão da curva não é satisfatória com Kps>10-10, e, assim, o ponto final não é nítido. Para obter um ponto final satisfatório, o indicador utilizado deve sinalizar o ponto final na titulação de I- no intervalo de pAg entre 4,0 e 12,0; na titulação de Br-; no intervalo de pAg entre 4,0 até em torno de 8,0; e na titulação de Cl-, na faixa de pAg de 4,0 a 6,0. UNICESUMAR
Topico 4 - Figura 3 – Curvas de titulação de precipitação. Para cada curva, 50,0 mL de solução do ânion foi titulada com AgNO3 0,100 mol/L / Fonte: Skoog et al. (2014, p. 409). Descrição da Imagem: a figura apresenta um gráfico com eixos x e y, em que y é pAg (com numeração: 0.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0, 12.0, 14.0 e 16.0) e x é volume da solução AgNO3 0,100 mL (com os volumes em mL: 0.00, 10.00, 20.00 e 30.00). Esse gráfico apresenta cinco curvas de titulação de ânions titulados com solução de AgNO3 0,100 mol/L, sendo, de cima para baixo, a seguinte sequência apresentada: curva de titulação do ânion I-, Kps de AgI igual a 8,3 · 10-17; curva de titulação do ânion Br-, Kps de AgBr igual a 5,2 · 10-13; curva de titulação do ânion Cl-, Kps de AgCl igual a 1,8 · 10-10; curva de titulação do ânion IO3-, Kps de AgIO3 igual a 3,0 · 10-8; e curva de titulação do ânion BrO3-, Kps de AgNO3 igual a 5,7 · 10-5. Fim da descrição. Uma única amostra pode conter dois ou mais diferentes ânions que formam precipitados de solubilidades diferentes. Por meio das curvas de precipitação, é possível determinar a concentração de cada ânion em uma mistura. VOCÊ SABE RESPONDER? E como seria uma curva de titulação de precipitação para uma mistura de ânions?
Da mesma maneira que para uma amostra contendo somente um tipo de ânion; para construir a curva de titulação, é necessário calcular pAg nos diferentes estágios da titulação. Para uma mistura de dois ânions, haverá a formação de dois sais pouco solúveis, cada um com seu valor da Kps. Portanto, haverá dois pontos de equivalência, e os cálculos de pAg podem ser organizados da seguinte maneira: • Antes do primeiro ponto de equivalência. • No primeiro ponto de equivalência. • Após o primeiro ponto de equivalência. • No segundo ponto de equivalência. • Após o segundo ponto de equivalência. Considere a titulação de 50,0 mL de uma solução com 0,050 mol/L de iodeto e 0,080 mol/L de cloreto que será titulada com AgNO3 0,100 mol/L. Para AgI, o valor de Kps é 8,30 · 10-17 e, para AgCl, Kps é 1,82 · 10-10, portanto, I- é menos solúvel e precipitará como AgI primeiro e, posteriormente, como AgCl. O primeiro ponto de equivalência ocorre quando o número de mol de I- é igual ao número de mol de Ag+ adicionado, e o segundo ponto de equivalência ocorre quando o número de mol Cl- é igual ao número de mol de Ag+ adicionado. Na mistura, há 2,5 · 10-3 mol de I- e 4,0 · 10-3 mol de Cl-. Assim, o volume de AgNO3 necessário, para atingir o primeiro ponto de equivalência, é de 25,0 mL e, para atingir o segundo ponto de equivalência, são necessários mais 40,0 mL de AgNO3, totalizando 65,0 mL. Vamos aos cálculos de pAg! [ ] −= mol de analito - mol de titulante volume total [ , − − − ⋅ ⋅ (2,50 10 ) - (1,00 10 ) I ] = 0 060 − − ⋅ [I ] = 2,50 10 mol/L UNICESUMAR
Topico 4 - O cálculo da [Ag+] é feito pela expressão da Kps: + - ps K = [Ag ] [I ] − − ⋅ ⋅ + 8,30 10 = [Ag ] 2,50 10 + − ⋅ [Ag ] = 3,32 10 mol/L pAg = 14,5 No primeiro ponto de equivalência: adição de 25,0 mL de AgNO3 Os íons Iforam totalmente consumidos, há excesso de íons Cl- e determina-se [Ag+] por meio da Kps de AgCl. Primeiro, obtém-se [Cl-]: [ , − − ⋅ 4,0 10 Cl ] = 0 075 − − ⋅ [Cl ] = 5,33 10 mol/L Para o cálculo de [Ag+] e pAg: + - ps K = [Ag ] [Cl ] − − ⋅ ⋅ + 1,82 10 = [Ag ] 5,33 10 + − ⋅ [Ag ] = 3,41 10 mol/L pAg = 8,47
APÓS O PRIMEIRO PONTO DE EQUIVALÊNCIA Adição de 30,0 mL de AgNO3. Do volume adicionado de AgNO3, 25,0 mL reagiram com I- e 5,00 mL com Cl-. Há excesso de íons Cl- que, ainda, não foram totalmente consumidos por Ag+; determina-se, então, primeiramente, [Cl-] e, posteriormente, [Ag+], por meio da Kps de AgCl. [ ] −= mol de analito - mol de titulante Cl volume total [ , − − − ⋅ ⋅ (4,00 10 ) - (5,00 10 ) Cl ] = 0 080 − − ⋅ [Cl ] = 4,38 10 mol/L + − ⋅ [Ag ] = 4,16 10 mol/L pAg = 8,38 NO SEGUNDO PONTO DE EQUIVALÊNCIA Adição de 65,0 mL de AgNO3. Do volume adicionado de AgNO3, 25,0 mL reagiram com I- e 40,00 mL com Cl-; portanto, o número de mol de Cl- é igual ao número de mol de Ag+, 4,0·10-3, pois é o ponto de equivalência; dessa maneira, [Cl-] = [Ag+]: + - ps K = [Ag ] [Cl ] + ps K = [Ag ] [ , + − ⋅ Ag ] = 1 82 10 + − ⋅ [Ag ] = 1,35 10 mol/L pAg = 4,87 UNICESUMAR
Topico 4 - APÓS O SEGUNDO PONTO DE EQUIVALÊNCIA Adição de 70,0 mL de AgNO3. Após os dois pontos de equivalência, todos os analitos foram consumidos e Ag+ está em excesso, há 5,00 mL remanescentes. + − ⋅ [Ag ] = 4,17 10 mol/L pAg = 2,38 finais dessas titulações podem ser químicos, potenciométricos e amperométricos. Nas titulações potenciométricas, mede-se a diferença de potencial entre um eletrodo de prata e um eletrodo de referência e, nas titulações amperométricas, mede-se a corrente gerada na solução titulada. Os indicadores químicos sinalizam o ponto final pela variação de cor ou pelo aparecimento ou desaparecimento de turbidez na solução titulada. Os requisitos, para um indicador na volumetria de precipitação, são que a alteração de cor deva ocorrer em um intervalo limitado da função p do analito ou do agente precipitante e dentro do intervalo de variação abrupta da curva de titulação do analito, que corresponde à inflexão da curva. Há três métodos argentométricos que utilizam indicadores químicos: • Mohr: formação de precipitado colorido. • Fajans: indicador de adsorção. • Volhard: formação de complexo colorido. São métodos em que a detecção do ponto final é realizada pela visualização da alteração de cor na solução. No método de Mohr, o ponto final é visualizado pela formação de um precipitado colorido; no método de Volhard, pela formação
de um complexo colorido pouco solúvel; e, no método de Fajans, a adsorção ou dessorção do indicador ocasiona a alteração de cor da solução. São métodos amplamente utilizados para a determinação de haletos, I-, Cl-, Br-. Nesses métodos, o ponto final é detectado após o ponto de equivalência, pois a alteração de cor ocorre devido à primeira gota excedente de Ag+, que, no caso dos métodos de Mohr e Volhard, forma um composto colorido com o indicador e, no método de Fajans, faz com que o indicador seja adsorvido ou dessorvido da superfície do precipitado. MÉTODO DE MOHR O método de Mohr faz uso do cromato de sódio, Na2CrO4, ou cromato de potássio, K2CrO4, como indicador para a titulação argentométrica, e do AgNO3, como titulantes dos íons cloreto, brometo e cianeto. O ponto de equivalência da titulação é a formação do sal de prata, AgCl, AgBr ou AgCN, como na titulação de Cl-, onde ocorre a formação de AgCl: + − (aq) (aq) (s) Ag + Cl AgCl
O ponto de equivalência é alcançado quando: + - [Ag ] = [Cl ] + ps K = [Ag ] [ , + − ⋅ Ag ] = 1 82 10 + − ⋅ [Ag ] = 1,35 10 mol/L pAg = 4,87 O ponto final, no entanto, é determinado com a primeira gota de AgNO3 após o ponto de equivalência, pois a precipitação de cloreto está completa, não há mais UNICESUMAR
Topico 4 - Cl- disponível, assim, os íons Ag+ reagem com o ânion cromato do indicador, CrO42-, formando um precipitado de cor vermelho-tijolo: + − (aq) (aq) (s) 2Ag + CrO Ag CrO
O cromato de prata, Ag2CrO4, é um sólido de baixa solubilidade. O valor de seu Kps é de 1,20·10-12, e sua formação indica a presença de haleto na amostra. Sabendo que [Ag+] = 1,35 · 10-5mol/L, a concentração de íons cromato, [CrO42-], pode ser calculada: + 2- ps K = [Ag ] [CrO ] − − − ⋅ ⋅ 1,20 10 = (1,35 10 ) [CrO ] 5 2 − − ⋅ [CrO ] = 6,58 10 mol/L Geralmente, concentrações menores que 6,58 · 10-3 mol/L são utilizadas, pois os íons cromato conferem à solução uma cor amarela intensa que impossibilita a detecção do cromato de prata vermelho-tijolo. O ponto final ocorre além do ponto de equivalência, devido à necessidade de se adicionar um excesso de Ag+ para precipitar o Ag2CrO4 em quantidade suficiente para ser notado visualmente. O método de Mohr possui a limitação de ajustar o pH da solução na faixa de 6,5 a 10,5, pois, em valores de pH menores que 6,5, o ânion CrO42- forma ácido crômico e, em valores de pH maiores que 10,5, Ag+ reage formando um precipitado: + − − + (aq) (aq) (aq) (aq) (aq) H + CrO HCrO + H H CrO + − + (aq) (aq) (s) (aq) Ag + 2OH Ag O + 2H
O método de Mohr é pouco aplicado atualmente, pois o Cr(IV) é carcinogênico. Em síntese, o método de Mohr possui as seguintes características: ■Indicador: cromato de sódio. ■pH da solução: 6,5–10,5. ■Detecção do ponto final: aparecimento da cor vermelho-tijolo. ■Precipitado formado: Ag2CrO4
MÉTODO DE FAJANS O método de Fajans faz uso de indicadores de adsorção para a titulação argentométrica de haletos. Um indicador de adsorção é um composto orgânico que possui uma cor quando livre na solução, em sua forma ionizada, e uma outra cor quando está adsorvido pelo precipitado. No método de Fajans, o ponto final é detectado pela adsorção do indicador na superfície do precipitado ou pela dessorção do indicador da superfície do precipitado, o que resulta em uma alteração de cor. Quando o indicador é adsorvido, ele passa da solução para a superfície do precipitado, ocorrendo a transferência de cor da solução para o sólido, e, quando o indicador é dessorvido, ele passa da superfície do precipitado para a solução, ocorrendo a transferência de cor do sólido para a solução. Os indicadores de adsorção podem ser aniônicos (ânions de ácidos fracos) ou catiônicos (cátions de bases fracas). Por exemplo, a fluoresceína, na sua forma ionizada, apresenta uma cor esverdeada e, quando é adsorvida pela prata, apresenta cor vermelha. A fluoresceína (HIND) é um ácido fraco, que, em solução aquosa, dissocia-se, parcialmente, em íons hidrônio e ânions fluoresceinato, que são verde-amarelos: + − (aq) (l) (aq) (aq) HIND + H O H O + IND Os ânions fluoresceinato (IND-), na presença do precipitado AgCl, são adsorvidos pelos íons Ag+ na superfície do precipitado, formando um sal de prata, o fluoresceinato de prata, de cor vermelha intensa. Considere a titulação argentométrica de Cl- em uma amostra contendo NaCl. A Figura 4 ilustra a adsorção do indicador, IND-: UNICESUMAR
Topico 4 - Figura 4 – Adsorção do indicador (IND-) na camada superficial do precipitado AgCl Fonte: adaptada de Matos (2012, p.18). Descrição da Imagem: a figura apresenta dois quadros, um ao lado do outro, ambos representando a adsorção do indicador (IND-) na camada superficial do precipitado AgCl. O primeiro quadro, à esquerda, mostra o precipitado de AgCl antes do ponto de equivalência, em que há um círculo central que corresponde ao AgCl, e, ao redor, há outro círculo contendo os íons Cl-, rodeando o precipitado, e, ao redor desse círculo, há os íons Na+. O segundo quadro, à direita, mostra o precipitado de AgCl após o ponto de equivalência, em que há um círculo central que corresponde ao AgCl, e, ao seu redor, há outro círculo, que contém os íons Ag+, e, ao redor desse círculo, há os ânions do indicador, IND-. Fim da descrição. O ponto de equivalência da titulação é a formação do precipitado, mas o ponto final é determinado após a formação desse precipitado. A primeira gota de AgNO3, logo após o ponto de equivalência, forma um sal de prata com o indicador, assim, a alteração de cor da solução ou do precipitado indica a presença de haleto na amostra. O método de Fajans possui algumas limitações. O precipitado formado deve possuir área superficial relativamente grande, o funcionamento dos indicadores de adsorção é limitado a precipitados coloidais, que são, rapidamente, formados, e os indicadores aniônicos sofrem influência do pH do meio. A fluoresceína, em pH menor que 7, não gera quantidade suficiente de ânions fluoresceinato que permita a visualização da mudança de cor, pois há excesso de íons H+ que reagem com os ânions, de forma a manter a fluoresceína na sua forma não ionizada (HIND).
MÉTODO DE VOLHARD O método de Volhard consiste na determinação indireta dos haletos: um excesso da solução padrão de AgNO3 é adicionado na amostra e realiza-se a titulação do excesso de íons Ag+ com uma solução contendo íons tiocianato, SCN-. Primeiramente, faz-se a adição de excesso da solução padrão de AgNO3 para precipitar os íons haletos (X-) e, após, a Ag+ residual, que não reagiu com X-, é titulada com uma solução padrão de tiocianato de potássio, KSCN, utilizando Fe3+ como indicador. O ponto final é detectado pela formação do complexo colorido, [FeSCN]2+, formado entre os íons SCN- do titulante e o indicador. Os seguintes equilíbrios estão envolvidos: + − (aq) (aq) (s) Ag + X AgX
- − (aq) (aq) (s) Ag + SCN AgSCN
[ + − + (aq) (aq) (aq) Fe + SCN FeSCN]
O ponto de equivalência ocorre na formação de AgSCN (Kps = 1,1 · 10-12), quando: + - [Ag ] = [SCN ] + ps K = [Ag ] − + ⋅ 1,1 10 = [Ag ] [ , + − ⋅ Ag ] = 1 1 10 + − ⋅ [Ag ] = 1,05 10 mol/L pAg = 5,98 UNICESUMAR
Topico 4 - O ponto final, no entanto, é determinado com a primeira gota de SCN- após o ponto de equivalência, que forma o complexo solúvel [FeSCN]2+ de cor castanho avermelhado. Em concentrações maiores que 0,20 mol/L, os íons Fe3+ conferem à solução uma cor amarela, que impossibilita a visualização da cor do complexo formado, e, por isso, utilizam-se concentrações menores que 0,20 mol/L. O método de Volhard é realizado em meio fortemente ácido, o que representa uma vantagem sobre os outros métodos titulométricos de íons haleto, pois os íons haleto são bastante solúveis em meio ácido. Outros íons que formam sais de prata pouco solúveis, como carbonato e oxalato, não causam interferência em meio ácido. Em síntese, o método de Volhard possui as seguintes características: • Indicador: sulfato férrico amoniacal. • pH da solução: fortemente ácido. • Detecção do ponto final: aparecimento da cor castanho-avermelhado. • Composto formado: [FeSCN]2+. Vamos considerar a seguinte situação: para determinar a dosagem de cloreto de sódio no soro fisiológico, um pesquisador realizou as titulações de precipitação pelo método de Mohr, Fajans e Volhard. Os passos em cada método foram os seguintes: ■MÉTODO DE MOHR 1. Pipetar 15,0 mL de soro fisiológico e o transferir para um erlenmeyer. 2. Diluir à amostra, aproximadamente, 50 mL de água destilada. 3. Adicionar cinco gotas da solução de K2CrO4. 4. Titular com solução de AgNO3 0,050 mol/L. ■MÉTODO DE FAJANS 1. Pipetar 15,0 mL de soro fisiológico e o transferir para um erlenmeyer. 2. Diluir à amostra, aproximadamente, 50 mL de água destilada. 3. Adicionar cinco gotas da solução de fluoresceína. 4. Titular com solução de AgNO3 0,050 mol/L.
■MÉTODO DE VOLHARD 1. Pipetar 10,0 mL de soro fisiológico e o transferir para um erlenmeyer. 2. Adicionar 50,0 mL de AgNO3 0,050 mol/L. 3. Adicionar 5,00 mL de HNO3 6,0 mol/L e aquecer a solução até a fervura. 4. Após resfriar, diluir à amostra, aproximadamente, 20 mL de água destilada. 5. Adicionar 1,0 mL de solução de sulfato férrico amoniacal. 6. Titular com solução padrão de KSCN 0,100 mol/L. O pesquisador realizou os cálculos para cada método. O volume gasto da solução de AgNO3, nas titulações, pelo método de Mohr e Fajans, foi de 47,0 mL. Mas como são os cálculos para determinar a dosagem de NaCl no soro fisiológico? Para os métodos de Mohr e Fajans, o ponto final é detectado pela mudança de cor da solução, que ocorre logo após a formação do precipitado AgCl. A equação química envolvida no cálculo para ambos os métodos é: ( ( → (aq) (aq) s) aq) AgNO + NaCl
AgCl + NaNO A concentração da solução de AgNO3 é de 0,050 mol/L e, sabendo que o volume necessário para reagir com o cloreto de sódio da amostra foi de 47,0 mL, podemos encontrar o número de mol de AgNO3 por uma regra de 3: , − ⋅ mol - 1000 mL x mol - 47,0 mL x = 2,35 10 mol/L 0 050 A proporção estequiométrica entre AgNO3 e NaCl é 1:1, portanto, o número de mol de NaCl é igual a 2,35 · 10-3. Para verificar a dosagem de NaCl contida no rótulo, é necessário obter a massa de NaCl para, então, transformá-la em porcentagem. A massa molar do NaCl é 58,5 g/mol. Podemos obter a massa de NaCl presente na amostra de soro, também, por uma regra de 3: − ⋅ 1 mol -------------- 58,5 g 2,35 10 mol - x g x = 0,137 g UNICESUMAR
Topico 4 - A massa de 0,137 g de NaCl está contida em 15,0 mL de amostra, volume que foi titulado. Assim, para determinar a % (m/v) de NaCl no soro: 15,0 mL - 100 % 0,137 g - x % x = 0,91 % Realizando o método de Volhard, o pesquisador gastou 9,0 mL da solução 0,100 mol/L de KSCN na titulação. Lembre-se que o método de Volhard não titula os íons haleto, e, sim, a prata em excesso, que não reagiu com os íons Cl-; então, o volume de titulante é usado para calcularmos o número de mol de Ag+ em excesso. O equilíbrio entre titulado e titulante é: + − (aq) (aq) (s) Ag + SCN AgSCN
O número de mol de KSCN é: , − ⋅ mol - 1000 mL x mol - 9,0 mL x = 9,00 10 mol/L 0 100 Como a proporção estequiométrica entre Ag+ e SCN- é 1:1, o número de mol de Ag+ em excesso é de 1,70 · 10-3 mol/L. O número de mol total de Ag+ adicionado é: , − ⋅ mol - 1000 mL x mol - 50,0 mL x = 2,50 10 mol/L 0 050 Subtraindo-se o número de mol de Ag+ em excesso do número de mol total de Ag+ adicionado, obtém-se o número de mol de Ag+ que reagiu com Cl- e, consequentemente, o número de mol de Cl- na amostra: + − (aq) (aq) (s) Ag + Cl AgCl
Portanto, há 1,6 · 10-3 mol de NaCl, o que corresponde a uma massa de 0,094 g de NaCl presente em 10,0 mL de soro. Para determinar a % (m/v) de NaCl no soro: 10,0 mL - 100 % 0,094 g - x % x = 0,94 % O rótulo do soro fisiológico informava que a dosagem de NaCl era de 0,90% (m/v). O pesquisador obteve uma dosagem de 0,91% (m/v) de NaCl, no soro fisiológico, pelos métodos de Mohr e Fajans, e de 0,94% (m/v) pelo método de Volhard. NOVOS DESAFIOS No início do tema, propomos a determinação dos íons Cl- em uma amostra de urina humana pelo método de Volhard. Um volume de 50 mL de uma solução de AgNO3 0,120 mol/L foi adicionado ao volume de 25,0 mL de amostra e gastou-se um volume de 25,42 mL na titulação com uma solução de KSCN 0,100 mol/L. Vamos determinar a concentração molar de Cl- nessa amostra? O número de mol de KSCN é: , − ⋅ mol - 1000 mL x mol - 25,42 mL x = 2,54 10 mol 0 100 Como a proporção estequiométrica entre Ag+ e SCN- é 1:1, o número de mol de Ag+ em excesso é de 2,54 · 10-3 mol. O número de mol total de Ag+ adicionado é: , − ⋅ mol - 1000 mL x mol - 50,0 mL x = 6,00 10 mol 0 120 UNICESUMAR
Topico 4 - Subtraindo-se o número de mol de Ag+ em excesso do número de mol total de Ag+ adicionado, obtém-se o número de mol de Ag+ que reagiu com Cl- e, consequentemente, o número de mol de Cl- na amostra. Assim, há 3,46 · 10-3 mol de Cl- em 25,0 mL de amostra, no entanto a urina do paciente foi coletada durante 24 horas, depois, evaporada e diluída a 1000 mL em um balão volumétrico; assim, a concentração molar pode ser obtida: − ⋅ 3,46 10 mol - 25 mL x mol - 1000 mL x = 0,138 mol/L Pelo valor obtido, verifica-se que a urina do paciente está em condições consideradas normais com relação ao teor de Cl-, que se encontra entre 0,075 e 0,200 mol, no período de 24 horas. Esse tipo de análise da determinação dos íons Cl-, em uma amostra de urina humana, pelo método de Volhard, é realizada nos laboratórios de análises clínicas. Já a determinação da dosagem de NaCl, descrita anteriormente para o soro fisiológico, pode ser realizada nos laboratórios de indústrias farmacêuticas para o controle de qualidade dos produtos que utilizam esse sal na sua composição ou outros sais formados por íons haletos, que precipitam com a prata. Os métodos argentométricos possuem inúmeras aplicações e você acabou de compreender algumas delas. Agora, vamos colocar em prática todo esse conhecimento!
Uma indústria alimentícia precisa determinar o teor de cloreto de sódio na água de conserva de milhos, que apresenta densidade de 1,038 g mL-1. Para a determinação, um analista tomou uma alíquota de 25,00 mL da água de conserva e a diluiu com água destilada em um balão de 250,00 mL. Em seguida, ele tomou uma alíquota de 25,00 mL dessa solução diluída e a titulou com solução de nitrato de prata 0,05037 mol L-1, em que foram gastos 11,45 mL. Diante disso, calcule: a) A concentração molar de NaCl na água de conserva. b) A porcentagem em massa de NaCl na água de conserva. 2. Um analista realizou a titulação de três alíquotas de 25,00 mL de solução de cloreto de sódio com solução 0,1087 mol L-1 de nitrato de prata, utilizando solução de dicromato de potássio como indicador. Como a análise foi realizada em triplicata, foram consumidos, respectivamente, 19,80 mL, 20,10 mL e 20,00 mL de AgNO3 para atingir o ponto final da titulação. Qual a concentração média em mol L-1 de cloreto de sódio na amostra? 3. A fim de averiguar a veracidade das informações contidas no rótulo de um produto comercial, um laboratorista titulou três amostras de 15,00 mL de solução de cloreto de sódio, pelo método de Fajans, com solução 0,1500 mol L-1 de nitrato de prata, utilizando solução de ferroceína como indicador. Foram consumidos, respectivamente, 14,80 mL, 15,10 mL e 15,00 mL para atingir o ponto final. Diante do exposto, responda: a) Qual a concentração média em mol L-1 de cloreto de sódio da amostra? b) Sabendo que a densidade da solução é 1,050 g/mL, qual a porcentagem em massa de sal na amostra? 4. Uma amostra de 5,00 mL de soro fisiológico, contendo cloreto de sódio, foi tratada com 8,45 mL de solução de nitrato de prata 0,100 mol L-1, e o excesso de íons prata foi titulado com 4,25 mL de uma solução de tiocianato de potássio 0,100 mol L-1, usando uma solução contendo íons ferro III como indicador. Calcule quantos mg de cloreto existem por mL de soro. VAMOS PRATICAR
REFERÊNCIAS BACCAN, N. et al. Química analítica quantitativa elementar. São Paulo: Edgar Blucher, 2001. SKOOG, D. A. et al. Fundamentos de química analítica. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2014. MATOS, M. A. C. Introdução à análise química: titulometria de precipitação. Juiz de Fora: Universidade Federal de Juiz de Fora, 2012. 29 slides, color. Disponível em: https://www.ufjf.br/nupis/ files/2011/04/aula-6-Titulometria-de-precipita%c3%a7%c3%a3o-QUI094-2012.1.pdf. Acesso em: 30 ago. 2021.
A alíquota de amostra titulada foi de 15,0 mL, porém, para obter a concentração molar, é necessário determinar o número de mol em 1000 mL de solução: − ⋅ 2,250 10 mol - 15 mL x mol - 1000 mL x = 0,150 mol/L A concentração média de NaCl na amostra é de 0,150 mol/L. b) Na alternativa anterior, calculou-se o número de mol de NaCl em 1000 mL, então, convertendo para massa, temos: 1 mol - 58,5 g 0,150 mol - x g x = 8,77 g Há 8,77 g de NaCl em 1000 mL e, pela densidade, sabemos que há 1,050 g em 1,00 mL. Então, precisamos, primeiro, obter a massa em 1,00 mL para poder determinar a %: − ⋅ 8,77 g - 1000 mL x g - 1,00 mL x = 8,77 10 g , − ⋅ 1,050 g - 100 % g - x % x = 0,835 % 8 77 4. O método de Volhard envolve os seguintes equilíbrios: + − (aq) (aq) (s) Ag + Cl AgCl
- − (aq) (aq) (s) Ag + SCN AgSCN
[ + − + (aq) (aq) (aq) Fe + SCN FeSCN]
UNIDADE 5
MINHAS METAS VOLUMETRIA DE OXIDAÇÃOREDUÇÃO Compreender a volumetria de oxidação-redução, também conhecida como titulação redox. Entender as reações que envolvem espécies que se oxidam e se reduzem. T E M A D E A P R E N D I Z A G E M 5
INICIE SUA JORNADA Estudante, acredito que você já se deparou com o ácido ascórbico, normalmente, chamado vitamina C, o qual é encontrado, principalmente, em frutas cítricas, como limão, acerola, laranja, entre tantos outros alimentos. Sabemos, por exemplo, que a acerola é, de longe, uma das maiores fontes de vitamina C e contém muito mais vitamina C do que a laranja. Essa vitamina é, cada vez mais, comentada e usada, não só na alimentação, mas como aditivos, cosméticos, medicamentos etc. Com tanto emprego da vitamina C, você saberia uma maneira de determinar e/ou quantificar essa vitamina em alimentos? A vitamina C participa de reações de oxidação e redução, que são reações em que há transferência de elétrons e titulação redox, a qual pode ser empregada para se determinar a quantidade de vitamina C em determinados alimentos, como em sucos naturais ou artificiais (titulação ácido-base nos daria informação sobre a quantidade total de ácidos presentes, já que ácido cítrico, também, é um dos constituintes de frutas cítricas). A vitamina C tem grande diversidade de aplicações e, provavelmente, você já tenha visto algumas delas, como uso tópico, promovendo benefício para pele com o poder de reverter ou precaver sinais de envelhecimento (MANELA-AZULAY et al., 2003), como uso oral, indicado para melhorar o sistema imunológico do organismo, ou como fármaco, além de ser muito empregada como aditivo em alimentos com intuito de conservar sabor e cor e inibir o crescimento de microrganismos. UNICESUMAR
Topico 5 - Você já deve ter observado alguma tabela de alimento que indica o valor nutricional, bem como a quantidade de vitamina C presente, seja em alimentos industrializados, seja em alimentos naturais. A vitamina C é um micronutriente de grande importância em nossa alimentação, pois previne doenças e participa de diversas reações no nosso organismo. Essa grande importância da vitamina C é atribuída a ela pelo seu poder antioxidante, ou seja, forçará sempre outra espécie a se reduzir. VAMOS RECORDAR? Imagine a seguinte situação: você passou por algum rio ou lago em que a água fosse duvidosa para se beber, mas você se encontra em uma situação em que essa água é a única opção e você está um tanto sedento. O que você faria? Ou melhor, saberia de alguma estratégia para “purificar” aquela água e matar sua sede? Para isso, muitos excursionistas usam iodo para desinfetar água de córregos e lagos, de modo a torná-la segura para consumo (HARRIS et al., 2011). O iodo é muito efetivo para matar bactérias e vírus. Na verdade, ele mata tudo que estiver na água. O preparo é simples, bastam alguns cristais grandes de iodo sólido com água, em um frasco de 60 mL, com tampa revestida de teflon, pois eles mantêm a solução saturada com I2. O frasco precisa estar bem protegido dentro de saco plástico, por exemplo, porque o vapor de iodo ataca tudo que estiver a sua volta. A tampa pode ser usada como medida para você preparar, por exemplo, 1 L de água do rio ou lago que será consumida. Você pode usar, por exemplo, quatro tampas da solução (cerca de 10 mL), se a temperatura do ar estiver por volta de 20 °C, e adicioná-las a um litro de água. Você deve usar, somente, o sobrenadante da solução de iodo, e não os cristais de iodo sólido. Aguarde, aproximadamente, meia hora para que o iodo mate qualquer criatura e, assim, desinfete a água. Pronto! A água está segura para beber. Não se esqueça de adicionar mais água à sua solução de iodo para que você tenha I2 aquoso disponível em uma próxima necessidade. Imagine, agora, que, com a água potável recém-desinfetada, você deseja preparar um suco. Para isso, você tem, em mãos, um daqueles refrescos de laranja em pó. No entanto, se você preparar seu suco antes da espera de meia hora do processo de desinfecção, você terá perdido todo trabalho da obtenção de água apropriada para consumo. Você saberia descrever o porquê? Observe as informações que falamos até aqui e esboce sua resposta e a registre no diário de bordo a seguir. A essa altura, imagino que você deva ter respondido algo como: “a vitamina C reagirá, rapidamente, com o I2 presente, antes que ele cumpra seu papel de desinfetar a água”.
DESENVOLVA SEU POTENCIAL Neste tema de aprendizagem, você estudará a volumetria de oxidação-redução, também conhecida como volumetria oxirredução, ou, ainda, titulação redox. Você aproveitará alguns conceitos vistos em outras volumetrias, como a volumetria de ácido-base e os conceitos de eletroquímica. Talvez, você se pergunte qual a diferença da volumetria oxirredução para as demais, como a de neutralização, por exemplo, e a resposta é simples. Uma titulação redox se baseia em uma reação entre o analito e o titulante, assim como as demais, porém envolve-se, aqui, o processo de oxirredução. Em outras palavras, o analito será a espécie que sofrerá oxidação, e o titulante, a espécie que sofrerá redução, por exemplo. de oxirredução, e, para isso, uma substância doa elétrons e é oxidada, e outra espécie ganha elétrons e é reduzida. A volumetria de oxirredução nada mais é que uma titulação de um agente oxidante com uma solução de redutor (ou vice-versa). Volumetria de oxirredução tem uma gama de aplicabilidade, uma vez que há grande número de substâncias suscetíveis a sofrer oxidação e redução (ROSA; GAUTO; GONÇALVES, 2013). Entretanto, vale ressaltar de antemão que a maioria dos agentes redutores reagem com o oxigênio e, por isso, só podem ser usados como titulantes se forem protegidos do contato do ar. As titulações redox são muito empregadas, pois, além de determinar composições de analitos, podem, facilmente, caracterizar estados de oxidação pouco comuns de elementos especiais. A maioria dos agentes redutores reagem com o oxigênio Você já deve ter ouvido falar que a oxidação pode ter efeitos prejudiciais à nossa saúde. Existem várias espécies que são responsáveis pelos efeitos nocivos às células e a outros componentes do corpo. Existe, também, um grupo de compostos, conhecido como antioxidantes, que tem como papel minimizar a influência dessas espécies reativas, como algumas vitaminas (A, C e E). UNICESUMAR
Topico 5 - Antes de iniciarmos esse assunto propriamente dito, é necessário que você tenha bem embasado alguns pontos importantes, como os processos de oxidação e redução e o potencial de redução. Por isso, primeiramente, faremos uma breve recapitulação desse assunto. O processo de oxidação refere-se à perda de elétrons por parte de uma espécie que, então, oxida-se, enquanto o processo de redução envolve um ganho de elétrons para outra espécie. Em outras palavras, o processo de oxidação e redução sempre acontece aos pares, ou seja, para que uma espécie se oxide, concomitantemente, uma espécie precisa se reduzir. Essa perda ou ganho de elétrons é indicada pela variação do número de oxidação das espécies envolvidas na reação. Para ficar mais claro, vamos considerar os processos a seguir: Zn Cu Zn Cu + + + + Podemos observar que o número de oxidação do zinco variou de 0 para +2, ou seja, teve aumento no número de oxidação, logo, o zinco se oxidou. Para o íon de cobre, o número de oxidação variou de +2 para 0; então, perceba que houve diminuição no número de oxidação, o que indica que houve uma redução. Assim, sempre que o número de oxidação de uma espécie aumentar, o processo é denominado oxidação e indica perda de elétrons. A diminuição do número de oxidação, por sua vez, indica processo de redução e haverá o ganho de elétrons. Esse é um exemplo em que íons ‘simples’ estão envolvidos. Observe, agora, o próximo exemplo, com as semirreações e a equação global: ( ) ( ) ( ) semi-reação de redução: semi-reação de oxidação: equação global: aq aq Cr O H e Cr H O l Fe Fe e Cr O H Fe Cr Fe H O − + − + + + − − + + + + + + → + → + + + + + Nesse caso, o número de oxidação do crômio variou de +6 para +3 (diminuição do número de oxidação), e, como houve um ganho de três elétrons, essa espécie se reduziu. O número de oxidação do íon ferro variou de +2 para +3 (número de oxidação aumentou), e, como houve perda de um elétron, o íon ferro 2+ se oxidou. Esse é um exemplo em que a variação do número de oxidação ocorre de um átomo em agrupamentos iônicos, em relação ao Cr no Cr2O7 2-. Podemos observar, ainda, um terceiro exemplo:
C O CO + → O número de oxidação do carbono variou de 0 para +4, envolvendo a ‘perda’ de quatro elétrons, logo, oxidou-se; enquanto o número de oxidação do oxigênio variou de 0 para -2, envolvendo um “ganho” de dois elétrons, e, consequentemente, reduziu-se. Temos, aqui, um caso em que estão envolvidas substâncias moleculares, sólidas e gasosas. Um fato bastante importante que devemos ressaltar é que, seja qual for a reação de oxidação-redução, a quantidade de elétrons perdidos pela espécie que sofreu oxidação deve ser igual ao número de elétrons que foi ganho pela espécie que sofreu redução, de modo a manter a neutralidade de carga do meio, levando, ainda, em consideração o balanceamento da reação (BACCAN et al., 1979). Sabemos que as reações de oxidação-redução podem ser representadas em semirreações. É um modo muito conveniente de indicar, claramente, a espécie que se oxida e a espécie que se reduz. Para ficar mais claro, observe a reação que ocorre quando o zinco metálico é imerso em uma solução contendo íons Cu2+: Zn Cu Zn Cu + + + + As semirreações podem ser, então, escritas da seguinte maneira: reação de oxidação reação de redução Zn Zn e Cu e Cu + − + − + + Na semirreação de oxidação, os elétrons são indicados do lado dos produtos e, na semirreação de redução, os elétrons são indicados do lado dos reagentes. Fica clara a ideia com essa forma de escrita, uma vez que indica elétrons doados ou perdidos em uma oxidação e elétrons ganhos em uma reação de redução. Observe o próximo exemplo, as semirreações, e se atente à outra linguagem também bastante usada: - + - 2+ reação de oxidação MnO +8H +5e Mn +4H O reação de redução MnO Fe H Mn Fe H O Fe Fe e − + + + + + + − + + + + + UNICESUMAR
Topico 5 - O íon MnO4 - é o agente oxidante, ou seja, ele retira elétrons dos íons Fe2+, assim, ele (íon MnO4) pode se reduzir e, por isso, nós podemos observar que o número de oxidação do manganês (Mn) varia de +7 no MnO4- para +2 no Mn2+. Os íons Fe2+, por sua vez, são os agentes redutores, pois eles doam elétrons para o manganês no MnO4 -, “forçando-o” a se reduzir e, consequentemente, oxidar-se, como podemos observar pelo número de oxidação do ferro, que varia de +2 para +3. Volumetria de oxidação-redução envolve muitos conceitos. Os processos de oxidação e redução são a base para a compreensão desse assunto. Consequentemente, nos remete ao funcionamento de células galvânicas ou pilhas o que envolve o conhecimento de potencial padrão de redução, que são aqueles valores baseados no potencial padrão de hidrogênio como referência. Dessa forma, a titulação redox relaciona analito e titulante que contém agente redutor e agente oxidante, e, por meio dessa reação, podemos extrair valores de potencial do sistema. A obtenção dos valores de potencial nos dá suporte para a construção da curva de titulação de potencial em função do volume de titulante adicionado. Para isso determinamos o potencial em diferentes momentos da titulação. O ponto final de uma titulação redox é normalmente detectado por meio de um indicador redox adequado. Os agentes oxidantes mais usados incluem o KMnO4, o Ce4+ e o K2Cr2O7. Muitos procedimentos analíticos se fundamentam na oxidação com I3- ou na titulação do I3- liberado em uma reação química (HARRIS et al., 2012). Até aqui, relembramos as reações de oxidação-redução e, consequentemente, a variação do número de oxidação das espécies. Vamos aproveitar o momento e relembrar, também, o funcionamento das células galvânicas (ou pilhas). Sabemos que as reações redox podem ocorrer tanto pela transferência direta de elétrons, como naquele caso em que um pedaço de zinco foi mergulhado em uma solução contendo íons Cu2+, quanto pela transferência de elétrons por meio de um condutor metálico externo, sem que as duas espécies estejam em contato. Nesse último caso, esse tipo de sistema recebe o nome de célula galvânica, ou pilha, pois é um sistema em que as semirreações envolvidas no processo ocorrem sem que as espécies, no caso, oxidante e redutor, estejam em contato direto, conforme ilustra a Figura 1 a seguir: Célula galvânica, ou pilha
Figura 1 – Esquema de uma célula galvânica / Fonte: Brown et al. (2016, p. 904). Descrição da Imagem: a figura apresenta dois béqueres: um, à direita, constituído de solução de coloração azul (solução de sulfato de cobre) e o outro, à esquerda, constituído de solução incolor (solução de sulfato de zinco). Há uma placa metálica de cobre mergulhada no béquer da direita e, nela, há um fio conectado na parte superior que se liga, externamente, a outra chapa metálica de zinco que se encontra mergulhada na solução do béquer da esquerda. Há um tubo de vidro invertido que conecta os dois béqueres, que é denominado ponte salina. No centro desse tubo, está escrito Na+ com uma seta para o lado direito e “NO3-” com uma seta para o lado esquerdo. Da seta da esquerda, sai um balão, e, nele, está escrito Ânions migram em direção ao ânodo e, da seta da direita, sai um balão e, nele, está escrito Cátions migram em direção ao cátodo. Entre os dois béqueres, há uma caixa suspensa, que está conectada ao fio ligante das chapas, indicando que é um voltímetro. Acima desse fio, há a presença de duas setas indicando movimento de elétrons da chapa de zinco para a chapa de cobre. Ao lado do béquer da direita, há uma caixa e, nela, está escrito cátodo (+) e, ao lado do béquer da esquerda, há uma outra caixa e, nela, está escrito ânodo (-). Fim da descrição. Com a ilustração, podemos observar que a placa de zinco se dissolve formando íons Zn2+. Quando isso acontece, elétrons são liberados e conduzidos pelo condutor externo até o recipiente que contém a placa de cobre, o que implica a redução de íons Cu2+ presentes na solução, que se dará por meio da deposição sobre a placa de cobre. Nesse sistema, observamos, também, a presença de uma ponte salina, que é de suma importância para o funcionamento da pilha, ou seja, para efetuar o contato elétrico entre as duas cubas, de modo a manter a neutralidade de cargas. Normalmente, essa ponte é constituída a partir de um tubo de vidro, em formato U, contendo uma solução concentrada de eletrólito forte, como NaNO3 ou KCl. As UNICESUMAR
Topico 5 - extremidades podem ser tampadas com algodão para permitir a movimentação dos íons (BACCAN et al., 1979). Por meio da Figura 1, observamos que a migração dos elétrons, pelo fio externo, acontece do eletrodo de zinco para o eletrodo de cobre, espontaneamente. Talvez, você se pergunte: por que nesse sentido? A tendência de a espécie se oxidar ou reduzir é medida por um número denominado Potencial Padrão de Redução (E°). O fluxo de elétrons depende da constituição das duas meia-celas, das duas semirreações e, consequentemente, dos seus potenciais padrões de redução. Podemos fazer uma analogia entre o fluxo de elétrons com o fluxo de água de uma cachoeira. A água flui, espontaneamente, por uma cachoeira por causa da diferença na energia potencial entre o topo da queda e o rio abaixo. O fluxo de elétrons flui, da mesma maneira, espontaneamente, por um circuito externo do ânodo para o cátodo, em uma célula voltaica, em razão da diferença na energia potencial, que é mais alta no ânodo do que no cátodo. Assim, os elétrons fluem, espontaneamente, no sentido com o potencial elétrico mais positivo (BROWN et al., 2016). Esses valores de potenciais são valores tabelados que foram determinados com base no eletrodo padrão de hidrogênio (EPH), escolhido como referência. Observe, novamente, as semirreações de zinco e cobre com seus respectivos potenciais padrões de redução: E = +0,337 V E = -0,763 V Cu e Cu Zn e Zn + − + − + + Observando somente os valores de potencial padrão de redução, podemos esperar que o cobre tivesse maior tendência a se reduzir, e o zinco, maior tendência a se oxidar, em um sistema espontâneo. O potencial de qualquer célula voltaica é positivo, e podemos observar esse fato na equação global de célula voltaica Zn-Cu, em que o potencial padrão da célula é + 1,10 Volts, a 25 °C:
1,10 V Zn Cu Zn Cu E + + + + = + Os elétrons fluem, espontaneamente, no sentido com o potencial elétrico mais positivo
À medida que uma célula voltaica é descarregada, reagentes são consumidos e produtos, formados, de modo que as concentrações variam (BROWN et al., 2016). Nesse sentindo, a equação de Nernst relaciona o potencial real de uma meia-cela com as concentrações das espécies oxidadas e reduzidas (reagentes e produtos). A equação de Nernst pode ser expressa, de maneira simplificada, da seguinte forma: 0,0592 log E E Q n = −
( )
T C = °
0,060 log E E Q n = −
( )
T C = °
A grandeza Q é o quociente de reação, que representa a forma da expressão da constante de equilíbrio, a qual pode ser indicada como: [ ] [ ] produtos Q reagentes = Assim, a expressão de Nernst pode ser representada como: [ ] [ ] 0,0592 log produtos E E n reagentes = − Onde: E = potencial real da célula. E0 = potencial padrão de redução. n = número de elétrons que participa da reação de oxidação-redução. Vamos considerar uma reação hipotética de meia-cela: Diante desse contexto, reflita sobre a seguinte questão: se um potencial padrão da célula é E0 = + 0,85 Volts, a 25 °C, você esperaria que a reação redox dessa célula fosse espontânea? Sim! Uma reação redox com potencial padrão de célula positivo é espontânea, sob condições padrão. Além da constituição das meias-celas, as suas concentrações, também, influenciam no potencial de qualquer pilha. PENSANDO JUNTOS UNICESUMAR
Topico 5 - aA bB cC dD + + A equação de Nernst, em termos exatos, para a semirreação anterior, pode ser expressa da seguinte maneira: ( ) ( ) ( ) ( ) 0,0592 log c d a b aC aD E E n aA aB = − Na expressão descrita anteriormente, ‘a’, precedida das letras em maiúscula, faz referência à atividade, e algumas simplificações podem ser feitas em relação a esse conceito. Vejamos algumas: PARA ÍONS E/OU MOLÉCULAS EM SOLUÇÕES DILUÍDAS A atividade é, aproximadamente, igual à concentração molar. PARA O SOLVENTE EM SOLUÇÕES DILUÍDAS A atividade é igual à fração molar do solvente, que é, aproximadamente, a unidade (aH2O≅ 1). PARA SÓLIDOS OU LÍQUIDOS PUROS EM EQUILÍBRIO COM A SOLUÇÃO A atividade é, exatamente, a unidade. PARA GASES EM EQUILÍBRIO COM A SOLUÇÃO A atividade é igual à pressão parcial do gás, em atm. PARA MISTURAS DE LÍQUIDOS A atividade é, aproximadamente, igual a sua fração molar. Assim, podemos usar essa equação para encontrar o potencial produzido por uma célula sob condições não padrão ou, ainda, para determinar a concentração de um reagente ou produto, medindo a diferença de potencial da célula.
Como podemos observar, para a pilha Zn-Cu, a equação de Nernst apresenta-se da seguinte maneira:
1,10 V Zn Cu Zn Cu E + + + + = + 0,0592 log 0,0592 1,10 log Zn E E n Cu Zn E Cu + + + + = − = − Nesse caso, n = 2, já que dois elétrons são transferidos do Zn para o Cu2+, e o potencial padrão dessa pilha é + 1,10 V. Com essa equação, caso tenhamos os valores das concentrações, podemos determinar o potencial produzido pela célula. Observe alguns exemplos, a seguir, com o emprego da equação de Nernst (T = 25 °C), lembrando que: sólidos puros são excluídos da expressão para Q; substância no estado gasoso é mais comum que a indicação, em função da pressão parcial, em vez da concentração; os coeficientes estequiométricos da equação balanceada são indicados na forma de expoente: ( )
0,059 )
log 0,059 )
log ) 2 g a Zn e Zn E E Zn Fe b Fe e Fe E E Fe c H e H + − + + + − + + + − + = − + = − +
0,059 log 0,059 )
log 0,059 )
log
pH E E H d AgCl e Ag Cl E E Cl Cr e Cr O H e Cr H O E E Cr O H + − − − + − + − + − + = − + + = − + + + = − UNICESUMAR
Topico 5 - Como podemos observar, para cada item, a diferença está na parte de expressar log Q. Vale relembrar, portanto, que a expressão é dada em função de produtos sobre reagentes. Para o item a), conforme relembrado anteriormente, Zn0 indica zinco metálico, estado sólido puro. Por isso, não faz parte da expressão, sendo representado com 1/[Zn2+]. No item c), H2 é um gás, e a indicação pode ser feita na forma de pressão parcial (pH2); e, no item d), a expressão é dada, somente, em função da concentração de Cl-, pois as outras espécies são sólidos puros. Como já vimos a equação de Nernst, você pode, agora, acompanhar um exemplo prático do cálculo do potencial da meia-cela, usando valores de potencial padrão de redução (E0). Por exemplo, qual o potencial real de uma solução de permanganato de potássio, onde
,
MnO M Mn M − − + − = = e
pH = ? Considere 4 /
1,51 MnO Mn C e E Volts − + = ° = T . Nesse exercício, nós temos o par redox 4 / MnO Mn − + em meio ácido, e a seguinte reação pode ser escrita assim: Mn H e Mn H O − + − + + + + O cálculo do potencial real pode ser feito com o uso da equação de Nernst, fazendo aproximações válidas, e lembre-se que, pelo valor de pH, podemos determinar a concentração de íons H+: ( ) ( )( ) 0,060 log 0,060 1,51 log Mn E E n MnO H E + − + − − − = − = − Se invertermos a razão no segundo termo logarítmico, precisamos inverter o sinal do termo, o que fornece: ( )( ) ( ) 0,060 1,51 log 1,51 0,012log10 1,45 Volts em pH = 1 E E E − − − − = + = + =
A importância do cálculo do potencial real da meia-cela está diretamente relacionada com a curva de titulação. De maneira bastante análoga à volumetria de ácido-base, em que a construção de curvas de titulação se dava com base nos valores de pH em função do volume de titulante, na volumetria de oxidação-redução, a curva de titulação é construída com base no potencial em função de volume de titulante. Considerando que, na volumetria de oxirredução, uma das espécies (por exemplo, aquela que se oxida) é a amostra e a outra (por exemplo, aquela que se reduz), o titulante e que a reação é espontânea, podemos calcular o valor do potencial real do sistema, E, para cada ponto da titulação do par das espécies. Com os valores de E encontrados, podemos construir um gráfico potencial versus volume. Essa curva de titulação pode ser dividida em três seções principais: ■Região antes do ponto de equivalência. ■Região no ponto de equivalência. ■Região após o ponto de equivalência. ANTES DO PONTO DE EQUIVALÊNCIA Na região antes do ponto de equivalência, o potencial é calculado a partir da razão entre as concentrações conhecidas dos componentes do par redox da amostra, aplicando-se a equação de Nernst (BACCAN et al., 1979). Vamos analisar, mais de perto, uma titulação de 25,00 mL de uma solução de FeSO4 0,100 M com solução de Ce4+ 0,100 M em meio ácido, como exemplo. Consideraremos T = 30°C e as seguintes semirreações com seus respectivos potenciais padrões de redução: ( ) ( ) E = +1,44 Volts 1 E = +0,77 Volts 2 Ce e Ce Fe e Fe e + − + + − + − + + + Para o cálculo, temos que inverter a (2) e somar com (1), logo: 3+ +Fe E = +0,67 Volts Ce Fe Ce + + + + Como E0 é positivo, a titulação de Fe2+ com Ce4+ é espontânea e pode ser efetuada. A Figura 2 ilustra esse exemplo de titulação: UNICESUMAR
Topico 5 - Figura 2 – Montagem ilustrativa para a titulação de Fe2+ com Ce4+ / Fonte: Harris et al. (2012, p. 364). Descrição da Imagem: a figura apresenta um recipiente de vidro. Nele, há uma solução de cor azul indicando uma solução de Fe2+. À esquerda, na parte superior, há uma parte da bureta suspensa gotejando solução de Ce4+. Fim da descrição. Então, antes da titulação ser iniciada, não há íons provindos do titulante e poderíamos considerar, apenas, a presença de íons Fe2+. Entretanto íons Fe2+ podem se oxidar em Fe3+ pelo oxigênio do ar dissolvido na água. Se soubéssemos a concentração de íons Fe3+, poderíamos usar a equação de Nernst para determinar o potencial inicial.
No entanto, esse cálculo não é possível e, de modo geral, o potencial inicial não é calculado para o ponto inicial da titulação, mas, sim, logo após a adição de uma pequena alíquota do titulante. Dessa forma, o potencial inicial encontrado passa a ser um potencial inicial de referência para o processo (BACCAN et al., 1979). Então, analisaremos a solução após a adição de 5,00 mL de titulante, Ce4+. Quando o oxidante (solução de Ce4+) é adicionado, as espécies Ce3+ e Fe3+ são formadas e a solução passa a ter concentrações apreciáveis dessas espécies participantes. Desse modo, Ce3+, Fe3+ e Fe2+ são facilmente calculáveis. A concentração de Ce4+, por sua vez, é, infinitamente, pequena e, por isso, torna-se mais fácil realizar o cálculo para determinar o potencial do sistema com base nas concentrações das duas espécies de ferro. Com o emprego da expressão de Nernst, podemos determinar o potencial real do sistema. Contudo, antes disso, precisamos determinar as concentrações e, com a adição de uma pequena quantidade de íons Ce4+, calcular as concentrações das espécies participantes presentes em solução. Lembrando que a concentração é igual à razão da quantidade de mol pelo volume, em litros, da solução: [ ] ( ) inicial inicial 25,00 10 0,1000 2,50 10 n V L nFe nFe mol + − + − = = × × = × Podemos, agora, determinar a quantidade de mols de Fe2+ que reagiram com aquela pequena quantidade de Ce4+ adicionado: que reagiram 4+ 2+ 3+ que reagiram que reagiram
(Ce é agente oxidante, promoverá a oxidação dos íons Fe para Fe ) 5,00 10 0,1000 5,00 10 nFe nCe nFe nFe nFe mol + + + + − + − = = = × × = × E determinar, consequentemente, a quantidade de mols de Fe2+ que não reagiram: ( ) que não reagiram inicial adicionado que não reagiram que não reagiram 2,50 10 5,00 10 0,1000 2,00 10 nFe nFe nCe nFe nFe mol + + + + − − + − = − = × − × × = × UNICESUMAR
Topico 5 - Com a equação de Nernst, temos: 0,060 log Fe E E Fe + + = − Se invertermos a razão no segundo termo logarítmico, precisamos inverter o sinal do termo, o que fornece: 0,060 log Fe E E Fe + + = + Podemos, ainda, ajustar o termo concentração da seguinte forma: ( ) ( ) ( ) ( ) / 0,060 log / 0,060 log total total nFe E E nFe nFe E E nFe + + + + = + = + Observe que os volumes no numerador e no denominador se cancelam, o que indica que o potencial é independente da diluição. Por fim, calcularemos o potencial real com as devidas substituições: 5,00 10 0,77 0,060log 2,00 10 0,73 V E E − − × = + × = Após a adição de 12,50 mL de titulante: inicial inicial reagiu reagiu reagiu 2,50 10 12,50 10 0,100 1,250 10 ( ) 2,50 10 1,250 10 1,250 10 nFe mol nCe nFe nCe mol nFe nCe nFe nFe nFe mol + − + + − + − + + + + − − + − = × = = × × = × − = = × − × = × Com a equação de Nernst, determinamos o potencial do sistema quando 12,50 mL do titulante são adicionados:
1,250 10 0,77 0,060log1,250 10 0,77 V E E − − × = + × = Interessante você observar que, após a adição de, exatamente, a metade da quantidade de titulante, 12,50 mL, necessária para que o ponto de equivalência seja atingindo, o potencial do sistema é igual ao potencial de eletrodo do par redox da amostra, no caso, Fe3+/Fe2+. Da mesma maneira, podemos calcular o potencial do sistema para outros volumes de titulante adicionados. Com o emprego da mesma sistemática de cálculo, podemos encontrar o potencial do sistema, E, quando, por exemplo, 20,00 mL e 24,90 mL do titulante forem adicionados. Após a adição de 20,0 mL de titulante: inicial inicial reagiu reagiu reagiu 2,50 10 20,00 10 0,100 2,00 10 ( ) 2,50 10 2,00 10 5,00 10 nFe mol nCe nFe nCe mol nFe nCe nFe nFe nFe mol + − + + − + − + + + + − − + − = × = = × × = × − = = × − × = × Com o emprego da equação de Nernst, calculamos o potencial do sistema: 2,00 10 0,77 0,060log 5,00 10 0,81 V E E − − × = + × = Da mesma maneira, calculamos o potencial quando 24,90 mL de titulante forem adicionados: inicial inicial reagiu reagiu reagiu 2,50 10 24.90 10 0,100 2,49 10 ( ) 2,50 10 2,49 10 1,00 10 nFe mol nCe nFe nCe mol nFe nCe nFe nFe nFe mol + − + + − + − + + + + − − + − = × = = × × = × − = = × − × = × UNICESUMAR
Topico 5 - E o potencial é calculado com o emprego da equação de Nernst: 2,49 10 0,77 0,060log 1,00 10 0,91 V E E − − × = + × = NO PONTO DE EQUIVALÊNCIA Agora, vamos calcular o potencial do sistema no ponto de equivalência, ou seja, quando 25,00 mL do titulante forem adicionados. Nesse ponto, a quantidade de Ce4+ adicionada é, exatamente, o suficiente para reagir com todo o Fe2+ presente. Nesse ponto, praticamente, todo o Ce4+ se reduziu a Ce3+ e, praticamente, todo o Fe2+ se oxidou em Fe3+. Dessa forma, e a partir da estequiometria da reação de oxidação-redução para o sistema Ce/Fe (HARRIS, et al. 2011), temos: Ce Fe Fe Ce + + + + + + Podemos concluir que: Ce Fe Ce Fe + + + + = = No ponto de equivalência, é conveniente usar ambas as semirreações de redução, conforme indicado a seguir, para determinar a diferença de potencial de célula eletroquímica. Assim:
0,767 V
1,70 V Fe e Fe E Ce e Ce E + + + + + − = + − = Nas equações de Nernst, E(PE) indica a diferença de potencial no ponto de equivalência: ( ) ( ) 0,767 0,060log 1,70 0,060log PE PE Fe E Fe Ce E Ce + + + + = − = −
Ambas as equações anteriores possuem uma relação algébrica válida. No entanto, nenhuma delas, isoladamente, permite-nos encontrar E(PE), pois não sabemos, exatamente, quais são as concentrações de Fe2+ e Ce4+ presentes. Podemos rearranjar essas equações, somando-as, e teremos a equação indicada a seguir: ( ) ( ) 0,767 1,70 0,060log 0,060log 2,467 0,060log PE PE Fe Ce E Fe Ce Fe Ce E Fe Ce + + + + + + + + = + − − = − Como estamos nos referindo ao ponto de equivalência e sabemos que [Ce3+] = [Fe3+] e [Ce4+] = [Fe2+], o resultado do quociente, contudo, será igual a 1 e, consequentemente, o logaritmo de 1 será igual a zero; desse modo, passamos a ter: ( ) ( ) ( ) 2,467 2,467 1,23 V PE PE PE E E E = = = Nessa titulação em particular, o potencial do sistema, no ponto de equivalência, é a média dos potenciais padrão para as duas semirreações, já que a quantidade de elétrons é igual a 1 em ambas. De modo geral, no ponto de equivalência do sistema, o potencial real do sistema é uma média aritmética ponderada dos potenciais padrões dos dois pares redox envolvidos na titulação, pode-se usar a seguinte equação (BACCAN et al., 1979): ( ) PE n E n E E n n + = + Onde n1 e n2 indicam o número de elétrons transferidos em cada uma das semirreações. APÓS O PONTO DE EQUIVALÊNCIA Por fim, calcularemos o potencial real do sistema após o ponto de equivalência, ou seja, quando 25,10 mL do titulante forem adicionados. Nesse ponto, praticamente, UNICESUMAR
Topico 5 - todos os átomos de ferro estão na forma de Fe3+. O número de mols de Ce3+ é igual ao número de mols de Fe3+ e existe um excesso conhecido de Ce4+ que não reagiu. Como sabemos a concentração de Ce3+ e de Ce4+, temos: 4+ 25 10 0,1000 2,50 10 25,10 10 0,1000 2,51 10 Logo, o número de mols de Ce que sobraram: formado formado adicionado adicionado sobraram adicionado nCe nFe nCe mol nCe nCe mol nCe nCe nCe + + − + − + − + − + + + = = × × = × = × × = × = − 2,51 10 2,50 10 1,00 10 inicial sobraram sobraram nCe nCe mol + − − + − = × − × = × Assim, calculamos o potencial E: 0,060log 1,00 10 1,44 0,060log 2,50 10 1,30 V nCe E E nCe E E + + − − = + × = + × = Você pode encontrar o valor do potencial, usando o mesmo raciocínio, após a adição de 30,00, 42,50 e 50,00 mL da solução titulante (solução de Ce4+). Se você fizer os cálculos, deverá encontrar os seguintes valores de potencial: 1,40, 1,43 e 1,44 Volts, respectivamente. Interessante você notar que, para o volume de 50,00 mL de titulante, que é o dobro do volume de titulante necessário para atingir o ponto de equivalência, o potencial do sistema é igual ao potencial do par Ce4+/Ce3+. Podemos usar todos os valores calculados até aqui para construir um gráfico de potencial em função do volume de titulante. A Figura 3, a seguir, esboça a curva teórica dessa titulação, conforme os valores tabelados:
Figura 3 – Curva de titulação de 25,00 mL de uma solução de Fe2+ 0,1000 M com solução 0,1000 M de Ce4+ / Fonte: a autora. Descrição da Imagem: a figura apresenta um gráfico, tendo, no eixo y, os valores referentes ao potencial em volts, os quais são: 0,4; 0,8; 1,2; e 1,6. No eixo x, estão os valores de volume em mililitros de Ce4+, os quais são: 0,00; 20,0; e 40,0. No gráfico, há uma curva, em formato “S”, com as extremidades mais esticadas. A curva se inicia próximo ao valor 0,8 no eixo y e se finaliza no valor de 5 no eixo x. No centro da curva, aproximadamente, há o ponto de equivalência. Fim da descrição. Conforme a curva de titulação apresentada na Figura 3, podemos observar que o ponto de equivalência é indicado por um crescimento acentuado do potencial. O valor de E, calculado na metade do volume do ponto de equivalência (1/2 Ve), é o potencial formal do par Fe3+/Fe2+, já que a razão [Fe2+]/[Fe3+] é unitária nesse ponto. Isso implica que o potencial calculado em qualquer ponto dessa titulação depende, apenas, da razão entre os reagentes. O que nos leva a concluir que esse tipo de curva seja independente da diluição. Além disso, essa curva de titulação é simétrica e próxima ao ponto de equivalência, pois a estequiometria da reação é 1:1 do sistema Ce-Fe, descrito anteriormente. UNICESUMAR
Topico 5 - A curva para a titulação do Tl+ pelo IO3 - em meio ácido (HCl), conforme reação química a seguir, porém não é simétrica em torno do ponto de equivalência, pois a relação estequiométrica da reação é 2:1, e não 1:1. IO TI Cl H ICl TI H O − + − + − + + + + → + + A Figura 4 ilustra uma curva para a titulação do TI+ pelo IO3 - em solução de HCl: Figura 4 – Curva teórica para a titulação de 100,0 mL de TI+ 0,010 M com IO3- 0,010 M em HCl 1,00 M Fonte: Harris et al. (2012, p. 366). Descrição da Imagem: a figura apresenta um gráfico. Na coordenada y, há os valores de potencial em volts, os quais são: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; e 1,0. Na coordenada x, há os volumes de titulante (IO3-), os quais são: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 e 70. Uma linha, em formato “S”, parte da conexão entre as duas coordenadas e sobe até o valor de 0,5 no eixo y, onde inicia-se uma curvatura para a direita até a proximidade do valor 0,6 na coordenada y. A partir desse ponto, o gráfico segue em linha reta na indicação do volume 50, em relação à coordenada x, até as proximidades do potencial 1,0, em relação à coordenada y. A partir desse ponto, o gráfico se curva para a direita atingindo a proximidade do volume 70, em relação à coordenada x. Existe uma marcação, no gráfico, no ponto 0,85 da coordenada y e 50 da coordenada x, que indica o ponto de equivalência. Há uma marcação em 25 da coordenada x indicando 1⁄2 volume ponto equivalente. Fim da descrição.
O ponto de equivalência nessa titulação é em 0,842 Volts e, como podemos notar, não se situa no centro da subida acentuada da curva, como no caso da curva ilustrada na Figura 3. Fundamentos de Química Analítica Os livros de Química Analítica estão ainda mais recheados de conteúdo sobre titulação redox. Por isso, eu sugiro, como leitura, o capítulo 20, Aplicações das Titulações de Oxidação-Redução, do livro Fundamentos de Química Analítica, de Skoog. Nesse capítulo, você poderá se aprofundar e aproveitar melhor os detalhes desse tema. Esse livro encontra-se disponível na Biblioteca Digital da Unicesumar (BDU). INDICAÇÃO DE LIVRO De maneira análoga às titulações ácido-base, indicadores são usados para determinação do ponto final de uma titulação redox. Na volumetria ácido-base, dependendo das condições da titulação, é empregado um indicador adequado para que possamos observar o ponto de viragem. Para esse tipo de volumetria, o pH é levado em consideração. Da mesma maneira, nas titulações redox, são empregados indicadores para visualização do ponto final da titulação. No entanto, aqui, o potencial determina a mudança de cor da solução, em vez do pH. De modo geral, dois tipos de indicadores químicos são empregados para se obter os pontos finais em titulações redox: indicadores gerais (ou verdadeiros) e indicadores específicos (SKOOG et al., 2010). INDICADORES GERAIS Os indicadores gerais (ou verdadeiros) são substâncias que mudam de cor quando são oxidadas ou reduzidas, e as mudanças de cor dependem, somente, do potencial do sistema, e não da natureza química do analito e do titulante. Sua aplicação é mais ampla que a dos indicadores específicos. A mudança de cor do indicador redox verdadeiro pode ser indicada por meio de uma semirreação, conforme mostrado a seguir. Para título de didática, consideraremos Inox = indicador na forma oxidada e Inred = indicador na forma reduzida: UNICESUMAR
Topico 5 - ox red In ne In cor cor − + Se a reação do indicador é reversível, podemos escrever: [ ] [ ] / 0,0592 log red In In ox red ox In E E n In = − A cor do In-reduzido será observada quando: [ ] [ ] red ox In In ≥ E a cor do In-oxidado será observada quando: [ ] [ ] red ox In In ≤ Como a maioria dos indicadores de oxidação-redução observa o envolvimento de íons H+ em sua semirreação, é válido indicar a expressão: [ ] [ ] / 0,0592 log ox red red In In ox red x ox In xH ne In cor cor In E E n In H + − + + + = − Considerando as condições para a viragem dos indicadores [Inred]/[Inox]=10 e [Inred]/[Inox]=1/10, temos: / 0,0592 In In ox red E E n = ± Onde E0 é o potencial padrão de redução da semirreação do indicador. Essa equação mostra que um indicador exibe uma mudança de cor detectável quando um titulante fazer com que o potencial do sistema varie EI 0 ± 0,0592/n ou cerca de 0,118/n Volts. Se o ponto de equivalência da titulação é próximo do potencial de transição do indicador, então, a mudança de cor ocorrerá num intervalo de 0,118/n Volts, centrado no valor do potencial do indicador, sendo esse o critério de escolha de um indicador redox.
Um indicador bastante usual é a ferroína, cuja mudança de cor é de um azul-pálido (quase incolor) para vermelho, conforme ilustra a Figura 5. Figura 5 – Indicador ferroína na forma oxidada e na forma reduzida / Fonte: Harris et al. (2011, p. 368). Descrição da Imagem: a figura apresenta uma reação química. A primeira estrutura química, à direita, é composta por três anéis aromáticos condensados. Nos anéis aromáticos das extremidades, há um átomo de nitrogênio fazendo parte no anel em cada um. De cada átomo desse nitrogênio, sai uma ligação que se liga ao mesmo átomo de ferro-três. A parte da estrutura química composta pelos anéis aromáticos está entre parênteses e contém o número 3, como índice, na base inferior direita. A estrutura química como um todo está entre colchetes e contém, na parte superior direita, o número 3+. Ao lado direito dessa estrutura, há um sinal de “mais” e o símbolo “e-”, indicando elétron. Na sequência, existe uma indicação de dupla seta e, ao lado, outra estrutura química. Essa segunda estrutura é idêntica à primeira estrutura descrita. Entretanto, de cada átomo do nitrogênio, sai uma ligação que se liga ao mesmo átomo de ferro-dois e, na parte superior direita, há o número 3+, em vez de 2+. Fim da descrição. Para a ferroína, cujo potencial padrão E0 = 1,11 Volts, podemos esperar que a mudança de cor ocorra na faixa aproximada entre 1,05 e 1,17 Volts, em relação ao eletrodo padrão de hidrogênio. A Tabela 1 lista alguns indicadores redox e suas características. Observe que os indicadores funcionam em qualquer faixa de potencial até + 1,25 Volts. UNICESUMAR
Topico 5 - INDICADOR COR POTENCIAL DE TRANSIÇÃO (VOLTS), PH = 0 Forma Oxidada Forma reduzida Nitroferroína Azul pálido Vermelho + 1,25 Ácido 2,3-difenilaminodicarboxílico Azul violeta Incolor + 1,12 Ferroína Azul pálido Vermelho + 1,11 Ácido aminosulfônico Púrpura Incolor + 0,85 Difenilamina Violeta Incolor + 0,76 Difenilbenzidina Violeta Incolor + 0,76 Azul de metileno Azul Incolor + 0,53 Tabela 1 – Alguns indicadores redox e suas características / Fonte: Baccan et al. (1979, p. 100). INDICADORES ESPECÍFICOS Os indicadores específicos, por sua vez, são substâncias que reagem, de modo específico, com um dos participantes da reação (reagentes ou produtos) da titulação, para, então, produzir a mudança de cor. O amido é um dos indicadores específicos mais bem conhecido e amplamente usado em reações redox que envolvem o iodo como agente oxidante ou o iodeto como redutor. Em outras palavras, são reações que envolvem o amido e o par I2/I3 -, já que o amido forma um complexo azul-escuro com o íon triiodeto (I3 -). Dessa forma, serve como indicador do ponto final de titulações em que o iodo é produzido ou consumido (BACCAN et al., 1979). Outro indicador específico é o tiocianato de potássio (KSCN), que pode ser empregado na titulação de ferro(III) com solução de sulfato de titânio(III). O ponto final dessa titulação é indicado quando ocorre o desaparecimento da cor
vermelha, que é responsável pela formação do complexo FeSCN2+, o que implica a diminuição da concentração de ferro (III) no ponto de equivalência. Dentro da volumetria de oxidação-redução, vale destacar alguns tipos que são bastante comuns, tais como: Titulações envolvendo iodo. Permanganometria. Dicromatometria. A seguir, comentaremos cada um desses processos brevemente: as titulações envolvendo iodo, I2, podem ser usadas como agente oxidante moderado, e as que envolvem o iodeto, I-, como agente redutor moderado. ( ) ( ) Iodo como agente oxidante Iodo como agente redutor aq aq e e − − − − + → → + Quando um analito, com comportamento redutor, é titulado, diretamente, com solução padrão de iodo (I2), para produzir iodeto, em meio, levemente, ácido ou básico, temos o método conhecido como iodimetria. Já em relação ao método iodometria, um excesso de I- é adicionado a um analito oxidante para produzir iodo, que é, então, titulado com uma solução padrão de tiossulfato de sódio (redutor) (ROSA; GAUTO; GONÇALVES, 2013). O I2 é pouco solúvel em água, mas sua solubilidade aumenta pela complexação com o íon iodeto: ( ) aq − − + Quando nos referimos ao uso do ‘iodo’ como titulante, queremos dizer, de maneira genérica, que estamos usando uma solução de I2 mais excesso de I-. Com base na reação descrita anteriormente, um mol de I2 é equivalente a um mol de I3 -. As soluções preparadas pela dissolução de iodo, em uma solução de iodeto de leva em conta o comportamento estequiométrico dessas soluções. As soluções de iodo devem ser padronizadas antes de seu uso. O tiossulfato de sódio ou o tiossulfato de bário monoidratado pode ser empregado com essa finalidade. Contudo, soluções de iodo são padronizadas, normalmente, com soluções de UNICESUMAR
Topico 5 - tiossulfato de sódio, que, por sua vez, foram padronizadas com soluções de iodato de potássio (ou dicromato de potássio). Há um método envolvendo permanganato, conhecido como permanganometria. Nessa análise, é empregada uma solução padrão de permanganato de potássio (KMnO4). O KMnO4 é um forte agente oxidante com cor violeta intensa e há três reações possíveis do MnO4 -, conforme o pH: EM PH FORTEMENTE ÁCIDO violeta incolor MnO H e Mn H O − + − + + + → + EM PH NEUTRO OU LEVEMENTE ALCALINO ( ) precipitado marrom s MnO H e MnO H O − + − + + → + EM PH FORTEMENTE ALCALINO verde MnO e MnO − − − + Quando a titulação é feita em meio fortemente ácido, o KMnO4 serve como seu próprio indicador. Vale ressaltar que a solução de permanganato de potássio não é um padrão primário e, por isso, deve ser sempre padronizada, previamente, a seu uso. O oxalato de sódio (Na2C2O4) é um padrão primário e pode ser empregado na titulação para padronizar a solução de KMnO4. Dicromatometria emprega a solução padrão de dicromato de potássio, K2Cr2O7 e em suas aplicações analíticas, e o íon dicromato é reduzido ao íon verde cromo (III): 2- -
1,33V Cr O H e Cr H O E + + + + + = Geralmente, as titulações empregando o dicromato são realizadas em soluções preparadas em meio ácido (HCl ou H2SO4). Soluções de dicromato de potássio são bastante estáveis, podem ser fervidas sem decomposição. As desvantagens do dicromato de potássio, quando comparadas ao íon permanganato, por exemplo, são o baixo potencial de eletrodo e a lentidão de sua reação com certos agentes redutores. A principal aplicação de dicromato de potássio é na titulação de ferro (II), baseada na seguinte reação (SKOOG, et al.2010):
2-
Cr O H Fe Cr Fe H O + + + + + + → + + Reações de oxidação-redução, bem como volumetria redox fazem parte de um contexto importante na Química. Esses tipos de reações estão presentes em tantos outros assuntos dentro da química, além de estarem presentes na nossa vida diariamente. Volumetria de oxidação-redução tem uma vasta gama de aplicações, desde análise de qualidade de solos e da água, determinações de fármacos até determinação de metais em diversos tipos de amostras. A permanganometria é um tipo de titulação redox, na qual o permanganato de potássio é usado como agente oxidante para determinação volumétrica de um agente redutor. Podemos citar o caso do Minoxidil, um fármaco que faz parte de formulações farmacêuticas indicado no controle da hipertensão arterial e no tratamento da alopécia areata (tipo de calvície) (SOUZA; CAVALHEIRO, 2009). Nesse caso, a permanganometria é empregada no controle de qualidade da determinação de Minoxidil em formulações para uso tópico, principalmente nas formulações preparadas por farmácias de manipulação. O emprego desse tipo de titulação se torna viável, pois exige baixo investimento sem precisar de instrumentação sofisticada, além de ser simples e rápido. Esse tipo de volumetria de oxidação-redução, com o emprego do permanganato (análise permanganométrica), é bastante comum, também, na determinação da porcentagem de peróxido de hidrogênio em amostras de água oxigenada comercial. NOVOS DESAFIOS Tanto a vitamina C como a composição de supercondutores podem ser medidas com iodo, ou melhor, por meio de uma titulação redox. Técnicas de cloração e ozonização têm sido empregadas para desinfecção de água de abastecimento. No entanto o excesso desses componentes pode causar danos à saúde. Assim, análises iodométricas podem ser realizadas com o intuito de controlar essas substancias na água. No caso das análises que envolvem titulações iodométricas, podem ser empregadas nas determinações de halogênios, determinação de ozônio, determinação de cério e determinação de ferro (Fe3+). Já nas titulações iodimétricas, podem ser usadas para a determinação de água pelo método Karl Fischer, de estanho (Sn2+) e de arsênio (As (III)). UNICESUMAR
Por que as soluções padrão de redutores são utilizadas menos frequentemente em titulações que as soluções padrão de oxidante? 2. Como uma curva de titulação redox é gerada por meio do uso de potenciais padrão de eletrodo para as espécies do analito e do titulante volumétrico? 3. Sob que circunstâncias uma curva de titulação redox é assimétrica ao redor do ponto de equivalência? 4. Descreva como você prepararia 2,0 L de uma solução, aproximadamente, 0,010 mol/L de KMnO4. (MM = 158,03 g/mol). 5. As soluções aquosas contendo, aproximadamente, 3% (m/m) de H2O2 são vendidas em farmácias como desinfetantes. Proponha um método para determinação da quantidade de peróxido dessas preparações, empregando solução padrão de KMnO4 0,01145 mol/L. Considere que você deseja utilizar entre 35 e 45 mL do reagente na titulação. A reação é:
H O MnO H O Mn H O − + + + + → + + VAMOS PRATICAR
REFERÊNCIAS BACCAN, N. et al. Química analítica quantitativa elementar. São Paulo: Edgard Blücher, 1979. BROWN, T. L. et al. Química: a ciência central. 13. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2016. HARRIS, D. C.; BARCIA, O. E.; AFONSO, J. C. Análise química quantitativa. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. HARRIS, D. C. et al. Explorando a Química Analítica. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011. MANELA-AZULAY, M. et al. Vitamina C. Anais Brasileiros de Dermatologia, Rio de Janeiro, v. 78, n. 3, p. 265-274, maio/jun. 2003. ROSA, G.; GAUTO, M.; GONÇALVES, F. Química Analítica: práticas de laboratório. Porto Alegre: Bookman, 2013. SKOOG, D. A. et al. Fundamentos de Química Analítica. 8. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2010. SOUZA, R. A.; CAVALHEIRO, E. T. G. Determinação de Minoxidil em formulações farmacêuticas usando permanganometria. Eclética Química Journal, São Paulo, v. 34, n. 3, p. 41-49, 2009.
Soluções padrão de KMnO4 são utilizadas, raramente, para titular soluções contendo HCl, em virtude da tendência de o Cl- ser oxidado em Cl2 pelo MnO4-,causando, assim, um consumo maior de Mn4 -. 2. Para pontos antes da equivalência, os dados dos potenciais são computados a partir do potencial padrão do analito e das concentrações analíticas do analito e de seu(s) produto(s) de reação. Dados, após o ponto de equivalência, são baseados no potencial padrão do titulante e na sua concentração analítica. O potencial do ponto de equivalência é calculado por meio dos dois potenciais padrão e da relação estequiométrica entre o analito e o titulante. 3. Uma curva de titulação assimétrica será encontrada sempre que o titulante e o analito reagirem em proporções diferentes de 1:1. 4. Primeiramente, devemos encontrar a quantidade de mols de KMnO4 necessários. Podemos calcular da seguinte forma: [ ] 0,010 2,0 0,02
n n n mol de KMnO = = × = Por uma regra de três simples, determinamos a quantidade de massa necessária:
158,03 0,02
Vamos determinar a quantidade de mols de KMnO4 em 35 e 45 mL do reagente: 35 10 0,01145 4,01 10 45 10 0,01145 5,15 10 KMnO KMnO KMnO KMnO Para mL n n mol Para mL n n mol − − − − = × × = × = × × = × Pela estequiometria da reação, determinamos a quantidade de mol de H2O2 consumida por 4,01x10-3 mol de KMnO4:
4,01 10 1,00 10
E,
5,15 10 1,29 10
( ) -3
1,0 10 0,034
/ : 0,034 1,13 ,
mol H O g y y g H O Da porcentagem m m g amostra g H O z g z g amostra E mol H O × = = ( ) -3 1,29 10 0,044
UNIDADE 6
MINHAS METAS MÉTODOS CROMATOGRÁFICOS Aprender cromatografia. Conhecer como se dá o desenvolvimento de uma análise cromatográfica. Explorar os tipos de cromatografia existentes. T E M A D E A P R E N D I Z A G E M 6
INICIE SUA JORNADA Os métodos cromatográficos são destaques entre as análises qualitativas e quantitativas, pois oferecem uma variedade de técnicas e um amplo campo de aplicações, como a determinação de cafeína em uma bebida e a análise de analgésicos. Os componentes de uma amostra podem ser separados, identificados e quantificados por meio da cromatografia. Esta possibilita a determinação de inúmeras substâncias em uma diversidade de amostras, isolada ou em conjunto com outras técnicas instrumentais. Há desde os métodos cromatográficos mais simples e de baixo custo, como a cromatografia planar, até os mais complexos e de alto custo, como a cromatografia líquida de alta eficiência. Você saberia dizer como é possível averiguar se uma substância está presente em uma amostra de sangue, qual método usar e como identificar a substância? Saberia, ainda, como é possível determinar qual é o princípio ativo de um medicamento? VAMOS RECORDAR? A cromatografia faz uso de uma fase estacionária e uma fase móvel para separar os componentes de uma amostra, permitindo a identificação e quantificação de um analito presente em uma amostra de sangue, assim como de uma substância responsável pelo efeito de um medicamento, por exemplo. A cromatografia do tipo líquida de alta eficiência pode ser utilizada na determinação de substâncias presentes em medicamentos, como o ácido acetilsalicílico e a cafeína presentes em analgésicos. Para essa análise, um comprimido, contendo ácido acetilsalicílico e cafeína, é triturado e dissolvido em metanol. A fase estacionária é uma coluna de carbono, enquanto as fases móveis são soluções com diferentes concentrações de metanol e solução tampão. É preciso fazer o uso de um equipamento, o cromatógrafo a líquido equipado com uma bomba e um detector por absorbância no ultravioleta. Após ajustar às condições de operação do cromatógrafo, a amostra é injetada nele e, ao final da análise, obtém-se um cromatograma, gráfico que permite identificar e quantificar as substâncias. Ao escolher a fase móvel que proporciona a melhor separação dos componentes, realiza-se a análise também com soluções individuais de ácido acetilsalicílico e cafeína para comparar com o cromatograma da amostra e confirmar a identificação de cada substância (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). Na cromatografia em coluna, a fase estacionária é uma coluna cromatográfica preparada com um sólido finamente dividido, e a fase móvel é um solvente ou um gás. A cromatografia em coluna pode ser utilizada para separar os pigmentos presentes em extratos vegetais, como extrato de espinafre e extrato de pimentão. UNICESUMAR
Topico 6 - VAMOS RECORDAR? No tratamento de resíduos industriais, seja de uma indústria têxtil, alimentícia, seja cosmética, é comum o uso de corantes; por isso, os efluentes contêm um ou mais corantes, e, muitas vezes, há a necessidade de separá-los antes de serem descartados no meio ambiente e, em alguns casos, podem ser reutilizados. Imagine uma mistura contendo os corantes azul de metileno e alaranjado de metila. A cromatografia em coluna pode ser utilizada para separá-los. A mistura a ser separada é colocada em uma bureta, utilizada como coluna cromatográfica. No caso da mistura de azul de metileno e alaranjado de metila, usando-se como fase estacionária a sílica gel (óxido de silício) e etanol como fase móvel, qual corante percorrerá a coluna primeiro, ou seja, qual se deslocará mais rapidamente pela coluna e será recolhido primeiro? Pesquise o que pode determinar as velocidades de deslocamento dos corantes pela coluna. A partir disso, responda qual você acredita que ficará retido por mais tempo na fase estacionária e qual se deslocará rapidamente. DESENVOLVA SEU POTENCIAL O termo cromatografia é proveniente das palavras gregas chroma e graphein, que significam cor e grafia, respectivamente. Esse significado se originou das primeiras aplicações da técnica, que foi utilizada em 1906 pelo botânico russo Mikhail Tswett, para isolar os pigmentos de extratos de folhas, xantofilas e clorofilas. Para o isolamento, os pigmentos percorreram uma coluna constituída de carbonato de cálcio e foram arrastados pela adição do solvente éter de petróleo.
Por serem substâncias com estruturas químicas diferentes, as velocidades de deslocamento dos pigmentos pela coluna foram diferentes, o que resultou na separação deles. A separação pôde ser visualizada, pois cada pigmento apresentava uma cor característica (SKOOG et al., 2006; COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). A cromatografia é uma análise físico-química que se desdobra em uma ampla gama de métodos. Utilizada desde em torno de 1906, ela evoluiu e ocupa, hoje, lugar de destaque entre os métodos modernos de análise. A cromatografia é realizada quando se objetiva a separação, identificação e/ou quantificação das substâncias constituintes de uma amostra, também chamados analitos de interesse. Primeiramente, os analitos de interesse são separados para, em seguida, serem identificados e quantificados. Assim, denomina-se cromatografia preparativa, quando realizada para a separação dos analitos, e cromatografia analítica a que é realizada para qualificar e quantificar os analitos. A cromatografia analítica necessita do uso de equipamentos cromatográficos integrados em detectores específicos (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Quando se objetiva a separação, identificação e/ ou quantificação das substâncias constituintes de uma amostra UNICESUMAR
Topico 6 - Na cromatografia, os componentes de uma amostra são separados com base nas diferenças de velocidade, os quais são transportados por uma fase móvel, por meio de uma fase fixa, a fase estacionária. A fase estacionária é sólida ou líquida, e a fase móvel é líquida ou gasosa. As substâncias a serem separadas são deslocadas pela fase móvel e, assim, avançam pela fase estacionária até serem liberadas da coluna cromatográfica. Quando a fase móvel é líquida, o solvente, ou mistura de solventes, utilizado é denominado eluente, e a separação ocorre pelo processo chamado eluição: os solutos de uma mistura são levados através da fase estacionária pelo movimento de uma fase móvel (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Ao avançar por este tema de aprendizagem, você perceberá que há alguns termos recorrentes, são eles: Fase móvel: deslocamento das substâncias. Fase estacionária: fixação das substâncias. Eluente: solvente ou mistura de solventes utilizado como fase móvel. Eluição: movimento dos solutos através da fase estacionária. Analito: substância que se deseja separar, identificar e/ou quantificar. As substâncias a serem separadas apresentam diferenças em suas características físicas e químicas, como polaridade, volatilidade, tamanho, forma molecular, o que faz com que cada uma migre pela fase estacionária em uma velocidade diferente, resultando em sua separação (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Essas características determinam a escolha da fase estacionária e da fase móvel em um método cromatográfico, pois uma substância, que apresenta maior afinidade com a fase móvel do que com a fase estacionária, será movida mais rapidamente e recolhida da coluna em menor tempo que uma substância que apresenta mais afinidade com a fase estacionária, recolhida posteriormente, uma vez que apresenta maior tempo de retenção na fase que é fixa. Na Figura 1, uma bureta é usada como coluna cromatográfica. A fase estacionária é uma pasta de sílica gel, preparada com sílica gel em pó e etanol, e a fase móvel é o solvente etanol. Observe que o corante amarelo é eluído antes do corante azul, ou seja, o corante amarelo apresenta mais afinidade com o eluente do que o corante azul, ficando menos tempo retido na fase estacionária, e o corante
azul apresenta maior afinidade com a fase estacionária e, por isso, permanece retido no topo da coluna cromatográfica. Para retirar o corante azul da fase estacionária, é necessário mudar de fase móvel e adicionar um solvente que tenha interações mais fortes com esse corante que a sílica gel tem, para que o corante azul percole pela coluna e seja retirado. Figura 1 – Cromatografia em coluna: separação dos corantes de uma mistura Fonte: a autora. Descrição da Imagem: a imagem apresenta a cromatografia em coluna. A coluna cromatográfica é uma bureta (vidraria de laboratório que contém marcações para se medir o volume e uma torneira que permite a saída do líquido contido nela). Na bureta, contém sílica como fase estacionária e uma mistura contendo dois corantes, um amarelo e outro azul. O corante azul está no topo da coluna, enquanto o amarelo está no final. Para conhecer melhor a sílica, amplamente utilizada como fase estacionária na cromatografia, você pode fazer a leitura do artigo A Sílica e suas Particularidades: http://static.sites.sbq.org.br/rvq.sbq.org.br/pdf/GomesLNoPrelo.pdf. EU INDICO UNICESUMAR
Topico 6 - De acordo com a estrutura física da fase estacionária, a cromatografia é dividida em cromatografia planar e cromatografia em coluna. Na cromatografia planar, a fase estacionária é disposta sobre uma superfície plana, podendo ser líquida ou sólida. Desse modo, é denominada cromatografia em papel (CP), quando a fase estacionária é líquida; e cromatografia em camada delgada (CCD), quando a fase estacionária é sólida ou ligada a um sólido. Tanto na CP quanto na CCD a fase móvel é líquida (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). CROMATOGRAFIA EM COLUNA A cromatografia em coluna engloba a maior parte dos métodos cromatográficos. Nessa técnica, a fase estacionária é disposta sobre um tubo cilíndrico, que é a coluna cromatográfica. Os tubos cilíndricos podem ser preenchidos com a fase estacionária sob a forma de partículas ou como estrutura sólida contínua e altamente porosa. Quando a fase estacionária está na forma de partículas, a coluna é do tipo empacotada, e quando a fase estacionária é um sólido poroso, a coluna é do tipo monolítica. De acordo com o diâmetro interno do tubo cilíndrico, as colunas cromatográficas dividem-se em (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006): Preparativas: 6 - 50 mm. Analíticas: 2 - 6 mm. Microdiâmetro: 1 - 2 mm. Capilares: < 1 mm. As colunas preparativas e analíticas apresentam a fase estacionária na forma de partículas, e as colunas com microdiâmetro e capilares podem possuir a fase estacionária também particulada ou sob a forma de um filme. A fase estacionária pode ser um sólido ou um líquido que recobre a superfície do sólido contido na coluna cromatográfica ou está quimicamente ligado a ele (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). As variações no estado físico da fase móvel e da fase estacionária classificam a cromatografia em coluna, conforme descrito na Quadro 1:
FASE MÓVEL FASE ESTACIONÁRIA TIPO DE CROMATOGRAFIA Gás Líquido. Sólido. Fase ligada. Cromatografia Gás-Líquido. Cromatografia Gás-Sólido. Cromatografia Gás-Fase Ligada. Cromatografia Gasosa-Quiral. Líquido Líquido. Sólido. Fase ligada. Cromatografia Líquido-Líquido. Cromatografia Líquido-Sólido. Cromatografia por Exclusão. Cromatografia Líquido-Fase ligada. Cromatografia Líquido-Quiral. Cromatografia por Troca Iônica. Cromatografia por Bioafinidade. Fluido supercrítico Sólido. Fase ligada. Cromatografia Sólido-Sólido. Cromatografia Sólido-Fase ligada. Quadro 1 – Classificações da cromatografia em coluna Fonte: a autora. Na cromatografia planar, a fase estacionária é um papel ou um pó mantido em um suporte físico, geralmente uma placa, na qual o eluente e o analito se deslocam devido à capilaridade. Na cromatografia em coluna, a fase móvel desloca o analito pela fase estacionária, por meio da ação da gravidade ou por uma pressão exercida no topo da coluna (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). UNICESUMAR
Topico 6 - A cromatografia apresenta também uma outra classificação baseada na polaridade das fases estacionária e móvel. Quando a fase estacionária é mais polar que a fase móvel, denomina-se cromatografia líquida com fase normal, e quando a fase estacionária é mais apolar que a fase móvel, tem-se a cromatografia com fase reversa. A classificação mais importante é baseada no mecanismo de separação dos analitos de interesse, que pode ser físico, químico ou mecânico. Os mecanismos físicos são de sorção e se dividem em adsorção e partição. A adsorção ocorre quando os analitos são retidos na superfície da fase estacionária, enquanto na partição ocorre a absorção, e os analitos permeiam o volume da fase estacionária. Por conseguinte, fases estacionárias sólidas levam à separação por adsorção, e fases estacionárias líquidas, por partição. Quando o mecanismo de separação é químico, denomina-se cromatografia por troca iônica, e quando é mecânico, cromatografia por exclusão (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). A CP é um tipo de cromatografia líquido-líquido, em que a fase móvel é um solvente, e a fase estacionária líquida é fixada em um papel filtro, de elevada pureza e uniformidade. A técnica é útil para a separação dos componentes de uma mistura e para a análise qualitativa, é simples de ser realizada e necessita de uma pequena quantidade de amostra, que deve estar dissolvida em um solvente volátil. A separação dos componentes por CP ocorre pelo mecanismo de partição, que é baseado nas diferentes solubilidades que esses componentes possuem na fase móvel e na estacionária (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Líquidos polares são utilizados como fase estacionária, pois o papel contém celulose, que é uma substância polar formada por unidades de glicose. Portanto, solventes polares terão afinidade com as hidroxilas das moléculas de glicose e serão retidos no papel. A água é bastante utilizada como fase estacionária na CP, e os solventes orgânicos, que são menos polares, funcionam como fase móvel. O procedimento mais comumente utilizado em CP é a cromatografia ascendente. A separação dos componentes da amostra ocorre por capilaridade: os componentes são deslocados pela fase móvel de baixo para cima no papel. Esse procedimento faz uso de uma cuba cromatográfica, que funciona como reservatório para o solvente da fase móvel e mantém o papel suspenso verticalmente, como pode ser observado na Figura 2.
A largura e o comprimento do papel dependem da cuba cromatográfica que será utilizada. A cuba é vedada com uma tampa fechada hermeticamente para não haver a perda dos vapores da fase móvel. Para realizar a CP, duas marcações são feitas na folha de papel: o ponto de partida, que corresponde ao local de aplicação da amostra, e o ponto de chegada ou frente do solvente, local de chegada da fase móvel. As marcações são feitas com lápis, pois canetas possuem tinta que são também arrastadas pelo solvente e isso interfere na análise. A amostra não pode ter contato direto com o solvente da fase móvel, por isso o ponto de partida deve ficar acima do solvente, e o ponto de chegada é em torno de 10 cm do ponto de partida (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Figura 2 – Representação da cromatografia em papel (CP) / Fonte: a autora. Descrição da Imagem: a Figura mostra como ocorre a cromatografia em papel. Há uma cuba cromatográfica tampada, e dentro dela há uma quantidade de solvente correspondente à fase móvel e ao papel cromatográfico. O papel está pendurado para não mergulhar na fase móvel e se manter na posição vertical. No centro do papel, há manchas de diferentes cores que representam a separação de cada substância colorida. UNICESUMAR
Topico 6 - A separação começa quando a fase móvel inicia seu movimento em sentido ascendente, por capilaridade, e desloca as substâncias constituintes da amostra, que, em geral, são coloridas. Por isso, à medida que a separação ocorre, a cor da amostra se desdobra em outras cores, pois cada cor corresponde a uma substância (Figura 3). Quando a solução da amostra é incolor, é necessário utilizar um agente revelador, como a luz ultravioleta, que torna as substâncias separadas visíveis. Figura 3 – Distâncias percorridas pelos componentes de uma mistura quando submetidos à cromatografia em papel (CP) / Fonte: Coelho (2012, on-line). Descrição da Imagem: A figura representa uma escala sobre um retângulo azul, mostrando suas medidas em centímetros. A escala é composta por vários níveis de tamanhos diferentes, com um ponto de partida e um ponto de chegada. No nível 9 cm há um círculo de cor rosa, no nível 7cm há um círculo de cor verde e no nível 3 cm há um círculo de cor amarela. Nota-se que a substância de cor rosa é mais solúvel na fase móvel que na fase estacionária, comparando-se com as substâncias verde e amarela, pois percorreu uma distância maior (9 cm), sendo deslocada pela fase móvel, assim como a mancha amarela corresponde a uma substância mais solúvel na fase estacionária, que percorreu apenas 4 cm. Em geral, a fase estacionária é mais polar que a fase móvel (cromatografia com fase normal), o que indica que a substância rosa é a menos polar das três, por possuir mais afinidade com a fase móvel, e a amarela é a mais polar, por possuir mais afinidade com a fase estacionária. Na CP, os analitos de interesse são identificados pelas cores das manchas presentes no papel e pelo chamado fator de retenção, Rf, que possui um valor característico para cada substância. O valor de Rf é a razão entre a distância percorrida pela substância, distância do ponto de partida até o centro da mancha, e a distância percorrida pela fase móvel (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Essas distâncias são medidas com uma régua em um tempo determinado. Na cromatografia com fase normal, as substâncias hidrófilas permanecem mais próximas ao ponto de partida, apresentando menor Rf por serem mais solúveis na fase
estacionária polar, enquanto as substâncias hidrófobas têm maior proximidade com o ponto de chegada, apresentando maior Rf , por serem mais solúveis na fase móvel apolar. Para a identificação dos analitos, é necessário o uso de padrões, que são aplicados ao lado da amostra para se fazer a comparação dos Rf . Cada padrão tem o seu valor de Rf conhecido. O intervalo entre os pontos de aplicação, entre as amostras ou entre amostra e padrão deve ser de 1,5 a 2,0 cm. O padrão e a amostra precisam ser submetidos às mesmas condições de análise (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Para que as manchas estejam separadas e possam ser identificadas pela CP, a análise precisa apresentar uma boa resolução e uma distância mínima entre duas manchas que permite distingui-las. A resolução é afetada pelas características do papel, da fase móvel e pela temperatura da análise. Para minimizar os efeitos dessas variáveis, faz-se o uso do padrão interno ou de uma solução padrão preparada de maneira idêntica ou o mais semelhantemente possível à amostra (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). A quantidade de amostra aplicada também influencia na resolução. Quanto menor a quantidade, maior a probabilidade de uma boa resolução. Prepara-se uma solução com uma massa de 1 a 100 mg de amostra dissolvida em um solvente volátil, sendo os mais comuns, éter de petróleo, clorofórmio, etanol e acetato de etila. A aplicação deve resultar em uma mancha que tenha no máximo em torno de 0,5 cm de diâmetro (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). FASE NORMAL Na cromatografia com fase normal, quando a fase estacionária é a água, o papel é saturado com vapor de água, ou quando é uma solução aquosa, o papel é saturado com o vapor de água e do solvente utilizado. Já quando a fase estacionária não é aquosa, o papel é embebido em uma solução de acetona e dimetilformamida por 10 a 15 minutos, aguarda-se secar e pode ser utilizado (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). FASE REVERSA Na cromatografia com fase reversa, visto que a fase estacionária é apolar, o papel é tratado com substâncias hidrófobas, como parafina e silicona, que são dissolvidas em solventes orgânicos para se obter soluções de 5% a 10%. Deixa-se o papel imerso na solução por 5 minutos e, após, retira-se da solução para que o solvente evapore e o papel fique pronto para uso (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). Quanto menor a quantidade, maior a probabilidade de uma boa resolução UNICESUMAR
Topico 6 - A CP termina quando a fase móvel atinge a linha de chegada. O papel é, então, retirado da cuba cromatográfica e seco com ar frio ou quente. As substâncias coloridas são visíveis e detectadas pelas cores das manchas e valor de Rf , mas as substâncias incolores não são visíveis e necessitam de um método de detecção, que pode ser químico, físico ou biológico. Cada amostra é uma mistura de compostos que necessita de um tipo de solução reveladora, e, por isso, há muitos tipos de soluções reveladoras que podem ser encontradas na literatura, assim como o seu procedimento de preparo e quais substâncias consegue detectar. MÉTODOS QUÍMICOS Os métodos químicos fazem uso de uma solução reveladora, que é borrifada sobre o papel e forma compostos coloridos que permitem a detecção (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). MÉTODOS FÍSICOS Os métodos físicos fazem uso da radiação ultravioleta (UV), e as substâncias que absorvem a luz UV tornam-se fluorescentes e, assim, consegue-se detectá-las (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). MÉTODOS BIOLÓGICOS Os métodos biológicos realizam a bioautografia para detectar antibióticos, procedimento que coloca o papel em que foi realizada a CP em contato com ágar inoculado com os micro-organismos e, após o período de incubação, verifica-se se houve ou não a formação de halos de inibição, pois somente os antibióticos inibem a proliferação de determinados micro-organismos, sendo que outras substâncias não têm esse efeito (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). A CP possui aplicações muito interessantes, desde a separação de pigmentos presentes em extratos vegetais, como na investigação de crimes. Os peritos criminais realizam a CP para comparar amostras encontradas nas cenas de crimes com amostras de suspeitos, como uma amostra de sangue, um alimento envenenado ou, até mesmo, uma tinta de caneta tóxica. A comparação das amostras encontradas com amostras suspeitas leva a conclusões que podem solucionar ou auxiliar na resolução dos casos.
A cromatografia por adsorção ou líquido-sólido é um tipo de cromatografia em coluna, em que a fase estacionária é sólida, e a fase móvel é líquida. A diferença de polaridade dos componentes da amostra ocasiona a sua separação, sendo absorvidos pela fase estacionária e solubilizados na fase móvel. A separação se baseia nas atrações intermoleculares, dipolo permanente, dipolo induzido e ligações de hidrogênio entre analito e adsorvente, na fase estacionária. As diferenças nessas forças de atração entre cada analito e o adsorvente resulta na separação. Por exemplo, na cromatografia com fase normal, compostos com maior polaridade são mais atraídos pela fase estacionária que pela fase móvel e ficam retidos por mais tempo, e os mais apolares são deslocados mais rapidamente pela fase móvel, que é mais apolar que a estacionária (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Na cromatografia por adsorção, a coluna é um tubo de vidro utilizado na posição vertical, podendo ser uma bureta, como vimos na Figura 1, dependendo da quantidade de amostra que será cromatografada. A extremidade superior da coluna é aberta, local em que é adicionado a amostra e o eluente, e a extremidade inferior é fechada e termina em uma torneira, permitindo a saída do eluente e dos analitos de interesse, que são recolhidos em recipientes coletores. Na extremidade inferior, usa-se lã de vidro para sustentar o adsorvente (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). UNICESUMAR
Topico 6 - O preenchimento da coluna deve ser uniforme. A entrada de ar entre as partículas, assim como rachaduras na coluna, é extremamente prejudicial à separação; por isso, prepara-se uma pasta com o adsorvente. O pó do sólido adsorvente é misturado com o eluente escolhido para a fase móvel até formar uma pasta, que é adicionada na coluna, contendo certa quantidade do eluente. A adição é feita aos poucos para assentar o adsorvente gradualmente na coluna. Tanto no preenchimento quanto durante a eluição, o adsorvente precisa ser mantido úmido, sempre com a fase móvel em nível acima dele, pois não pode secar, para evitar as rachaduras. O tamanho das partículas dos adsorventes utilizados em cromatografia por adsorção é da ordem de 63 a 200 µm, e os mais utilizados são a sílica gel e a alumina, adsorventes polares que retêm substâncias polares. A sílica gel possui átomos de oxigênio e grupos silanóis (Si-OH) em sua estrutura, os quais formam pontes de hidrogênio com os analitos e, assim, os adsorvem. A alumina possui grupos hidroxila (OH) pelos quais realiza a adsorção (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006). O eluente ou mistura de eluentes escolhido é aquele que consegue dessorver o adsorvato, ou seja, consegue remover a substância adsorvida na fase estacionária. É necessário o uso de diferentes eluentes para se alterar o grau de polaridade da fase móvel e retirar todos os analitos de interesse da coluna, pois eluentes menos polares, como os éteres, retiram da coluna somente os analitos mais apolares, já os analitos mais polares necessitam de eluentes polares, como a água e os álcoois. No caso de analitos com polaridades semelhantes, é necessário ordenar a saída desses analitos da coluna para que um não interfira na eluição do outro. Isso é feito usando-se o gradiente de eluição, que é o uso crescente da polaridade dos eluentes, objetivando a liberação de todos os analitos da coluna. Para isso, pode ordem crescente de polaridade, em que os solventes bastante utilizados são: hexano, éter de petróleo, tolueno, diclorometano, clorofórmio, acetato de etila, acetona, etanol, metanol e ácido acético (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). A separação dos componentes na cromatografia por adsorção resulta na formação de bandas, que Para que a separação seja mais completa quanto possível e a substância separada tenha alto grau de pureza
podem ser visualizadas, quando são coloridas (como as manchas em CP). Cada banda corresponde a uma substância, e para que uma banda não interfira na banda adjacente, ou seja, para que a separação seja mais completa quanto possível e a substância separada tenha alto grau de pureza, a fase móvel deve ser apenas fracamente adsorvida pela fase estacionária e propiciar o desenvolvimento da corrida cromatográfica. Que significa o deslocamento do analito de tal forma que ele seja bem distribuído dentro da coluna e tenha um certo grau de adsorção, para que, assim, cada banda formada seja estreita e bem separadas umas das outras. A separação de uma mistura pode ser alcançada, usando-se uma única fase móvel, chama-se eluição isocrática; no entanto, na maioria das vezes, é necessário alterar o grau de polaridade da fase móvel, usando-se uma série eluotrópica (eluição por gradiente). A cromatografia por adsorção possui inúmeras aplicações, sendo bastante utilizada para a separação de produtos naturais e separação e purificação de produtos obtidos por síntese orgânica (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Os simples procedimentos cromatográficos de coluna, ainda muito utilizados, desenvolveram-se e se aprimoraram, dando origem ao tipo mais versátil e extensivamente empregado de cromatografia: cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Em inglês, a CLAE recebe a sigla HPLC (High Performance Liquid Chromatography). A CLAE é a cromatografia capaz de analisar a maior diversidade de analitos e recebe esse nome devido à elevada resolução obtida nas determinações em poucos minutos, causada pelo uso de altas pressões e pequenas partículas contidas na coluna cromatográfica (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). A separação ocorre pelo mesmo motivo que nos outros tipos de técnicas, diferenças na velocidade de deslocamento dos analitos e, dependendo do método utilizado, a CLAE pode ser de seis tipos: ■Líquido-sólido ou adsorção. ■Líquido-líquido ou partição. ■Troca iônica. ■Exclusão por tamanho. ■Afinidade. ■Quiral. UNICESUMAR
Topico 6 - A CLAE é uma técnica analítica efetuada para a separação, identificação e quantificação dos componentes de uma amostra, enquanto a cromatografia líquida clássica é uma técnica preparativa, que somente separa os componentes e necessita de outras análises instrumentais para qualificá-los e quantificá-los (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Nas cromatografias líquidas preparativas, as colunas são preenchidas com partículas de diâmetro entre 60 e 200 µm, e a fase móvel percorre a coluna pela ação da gravidade. Na CLAE, as colunas são preenchidas com partículas de diâmetro entre 3 e 10 µm, e a fase móvel líquida é pressurizada por meio do uso de bombas específicas que elevam a pressão até em torno de 200 atm. A redução do diâmetro das partículas faz com que todos os caminhos que o analito possa percorrer pela coluna sejam semelhantes (Figura 4), ou seja, partículas menores propiciam caminhos mais uniformes. Assim, moléculas do mesmo analito apresentarão tempos de retenção na coluna iguais ou bastante semelhantes, o que aumenta a eficiência da separação (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Figura 4 – Diferença de caminhos de um analito dentro de uma coluna recheada em função dos diferentes diâmetros de partículas utilizados / Fonte: adaptada de Dias et al. (2014). Descrição da Imagem: temos duas colunas cromatográficas na posição vertical, uma ao lado da outra para a comparação. Na primeira, à esquerda, a coluna está preenchida com partículas de diâmetro maior e há duas linhas representando dois caminhos diferentes que podem ser percorridos pelo mesmo analito: um é o caminho curto, representado por uma linha reta do começo ao fim da coluna, e o outro é o caminho longo, representado por uma linha que faz curvas do começo ao fim da coluna. Na segunda coluna, à direita, as partículas que preenchem são menores e há duas linhas representando dois caminhos diferentes, porém semelhantes, que podem ser percorridos pelo mesmo analito: as duas linhas são muito parecidas e mostram um caminho com algumas curvas do começo ao fim da coluna.
Os resultados da CLAE geram um cromatograma, gráfico da concentração ou de alguma função da concentração do soluto em função do tempo de eluição. A CLAE é uma técnica automatizada. Há um sistema de detecção que recebe os analitos, e para cada analito que entra no detector, um sinal é gerado, proporcional à sua concentração na amostra. A soma desses sinais forma os picos que aparecem no cromatograma (Figura 5), registrado por um sistema de dados. A entrada das primeiras partículas do analito gera sinais no detector, de baixa intensidade, que começam a formar o pico. Com o passar do tempo, mais partículas chegam ao detector e a intensidade dos sinais aumenta, até formar o ponto mais elevado do pico. Posteriormente, a intensidade dos sinais começa a diminuir até que a última partícula do analito saia da coluna e chegue ao detector (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Figura 5 – Cromatograma obtido por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) / Fonte: a autora. Descrição da Imagem: a Figura representa um cromatograma genérico obtido por CLAE. Há um gráfico contendo dez picos ao longo do eixo horizontal, que é o eixo do tempo em minutos. Há cinco picos antes de dez minutos, dois picos entre 10 e 20 minutos, dois picos entre 20 e 30 minutos e um pico após 30 minutos. Quanto maior a concentração do analito na amostra, mais sinais chegarão ao detector, mais elevado será o ponto máximo do pico e maior a sua altura. A largura do pico gerado indica a eficiência da separação cromatográfica, pois a maneira como ocorreu a passagem do analito pela coluna cromatográfica pode gerar picos estreitos ou largos. UNICESUMAR
Topico 6 - Os picos mais largos indicam o espalhamento do analito na coluna cromatográfica e que o analito percorreu a coluna de maneira dispersa, e as interações de suas partículas ou moléculas com a fase estacionária não ocorreu de maneira uniforme, gerando tempos de retenção diferentes e não tão próximos quanto os analitos que geraram picos estreitos. Quanto mais estreito for o pico, maior é a eficiência da análise (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). As colunas em CLAE são empacotadas com um material finamente dividido, com partículas sólidas de diâmetros tão pequenos que o líquido da fase móvel deve ser pressurizado em várias centenas de atmosferas para se obter vazões razoáveis. Devido a essas altas pressões, o equipamento para CLAE tende a ser mais elaborado e mais caro que os disponíveis para outros tipos de cromatografia. A CLAE pode ser totalmente automatizada, o que dá à técnica a capacidade de realizar analises em poucos minutos, com alta resolução, eficiência e detectabilidade. Os componentes básicos de um instrumento típico para CLAE são: reservatório da fase móvel, sistema de bombeamento, regulador de pressão, pré-coluna, injetor de amostra, coluna de guarda, coluna cromatográfica, detector e sistema de dados (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016), como apresentado na Figura 6.
O reservatório da fase móvel é o local em que se coloca o solvente ou a mistura de solventes utilizado como fase móvel. Algumas fases móveis têm facilidade de dissolver O2 e outros gases, que podem formar bolhas, afetando a reprodutividade das vazões da fase móvel e o desempenho dos detectores. Por isso, é necessário a desgaseificação da fase móvel. Os desgaseificadores podem ser constituídos por sistemas de aplicação de vácuo, sistemas de destilação, aquecimento e agitação ou um sistema de purga, no qual os gases dissolvidos são arrastados para fora do solvente por pequenas bolhas de um gás inerte e insolúvel na fase móvel. Quando a composição da fase móvel é alterada durante a análise, ocorre uma eluição por gradiente de forma pré-programada, e a composição é alterada continuamente ou em uma série de etapas. Os equipamentos modernos possuem válvulas que introduzem os líquidos da fase móvel, variando as proporções, a partir de dois ou mais reservatórios (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). No sistema de bombeamento da fase móvel para CLAE, as bombas devem possuir as seguintes características: capacidade de gerar altas pressões (6000 psi), Figura 6 – Componentes básicos de um cromatógrafo utilizado na cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) / Fonte: Dias et al. (2014). Descrição da Imagem: a Figura 6 representa os componentes básicos presentes em um cromatógrafo utilizado para a CLAE. Da esquerda para a direita, há os componentes conectados na seguinte sequência: dois recipientes que correspondem aos eluentes, uma bomba injetora, o injetor de amostras, a coluna, o detector e o sistema de dados. Há, também, um recipiente usado para descarte conectado ao detector. UNICESUMAR
Topico 6 - vazões na faixa de 0,1 a 10 mL/min, vazão livre de pulsação, reprodutibilidade de vazão e resistência à corrosão por solventes. Os dois principais tipos de bomba usadas na CLAE são a seringa acionada por rosca e a bomba recíproca. A bomba recíproca é usada em quase todos os instrumentos comerciais, pois apresenta muitas vantagens, como alta pressão de saída, pronta adaptação à eluição por gradiente e vazões constantes. A bomba recíproca consiste em uma câmara pequena cilíndrica que é preenchida e esvaziada pela movimentação de ida e vinda de um pistão, produzindo uma vazão pulsada que é atenuada por um amortecedor de pulsos. Muitos instrumentos são equipados com bombas controladas por computador para medir a vazão e controlar a pressão. Assim, qualquer diferença de um valor pré-ajustado é usada para aumentar ou diminuir a velocidade do motor da bomba e a movimentação do pistão (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; Dias et al., 2016). Para a introdução da amostra na coluna cromatográfica, o método mais empregado é um sistema com alça de amostragem (Figura 7), em que a amostra líquida é injetada por uma microsseringa e a mudança de posição da alça permite a saída de amostra para a coluna. Muitos instrumentos em CLAE possuem autoamostradores que operam em conjunto com injetores automáticos, o que possibilita injeções mais reprodutíveis e com grandes variedades de volume (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Figura 7 – (a) Válvula de amostragem para CLAE: posição para carregar; (b) Válvula de amostragem para CLAE: posição para injetar / Fonte: adaptada de Coutrim (2016). Descrição da Imagem: A figura apresenta um tipo específico de válvula de amostragem para CLAE, mostra as posições da válvula de amostragem para CLAE para carregar e injetar amostras.
As colunas para CLAE são, normalmente, construídas de tubos de aço inoxidável. A escolha de uma coluna é feita em função da sua capacidade, material de recheio, comprimento e diâmetro interno. As pré-colunas são usadas para proteger a fase estacionária e aumentar o tempo de vida útil da coluna. São dois tipos de pré-coluna: uma para condicionar a fase móvel e outra para remover as impurezas da fase móvel e da amostra. A pré-coluna usada para condicionar a fase móvel está localizada entre o reservatório da fase móvel e o injetor. Seu empacotamento é de sílica, o que garante que a fase móvel seja saturada com ácido silícico, antes de entrar na coluna analítica, pois essa saturação minimiza as perdas da fase estacionária, ao longo do tempo, das colunas analíticas usadas para a separação (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). A coluna de guarda é posicionada entre o injetor e a coluna analítica. É uma coluna curta empacotada com uma fase estacionária similar à fase estacionária da coluna analítica. A coluna de guarda previne que impurezas, como compostos retidos e matéria particulada, atinjam e contaminem a coluna, o que serve para aumentar a vida útil da coluna analítica. Regularmente, a coluna de guarda é substituída para que continue exercendo sua função satisfatoriamente (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). Na década de 1980, tornaram-se disponíveis microcolunas com comprimentos de 3 a 7,5 cm e diâmetros internos de 1 a 4,6 mm, as quais apresentam vantagens quanto à velocidade e consumo mínimo de solventes, o que é de grande importância, pois para CLAE são necessários solventes de altíssima pureza que tem custo elevado, além do fato da separação poder ocorrer em poucos minutos (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). As substâncias presentes na amostra passam através da coluna e são separadas, chegando ao sistema de detecção, onde podem ser identificadas e quantificadas. Os sinais gerados pelo detector são captados por um sistema de dados, gerando o cromatograma, em que as substâncias separadas aparecem como picos e a área dos picos possibilita a análise quantitativa de cada substância. O detector ideal para CLAE apresenta as seguintes características (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016): UNICESUMAR
Topico 6 - Sensibilidade adequada (10-8 a 10-15 g/s do soluto). Boa estabilidade e reprodutibilidade. Seletividade. Resposta linear para os solutos. Alta confiabilidade e facilidade de uso. Tempo de resposta curto e independente da vazão. Não deve destruir a amostra. A escolha do detector depende da natureza da amostra. Os detectores mais empregados são baseados na absorção de radiação na região ultravioleta ou visível. Nos instrumentos modernos são usados arranjos lineares de fotodiodos, fornecendo um espectro completo, à medida que o analito deixa a coluna. No detector por arranjos de diodos (DAD), a radiação policromática incide sobre a amostra e é dispersa em um monocromador fixo em diferentes comprimentos de onda que são focalizados em um arranjo de fotodiodos, ou seja, os comprimentos de onda resultantes são monitorados simultaneamente pelos diodos, assim todo o espectro pode ser armazenado, usando um sistema de aquisição de dados (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; DIAS et al., 2016). No Tema de Aprendizagem 9, você estudará a radiação, comprimento de onda e espectros, o objetivo aqui é que você saiba que existem diferentes detectores e que o DAD capta toda a radiação de diferentes comprimentos de onda emitida pela amostra.
Os detectores podem ser de propriedades universais, respondendo às propriedades da fase móvel ou podem ser seletivos, respondendo às propriedades do soluto. O detector de índice de refração é baseado nas mudanças do índice de refração do solvente provocadas pelas moléculas do analito. É um detector geral, ao invés de seletivo, e responde à presença de todos os solutos. Detectores de fluorescência, infravermelho e eletroquímicos também são comuns. Muitos detectores eletroquímicos baseados em medidas potenciométricas, condutimétricas e voltamétricas foram desenvolvidos (SKOOG et al., 2014). A CLAE pode ser aplicada com diferentes mecanismos de separação, gerando diferentes tipos de análise. O tipo mais utilizado é a cromatografia por partição, na qual a fase estacionária é um líquido, imiscível com o líquido da fase móvel. Cromatografia por partição Na cromatografia por partição, o mecanismo de separação se baseia nas diferentes solubilidades dos componentes da amostra na fase móvel e na fase estacionária, sendo os componentes mais solúveis na fase estacionária retidos nela por mais tempo, enquanto os menos solúveis são eluídos mais rapidamente pela fase móvel. A cromatografia por partição pode ser subdividida em cromatografia líquido-líquido e cromatografia líquido com fase ligada. Cromatografia líquido-líquido Na cromatografia líquido-líquido, a fase estacionária é imobilizada nas partículas de suporte do material de empacotamento, por adsorção física, enquanto na cromatografia de líquido com fase ligada, a fase estacionária é imobilizada por meio de ligações químicas. A cromatografia de líquido com fase ligada predomina devido a sua maior estabilidade e compatibilidade com a eluição por gradiente (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). A maioria das separações por CLAE é realizada em fase reversa com material de empacotamento com fase ligada, consistindo em um organosiloxano, octil ou octadecilsilano. O analito mais polar elui primeiro e o menos polar é retido por mais tempo na fase estacionária. Em geral, os grupos funcionais orgânicos polares incluem os álcoois, ácidos e amidas, os de polaridade média englobam os UNICESUMAR
Topico 6 - éteres, cetonas e os aldeídos e os apolares, os hidrocarbonetos saturados (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). Considere uma mistura, contendo as substâncias A e B, que foi submetida à cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Considerando as estruturas químicas de A e B, as condições cromatográficas utilizadas e o cromatograma obtido para a mistura, e, a seguir, discutiremos a ordem de eluição dos compostos A e B. Figura 8 – Condições Cromatográficas / Estruturas (A e B) / Fonte: a autora. As condições cromatográficas podem ser encontradas descritas abreviadamente ou em inglês. No nosso exemplo, a descrição da fase estacionária, RP-C18, vem do inglês reverse phase, que significa fase reversa, pois foi utilizada uma coluna C-18, octadecilsilano (ODS), contendo cadeias de 18 carbonos e, portanto, apolar. A fase móvel é constituída de metanol (MeOH) e água, sendo 40% MeOH e 60% de H2O, duas substâncias polares. Quando a fase estacionária é apolar e a fase móvel é polar, a cromatografia é de fase reversa, como mencionado anteriormente. Com relação às estruturas de A e B, a única diferença é que há um H ligado ao N entre as carbonilas em A e há um grupo -CH3 ligado ao N, da mesma posição que A, em B. Dessa forma, o composto A é mais polar que B e terá mais afinidade com a fase mais polar, que é a fase móvel, podendo formar pontes de hidrogênio com metanol e água. Assim, a eluição de A ocorre primeiro e, posteriormente, a eluição de B, que fica por mais tempo retido na fase estacionária. O pico em 3 min corresponde ao composto A e em 6 min corresponde ao composto B.
Após conhecer a CLAE, é importante também que você saiba que existem outras técnicas cromatográficas, estas serão apresentadas a seguir. O Quadro 2 descreve o nome, os estados físicos da fase estacionária e da fase móvel e o princípio de cada técnica. NOME FASE ESTACIONÁRIA FASE MÓVEL MECANISMO DE SEPARAÇÃO Cromatografia por adsorção Sólida Líquida Adsorção Cromatografia por troca iônica Sólida Líquida Adsorção Cromatografia por exclusão Sólida Líquida Tamanho molecular Cromatografia por afinidade Líquida Líquida Interações bioquímicas Cromatografia quiral Líquida Líquida Quiralidade Cromatografia gasosa Líquida Gasosa Partição Quadro 2 – Tipos de cromatografia em coluna Fonte: a autora. Cromatografia por adsorção Na cromatografia por adsorção, o mecanismo de separação se baseia na competição entre as moléculas da amostra e as da fase móvel, para ocupar os sítios ativos na superfície da fase estacionária sólida por meio da adsorção. Na cromatografia por adsorção com fase normal, sílica e alumina, finamente divididas, são empregadas como fases estacionárias. Portanto, os tempos de retenção tornam-se mais longos à medida que a polaridade do analito aumenta, enquanto compostos menos polares ou apolares são eluídos primeiro (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). UNICESUMAR
Topico 6 - Cromatografia por troca iônica Na cromatografia por troca iônica, as fases estacionárias são resinas de troca iônica usadas para separar misturas de ânions ou cátions. Os analitos iônicos contidos na amostra são carregados pela fase móvel e adsorvidos por grupos presentes na resina de troca, chamados grupos trocadores. Solutos com cargas de sinais contrários ao do grupo trocador serão seletivamente adsorvidos na fase estacionária, sendo a adsorção reversível (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). O detector de condutividade é muito adequado para a cromatografia por troca iônica, pois é altamente sensível, universal para espécies carregadas, responde de forma previsível às variações de concentração, simples de operar e sua construção e manutenção é de baixo custo. A condutividade dos componentes da fase móvel tende a se sobrepor àquelas dos íons do analito e, para resolver esse problema, usa-se uma coluna supressora logo após a coluna de troca iônica. A coluna supressora é empacotada com uma segunda resina de troca iônica que converte efetivamente os íons do solvente da fase móvel em espécies moleculares de ionização limitada, que não contribuem significativamente para a condutividade, e os íons do analito não são retidos por essa segunda coluna (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). É possível prevenir que a condutividade dos eluentes interfiram nas medidas de condutividades dos analitos, sem o uso de uma coluna supressora. O uso de trocadores de baixa capacidade permite a eluição com soluções de baixas concentrações de eletrólitos, que não interferem na detecção condutimétrica dos íons dos analitos. A cromatografia por troca iônica em coluna única oferece a vantagem de não requerer equipamentos para a supressão, porém é menos sensível que os métodos de coluna supressora (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). Cromatografia por exclusão Na cromatografia por exclusão, a separação ocorre devido ao tamanho das moléculas da amostra, em que não há interações químicas ou físicas entre os analitos e a fase estacionária. O material de empacotamento consiste em partículas pequenas de sílica ou polímeros contendo uma rede de poros uniformes dentro dos quais as moléculas do soluto e do solvente podem se difundir.
As moléculas que são muito maiores que o tamanho médio dos poros do material de empacotamento não conseguem penetrar nos poros da fase estacionária, assim, elas se deslocam por meio da coluna na velocidade da fase móvel, não sofrem nenhuma retenção. As moléculas que são pequenas, menores que os poros, podem penetrar e, dessa forma, são retidas por tempos mais longos, sendo as últimas a serem eluídas. Para as moléculas de tamanho intermediário, seus tempos de retenção dependem de seus diâmetros e, em alguma extensão, das formas das moléculas (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). O material de empacotamento na cromatografia por exclusão pode ser hidrofílico ou hidrofóbico. A cromatografia por exclusão baseada em empacotamentos polares. Quando o material de empacotamento é hidrofóbico, a cromatografia apolares. Uma aplicação importante da cromatografia por exclusão é a determinação rápida da massa molecular de polímeros de cadeia longa (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). Cromatografia por afinidade A cromatografia por afinidade recebe esse nome, pois a fase estacionária é preparada com um reagente chamado ligante de afinidade, imobilizado em um suporte sólido, com agarose ou microesferas de vidro poroso. A fase estacionária contém grupos específicos de moléculas que podem adsorver os analitos da amostra, e as separações ocorrem devido às interações bioquímicas específicas. Os ligantes de afinidade são anticorpos, inibidores enzimáticos ou outras moléculas que se ligam reversiva e seletivamente aos analitos da amostra (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). A principal vantagem da cromatografia por afinidade é a sua alta seletividade. Usa-se uma determinada fase móvel para que as moléculas indesejadas sejam arrastadas, eluídas da coluna. Após a remoção das moléculas indesejadas, os analitos retidos pelo ligante podem ser eluídos, alterando-se as condições da fase móvel, como a composição, o pH ou a força iônica. Assim, primeiramente, a fase móvel deve permitir uma forte ligação entre o analito e o ligante de afinidade. Após isso, deve enfraquecer ou eliminar essa interação para que o analito possa ser eluído (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). UNICESUMAR
Topico 6 - Cromatografia quiral Na cromatografia quiral, a fase estacionária é um agente quiral imobilizado na superfície de um suporte sólido. Sabemos que os compostos quirais são moléculas orgânicas assimétricas que possuem suas imagens especulares não superponíveis entre si, e essas imagens são denominadas enantiômeros. Um agente quiral complexo, preferencialmente, tem somente um dos enantiômeros e deve ter por si só características quirais para reconhecer a natureza quiral do analito. A interação entre o agente quiral e o analito pode se dar pelas forças de atração intermoleculares ou pelo ajuste do analito nas cavidades quirais da fase estacionária, formando complexos de inclusão (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). Cromatografia gasosa (CG) A cromatografia gasosa (CG) também é uma técnica largamente utilizada para a análise qualitativa e quantitativa, baseada na partição de um analito entre uma fase móvel e uma fase estacionária. Em CG, amostra é vaporizada e seus componentes separados em consequência de suas distribuições entre uma fase móvel gasosa e uma fase estacionária líquida ou sólida mantida em uma coluna. Ao realizar a CG, a amostra é vaporizada e injetada na coluna cromatográfica. O uso de temperaturas convenientes no local da injeção da amostra e na coluna permite a vaporização dos componentes que, de acordo com suas propriedades e as da fase estacionária, são retidas por tempos determinados e chegam à saída da coluna em tempos diferentes. O uso de um detector adequado na saída da coluna permite a detecção e a quantificação das substâncias (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). A CG pode ser aplicada às espécies relativamente voláteis e termicamente estáveis a temperaturas de até poucas centenas de graus celsius, e um grande número de compostos tem essas características. Um dos principais motivos que tornou a CG de uso bastante acentuado é a sua alta sensibilidade, excelente resolução e a possibilidade de análise de dezenas de substâncias de uma mesma amostra. Atualmente, há uma variedade de equipamentos cromatográficos disponíveis no mercado. Há dois tipos de CG: a cromatografia gás-líquido (CGL) e a cromatografia gás-sólido (CGS). A CGL tem seu nome normalmente encurtado
para cromatografia gasosa (CG) e encontra amplo uso em todos os campos da ciência (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). A CG utiliza a eluição como técnica de desenvolvimento. Uma corrente de gás passa continuamente pela coluna e, quando a amostra vaporizada é introduzida nessa corrente de gás, ela é arrastada através da coluna. As substâncias presentes na amostra, depois de separadas, chegam ao detector, que gera um sinal para um sistema de registro de dados, produzindo um cromatograma. Na CG, a fase móvel é um gás e a fase estacionária é um líquido, retido na superfície de um sólido inerte por adsorção ou ligação química. Os componentes básicos de um instrumento típico para CG são: cilindro do gás de arraste, regulador de vazão, câmara de injeção da amostra, coluna cromatográfica, detector e sistema de dados (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). Figura 8 – Componentes básicos de um cromatógrafo utilizado na cromatografia gasosa Fonte: adaptada de Jenske (2022). Descrição da Imagem: a Figura apresenta os componentes básicos presentes em um cromatógrafo utilizado para a cromatografia gasosa. Da esquerda para a direita há os componentes conectados na seguinte sequência: cilindro do gás de arraste, regulador de vazão, câmara de injeção da amostra, forno e coluna cromatográfica, detector e sistema de dados, que gera o cromatograma. UNICESUMAR
Topico 6 - Na CG, a eluição dos componentes de uma amostra é realizada pela fase móvel gasosa, denominada gás de arraste. O gás de arraste deve ser quimicamente inerte, sendo o hélio a fase móvel mais comum, mas nitrogênio, argônio e hidrogênio são também empregados. Esses gases estão disponíveis em cilindros pressurizados. Para se controlar a vazão do gás de arraste, há o regulador de vazão, que mantém a pressão na entrada do sistema cromatográfico constante. O gás de arraste deve possuir alta pureza e, por isso, é aconselhável o uso de ‘traps’, filtros utilizados para remover impurezas presentes no gás de arraste, antes de sua entrada na coluna, pois a presença de impurezas pode afetar a estabilidade e a resposta dos detectores (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). Os injetores devem prover a injeção instantânea da amostra na coluna e como uma zona estreita de vapor, pois a injeção lenta ou de amostras muito volumosas causa o espalhamento das bandas e uma resolução pobre. Para amostras líquidas, emprega-se seringas calibradas e as amostras são injetadas em uma porta de admissão aquecida da coluna, mantida a aproximadamente 50 °C acima do ponto de ebulição do componente menos volátil da amostra. Os cromatógrafos de gás mais novos usam autoamostradores e autoinjetores. Dessa forma, as amostras estão contidas em frascos em uma mesa giratória de amostra, e os autoinjetores enchem as seringas com a amostra e injetam no cromatógrafo automaticamente. Assim, consegue-se uma injeção mais reprodutível, com desvios padrão tão baixos quanto 0,3 %. Os volumes de injeção podem variar de 0,1 µL até 200 µL (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014).
As colunas em CG são de dois tipos: colunas empacotadas ou colunas capilares. A coluna empacotada é recheada com um sólido pulverizado, a fase estacionária sólida ou líquida é depositada sobre as partículas desse sólido. Na coluna capilar, as paredes internas são recobertas com um filme fino de fase estacionária líquida ou sólida. Atualmente, a coluna mais usada é a capilar de sílica fundida. Para as colunas empacotadas normais, o tamanho da amostra pode variar de poucos décimos de microlitro até 20 µL. Já as colunas capilares necessitam de amostras menores por um fator de 100 ou maior. Por isso, é necessário um divisor de amostra para essas colunas, para desviar uma fração pequena e conhecida da amostra injetada para a coluna, sendo o restante enviado para o descarte (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). A temperatura da coluna é uma variável importante que deve ser controlada para se obter uma boa separação. Assim, a coluna é normalmente abrigada em um forno termostatizado. A temperatura ótima da coluna depende do ponto de ebulição da amostra e, geralmente, uma temperatura igual ou ligeiramente superior ao ponto de ebulição médio da amostra proporciona tempos de eluição razoáveis (2 a 30 min). A programação de temperatura causa uma melhoria nos cromatogramas, obtendo uma melhor resolução, picos mais separados que em uma análise por CG isotérmica, pois no caso de misturas complexas, que possuem constituintes com volatidades muito diferentes, a separação isotérmica, se realizada em uma temperatura baixa, causa a separação dos componentes mais voláteis, mas os menos voláteis demoram a eluir, gerando picos mal definidos. Já em uma temperatura alta, os componentes menos voláteis eluem mais rapidamente, enquanto os mais voláteis não são separados. A programação de temperatura é realizada, aumentando-se a temperatura da coluna continuamente ou em etapas durante a eluição, e é frequentemente desejável para amostras que possuem uma faixa larga de ebulição, conseguindo-se uma boa separação da amostra em menor tempo (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). As colunas capilares possuem poucos décimos de milímetro e são também luna tubular aberta de parede revestida (TAPR) e coluna tubular aberta revestida com suporte (TARS). UNICESUMAR
Topico 6 - As colunas TAPR são tubos capilares revestidos com uma fina camada de fase estacionária líquida e as TARS tem a superfície interna do capilar coberta com um filme fino de um material de suporte sólido, no qual a fase estacionária líquida é adsorvida. Um sólido muito utilizado é a terra diatomácea, material formado pela deposição das carapaças, contendo sílica, de algas diatomáceas em mares e lagoas. As colunas TARS retém uma quantidade de fase estacionária, muitas vezes, maior que uma coluna TAPR e, assim, apresentam maior capacidade de amostra (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al.,2014). As colunas mais utilizadas em CG, atualmente, são as colunas tubulares abertas de sílica fundida (CTAS), preparadas a partir de sílica purificada e reforçadas com um revestimento externo protetor. As CTAS oferecem muitas vantagens sobre as colunas de vidro, como resistência física, flexibilidade e reatividade mais baixa diante dos componentes da amostra, substituindo as colunas de vidro do tipo TAPR na maioria das aplicações (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). As colunas empacotadas são fabricadas com tubos densamente empacotados com material uniforme e finamente dividido, ou com suporte sólido, recoberto com uma fina camada de fase estacionária líquida de forma que a maior área superficial possível esteja exposta à fase móvel. As colunas empacotadas modernas são feitas a partir de tubos de vidro ou metal, geralmente formadas como bobinas com diâmetros de aproximadamente 15 cm. O suporte ideal para a fase estacionária deve apresentar área superficial de, no mínimo, 1m2/g; ser inerte a temperaturas elevadas; constituído de partículas pequenas; uniformes e esféricas, e ser molhado uniformemente pela fase estacionária. Nenhum material que preenche perfeitamente esses critérios se encontra disponível. A terra diatomácea é o material de empacotamento mais amplamente utilizado, frequentemente tratada com dimetilclorosilano, produzindo uma camada de grupos metila, que reduz a tendência de o material absorver moléculas polares (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). A fase estacionária líquida imobilizada em uma coluna cromatográfica deve apresentar algumas propriedades desejáveis, como baixa volatilidade, estabilidade térmica, inércia química e características de solvente apropriadas. Idealmente, o ponto de ebulição da fase estacionária líquida deve ser pelo menos 100 °C maior que a temperatura máxima de operação da coluna. Partículas pequenas; uniformes e esféricas, e ser molhado uniformemente pela fase estacionária
As características de solvente apropriadas são necessárias para que os valores do fator de retenção (k) e fator de seletividade (α) para as substâncias a serem separadas estejam dentro de uma faixa adequada(COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). Esses fatores, também importante na CLAE, serão abordados mais adiante. Para se obter um tempo de permanência razoável na coluna, tempo de retenção não muito curto e nem muito longo, o analito deve mostrar algum grau de compatibilidade com a fase estacionária. Geralmente, a polaridade da fase estacionária deve igualar-se à dos analitos da amostra. Na CG, quando se tem uma boa igualdade, a ordem de eluição é determinada pelo ponto de ebulição dos componentes. As fases estacionárias do tipo hidrocarbonetos e os dialquilsiloxanos são apolares, enquanto as fases de poliésteres são altamente polares. As fases estacionárias mais comuns em colunas empacotadas e colunas capilares são polidimetilsiloxanos, em que há a presença de grupos -CH3, definindo um líquido que é relativamente apolar. O detector ideal para CG apresenta as mesmas características descritas para o detector da CLAE, além do fato de ter a capacidade de operar em uma ampla faixa de temperatura. Quatro dos detectores mais utilizados serão descritos a seguir: UNICESUMAR
Topico 6 - DETECTOR DE IONIZAÇÃO EM CHAMA (DIC) O detector de ionização em chama (DIC) é o mais empregado em aplicações da CG em geral, sendo utilizado na análise de hidrocarbonetos. No DIC, a amostra é pirolisada em uma chama de ar/hidrogênio, produzindo íons e elétrons, assim a chama passa a conduzir corrente elétrica. A corrente resultante é medida em um pico amperímetro sensível. O DIC é seletivo apenas para substâncias que contêm ligações C-H em sua estrutura química. O número de íons produzidos é aproximadamente proporcional ao número de átomos de carbono reduzidos na chama. Assim, o DIC responde ao número de átomos de C que entram nele, sendo sensível à massa, em vez da concentração do analito. Portanto, apresenta a vantagem de que as variações na vazão da fase móvel têm pouco efeito na resposta do detector. A desvantagem do DIC é destruir a amostra durante a combustão, além de requerer o uso de gases e controladores adicionais. DETECTOR DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT) O detector de condutividade térmica (DCT) é aplicável, tanto em amostras orgânicas quanto em inorgânicas, e está baseado no princípio de que o corpo quente perde calor a uma velocidade que depende da composição dos gases que o rodeiam. O DCT consiste em uma fonte aquecida, um fio de platina, ouro ou tungstênio, cuja temperatura depende da condutividade térmica do gás que a envolve. A resistência do elemento aquecido depende da condutividade térmica do gás do analito. As vantagens do DCT são sua simplicidade, maior faixa dinâmica linear, resposta para espécies orgânicas e inorgânicas e caráter não destrutivo, permitindo a coleta dos solutos, após a detecção. A principal desvantagem do DCT é a baixa sensibilidade. DETECTOR DE CAPTURA DE ELÉTRONS (DCE) O detector de captura de elétrons (DCE) responde seletivamente aos compostos orgânicos, contendo halogênios e, por isso, é amplamente empregado para amostras ambientais como pesticidas. No DCE, a amostra passa sobre uma fonte radioativa, geralmente níquel-63, que causa a ionização do gás de arraste e a produção de uma rajada de elétrons, originando uma corrente constante. Essa corrente decresce significativamente na presença de compostos halogenados, devido à eletronegatividade dos halogênios, que tendem a capturar elétrons. O DCE é altamente sensível e não destrói a amostra, no entanto sua resposta linear é limitada.
ESPECTRÔMETRO DE MASSAS O espectrômetro de massas é um dos mais poderosos detectores para CG, ajustável a qualquer espécie que venha a ser analisada. Semelhante à CLAE, a combinação de CG e espectrometria de massas é conhecida como CG/MS. Na CG/MS, o espectrômetro de massas varre as massas repetidamente, durante o experimento cromatográfico, e os dados obtidos podem ser analisados pelo sistema de dados de várias maneiras. A abundância do íon, em cada espectro, é somada e colocada em um gráfico em função do tempo, fornecendo o cromatograma de íon total. Uma outra maneira de analisar os dados é selecionar um único valor da relação massa-carga e monitorar durante toda a análise, e essa técnica é conhecida como monitoramento seletivo de íon e gera espectros conhecidos como cromatogramas de massas (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). A CG é largamente utilizada para determinar a pureza de compostos orgânicos, assim como para verificar a eficiência dos processos de purificação. Para confirmar a presença ou ausência de um componente em uma mistura, faz-se a adição de uma amostra autêntica do componente, em que se tem certeza da sua presença, à mistura em estudo. Se o componente estiver mesmo presente, nenhum pico novo deve aparecer e haverá um aumento de um pico já existente. Por outro lado, em amostras complexas de composição desconhecida, a técnica é limitada, já que um cromatograma fornece o tempo de retenção para cada espécie, que sendo desconhecida não há como ter seus tempos de retenção comparados com uma amostra autêntica. Essa limitação pode ser superada, acoplando-se as colunas cromatográficas com espectrômetros de massas no infravermelho e no ultravioleta (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). A CG está baseada na comparação da área ou da altura de um pico com o pico gerado por um padrão. Sob condições controladas, a altura e a área do pico variam linearmente com a concentração e, para picos estreitos, a área pode ser determinada mais precisamente. A quantificação pode ser realizada pelo método da calibração com padrões ou o método do padrão interno. A quantificação pode ser realizada pelo método da calibração com padrões ou o método do padrão interno UNICESUMAR
Topico 6 - A calibração com padrões é feita, preparando-se uma série de soluções-padrão que se aproximam da composição da amostra em estudo para se obter uma curva analítica a partir dos cromatogramas dos padrões: um gráfico das áreas dos picos em função da concentração das soluções (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). O método do padrão interno fornece uma maior precisão porque minimiza as incertezas provenientes da injeção da amostra, vazão da fase móvel e variações nas condições da coluna. Nesse método, uma quantidade conhecida da espécie que atua como referência, o padrão interno, é adicionada em cada padrão de calibração e na amostra. A curva analítica é a razão entre o sinal do analito e o sinal da espécie de referência em função da concentração do analito nos padrões. O uso da razão entre a área do pico do analito e a área do pico do padrão interno pode compensar as incertezas, se analito e o padrão interno forem influenciados na mesma proporção pelas variáveis da análise. Portanto, deve-se escolher uma espécie de referência que tenha propriedades químicas e físicas similares às do analito. Os picos cromatográficos podem ser influenciados por uma variedade de fatores instrumentais, e as variações nesses fatores podem ser compensadas, empregando-se o método do padrão interno. Tanto na CLAE quanto na CG, a escolha apropriada de uma fase estacionária é fundamental para o sucesso da separação. Os solutos distribuem-se entre a fase móvel e a fase estacionária, e suas constantes de distribuição devem ser suficientemente diferentes para possibilitar uma separação bem definida, o que está relacionado com a natureza química da fase estacionária. Para o soluto de espécie A, o equilíbrio envolvido em sua separação cromatográfica é definido da seguinte forma, conforme as equações a seguir (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014): A A móvel estacionária
A constante de equilíbrio para essa reação, K, é denominada constante de distribuição e é definida pelas respectivas concentrações molares analíticas do soluto: CE, concentração do soluto na fase estacionária e, CM, concentração do soluto na fase móvel:
K C C E M = Idealmente, K permanece invariável sobre uma faixa ampla de concentração do soluto, isto é, CE, é diretamente proporcional a CM. As constantes de distribuição não devem ser extremamente grandes, porque levam a tempos de retenção longos; e não devem ser extremamente pequenas, por levarem a tempos de retenção tão curtos que as separações ficam incompletas. Todas as substâncias permanecem por, pelo menos, o tempo morto, TM, na fase móvel, que é o tempo que a fase móvel leva para percorrer toda a coluna cromatográfica. Assim, todas as substâncias gastam, pelo menos, o TM na fase móvel. O analito é retido e permanece um tempo, TE, na fase estacionária, esse é o tempo ocorrido após o TM até o aparecimento do pico. O tempo total decorrido entre a injeção da amostra e o aparecimento do pico do analito no detector é o chamado tempo de retenção, TR, que é obtido pela soma de TM e TE. Um parâmetro experimental amplamente empregado na comparação das velocidades de migração dos solutos, em colunas, é o fator de retenção, k. Para um soluto A, k é definido como: k T T A E M = Idealmente, as separações são realizadas sob condições nas quais os fatores de retenção para os analitos situem-se entre 1 e 5. Outro parâmetro importante é o fator de seletividade, α, que fornece uma medida de quão bem a coluna vai separar dois analitos. Tomemos, como exemplo, dois analitos A e B, sendo A a espécie menos retida pela fase estacionária, eluída mais rapidamente, e B, a espécie mais fortemente retida, para os solutos A e B. O α pode ser calculado por meio da fórmula: K K B A Onde KB é a constante de distribuição para o analito B, e KA é a constante de distribuição para o analito A (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). UNICESUMAR
Topico 6 - A coluna cromatográfica é como uma série de estágios ou etapas separadas, em que ocorre o equilíbrio entre o analito, a fase estacionária e a fase móvel. Da entrada até a saída da coluna, os analitos ocupam diversas posições diferentes ao longo da coluna, promovendo uma série de equilíbrios químicos que são quantificados pelo número de pratos. altura de prato são mantidos por razões históricas. O número total de pratos corresponde ao número de equilíbrios resultante da transferência do analito entre as fases estacionária e móvel. O número de pratos teóricos (N) e a altura do prato (H) são usados na literatura e pelos fabricantes de instrumentos, como uma medida do desempenho da coluna, e estão relacionados ao comprimento do empacotamento da coluna (L) pela equação (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014): N L H = Quanto maior o N, mais eficiente é a coluna e mais finos os picos se apresentarão. A resolução de uma coluna é uma medida quantitativa da sua habilidade em separar os analitos A e B e informa o quanto dois picos se distanciam um em relação ao outro. A separação entre dois picos considerada completa corresponde à resolução de 1,5, em que a sobreposição dos picos é apenas, aproximadamente, 0,3%. Aumentando-se o L e, dessa forma, N, a resolução para uma dada fase estacionária pode ser melhorada. Há, porém, um aumento no tempo exigido para separar os componentes da amostra. O objetivo da cromatografia é a resolução mais alta possível no menor de tempo possível. No entanto, esses objetivos tendem a ser incompatíveis e, normalmente, é necessário um ajuste entre eles (COLLINS; BRAGA; BONATO, 2006; SKOOG et al., 2014). No início do tema, foi descrito que uma mistura contendo azul de metileno e alaranjado de metila foi submetida à cromatografia em coluna, usando uma bureta como coluna cromatográfica, sílica como fase estacionária e etanol como eluente. Agora que você já conhece o funcionamento da técnica utilizada para a separação desses dois corantes, podemos abordar qual corante será eluído primeiro e porquê.
Questoes de Fixacao e Aplicacao Pratica
- Descreva os principais conceitos e fundamentos fisiopatologicos e laboratoriais abordados nesta Unidade de Espectrofotometria UV-Visivel, Lei de Beer-Lambert e Fotometria de Emissao de Chama.
- Explique os mecanismos de regulacao biologica e metodologias analiticas discutidas no texto.
- Qual a relevancia clinica e diagnostica das determinacoes bioquimicas e biomedicas descritas neste modulo?
- Diferencie os principais parametros laboratoriais e suas correlacoes com as manifestacoes patologicas.
- Como o conhecimento desta unidade se aplica na rotina diagnostica e conduta profissional em Quimica Analitica e Instrumental Laboratorial?