# Unidade 3 - Cromatografia (HPLC, GC) e Espectrometria de Massas Aplicada a Biomedicina

Modulo de Formacao Tecnica e Fundamentacao Cientifica - Acervo Integrativia.

Introducao Geral a Unidade

O estudo de Cromatografia (HPLC, GC) e Espectrometria de Massas Aplicada a Biomedicina 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 3: Unidade 3 — Tópicos Especiais, Aplicações e Condutas Clínicas

Módulo de síntese técnica e conduta clínica do acervo Integrativia.

A ESTRUTURA QUÍMICA DO CORANTE ALARANJADO DE METILA É: A ESTRUTURA QUÍMICA DO CORANTE AZUL DE METILENO É: A ESTRUTURA QUÍMICA DA SÍLICA GEL É: Estudante, você precisará relembrar os conceitos de ácido e base vistos na Química Geral. Por conter os grupos silanóis (Si--OH), a sílica possui caráter ácido, pois pode doar íons H+, como definido por Brõnsted-Lowry (FOGAÇA, 2024). O alaranjado de metila também possui caráter ácido, por isso, não interage com a sílica gel, já o azul de metileno possui caráter básico, assim, o azul de metileno possui afinidade com a sílica e fica retido por mais tempo na fase estacionária que o alaranjado de metila, que é eluído primeiro com etanol. UNICESUMAR

A sílica gel é muito utilizada na cromatografia em camada delgada (CCD), sendo uma fase estacionária polar. Uma mistura contendo as substâncias A e B (estruturas químicas a seguir) foi submetida à CCD. A fase estacionária era a sílica gel, e o eluente, uma mistura de hexano: acetato de etila (8:2), constituindo uma fase móvel apolar. O cromatograma obtido mostra uma mancha rosa (Rf = 0,46) e uma mancha verde (Rf = 0,29). Qual é a ordem de eluição? 2.	 Em uma placa de sílica, encontra-se um composto com fator de retenção de 0,2, quando a fase móvel é o hexano, solvente apolar. Qual é o solvente (tolueno ou acetonitrila), que poderia aumentar o fator de retenção desse composto? VAMOS PRATICAR

Considere uma mistura de nitrobenzeno (A) e fenol (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, a seguir, indique a ordem de eluição dos compostos A e B. VAMOS PRATICAR

REFERÊNCIAS COELHO, P. Diagrama da cromatografia em papel. Blog Engquimicasantossp, jun. 2012. Disponível em: https:// www.engquimicasantossp.com.br/2012/06/cromatografia-em-papel.html. Acesso em: 19 ago. 2021. COLLINS, C. H.; BRAGA, G. L.; BONATO, P. S. Fundamentos de cromatografia. Campinas: Editora da Unicamp, 2006. COUTRIM, M. X. Cromatografia. 2016. Disponível em: http://professor.ufop.br/sites/default/files/mcoutrim/files/qui346_cromatografia_a_gas_10a_a_12a_aula_2016-1.pdf. Acesso em: 4 jul. 2024. DIAS, S. L. P. et al. Química Analítica: teoria e prática essenciais. Porto Alegre: Bookman, 2014. FOGAÇA, J. R. V. Teoria ácido-base de Brönsted-Lowry. Mundo educação, 2024. Disponível em: https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/teoria-acidobase-bronstedlowry.htm. Acesso em: 4 jul. 2024. JENSKE, G. O que é cromatografia? Blog Freitag, 2022. Disponível em: http://freitag.com.br/ files/uploads/2017/08/Artigo-Grace.pdf. Acesso em: 4 jul. 2024. SKOOG, D. A. et al. Fundamentos de Química Analítica. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2014.

UNIDADE 7

MINHAS METAS MÉTODOS ELETROANALÍTICOS Conhecer os métodos eletroanalíticos utilizados em diversos tipos de análise química. Compreender a eletrólise, um processo não espontâneo que ocorre em um elétrodo. Estudar a eletrogravimetria. Explorar a coulometria. T E M A D E A P R E N D I Z A G E M 7

INICIE SUA JORNADA Diabetes é uma doença comum na população brasileira, acometendo adultos, crianças e gestantes. Ela tem dois tipos: o tipo 1 e o tipo 2. Além do mais, faz parte de um grupo de doenças metabólicas caracterizadas por hiperglicemia, resultante de defeitos na secreção de insulina e/ou em sua ação (GROSS et al., 2002). Muitas dessas pessoas precisam diariamente saber e controlar os níveis de glicemia no sangue. Provavelmente, você conhece ou sabe de alguém que tem diabetes e precisa ter esses cuidados. Para isso, muitos fazem uso de um medidor doméstico portátil de glicose e uma tira de teste descartável, sobre a qual se coloca uma gota de sangue. Você teria uma ideia de como esse medidor funciona internamente? Esse medidor também é conhecido como biossensor, um dispositivo analítico o qual faz uso de um componente biológico, por exemplo, uma enzima, que, por sua vez, catalisa a reação de oxidação com a glicose do sangue. O biossensor é constituído por eletrodos, os quais medem a quantidade de um produto da oxidação. O princípio básico para o funcionamento desse biossensor é o emprego de métodos que usam células eletrolíticas, constituídas por três eletrodos, assim como você verá nos métodos eletroanalíticos. Os métodos eletroanalíticos têm, como princípio básico, a eletrólise, que se fundamenta em reações de oxidação-redução, por um processo não espontâneo. Para que isso aconteça, é necessário o fornecimento de energia, nesse caso, energia elétrica. Se você gosta de cinema e acompanha a premiação do Oscar, com certeza, notou a premiação dos vencedores. O Oscar é uma estatueta oferecida pela Academia de Cinema de Hollywood aos vencedores dos melhores filmes. A estatueta mede cerca de 35 cm (sem a base), pesa aproximadamente 4,0 quilogramas e é feita à mão em britânia (liga feita de estanho, cobre e antimônio) em um molde de aço. A estatueta, depois de resfriada e retirada do molde, é mergulhada em uma solução metálica de níquel, cobre, prata e, finalmente, ouro 24 quilates. Os ganhadores do Oscar poderiam determinar a quantidade de ouro que foi depositada em sua estatueta. Para isso, bastaria pesar a estatueta antes e após a etapa final de eletrólise. Esse processo emprega uma técnica conhecida como eletrogravimetria, que é um dos assuntos abordados neste tema de aprendizagem. Alternativamente, a corrente, gerada durante a deposição dos metais na estatueta, poderia ser utilizada para determinar a quantidade total de carga requerida para recobrir eletroliUNICESUMAR

Topico 7 - ticamente o Oscar. Com essa informação, poderia se relacionar à quantidade de mols de elétrons envolvidos nesse processo e, consequentemente, determinar a massa de ouro depositada na estatueta. Esse método é conhecido como coulometria, assunto também estudado neste tema. Eletrogravimetria e coulometria são conhecidos como métodos eletroanalíticos. VAMOS RECORDAR? As reações químicas que envolvem eletrólise têm uma grande aplicabilidade e são a base para que você compreenda os métodos eletroanalíticos. Suponha que você foi contratado(a) como estagiário em um laboratório de química analítica para ajudar na preparação de experimentos. Você observou um experimento que tinha como objetivo a deposição de zinco no cobre por meio de uma reação de eletrólise. Nesse experimento, utilizou-se um béquer contendo uma solução de ácido clorídrico e um pedaço de zinco metálico mergulhado por alguns minutos. Após esse tempo, mergulhou-se, no mesmo recipiente, um pedaço de cobre metálico, por exemplo, uma moeda de 5 centavos limpa, já que é revestida de cobre. Porém, mesmo aguardando o tempo necessário, você notou que não ocorreu qualquer reação de eletrólise, ou seja, não houve deposição de zinco sobre o cobre nesse sistema. No entanto, quando os metais, ou seja, zinco e a moeda, foram conectados a uma fonte elétrica externa, em poucos instantes, observou-se um escurecimento na moeda de cinco centavos. Como resultado, a deposição do zinco finalmente aconteceu sobre a moeda. Após ter observado esse experimento, o seu supervisor te pede para que você explique, em forma de relatório, o motivo pelo qual a reação de eletrólise, naquele primeiro momento, não aconteceu, pois somente com a aplicação de uma fonte de energia externa é que se pode observar a eletrólise. Diante dos resultados colhidos, qual seria a sua explicação? Você percebeu que, por meio da execução de atividades experimentais, há possibilidades diversas de situações que podem ocorrer. Observe como a inclusão de corrente, no experimento, provocou a reação, e o zinco foi depositado sobre o cobre. Esses resultados provocam algumas reflexões, tais como: existem fatores que podem controlar uma reação entre duas substâncias? Você consegue pensar em quais seriam esses fatores? Ainda, se trocar os metais envolvidos no processo, quais resultados você poderia encontrar? As reações de eletrólise estão presentes em diferentes processos, desde atividade enzimática, em nosso organismo, até processos industriais diversos.

DESENVOLVA SEU POTENCIAL Neste tema de aprendizagem, você estudará os métodos analíticos quantitativos mais empregados na química analítica quantitativa, conhecidos de maneira mais abrangente como métodos eletroanalíticos. Dentre os métodos eletroanalíticos, nós estudaremos as análises eletrogravimétricas e coulométricas, que são métodos relacionados, de maneira geral, à corrente elétrica em reações de oxidação-redução em um processo de eletrólise. A eletrogravimetria está diretamente relacionada às informações de massa, já que pesamos o material eletrodepositado. Coulometria de potencial constante e coulometria de corrente constante nos fornecem informações sobre quantidades de elétrons. Ambas as técnicas são métodos baseados na conversão quantitativa e é necessário que haja uma conversão de 100% do material na superfície do eletrodo. Para isso, é preciso aplicar uma diferença de potencial em células eletroquímicas de dois eletrodos (ou três eletrodos). Esse potencial de eletrodo aplicado está relacionado a alguns aspectos importantes, como: o potencial do cátodo e do ânodo (também chamado de potencial termodinâmico), uma somatória de energia que envolve tanto o sobrepotencial da polarização de concentração quanto o sobrepotencial de efeito da polarização por ativação, além da queda ôhmica. Para que você compreenda bem o princípio dessas técnicas, relembraremos alguns conceitos básicos importantes, visto que os fundamentos da eletroquímica são essenciais para esse estudo. Primeiramente, você deve se lembrar das reações de oxidação-redução, também conhecidas como reações redox. Essas reações envolvem transferências de elétrons de uma espécie para outra, assim como você pode observar no exemplo a seguir, em que os íons ferro (II) são oxidados por íons cério (IV) (SKOOG, 2018): Ce Fe Ce Fe + + + + + +  Podemos observar que o íon Ce4+ recebeu um elétron e passou a ser íon Ce3+. Então, dizemos que é a espécie reduzida (ou agente oxidante). Já o íon Fe2+ perdeu um elétron e passou a ser a espécie Fe3+, espécie oxidada (ou agente redutor). Podemos dizer, aqui, que o Fe2+ é oxidado pelo Ce4+ ou, de forma semelhante, o Ce4+ é reduzido por Fe2+. Qualquer que seja a reação oxidação-redução, podemos exibi-la em duas semiequações, uma vez que é mais claro qual espécie ganha UNICESUMAR

Topico 7 - elétrons e qual espécie perde. Portanto, a reação de oxidação-redução entre o Ce4+ e o Fe2+ pode ser escrita da seguinte forma: Ce e Ce Fe Fe e ⇋ ⇋ ( ( ) reação de redução) reação de oxidação As reações de oxidação-redução podem acontecer de maneiras distintas. Uma delas é pelo contato direto do oxidante e do redutor em um mesmo recipiente. Nesse caso, a transferência de elétrons acontece, ocasionando alguma transformação visível, assim como é o caso da “árvore de prata”, em que um pedaço de cobre é imerso em uma solução contendo nitrato de prata. Os íons prata presentes na solução migram para o metal (cobre) e sofrem redução. Ao mesmo tempo, uma quantidade equivalente de cobre é oxidada. O mesmo raciocínio ocorre em uma célula eletroquímica. Nesse caso, os elétrodos permanecem em compartimentos separados, mergulhados em uma solução de eletrólitos adequados, conhecida como semicélulas conectadas. Para que uma corrente comece a fluir pelo sistema, é necessário que os eletrodos estejam conectados externamente e que haja uma comunicação com as soluções de eletrólitos, assim como é o papel da ponte salina, para que o movimento de íons aconteça entre elas. Podemos visualizar as semirreações para esse exemplo: Ag e Ag Cu Cu e s s ⇋ ⇋ ( (

2Ag +Cu + s s Ag Cu ⇋2 Depois de multiplicar a semirreação da prata por dois e somando-se as reações, obtemos a equação iônica líquida para o processo global: reação de oxidação) reação de redução) Com a conexão externa dos eletrodos e a ponte salina nas semicélulas, a energia potencial da célula é convertida em energia elétrica, que poderia ser usada para acender uma lâmpada, acionar um motor ou realizar qualquer outro trabalho elétrico. À medida que a reação progride, ou seja, o cobre metálico é oxidado no eletrodo do lado esquerdo, os íons pratas são reduzidos do lado direito, e os elétrons migram para o eletrodo de prata pelo circuito externo. Consequentemente,

o valor do potencial da célula diminui, tendendo a zero, quando a reação global se aproxima do equilíbrio. Quando esse equilíbrio é alcançado, tanto a reação de oxidação quanto a reação de redução ocorrem com a mesma velocidade, e o potencial da célula é zero. Dessa forma, não observamos mais reação e a lâmpada não acende mais. Logo, a célula não realiza mais trabalho. Lembre-se de que é um equilíbrio dinâmico e, embora não observemos mais a reação, as duas semirreações da célula continuam ocorrendo, porém em velocidades iguais! No ponto em que a voltagem é zero, não há mais fluxo líquido de elétrons. As concentrações dos íons Cu(II) e Ag(I) terão valores que satisfaçam à expressão da constante de equilíbrio, assim como é mostrado a seguir: 2Ag +Cu + s s eq Ag Cu K Cu Ag

2 UNICESUMAR

Topico 7 - Esse tipo de célula descrito produz energia elétrica e é chamado de célula galvânica. As baterias, por exemplo, são constituídas por várias células voltaicas conectadas em série, para que, assim, tenham voltagens mais elevadas. Em nosso exemplo de célula galvânica com eletrodos de cobre e prata, assim como em todas as células galvânicas, a reação líquida ocorre espontaneamente durante a descarga Outra maneira de a reação oxidação-redução ocorrer é em célula eletrolítica, na qual a espécie oxidante e redutora, na forma de eletrodos, permanece em compartimentos separados, de maneira semelhante à célula galvânica. Contudo, células eletrolíticas consomem energia elétrica. Por exemplo, a célula Cu-Ag pode operar, ao conectar o terminal negativo de uma fonte de alimentação (ou bateria) ao eletrodo de cobre, e o terminal positivo ao eletrodo de prata. Com o emprego dessa fonte, elétrons migram desse polo para o eletrodo de cobre, forçando a redução de Cu2+ para Cu(s). Ao mesmo tempo, há a oxidação de Ag(s) para Ag+. Esse mecanismo sustenta a corrente devido ao fluxo de elétrons para o polo positivo da fonte de voltagem. Em uma célula eletrolítica, a direção da corrente é inversa àquela da célula galvânica. Além do mais, as reações nos eletrodos também são invertidas, ou seja, o eletrodo de prata é forçado a se oxidar, tornando-se ânodo, enquanto o eletrodo de cobre é forçado a se reduzir, tornando-se um cátodo. Com as inversões que ocorrem nos dois eletrodos, a reação líquida que acontece na célula eletrolítica é inversa àquela que ocorre de maneira espontânea na célula galvânica, devido ao uso de uma voltagem maior. Assim, a reação resultante é: Ag Cu s s

2Ag +Cu + A Figura 1 ilustra uma célula eletrolítica com os eletrodos de cobre e prata: Células eletrolíticas consomem energia elétrica

Frequentemente, usamos uma notação simplificada para descrever as células eletroquímicas. Ainda em se tratando do nosso exemplo com cobre e prata, podemos indicá-lo como: Cu Cu Ag Ag , , 0 0200 0 0200

mol.L mol.L -1 -1 Nessa notação, uma linha vertical simples indica um limite entre fases ou interfaces, local em que o potencial se desenvolve, ao passo que a linha vertical dupla representa dois limites, um em cada extremidade da ponte salina. Agora que já Figura 1 – Célula eletrolítica / Fonte: Holler, Skoog e Crouch (2009, p. 643). Descrição da Imagem: são expostos dois béqueres, sendo um constituído por uma solução de coloração azul (solução de CuSO4) e o outro por uma solução incolor (solução AgNO3). Uma pequena placa metálica de cobre está mergulhada no béquer de cor azul. Essa placa metálica contém um fio conectado na parte superior que se liga externamente a outra chapa metálica de prata que se encontra mergulhada na solução do outro béquer. Um tubo de vidro invertido conecta os dois béqueres. Há um voltímetro suspenso acima dos béqueres: ele sinaliza o valor de 0,450 V. Dessa caixa, saem dois fios com garra jacaré que se ligam cada um acima de cada eletrodo. Há a presença de setas indicando o movimento dos elétrons da chapa de prata para a chapa de cobre. UNICESUMAR

Topico 7 - relembramos os principais fundamentos básicos da eletroquímica no que diz respeito às reações de oxidação-redução, retomamos o nosso objetivo principal, que são os métodos eletroanalíticos, como a eletrogravimetria e a coulometria. Na química analítica quantitativa, temos os métodos eletroanalíticos, que podem ser classificados em métodos não interfaciais e em métodos interfaciais. Dentre os métodos interfaciais, existem os processos considerados estáticos, que são aqueles em que a corrente elétrica é zero, e os processos considerados dinâmicos, em que há corrente elétrica. Nesse último caso, os processos podem ser, ainda, de potencial controlado ou de corrente constante, o que inclui uma série de técnicas. Dentre elas, há a eletrogravimentria, que, mediante um processo eletrodeposição, fornece-nos informações sobre a massa do analito de interesse (quantificação), e a coulometria, que, de maneira análoga, fornece-nos informações por meio da carga do analito, que pode ser sólido, ou não, à medida que a corrente elétrica é consumida. A Figura 2 ilustra o resumo de alguns métodos eletroanalíticos.

Abordaremos cada um desses métodos eletroanalíticos de maneira separada. Você estudou, em se tratando da célula eletrolítica, constituída pelos eletrodos de cobre e prata, um processo em que aplicamos uma diferença de potencial elétrico na célula (podemos usar uma bateria para isso) para forçar uma reação redox. O cobre foi reduzido, enquanto a prata foi oxidada. Essa reação também é conhecida como eletrólise, uma reação química que não acontece de maneira espontânea. Na análise eletrogravimétrica, o analito é quantitativamente depositado sobre um eletrodo por meio de uma eletrólise. O eletrodo é pesado antes e depois do processo de deposição. O aumento da massa do eletrodo nos diz a quantidade de analitodepositada. Por exemplo, nós podemos passar uma corrente através da solução de um sal de cobre para depositar todo o cobre sobre o cátodo e, então, fazer a medição de cobre, de acordo com a equação a seguir (HARRIS, 2011). Figura 2 – Resumo dos métodos eletroanalíticos / Fonte: adaptada de Holler, Skoog e Crouch (2009). Descrição da Imagem: a figura descreve um fluxograma que, no topo, contém uma caixa com o texto “Métodos eletroanalíticos”. Dessa caixa, originam duas caixas: uma contém o texto “Métodos interfaciais”, e a outra exibe o texto “Métodos não interfaciais”. Da caixa “Métodos interfaciais”, originam duas caixas com os seguintes textos: “Métodos estáticos I = 0” e “Métodos dinâmicos I > 0”. Da caixa “Métodos dinâmicos”, originam duas caixas com os textos: “Potencial controlado” e “Corrente constante”. Da caixa “Potencial controlado”, originam duas caixas contendo os textos: “Coulometria a potencial de eletrodo constante” e “Eletrogravimetria (m)”. Da caixa “Corrente constante”, originam duas caixas com os seguintes textos: “Titulações coulométrica (Q = I.t)” e “Eletrogravimetria”. UNICESUMAR

Topico 7 - Cu C aq +2e u - depositado sobre o cátodo) ( O aumento de massa do cátodo nos indica a quantidade de cobre que estava presente na solução. Na maioria dos casos, a deposição do metal é feita em um cátodo de platina previamente pesado, enquanto o aumento da massa é determinado. A Figura 3, a seguir, ilustra esse exemplo de deposição do cobre em um eletrodo de platina. Figura 3 – Análise eletrogravimétria em que o analito é depositado sobre uma grande tela de Pt Fonte: Harris (2011, p. 390). Descrição da Imagem: é exibido um recipiente de vidro com uma solução contendo o analito. Imerso nessa solução, encontra-se um sistema acoplado, constituído por uma tela de platina circular fixada a um fio firme na lateral. Esse fio se liga externamente a um amperímetro seguido por uma bifurcação que se liga a um voltímetro (potenciômetro) e a uma fonte de alimentação. Essas pontas se encontram e se unem a um eletrodo de platina em espiral. Ao lado, há uma imagem representando o eletrodo de platina formado por uma tela circular.

Nós temos, na figura, um recipiente de vidro, que pode ser um béquer alto contendo solução do analito cuja massa queremos determinar. Para o nosso exemplo, ela pode ser uma solução de cobre. Uma grande tela cilíndrica de platina é usada como cátodo (eletrodo de trabalho) e é nessa tela que o analito, nesse caso, o cobre, será depositado. Antes de iniciar o processo, é preciso garantir que a tela de platina tenha sido eficientemente limpa. A essa tela, está conectado o amperímetro (lembre-se de que o amperímetro nos informa a corrente elétrica), que, sequencialmente, está conectado ao voltímetro (que nos informa o valor de potencial entre os dois eletrodos). Na figura, podemos observar uma fonte de alimentação que nos fornece uma diferença de potencial elétrico variável. O sistema termina com um eletrodo de platina em espiral que atuará como ânodo, localizado dentro do diâmetro do cátodo. Essa montagem ficará com a parte dos eletrodos imersos na solução contida naquele béquer com a solução de cobre. Se o analito tiver que ser oxidado, ao contrário de reduzido, é preciso inverter a conexão da fonte, para que a deposição sempre aconteça sobre o eletrodo grande, ou seja, aquela tela de platina que foi inicialmente limpa e pesada e atua como cátodo. O sistema precisa ser agitado e, para isso, é empregada uma barra magnética, pois as espécies, em nosso exemplo, íons de cobre, precisam ser levadas ao eletrodo, para que a deposição ocorra. Vale enfatizar que somente os analitos que formam um depósito sólido podem ser usados. Com o sistema montado, aplicamos a corrente, mantendo o potencial constante. Desse modo, o analito é depositado no eletrodo (tela de platina) e, posteriormente, quando a eletrólise termina, o eletrodo é removido do sistema e pesado para determinar a massa final. A análise eletrogravimétrica pode ser feita de duas maneiras. Em uma, não se controla o potencial do eletrodo de trabalho, mas é fornecida uma diferença de potencial adequado, para que a corrente seja suficiente. Com uma corrente adequada, a reação de eletrólise se completa (todo o Cu2+ presente na solução se reduz a Cu(s), depositando-se na tela de platina). A segunda maneira é controlar o potencial, também conhecido como método potenciostático. Analisaremos cada um desses métodos separadamente. Todavia, antes, entenderemos alguns efeitos que podem influenciar o potencial da célula. É preciso garantir que a tela de platina tenha sido eficientemente limpa UNICESUMAR

Topico 7 - Quando há eletricidade sendo transportada por meio de uma célula eletroquímica, o potencial da célula que medimos é diferente do valor de potencial termodinâmico, ou seja, aquele que buscamos nas tabelas de potenciais padrão (conhecidos como potenciais termodinâmicos). Isso ocorre, porque há, sobretudo, três fatores que influenciam essa medição, que são: polarização ôhmica, polarização por concentração e polarização por ativação. O potencial da célula que medimos é diferente do valor de potencial termodinâmico Em uma célula eletroquímica, a energia é perdida para transportar carga na solução, devido à resistência da solução ao fluxo de corrente (migração de íons). Se usarmos uma pilha, por exemplo, como fonte de energia, parte dessa energia será perdida por conta do transporte de cargas. O produto IR, que é descrito pela Lei de Ohm (em que R é a resistência de uma célula medida em ohms, e I é a corrente medida em ampères), é chamado de potencial ôhmico ou queda IR da célula. Assim, para gerarmos uma corrente de I ampères em uma célula, precisamos aplicar um potencial que seja IR mais negativo que o potencial termodinâmico da célula:

E E IR aplicado lula cé Observemos um exemplo, ao analisarmos a polarização por queda ôhmica, conforme a pilha a seguir: Cd Cd mol L Cu mol L , , 0 01000 0 01000 0 278 0 4 , , / / Cu E E Cu Cu Cd Cd 62V Lembre-se de que essa representação indica ânodo e cátodo, respectivamente E as semirreações:

Cd Cd mol L Cu mol , , 0 01000 0 01000 L Cu E E Cu Cu Cd Cd 0 278 , / / ,462V Lembre-se de que essa representação indica ânodo e cátodo, respectivamente E as semirreações: Se considerarmos o potencial termodinâmico para essa pilha, temos: E E E E E todo odo 0 278 0 462 0 74 , , , cá ân O efeito da queda ôhmica é aumentar o potencial necessário para operar, no caso de uma célula eletrolítica. No caso das pilhas, o efeito de queda ôhmica é diminuir o potencial medido (célula galvânica), visto que há perda de energia. Então, para um sistema em que temos célula eletrolítica, o potencial aplicado é a soma do potencial termodinâmico mais IR. Para a célula galvânica, o potencial é dado pela diferença do potencial termodinâmico menos IR, já que, nesse caso, há perda de energia para transportar carga. UNICESUMAR

Topico 7 - E E IR E E IR eq eq aplicado galvânica célula eletrolítica (c

élula galvânica) Consideraremos uma pilha com resistência de 4,00 Ω como exemplo. Qual seria o potencial dela, quando é produzida uma corrente de 0,100 A? E E IR E eq galvânica galvânica (célula galvânica)

0 278 0 462 , ,

0,100 4,00 galvânica E 0 34 , O valor de 0,34 V é o valor real que aquela pilha pode fornecer, levando em consideração a perda de energia (IR) por conta do transporte de carga. Podemos pensar, agora, no potencial dessa pilha, caso fossemos carregá-la, por exemplo, usando uma corrente de 0,100 A. Lembre-se de que, para isso, seria em uma direção não espontânea. Assim: E E IR E eq aplicado galvânica célula eletrolítica

0 278 0 4 , , 62 1 14

0,100 4,00 galvânica E , O valor de 1,14 V é o valor de potencial a mais necessário para vencer a queda ôhmica e para a reação ocorrer no sistema. Observe mais um exemplo. Qual seria o potencial inicial necessário para gerar uma corrente de 0,078 A na célula Co Co mol L Zn mol L Zn , , 6 40 10 3 75 10

, se essa célula tiver uma resistência de 5,00 Ω? Nesse exemplo, percebemos que as semicélulas têm concentrações diferentes. Dessa forma, precisamos, primeiramente, calcular o potencial em cada uma e, para isso, usaremos a equação de Nernst. Dentre os valores tabelados, podemos encontrar o potencial padrão de redução para as duas espécies: Zn e Zn E Co e Co aq s aq s 0 763

 

E 0 277 , Aplicando a equação de Nernst, temos:

E E direita direita

0 763 0 0592 3 75 10 0 835 , , log , , E (Potencial da semicélula que contém o zinco) esquerda 0 722 0 0592 6 40 10 0 342 , , log , ,

E direita (Potencial da semicélula que contém o cobalto) Para encontrar o potencial inicial, podemos usar a expressão: E E E IR E célula direita esquerda célula

0 835 0 342 0 0 , , , 78 5 0 883

E célula

, Assim, seria necessário o potencial inicial de -0,883 V. Diante disso, podemos entender que há uma diferença de potencial conhecida como sobrepotencial, que nada mais é que a diferença entre o valor real de potencial, E, e o potencial termodinâmico (aquele potencial padrão tabelado). Considerando a queda ôhmica, temos um sobrepotencial, que é um valor maior que o potencial termodinâmico. Outro fator que influencia o potencial da célula é a polarização por concentração que ocorre na interface eletrodo-solução. Devido às reações químicas, ou seja, às transferências eletrônicas que ocorrem na superfície dos eletrodos, as concentrações próximas daqueles eletrodos mudam devido à existência de um gradiente de concentração próximo à superfície do eletrodo. Consequentemente, o potencial presente naqueles eletrodos também muda. Se tivermos, por exemplo, a semirreação de redução de íons Cu2+, podemos analisar, pela equação de Nerst, que, se [Cu2+] se altera, o potencial da célula também se alterará. Cu e Cu E E RT nF Cu

 ln (Equação de Nernst para a redução de Cu ) 2+ No mesmo contexto, temos a polarização por ativação nas reações de transferência eletrônica (seja para oxidar uma espécie, seja para reduzir) e em todas as reações. Para isso, é necessário superar a barreira de ativação (energia de ativação) UNICESUMAR

Topico 7 - para que a reação química aconteça. A polarização por ativação ocorre por conta dos efeitos cinéticos de transferência eletrônica para cada semirreação. Esses três efeitos, que são sobrepotenciais, corroboram para que a energia fornecida para o sistema seja maior do que aquela calculada termodinamicamente, implicando, dessa forma, que a reação não espontânea ocorra na superfície dos eletrodos, conforme equação a seguir: n E Eeq

Em que: E é a energia fornecida a mais para o sistema. Eeq é a energia provinda dos potenciais termodinâmicos. A diferença é definida como sobrepotencial ou sobrevoltagem n. Diante da compreensão sobre os efeitos no potencial, discutiremos a eletrogravimetria sem controle de potencial e com controle de potencial. Primeiramente, para título de esclarecimento, quando dizemos “sem controle de potencial”, referimo-nos a um sistema em que não há controle de potencial no cátodo, no qual comumente é depositado o analito de interesse. Para a análise do método de eletrogravimetria sem controle do potencial, é comum o uso de equipamentos simples e de baixo custo, além de não ser necessária muita capacitação do operador. Podemos empregar uma bateria de corrente contínua de 6 a 12 V, por exemplo, àquele sistema descrito anteriormente. Podemos ajustar a tensão aplicada por meio do auxílio de um potenciômetro para garantir a corrente necessária no processo de eletrólise e mantermos a voltagem até que a deposição seja completa. Como podemos saber se a eletrólise terminou? No caso da solução de cobre (ou qualquer solução que apresente cor por conta dos íons metálicos), poderemos observar o desaparecimento da cor, já que uma solução contendo íons cobre apresentará cor azul. Outra maneira é deixar uma pequena superfície do cátodo fora da solução durante a eletrólise, e, como teste, mergulhar essa superfície ou adicionar água até que fique encoberta. Observamos, então, se a nova superfície contém, ou não, um depósito. Se houver, devemos repetir o procedimento. Caso contrário, a eletrólise terminou. Podemos, ainda, fazer um teste qualitativo para

o analito, retirando uma alíquota da solução. Além disso, considera-se o final da eletrólise quando a corrente final é igual a 10-3 da corrente inicial. final inicial

10 3 Na prática, a eletrólise sob um potencial de célula constante se limita à separação de cátions facilmente reduzíveis, quando comparados ao íon hidrogênio ou íon nitrato. Essa limitação se dá pelas variações de corrente, pela queda IR e pelo potencial do cátodo durante a eletrólise. Inicialmente, R é ajustado de tal forma que a corrente fornecida seja suficiente para a deposição do analito e toda a deposição eletrolítica se completa sob esse potencial (a informação IR nos remete ao valor de potencial). A queda IR diminui à medida que a reação progride. Essa diminuição está ligada diretamente à polarização da concentração do cátodo, o que limita a velocidade com a qual os íons do analito são levados até a superfície do eletrodo. Essa queda IR precisa ser superada por um aumento no potencial do cátodo, a fim de manter o potencial da célula constante. Nesse método, também é comum o uso de despolarizador, que é uma espécie química facilmente reduzida (ou oxidada) que ajuda a manter o potencial do eletrodo de trabalho em um valor relativamente baixo e constante, além de prevenir a ocorrência de reações interferentes sob condições mais redutoras ou oxidantes. O íon nitrato é um tipo de despolarizador bastante empregado (SKOOG et al., 2018). O emprego da eletrogravimetria sem o controle do potencial, embora seja limitada em relação à seletividade, tem aplicações e importância na determinação de muitos metais, assim como ilustra o Quadro 1. ANALITO PESADO COMO CÁTODO ÂNODO CONDIÇÕES Ag+ Ag Pt Pt Solução alcalina de CNCd2+ Cd Cu em Pt Pt Solução alcalina de CNCu2+ Cu Pt Pt Solução de H2SO4/HNO3 Ni2+ Ni Cu em Pt Pt Solução amoniacal Pb2+ PbO2 Pt Pt Solução de HNO3 Quadro 1 – Algumas aplicações da eletrogravimetria sem controle de potencial / Fonte: Skoog et al. (2018). UNICESUMAR

Topico 7 - Para a análise do método de eletrogravimentria com controle de potencial, é necessária uma abordagem mais sofisticada. Usaremos, então, o exemplo de determinação de Cu (II), naquela mesma célula esboçada, e entenderemos a aplicação adequada de um potencial entre os eletrodos. A presença de eletrólito no sistema é muito importante, a fim de reduzir a queda IR. Nesse caso, isso é alcançado com a presença de íons H+. Como temos uma reação de oxidação-redução, visto que, no cátodo, ocorre a redução do Cu2+, concomitantemente, é preciso que alguma espécie se oxide. Assim, a água, que é o solvente, deve ser oxidada no ânodo. Cátodo

Ânodo Cu e Cu E H 0 29

 , O O H e E g 1 2 1 23 / ,

Para sabermos o potencial que deve ser aplicado a essa célula, devemos levar em consideração os efeitos de queda IR, a polarização por concentração e a polarização por ativação. Para efeitos práticos, faremos algumas considerações com valores, empregando uma corrente que opera com -1,5 A no ânodo. Nesse caso, desconsideraremos a polarização de concentração, já que temos água, e a polarização por ativação é de -0,85V (valor tabelado). No cátodo, desconsideraremos tanto a polarização por concentração (levando em consideração que o sistema é agitado de maneira constante e todo o cobre é transportado para a superfície do eletrodo) quanto a polarização por ativação, com o intuito de facilitar os cálculos. Temos, ainda, a polarização por queda ôhmica nesse sistema, com uma resistência de 0,50 Ω. Podemos determinar qual potencial deve ser empregado da seguinte forma: E E E n n IR E conc at aplicado cátodo ânodo a a aplicado

. , , 0 29 1 23 0 85 1 5 0 5 2 54

, , , , E aplicado Logo, o valor de -2,54 V é o potencial necessário que deve ser aplicado para que se inicie o processo de deposição do cobre no eletrodo de platina. Como analisamos um processo de potencial controlado, esse valor não varia à medida que a reação progride e, da mesma forma, o potencial no ânodo também se manterá constante, visto que temos água. No entanto, o potencial do cátodo diminuirá com o progresso da reação. Assim, para manter a igualdade da equação do Eaplicado, o sobrepotencial da polarização da concentração (na conc.), o sobrepotencial da polarização por ativação (naat.) e o sobrepotencial da queda IR devem aumentar.

A diminuição do potencial do cátodo pode gerar um problema, caso outras espécies estejam presentes na solução. Se os potenciais padrão dessas espécies forem valores próximos do potencial que o cátodo atingiu durante a deposição de cobre, então, essas espécies serão também depositadas no eletrodo antes mesmo que o analito (nesse caso, o cobre) seja completamente depositado. Logo, é preciso usar alguma estratégia para que o potencial no cátodo não se altere. Vale ressaltar que nós podemos controlar o potencial entre os eletrodos com o emprego de uma fonte, e não o potencial em cada eletrodo. Para resolver esse problema, podemos usar um sistema de três eletrodos com um potenciostato para controlar o potencial do cátodo e prevenir reações secundárias indesejáveis. A figura a seguir ilustra uma célula com três eletrodos. Figura 4 – Arranjo para eletrólise com potencial controlado: célula eletrolítica com três eletrodos Fonte: Skoog et al. (2018, p. 609). Descrição da Imagem: é descrito um circuito. O topo contém uma caixa indicando fonte cc. Dessa fonte, pelas laterais, saem duas conexões: a do lado esquerdo se liga a outra caixa, que representa o medidor de corrente, que sinaliza o valor de 2,63 mA. Abaixo, essa caixa está conectada a uma terceira caixa, que representa o voltímetro digital, que sinaliza 0,861 V. Desse voltímetro, uma conexão sobe pela lateral direita e se encontra em um círculo, que representa o eletrodo de referência. Desse eletrodo de referência, há uma conexão com o eletrodo de trabalho, o qual faz conexão entre o medidor de corrente e o voltímetro digital. No círculo, está conectado, ainda, o contraeletrodo, que, por uma conexão pela lateral direita, sobe até encontrar um trecho de linha em zigue-zague. Esse trecho está conectado, de um lado, entre a fonte cc e o medidor de corrente e, do outro lado, à extremidade direita da fonte, que, na figura, encontra-se como um sistema aberto. Do lado direito, há uma chave indicando circuito de eletrólise e, do lado esquerdo, na parte inferior, há uma chave indicando circuito de referência. UNICESUMAR

Topico 7 - Esses eletrodos são definidos como eletrodo de trabalho, eletrodo auxiliar (também conhecido como contraeletrodo) e eletrodo de referência. Lembre-se de que é no eletrodo de trabalho que o analito é depositado e, comumente, é o cátodo. Nesse sistema, a reação complementar (oxidação ou redução) ocorrerá no eletrodo auxiliar. O eletrodo de trabalho e o eletrodo de auxiliar estão conectados a uma fonte, a um potenciostato indicado por uma linha em “zigue-zague” e a um medidor de corrente, partes do circuito que compõem a eletrólise. O eletrodo de referência, o voltímetro (digital) de alta resistência e o eletrodo de trabalho compõem o circuito de controle. A resistência elétrica do circuito de controle deve ser grande, a fim de que o circuito de eletrólise forneça toda a corrente para a eletrólise. Desse modo, a corrente no eletrodo de referência permanece essencialmente igual a zero durante todo o tempo. O papel do circuito de referência é monitorar continuamente a voltagem entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência, além de mantê-la sob um valor controlado. A Figura 5 esboça as variações de correntes e do potencial da célula que ocorrem em uma eletrólise em potencial controlado. Figura 5 – Variações no potencial da célula (A) e na corrente (B) durante a deposição de potencial controlado de cobre / Fonte: Skoog et al. (2018, p. 609). Descrição da Imagem: trata-se de um gráfico que tem, na coordenada y: valores de potencial da célula em V e corrente em A; e valores que iniciam do zero na parte inferior e aumentam com uma variação de 0,4 até 2,8 no topo da parte superior. Na coordenada x, há o tempo em minutos, que se inicia no zero e varia de 5 em 5 até 20. Uma linha desce do valor 2,8 coordenada y em um formato próximo à letra “L” até um valor entre 0 e 0,4 na coordenada y, seguindo mais próximo de zero (coordenada y) até o valor de 20 minutos, indicando a corrente. Uma segunda curva representa o potencial e desce a partir do valor 2,2 da coordenada y, também em um formato próximo à letra “L”, até um valor próximo a 0,8 V, que segue até o valor de 20 na coordenada x.

A partir da Figura 5, é possível observar que o potencial da célula aplicado precisa diminuir continuamente durante a eletrólise. Uma observação importante nesse sistema é o uso de um instrumento conhecido como potenciostato. Esse aparelho mantém automaticamente o potencial do eletrodo de trabalho em um valor controlado em relação ao eletrodo de referência. Para a montagem de um sistema de eletrólise com potencial controlado, ou seja, constituído por três eletrodos, as soluções constituintes são agitadas mecanicamente, a fim de minimizar a polarização de concentração. De maneira bastante análoga à técnica eletrogravimétrica, podemos abordar os métodos coulométricos, que também fazem parte dos métodos eletroanalíticos. Quando nos remetemos à coulometria, percebemos, pela sonoridade, que esse assunto trata de Coulombs (C), que é a unidade da quantidade de eletricidade ou quantidade de carga elétrica. Nos métodos eletrogravimétricos que estudamos, o objetivo é a obtenção do produto da eletrólise, que, então, é pesado como um depósito formado sobre um dos eletrodos. Já nos métodos coulométricos, o objetivo é determinar a quantidade de eletricidade necessária para completar a eletrólise, o que, consequentemente, fornecerá a medida da quantidade do analito em um diferente estado de oxidação. Em outras palavras, na coulometria, os elétrons que participam da reação química são contados para saber a quantidade de analito que reagiu. Logo, toda a abordagem sobre a célula eletrolítica que estudamos também faz parte dos métodos coulométricos. Vamos aproveitar o mesmo enfoque e considerar um exemplo prático, como a redução do cobre em uma célula de dois eletrodos de platina, sendo um na forma retangular e outro em formato espiral, para compreendermos a essência de métodos coulométricos. Na célula, temos as duas semirreações ocorrendo: Cátodo Ânodo Cu e Cu H O O H e s g

  No eletrodo maior, o cobre será depositado, enquanto, no eletrodo em espiral, a água será oxidada. Ambos os eletrodos são de platina. Na solução, há um eletrólito, como HNO3. O amperímetro fornecerá a corrente que flui nesse sistema e nós precisamos saber por quanto tempo ela flui. Assim, o produto da corrente com o tempo nos fornece a carga Q: UNICESUMAR

Topico 7 - Q I t

Sabendo que Q é dado em Coulombs (C), I em ampères (A) e t em segundos, temos que um Coulomb é a quantidade de carga transportada em um segundo por uma corrente constante de um ampère. A constante de Faraday é uma constante que representa a carga de um mol de elétrons, cujo valor é 96485 C/mol. Observaremos um exemplo prático usando uma célula com cobre. VOCÊ SABE RESPONDER? Se uma corrente de 0,17 A flui por 16 minutos através da célula eletrolítica, quantos gramas de Cu(s) serão depositados? Primeiro, determinamos a carga Q: Q I t Q Q C

0 17 16 60 163 2 , . , Logo, 163,2 C é a quantidade de carga que fluiu no sistema. Isso ocorre em consequência da deposição do cobre. Agora, podemos determinar a massa de cobre. Pela semirreação que ocorre no cátodo, constatamos que, para cada mol de Cu (s) depositado, é preciso que dois mols de elétrons fluam no sistema: Cu e Cu C s 96485

 mol carga 1Cu 2 x 163,2 mol de Cu x

8 45 10 4 , Sabendo que um mol de cobre tem a massa de 63,5g, determinamos a massa de cobre:

mol massa 1Cu 8,45 10 -4 g

63 5 , y de Cu y g

5 37 10 2 , Logo, 5,37x10-2 g de cobre é depositado no eletrodo. A partir desse exemplo, podemos observar que, pela quantidade de carga envolvida em um sistema, podemos calcular a massa de analito que foi depositada no eletrodo a partir de uma corrente com magnitude conhecida. Esse é o princípio básico dos métodos coulométricos. Observe mais um exemplo: calcule o tempo necessário para uma corrente de 0,852 A depositar 0,250g de Co (II) como cobalto elementar na superfície do cátodo. Para encontrarmos o tempo necessário para essa deposição, precisamos, primeiramente, saber quantos Coulombs estão envolvidos, já que: Q I t t Q

Pela semirreação que ocorre no cátodo, temos que, para cada mol de Co(s) depositado, é preciso que dois mols de elétrons fluam no sistema. Temos, então: Co e Co mol massa g mol Co s



( )

58 93 0 250 4 24 10 3 , , , - x x mol mol carga 1Co C

96485 4 24 10 81864 , - mol y C Com o valor de Q (calculado) e o valor da corrente fornecida pelo enunciado, podemos encontrar o tempo necessário: UNICESUMAR

Topico 7 - t Q t t s t t = = = = = 81264 0 852 ,

Transformando em minutos: 6 min O tempo de 16 minutos é o tempo necessário para que uma corrente de 0,852 A consiga fazer a deposição de 0,250 g de cobalto na forma elementar no cátodo. Dentre os métodos coulométricos, existem dois tipos: um conhecido como coulometria a potencial controlado (potenciostático), e outro conhecido como coulometria a corrente controlada (ou titulação coulométrica).

Os métodos coulométricos com potencial controlado são semelhantes àqueles já vistos na eletrogravimetria. O potencial do eletrodo de trabalho é mantido a um valor constante, de forma que o analito conduz carga mediante a interface eletrodo-solução. Contudo, a corrente de eletrólise é registrada como uma função do tempo, para que possamos determinar a quantidade de carga Q. Esse método apresenta as mesmas vantagens da eletrogravimetria, com o diferencial de que não é necessário pesar o produto. Além disso, o método pode ser empregado em materiais que não produzem produtos totalmente sólidos (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). Já as titulações coulométricas são semelhantes às demais titulações em que ocorre uma reação do analito com um reagente padrão. Podemos fazer uma comparação entre a titulação coulométrica e as titulações convencionais. Nas titulações convencionais, o analito está para os elétrons nas titulações coulométricas. A solução padrão nas titulações convencionais está para a corrente de grandeza conhecida nas titulações coulométricas. Assim, a leitura que é feita do valor da corrente nas titulações coulométricas é análoga à leitura do volume medido nas titulações convencionais. A quantidade de carga necessária para alcançar o ponto final é calculada pela magnitude da corrente e pelo tempo gasto. A corrente, em uma titulação coulométrica, é cuidadosamente mantida a um valor constante, com o auxílio de um amperostato, e o produto dessa corrente pelo tempo (que é o tempo necessário para alcançar o ponto final) é a quantidade de carga que, por sua vez, é proporcional à quantidade do analito envolvido na eletrólise. A importância de manter a corrente constante impede uma oxidação ou redução quantitativa de espécies desconhecidas, devido ao surgimento inevitável de polarização de concentração da solução antes que a eletrólise se complete. Em uma titulação coulométrica, como em um procedimento convencional, há a necessidade de se empregar alguma forma de detecção do ponto de equivalência químico e, assim como nas titulações convencionais, podemos empregar vários dos mesmos procedimentos na titulação coulométrica, assim como é o caso de indicadores que mostram visivelmente a mudança de cor quando a reação se completa. Uma célula típica para a titulação coulométrica é mostrada na Figura 6. UNICESUMAR

Topico 7 - Podemos observar que a célula é constituída por um eletrodo gerador (no qual o reagente é formado) e um eletrodo auxiliar para completar o circuito. O eletrodo gerador deve conter uma área superficial grande e, geralmente, é de platina. O segundo eletrodo é isolado por um disco de vidro sinterizado ou por um material poroso, com o intuito de se evitar interferentes. Atualmente, existem, no mercado, diversos tipos de tituladores coulométricos automáticos. Muitos deles podem ser usados para a determinação de várias espécies e para a análise de espécies específicas. A Figura 7 ilustra um dispositivo de titulação coulométrica de laboratório para diversos tipos de análises de reação de eletrólise para encontrar a concentração de determinada substância. Figura 6 – Uma célula típica de titulação coulométrica / Fonte: Holler, Skoog e Crouch (2009, p. 723). Descrição da Imagem: a figura é composta por um frasco fechado com rolha. Nessa rolha, há dois tubos transpassados. Um deles é constituído por eletrólito e tem, na parte inferior, um disco de vidro sinterizado. O outro tubo transpassado na rolha é constituído por eletrodo gerador. Na parte interna do frasco, há uma barra magnética. Esse sistema está sob um agitador magnético. Na parte superior, é indicada a fonte de corrente.

Figura 7 – Um titulador coulométrico automático Descrição da Imagem: é exibido um equipamento com uma tela digital e botões na parte inferior. À esquerda, há um sistema pequeno que contém uma solução de coloração alaranjada. Na parte superior, existem duas conexões de fios que se ligam ao equipamento. Há uma torneira na parte inferior. Você sabia que os métodos que nós estudamos aqui, ou seja, eletrogravimetria e coulometria, são métodos considerados sensíveis e que estão entre as técnicas mais exatas e precisas disponíveis para as análises químicas? Além disso, são considerados métodos absolutos, uma vez que não requerem calibração externa com padrões. UNICESUMAR

Topico 7 - As titulações coulométricas têm uma gama de aplicações, uma vez que foram desenvolvidas para todos os tipos de reações volumétricas. Podemos destacar as: titulações de neutralização, em que os ácidos fortes e fracos podem ser titulados com alto grau de exatidão usando-se íons OH- gerados no cátodo; titulações de precipitação e de formação de complexos, que envolvem íons pratas gerados anodicamente; e titulações de oxirredução, em que uma variedade de reagentes pode ser produzida por métodos coulométricos, assim como é o caso do bromo eletrogerado, que está dentre os agentes oxidantes mais empregados como base para outros métodos. Nos dois casos em que se emprega o método coulométrico, como o de potencial controlado (por exemplo, o de corrente controlada), o analito precisa reagir com 100% de eficiência da corrente. A eficiência não implica que o analito deva participar diretamente do processo de transferência de elétrons com o eletrodo, podendo participar de uma reação secundária àquela que ocorre no eletrodo. Análise Química Quantitativa O livro Análise Química Quantitativa apresenta os princípios da química analítica e mostra como esses princípios podem ser aplicados em química e outras disciplinas relacionadas, especialmente nas ciências da vida e ambientais. Para entender melhor e aprofundar o seu conhecimento sobre as análises eletrogravimétrica e coulométricas, como a caracterização de KCl e as soluções de HCl por titulação coulométrica para monitoramento da qualidade da água, sugiro a leitura do Capítulo 16, intitulado Técnicas Eletroanalíticas. INDICAÇÃO DE LIVRO No decorrer deste tema de aprendizagem, nós constatamos que os métodos eletrogravimétricos e coulométricos fazem parte dos métodos eletroanalíticos, os quais têm, como base, as reações de eletrólise. Reações de eletrólise são aquelas que ocorrem somente quando uma diferença de potencial é aplicada ao sistema, ou seja, são reações de oxidação-redução que não acontecem de maneira espontânea.

Entendemos, também, que a eletrogravimetria pode ser de dois tipos. Um deles é a eletrogravimetria sem controle do potencial, que é um procedimento eletrolítico em que não há qualquer esforço para controlar o potencial do eletrodo de trabalho, embora o potencial seja mantido mais ou menos constante durante a eletrólise. Já para o outro tipo, a eletrogravimetria de potencial controlado, são necessários o uso de um sistema de três eletrodos (eletrodo de trabalho, eletrodo de referência e eletrodo auxiliar) e o emprego de um potenciômetro, que é o responsável por fazer o ajuste da tensão aplicada entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo auxiliar. O foco principal é determinar a massa de espécies sólidas que podem ser eletrodepositadas em um eletrodo. O outro método eletroanalítico é a coulometria, que também pode ser de dois tipos, muito semelhante à eletrogravimetria. Contudo, é a quantidade de eletricidade necessária para completar a eletrólise que dará suporte para a quantificação do analito. NOVOS DESAFIOS Métodos eletroanalíticos tais como eletrogravimetria e coulometria, são empregados atualmente para determinar mais de 50 elementos em compostos inorgânicos. Eles têm sido muito usados no campo da energia nuclear para determinar urânio e plutônio livre de interferências. A eletrogravimetria de potencial controlado, por exemplo, é usada para separar e determinar as espécies metálicas que tenham o potencial padrão que se difere de apenas alguns décimos de volt. É o caso do cobre, do bismuto, do chumbo, do cádmio, do zinco e do estanho. Além disso, são usados para a determinação eletrolítica (e síntese) de compostos orgânicos, como ácido tricloroacético e pícrico. Titulação coulométrica é o método de referência aceito para a determinação de cloreto em soro sanguíneo, plasma, urina, suor e outros fluidos corporais. UNICESUMAR

Evidencie as diferenças entre a coulometria potencial controlada e a coulometria a corrente constante. 2.	 Qual é a função de um potenciostato? 3.	 A célula a seguir foi usada na determinação de cádmio na presença de íons cloreto tanto por eletrogravimetria quanto por coulometria Ag AgCl s Cl molL Cd molL Cd ( ), , , ,

0 200 0 00500

Considerando os seguintes potenciais padrão de redução: Cd e Cd E AgCl e A s s 0 403

 

, g Cl E s

0 222 , E que a resistência interna da célula seja de 15,0 Ω, calcule: a) O potencial que precisa ser aplicado para prevenir que a corrente se desenvolva na célula quando os dois eletrodos forem conectados. b) O potencial que precisa ser aplicado para provocar o desenvolvimento de uma corrente eletrolítica de 2,00 mA. VAMOS PRATICAR

REFERÊNCIAS GROSS, J. L. et al. Diabetes Melito: diagnóstico, classificação e avaliação do controle glicêmico. Arquivos Brasileiros de Endocrinologia & Metabologia, São Paulo, v. 46, n. 1, p. 16-26, 2002. HARRIS, D. C. Explorando a química analítica. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011. HOLLER, F. J.; SKOOG, D. A.; CROUCH, S. R. Princípios de Análise Instrumental. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2009. SKOOG, D. A. et al. Fundamentos de química analítica. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2018.

Na coulometria de potencial controlado, o potencial do eletrodo de trabalho é mantido em um valor constante em relação a um eletrodo de referência. Na coulometria de corrente constante, a célula é operada de maneira que a corrente seja mantida em um valor de constante. 2.	 Um potenciostato controla o potencial aplicado para mantê-lo constante entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência. 3.	 Primeiramente, precisamos determinar o potencial em cada um dos eletrodos nas condições da célula. O sistema ainda não está em funcionamento. Para isso, empregaremos a equação de Nernst. Como a determinação é de cádmio, é essa espécie que se depositará, o que implica uma reação de redução. Assim: a. Potencial no eletrodo de cádmio (reação de redução) E E

0,0592 0 403 0 05 n redução E

log Equação de Nernst , , 0 00500 0 47

log , , E Potencial no eletrodo de prata (reação de oxidação) log E E n oxidação E

0 0592 , ,222 0 0592 0 200 0 263

, log , , E Visto que a corrente deve ser igual a 0,00 mA, determina-se o potencial que deve ser aplicado na célula com o uso da equação: E E E E E aplicado oxi aplicado aplicado red

a. Para calcular o potencial aplicado necessário para desenvolver uma corrente de 2,00 mA (ou 2,0 0x10-3 A), é possível usar a equação: E E IR E E aplicado célula aplicado aplica

UNIDADE 8

MINHAS METAS POTENCIOMETRIA Estudar a potenciometria. Conhecer os fundamentos da potenciometria. Explorar os diferentes tipos de eletrodos empregados. T E M A D E A P R E N D I Z A G E M 8

INICIE SUA JORNADA Atualmente, muitos instrumentos são usados para realizar medidas à beira do leito. Em situações críticas de vida e morte, raramente existe tempo o suficiente para transportar amostras de sangue a laboratórios clínicos, realizar análises clínicas e transmitir os resultados de volta para a beira do leito. Esses instrumentos são usados, sobretudo, em casos de emergência/urgência e, por meio das coletas de amostras dos pacientes, é possível realizar medições de uma variedade de analitos clínicos importantes com o uso de um dispositivo portátil. Dentre os analitos mais comuns, encontram-se: potássio, sódio, pH, pCO2. Você teria uma sugestão de como esse dispositivo portátil realiza essas medições? Como diferenciar cada um desses analitos? Medições analíticas podem ser feitas de diversas maneiras. Você já estudou alguns assuntos relacionados ao pH e algumas determinações feitas a partir dele. Medidas de pH podem ser feitas com o uso de fitas indicadoras de pH e titulação ácido-base para a construção de curvas de titulação. O conhecimento dos valores de pH, seja qual for a amostra ou a finalidade, é de suma importância, visto que esse valor está relacionado à qualidade de produtos alimentícios, materiais de limpeza, reações químicas nas mais diversas amostras, análises de sangue (exames laboratoriais, em geral), além de uma vasta gama de outras aplicações. Métodos potenciométricos envolvem equipamentos simples e são empregados para realizar diversos tipos de análises. Um exemplo é a medida de pH (com o emprego de equipamento), que é uma alternativa extremamente viável, além de incluir outras vantagens. UNICESUMAR

Topico 8 - DESENVOLVA SEU POTENCIAL Você já deve ter estudado os dois métodos eletroanalíticos: a eletrogravimetria e a coulometria. Neste tema de aprendizagem, estudaremos a potenciometria, que também é classificada como um método eletroanalítico. Ambos os métodos têm alguns fundamentos em comum, como o uso de célula eletroquímica, potencial (ou diferença de potência), reações redox e, consequentemente, presença de agente oxidante e agente redutor e ponto final. Contudo, na potenciometria, a corrente elétrica é mínima, de tal forma que se torna desprezível. Os métodos potenciométricos tratam de medidas que fazem uso de eletrodos para medir potenciais elétricos que fornecem informações químicas. Essa técnica utiliza células eletroquímicas e pode ser empregada em uma grande variedade de amostras. Dessa forma, para medir o potencial eletroquímico, é necessário o emprego de diferentes tipos de eletrodos, que é uma parte importante dos nossos estudos neste tema (ROSA; GAUTO; GONÇALVES, 2013). VAMOS RECORDAR? Imagine a seguinte situação: você, recém-formado(a), é contratado(a) por uma empresa de análises laboratoriais. Uma das suas funções é realizar medições de pH, gases sanguíneos e íons, como sódio e potássio, em amostras de sangue. Você precisa redigir um relatório e concluir se os resultados obtidos estão adequados. Dessa forma, atribuíram-lhe que conferisse, em uma determinada amostra de sangue, o valor de pH e se o valor obtido estaria coerente. Para isso, foi indicado que você usasse o laboratório equipado. Que tipo de equipamento ou materiais você usaria para realizar essa análise? Para a elaboração de um relatório conclusivo, acredito que você tenha se deparado com a necessidade de equipamentos que forneçam dados precisos sobre o pH da amostra e outros equipamentos que usam eletrodos sensíveis a determinados íons, para que seja possível finalizar as medidas solicitadas. Podemos, então, refletir sobre alguns pontos. Medir o pH poderia ser feito com uma fita indicadora de pH, mas como você discutiria o resultado observado, já que esse tipo de material nos fornece uma faixa de pH? E a determinação dos íons: como ela poderia ser feita?

A realização de medidas potenciométricas não requer equipamentos sofisticados. Pelo contrário, são necessários equipamentos simples e de baixo custo. Inclui um conjunto de eletrodos, sendo um de referência e outro eletrodo indicador, além de um dispositivo de medida de potencial. Dentre as vantagens, podemos considerar, ainda, que são equipamentos que apresentam ótimo desempenho e durabilidade. Eles são de fácil incorporação, com sistemas de fluxo automático, além de baixa complexidade. Você tem conhecimento de órgãos do governo brasileiro que são responsáveis pela publicação de guias, manuais e resoluções a respeito da validação de métodos analíticos? A Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO) e o Ministério da Agricultura e Pecuária (MAPA) são três desses órgãos. Eles fornecem protocolos para que os métodos analíticos tenham validade e aceitação. UNICESUMAR

Topico 8 - Podemos considerar a análise potenciométrica da seguinte forma: temos uma amostra a ser analisada e essa amostra pode fazer parte de meia-célula, inserindo, na solução, um eletrodo inerte, por exemplo, um fio de Pt, que pode tanto transferir elétrons como receber elétrons do analito. Como esse eletrodo responde ao analito, ele é chamado de eletrodo indicador. Podemos, então, conectar essa meia-célula a outra meia-célula por meio de uma ponte salina. A segunda meia-célula tem uma composição fixa, de modo que o potencial dela é constante. Devido a esse potencial constante, a segunda meia-célula é denominada eletrodo de referência. A diferença de potencial elétrico da célula eletroquímica em questão é a diferença entre o potencial variável da meia-célula que contém o analito e o potencial constante do eletrodo de referência. A Figura 1 ilustra essa ideia, ao supor que desejamos saber as quantidades de Fe2+ e Fe3+ presentes em determinada solução (HARRIS, 2011). Figura 1 – Célula galvânica que pode ser usada para medir a razão [Fe2+] / [Fe3+] de determinada solução Fonte: adaptada de Harris (2011). Descrição da Imagem: trata-se de uma figura composta por dois recipientes de vidro. O da esquerda contém uma coloração azul, uma chapa mergulhada e um monte sólido no fundo. Um fio ligado na chapa metálica se conecta, com uma tira em espiral, ao recipiente da direita. Há um tubo em U virado para baixo conectando os dois recipientes (ponte salina). Um quadrado localizado na parte superior da conexão entre o fio metálico faz referência de um voltímetro.

As duas meias-reações são indicadas como: Eletrodo da direita:

Fe e Fe

 E AgCl e Ag Cl s s 0 771

Eletrodo da esquerda:

 E 0 222 ,

Os potenciais de eletrodo são: E Fe Fe E Fe Fe Cl 0 771 0 0592

/ , , log , , log 0 592

Cl Já a diferença de potencial elétrico da célula eletroquímica é a diferença: E E Fe Fe Cl

/ :

E Fe Fe

0 771 0 0592 0 222 , , log , 0 592 , log Cl

A [Cl-], no entanto, na meia-célula da esquerda, é constante. Logo, o valor da diferença de potencial elétrico da célula eletroquímica muda somente quando a razão [Fe2+] / [Fe3+] (meia célula da direita) se alterar. A meia-célula da esquerda mais a ponte salina pode ser representada como uma única unidade, conforme indicado pela linha tracejada, imersa parcialmente na solução do analito. A Figura 2 ilustra a outra visão da célula galvânica. Dessa forma, a meia-célula da esquerda pode ser considerada um eletrodo de referência. UNICESUMAR

Topico 8 - Figura 2 – Outra visão da Figura 1 / Fonte: adaptada de Harris, Barcia e Afonso (2012). Descrição da Imagem: é exibido um recipiente de vidro contendo uma solução de cor azul. Dentro da solução, há um metal de formato cilíndrico conectado por um fio externo. Também há uma tira em espiral imersa na mesma solução. Na parte superior, há um voltímetro interligado aos dois metais. O fio de platina é o eletrodo indicador cujo potencial responde à razão [Fe2+] / [Fe3+]. O eletrodo de referência se encarrega de completar a reação redox e estabelece um potencial constante no lado esquerdo do potenciômetro. Assim, as variações na diferença de potencial da célula eletroquímica resultam de alterações na razão [Fe2+] / [Fe3+]. A Figura 3 mostra uma célula típica empregada em análises potenciométricas.

Essa célula (Figura 3) pode ser representada da seguinte forma: Figura 3 – Célula utilizada para determinações potenciométricas / Fonte: adaptada de Holler, Skoog e Crouch (2009). Descrição da Imagem: é exibido um recipiente transparente contendo uma solução de cor azul. Imerso nela, está um tubo de vidro, que tem um fio na parte superior que se conecta a um potenciômetro digital na parte superior. Ele, por sua vez, conecta-se ao fio, que contém uma chapa quadrada imersa na mesma solução. Por isso, o grande alvo da potenciometria, de certa forma, está nos eletrodos e nas aplicações para cada um deles. Dessa forma, sugiro que você se atente, neste conteúdo, para cada tipo de eletrodo, incluindo as respectivas constituições e funções destinadas. Vamos, primeiramente, entender cada um desses eletrodos, a maneira como constituem uma célula eletroquímica e o potencial de junção (EJ). UNICESUMAR

Topico 8 - Fundamentos de Química Analítica O livro Fundamentos de Química Analítica aborda tanto os aspectos fundamentais quanto os aspectos práticos da análise química. O maior objetivo é fornecer um fundamento completo dos princípios da química que são particularmente importantes para a química analítica, a fim de que os alunos desenvolvam habilidades para a difícil tarefa de julgar a exatidão e a precisão de dados experimentais. Além disso, demonstra como esses julgamentos podem ser aprimorados a partir da aplicação de métodos estatísticos. Uma leitura que pode complementar os seus estudos sobre os conteúdos deste tema de aprendizagem é a do Capítulo 21 deste livro. Com essa leitura, você terá uma visão ainda maior a respeito da potenciometria e compreenderá detalhes que serão vistos neste tema de aprendizagem. INDICAÇÃO DE LIVRO O eletrodo de referência (Eref) constitui uma meia-célula que tem um potencial de eletrodo exatamente conhecido, isto é, o de permanecer contínuo ou inalterável a temperatura constante, independentemente da atividade (concentração) da solução do analito ou de outro íon presente na solução em estudo. Normalmente, o eletrodo de referência é indicado à esquerda em medidas potenciométricas. Além disso, deve ser robusto, fácil de construir e precisa manter um potencial constante, mesmo com a passagem de pequenas correntes. Dois tipos de eletrodos de referência merecem destaque: o eletrodo de prata-cloreto de prata e o eletrodo de calomelano (SKOOG et al., 2010). Na Figura 1, o eletrodo de referência envolvido pela linha pontilhada é conhecido como eletrodo de prata-cloreto de prata. Esse eletrodo de referência é constituído por um eletrodo de prata imerso em uma solução de cloreto de potássio saturado com cloreto de prata. O potencial dele é determinado por intermédio da semirreação: Eletrodo de AgCl/Ag:

AgCl e Ag Cl E s s

 0 222 ,

saturado

E KCl

0 197 , Normalmente, esse eletrodo é preparado com um pequeno tubo de vidro que tem uma abertura estreita na parte inferior, onde se localiza o material poroso responsável pelo contato com a solução do analito. O eletrodo de prata-cloreto

de prata apresenta a grande vantagem de poder ser usado em temperaturas superiores a 60 °C, o que não pode ser feito com o eletrodo de calomelano. O eletrodo de calomelano é constituído por mercúrio metálico em contato com uma solução de cloreto de potássio de concentração conhecida, saturada com cloreto de mercúrio (I), que, então, recebe o nome de calomelano. O potencial de eletrodo para essa semirreação é baseado pela reação (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009): Eletrodo de calomelano:

Hg Cl e Hg Cl s l



Cloreto E 0 268 , de mercœrio (calomelano) saturado

E KCl

0 241 , O potencial padrão para essa reação é de +0,268 V. Se a célula eletroquímica está saturada com KCl a 25 °C, o potencial é de +0,241 V. Um eletrodo de calomelano saturado com KCl é conhecido como eletrodo de calomelano saturado, abreviado como ECS. Esse eletrodo é largamente usado, porque é facilmente preparado. Existem outros eletrodos de calomelano: todos são constituídos por solução saturada com cloreto de mercúrio (I), mas as células se diferem somente em relação à concentração do cloreto de potássio (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009; HARRIS; BARCIA; AFONSO, 2012). A Figura 4 (a) ilustra um eletrodo de calomelano saturado comercial, enquanto a Figura 4 (b) mostra um eletrodo de calomelano saturado que qualquer um pode facilmente construir a partir de materiais disponíveis na maioria dos laboratórios. Uma ponte salina fornece o contato elétrico com a solução do analito. UNICESUMAR

Topico 8 - Figura 4 – (a) Diagrama ilustrativo de um eletrodo calomelano saturado comercial; (b) Eletrodo de calomelano saturado construído em laboratório / Fonte: adaptada de Skoog et al. (2010). Descrição da Imagem: a primeira imagem, localizada à esquerda, contém um tubo de vidro e, internamente, outro tubo, que é representado por uma coloração azul e pequenos pontos representando a pasta de Hg, Hg2Cl2e KCl saturado. No espaço entre os tubos, há KCl saturado. Na parte superior, há um lacre e um fio que transpassa esse lacre, indicando fio condutor elétrico. Na parte inferior, há um pequeno orifício no tubo interno e, na base do tubo externo, há vidro sinterizado. Na segunda imagem, localizada à direita, é exibido um frasco transparente contendo uma solução de cor azul. O frasco está fechado com uma rolha e, por ela, transpassa um tubo da metade para baixo. Esse tubo está pintado de cinza com pequenos pontos pretos indicando Hg. Um tubo em U invertido tem uma das extremidades transpassada pela rolha e a outra extremidade suspensa externamente. No fundo do frasco, há a indicação de Hg, representada pela cor cinza com pontos pretos. A principal desvantagem do eletrodo de calomelano reside no fato de que ele é mais dependente da temperatura. No entanto, essa desvantagem é importante apenas naquelas raras circunstâncias nas quais as variações substanciais de temperatura ocorrem durante as medidas (SKOOG et al., 2010). Devido à preocupação com as contaminações causadas pelo mercúrio, o ECS é, atualmente, menos utilizado do que já foi no passado. Todavia, para algumas aplicações, ele ainda é mais apropriado que o eletrodo de referência Ag-AgCl. Além dos eletrodos (referência e indicador), o terceiro componente de uma célula potenciométrica é a ponte salina, que previne que os componentes da solução do analito se misturem com aqueles do eletrodo de referência. Dessa forma, um potencial se desenvolve por meio das junções líquidas em cada extremidade da

ponte salina, processo conhecido como potencial de junção líquida (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). Podemos observar um exemplo, assim como é apresentado na Figura 5, de uma junção líquida muito simples, que consiste em duas soluções de ácido clorídrico, porém de concentrações diferentes. Elas estão separadas por uma barreira porosa inerte. Figura 5 – Representação esquemática de uma junção líquida / Fonte: adaptada de Skoog et al. (2010). Descrição da Imagem: trata-se de um desenho que contém duas linhas tracejadas, paralelas e posicionadas verticalmente. Na parte superior esquerda, há a indicação de uma concentração 1 mol/L. Na parte superior direita, há a indicação de uma concentração 0,01 mol/L. Uma esfera menor contendo o símbolo H+ está posicionada do lado esquerdo da primeira linha tracejada. Dessa esfera, parte uma seta grande que cruza a primeira linha e atinge a segunda. Abaixo da esfera pequena, há uma esfera maior contendo o símbolo Cl- e, dela, parte uma seta pequena que atinge apenas a primeira linha tracejada. Abaixo da primeira linha tracejada, há um sinal de menos e, abaixo da segunda linha tracejada, há um sinal de mais. Na parte inferior, há a indicação de duas setas que partem do centro para as linhas tracejadas com a indicação de EJ. UNICESUMAR

Topico 8 - Tanto os íons hidrogênios quanto os íons cloreto tendem a se difundir nessa interface a partir da solução mais concentrada para a solução mais diluída. A força que direciona cada íon é proporcional às diferenças das atividades das duas soluções. Nesse exemplo, os íons hidrogênio são significativamente mais móveis que os íons cloreto. Consequentemente, os íons hidrogênios se difundem mais rapidamente que os íons cloreto, resultando em uma separação de cargas. Portanto, o lado mais diluído da interface se torna carregado positivamente por causa da difusão mais rápida dos íons hidrogênios, enquanto o lado mais concentrado adquire uma carga negativa, decorrente do excesso de íons cloreto que se movem mais vagarosamente. A diferença de potencial resultante dessa separação de carga é o potencial de junção, que pode ser de vários centésimos de volt (SKOOG et al., 2010). VOCÊ SABE RESPONDER? Tente resolver o seguinte exemplo: uma solução de NaCl 0,1 M foi colocada em contato com uma solução de NaNO3 0,1 M. Que lado da junção será positivo?

Como [Na+] é igual em ambos os lados, não haverá difusão líquida de Na+ por meio da junção. Entretanto, o Cl- se difundirá na solução de NaNO3, e o NO3 - se difundirá na solução de NaCl. A mobilidade do Cl- é maior do que a do NO3 -. Assim, o Cl- desaparecerá mais rapidamente da região do NaCl do que o NO3desaparecerá da região de NaNO3. Consequentemente, o lado do NaNO3 se tornará negativo, e o lado do NaCl se tornará positivo. Na sequência, o eletrodo indicador (Eind) é o eletrodo imerso na amostra. Ele desenvolve um potencial proporcional à atividade (concentração) do analito. Em outras palavras, o eletrodo indicador tem um potencial que varia em uma forma conhecida, conforme alterações na concentração do analito. A maioria dos eletrodos indicadores utilizados na potenciometria é seletiva na própria resposta. Vale destacar que, quando se trata de análises potenciométricas, os resultados das medidas são as atividades dos analitos, em contraste com a maioria dos métodos analíticos, que fornecem a concentração dos analitos. Lembre-se de que a atividade de uma espécie aX está relacionada à concentração de X em mol.L-1 da seguinte forma: a Y

. Nesse caso, Yx é o coeficiente de atividade de X, um parâmetro que varia com a força iônica da solução. Como os dados potenciométricos são dependentes, na maioria dos casos, da atividade, neste tema de aprendizagem, não faremos a aproximação usual em que aX = [X] (SKOOG et al., 2010). O eletrodo indicador ideal é aquele que responde, de forma rápida e reprodutível, à mudança de atividade do íon de interesse. Essa resposta é dada por meio da equação de Nernst. Dentre os eletrodos indicadores, podemos citar os eletrodos metálicos e os eletrodos de membrana. Os eletrodos metálicos são classificados em eletrodos de primeira classe, eletrodos de segunda classe, eletrodos de terceira classe e eletrodos redox. O esquema visível na Figura 6 ilustra os tipos de eletrodos indicadores (SKOOG et al., 2010; HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). UNICESUMAR

Topico 8 - Figura 6 – Classificação dos eletrodos indicadores / Fonte: a autora. Descrição da Imagem: trata-se de um fluxograma. Na parte superior, no centro, há uma caixa com o texto: “Eletrodos indicadores”. Dessa caixa, saem duas setas, uma para a esquerda e outra para a direita. A seta da esquerda se conecta a uma caixa que contém o seguinte texto: “Eletrodos metálicos”. Dessa caixa, saem mais quatro setas para baixo conectadas a quatro caixas com os seguintes textos (da esquerda para a direita): “1ª classe”, “2ª classe”, “3ª classe” e “Redox”. A seta direcionada para a direita, localizada no topo, conecta-se com uma caixa que contém o texto “Eletrodos de membrana”, que, por sua vez, conecta-se a outras três caixas abaixo, com os seguintes textos (da esquerda para a direita): “Eletrodo de membrana líquida”, “Eletrodo de membrana cristalina” e “Eletrodo de vidro”, respectivamente. O eletrodo indicador de primeira classe é definido como um eletrodo preparado a partir de um metal puro que está em equilíbrio direto com os cátions presentes na solução. Em outras palavras, eletrodos indicadores para os próprios cátions. Nesse caso, somente uma reação está envolvida. Por exemplo, para um eletrodo indicador de cobre, podemos escrever (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009): Cu e Cu s

 O potencial Eind desse eletrodo é dado por E E aCu E E pCu ind Cu ind Cu

0 0592 0 0592 , log , Em que pCu é o logaritmo da atividade dos íons cobre (II), e aCu2+ é atividade do íon. Diante disso, o eletrodo de cobre fornece uma medida direta de pCu da solução. Os sistemas de eletrodos de primeira classe usados são Ag-Ag+ e Hg-Hg2+ em soluções neutras, e Cu-Cu2+, Zn-Zn2+, Cd-Cd2+, Bi-Bi3+, Ti-Ti+ e Pb-Pb2+ em

soluções desaeradas. Os eletrodos de primeira classe são empregados para determinar a concentração do cátion em solução e são classificados como eletrodos de primeira classe, cujos metais usados sejam mais eletronegativos (potenciais mais positivos), nas condições de trabalho, do que o hidrogênio. O eletrodo indicador de segunda classe é um tipo de eletrodo usado que responde à atividade de ânions que formam precipitados pouco solúveis ou complexos estáveis com o cátion do metal. Por exemplo, a prata pode ser usada como eletrodo de segunda classe para haletos e ânions que se comportam como haletos. Para preparar esse eletrodo de prata e determinar íons cloretos, por exemplo, basta revestir (saturar) o metal com sal, nesse caso, cloreto de prata. A reação do eletrodo é, então (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009): mina de Ag revestida com AgCl (Ag/AgCl) AgCl e Ag s s ⇋ Cl E

0 222 , Lâ Aplicando-se a equação de Nernst a essa reação, temos: E a E pCl ind Cl ind

0 222 0 0592 0 222 0 0592 , , log , , A equação mostrada indica que o potencial do eletrodo de prata é proporcional à pCl, o logaritmo negativo da atividade do íon cloreto. Portanto, em uma solução saturada com cloreto de prata, um eletrodo de prata pode servir como um eletrodo indicador de segundo tipo para íon cloreto. Observe que o sinal do termo logarítmico para um eletrodo desse tipo é oposto àquele para um eletrodo de primeira classe. UNICESUMAR

Topico 8 - Uma forma apropriada de se preparar um eletrodo sensível a cloreto é fazer um fio de prata operar como um ânodo em uma célula eletrolítica que contenha cloreto de potássio. O fio é, então, recoberto com um depósito aderente do haleto de prata, o qual rapidamente entra em equilíbrio com a camada superficial da solução em que está imerso. Como a solubilidade do cloreto de prata é baixa, um eletrodo preparado dessa forma pode ser utilizado em muitas medidas. Outro eletrodo importante de segunda classe usado para medidas da atividade do ânion do ácido etilenodiaminotetracético (EDTA) Y-4 que merece comentário é o eletrodo de mercúrio na presença de uma pequena concentração do complexo estável de EDTA com mercúrio (II). A semirreação para o processo de eletrodo pode ser escrita como: HgY e Hg l Y E Eind 0 21 0 21 0 0592



, , , log a a Y HgY

Pelo fato de o complexo formado na solução ser muito estável (Kf = 6,3 x 1021 para HgY2), a atividade dele permanece praticamente constante a uma ampla faixa de atividade de Y4-. Esse eletrodo é útil para localizar o ponto de uma titulação envolvendo EDTA. Portanto, a equação do potencial pode ser escrita da seguinte maneira: K aHgY

0 21 0 0592 , , log O eletrodo indicador de terceira classe é um tipo de eletrodo preparado para responder à presença de diferentes cátions. Um exemplo é um eletrodo de mercúrio para determinar pCa em uma solução contendo cálcio. Caso uma pequena concentração de Hg(II) complexado com EDTA seja adicionada à solução, o potencial do eletrodo de mercúrio, nessa solução, é dado por (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009): E K a ind Y

0 0592 , log Se, além disso, um pequeno volume de uma solução contendo um complexo de cálcio (II) com EDTA é adicionada, um novo equilíbrio é estabelecido:

CaY Ca Y Kf a a a Ca Y CaY

 Combinando a expressão da constante com a de formação do complexo CaY2com a expressão do potencial, obtém-se: E K K a a ind f CaY Ca

0 0592 , log A qual pode ser escrita como: E K K a a ind f CaY Ca

0 0592 0 0592 , log , log Se uma quantidade constante do complexo CaY2- é usada junto à solução do analito na solução de padronização, então, temos: E K pCa K K K a ind f CaY

' , ' , log 0 0592 0 0592 em que: Assim, um eletrodo de mercúrio se torna um eletrodo de terceira classe para o íon cálcio (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). O eletrodo redox, por sua vez, refere-se aos eletrodos construídos com metais inertes, como platina, ouro e paládio. São apropriados para serem empregados como eletrodos indicadores para sistemas de óxido-redução. Nessas aplicações, eletrodos inertes atuam como fontes ou depósito de elétrons transferidos a partir de um sistema de óxido-redução presente na solução. Um eletrodo de platina é um indicador conveniente para as titulações. Ele envolve soluções padrão de cério (IV). Por exemplo, o potencial de um eletrodo de platina imerso em uma solução contendo cério (III) e cério (IV) é (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009): E E a a ind Ce Ce

0 0592 , log UNICESUMAR

Topico 8 - Outra classe de eletrodos indicadores são os eletrodos de membrana, fundamentalmente diferentes dos eletrodos metálicos, tanto em desempenho quanto em princípios. Existem vários tipos de eletrodos de membrana disponíveis comercialmente. Eles permitem uma rápida e seletiva determinação de cátions e ânions a partir de medidas potenciométricas. Frequentemente, eletrodos de membrana são chamados de eletrodo íon-seletivo, devido à alta seletividade apresentada por esses dispositivos. Algumas vezes, são chamados de eletrodos pÍon, porque o sinal analítico na saída é registrado como uma função p, tal como pH, pCa ou pNO3 (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). Esses eletrodos se diferenciam entre si em relação às composições física e química da membrana. O potencial desenvolvido em um eletrodo íon-seletivo depende da natureza da membrana. O potencial é semelhante ao potencial de junção desenvolvido a partir de uma membrana que separa as soluções do analito e do eletrodo de referência (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). De maneira geral, esses eletrodos entram em contato com a solução de amostra por meio de uma membrana. Um dos principais exemplos de eletrodo de membrana é o eletrodo de vidro, muito usado para determinação de pH. Por isso, vamos basear a nossa discussão utilizando o eletrodo de vidro para ilustrar as diferenças (SKOOG et al., 2010). Para uma melhor compreensão, a Figura 7 (a) ilustra uma célula típica para medida de pH.

A célula consiste de um eletrodo indicador de vidro e um eletrodo de referência de prata-cloreto de prata ou calomelano imersos em uma solução cujo pH se deseja determinar. O eletrodo indicador consiste em uma fina membrana de vidro (normalmente, um bulbo) sensível ao pH, selada na extremidade inferior de um tubo plástico ou de vidro com parede grossa bastante resistente. Na parte interna do bulbo da membrana, encontra-se um pequeno volume de uma solução de ácido clorídrico diluído saturado com cloreto de prata. No interior do bulbo da membrana, existe, ainda, um fio de prata que atua como eletrodo de referência de prata-cloreto de prata. Ele é conectado ao instrumento de medida de potencial, enquanto o eletrodo de referência é conectado a outro terminal. Figura 7 – (a) Sistema típico de eletrodo para medidas de pH: eletrodo de vidro (indicador) e eletrodo de SCE (referência); (b) Eletrodo de vidro combinado formado por um eletrodo indicador de vidro e um eletrodo de referência de prata-cloreto de prata / Fonte: adaptada de Holler, Skoog e Crouch (2009). Descrição da Imagem: a figura é constituída por um recipiente de vidro que contém uma solução de cor azul situada mais à esquerda. Dentro da solução, estão imersos dois tubos posicionados paralelamente. O primeiro tubo tem um orifício na lateral superior esquerda e um tubo mais fino internamente. Já o tubo do lado direito contém uma meia circunferência azul na ponte que está imersa na solução (membrana de vidro sensível ao pH). Esse tubo tem uma coloração cinza por toda a extensão. No lado direito da imagem, separado, há um tubo com coloração azul. A extremidade inferior dele é arredondada e também possui a membrana de vidro na ponta. Na parte superior direita, há um orifício. UNICESUMAR

Topico 8 - Ainda, na Figura 7 (b), é possível observar a configuração mais comum de um eletrodo de vidro para medida de pH. Nesse arranjo, o eletrodo de vidro e o eletrodo de referência interno de prata-cloreto de prata são posicionados no centro do cilindro que compõe esse tipo de eletrodo. Ao redor, encontra-se o eletrodo de referência externo, para o qual o eletrodo de prata-cloreto de prata é mais frequentemente empregado. O uso de um eletrodo de vidro combinado é considerado mais conveniente e pode ter as dimensões mais facilmente reduzidas do que os eletrodos separados. A membrana sensível ao pH também é localizada na parte inferior do eletrodo de vidro combinado. Esses eletrodos são produzidos em diversas formas e tamanhos, desde 5 cm até 5 mm, para que possam ser usados em diversas aplicações industriais e em laboratórios. A Figura 8 é uma representação esquemática (muitas vezes, utilizada dessa maneira) da célula mostrada na Figura 7 (a). Figura 8 – Diagrama de uma célula para medidas de pH / Fonte: adaptada de Holler, Skoog e Crouch (2009). Descrição da Imagem: a figura mostra o diagrama de uma célula para medidas de pH. Essa representação descreve a célula com dois eletrodos de referência: (1) o eletrodo de referência externo de prata-cloreto de prata (ref1); e (2) o eletrodo de referência interno (ref2). Apesar de o eletrodo de referência interno pertencer ao eletrodo de vidro, ele não é o elemento sensível ao pH. Ao contrário disso, a fina membrana de vidro localizada na ponta do eletrodo é que responde ao pH.

Existe, atualmente, um grande número de membranas utilizadas na construção de eletrodos. O vidro Corning 015 tem sido amplamente utilizado para essa finalidade. Esse vidro é composto por, aproximadamente, 22% de Na2O, 6% de CaO e 72% de SiO2, o que confere uma excelente especificidade perante os íons hidrogênio até um pH cerca de 9. Sob valores mais elevados de pH, o vidro passa a responder ao íon sódio e a outros de carga unitária. A presença de silicato (SiO4 4-) em vidro compõe uma rede tridimensional infinita, em que cada átomo de silício está ligado a quatro átomos de oxigênio, e cada átomo de oxigênio é compartilhado com dois átomos de silício. Nos espaços vazios, conhecidos como interstícios dessa estrutura, existem cátions suficientes para balancear a carga negativa dos grupos de silicato. Os cátions de carga unitária, tal como o sódio, têm mobilidade dentro do retículo de vidro e são responsáveis pela condução elétrica dentro da membrana (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). Para fazermos uma medida elétrica, pelo menos alguma corrente elétrica tem que circular por todo o circuito, inclusive através da membrana do eletrodo de vidro usado para medir o pH. O H+ não atravessa a membrana de vidro, porém o Na+ pode atravessar lentamente a membrana. Assim, uma membrana sensível ao H+ pode ser definida como duas superfícies conectadas eletricamente por meio do transporte de íons Na+. As duas superfícies da membrana precisam ser hidratadas antes de ela funcionar como um eletrodo de pH. Logo, é essencial, para que um eletrodo responda ao pH, que o vidro seja higroscópico. A hidratação de uma membrana sensível ao pH envolve uma reação de troca iônica entre os cátions monovalentes, presentes na interface da matriz de vidro e prótons da solução. Em geral, a troca iônica pode ser escrita como: É essencial, para que um eletrodo responda ao pH, que o vidro seja higroscópico UNICESUMAR

Topico 8 - Átomos de oxigênio ligados apenas a um átomo de silício são os sítios Vidronegativamente carregados. A constante de equilíbrio para esse processo é tão elevada que as superfícies hidratadas de uma membrana de vidro consistem normalmente em ácido silício (H+ Vidro). Dentre os potenciais que se desenvolvem na célula (quando o pH é determinado com um eletrodo de vidro), o potencial de interface Ei (Figura 8) é o mais importante, visto que é ele que varia com o pH da solução do analito. Assim como pode ser observado na Figura 8, o potencial de interface é determinado por dois potenciais, E1 e E2, que aparecem nas duas superfícies da membrana de vidro. Esses potenciais são referentes à interface entre o exterior do vidro e a solução do analito (E1) e à interface entre a solução interna e o interior do vidro (E2). A diferença de potencial entre os eletrodos de prata-cloreto de prata interno e externo depende da concentração do íon cloreto em cada compartimento do eletrodo e da diferença de potencial mediante a membrana de vidro. Como [Cl-] é fixa em cada compartimento do eletrodo e a concentração de H+ é fixa no interior da membrana de vidro, a única variável é o pH da solução de analito situada ao lado de fora da membrana de vidro (HARRIS; BARCIA; AFONSO, 2012).

A fonte desses dois potenciais (E1 e E2) é a carga que se acumula como consequência da reação que ocorre na interface entre o exterior do vidro e a solução do analito (E1), e a reação que acontece na interface entre a solução interna e o interior do vidro (E2). Essas duas reações fazem as duas superfícies de vidro se tornarem negativamente carregadas em relação à solução com a qual elas estão em contato. Essas cargas negativas na superfície são responsáveis por produzir os dois potenciais (E1 e E2). As concentrações dos íons hidrogênios nas soluções dos dois lados da membrana controlam as posições de equilíbrio. Quando as posições dos dois equilíbrios se diferem, a superfície onde a maior dissociação ocorre é negativa em relação à outra superfície. A diferença de potencial resultante existente entre as duas superfícies do vidro é o potencial de interface, o qual está relacionado às atividades do íon hidrogênio em cada uma das soluções pela equação similar à equação de Nernst: E E E E E a a ind

0 0592 , log Em que a1 é a atividade da solução externa, e a2 é a atividade da solução interna. Para um eletrodo de vidro de pH, a atividade do íon hidrogênio da solução é mantida constante. Assim: E L a E L pH L a ind ind

' , log ' , ' , lg 0 0592 0 0592 0 0592 Logo, o potencial de interface é uma medida da atividade do íon hidrogênio na solução externa. Dessa forma, podemos concluir que, apesar do potencial absoluto no interior das camadas higroscópicas do vidro, o potencial de interface é determinado pela diferença nos potenciais de ambos os lados da membrana de vidro, os quais, por sua vez, são estabelecidos pela atividade do próton em cada lado da membrana (SKOOG et al., 2010). Ainda, nesse contexto, é válido mencionar que é possível a ocorrência de erros na medida do pH durante as análises. Dentre os erros possíveis, o erro alcalino e o erro ácido são comuns. O erro alcalino pode ocorrer em soluções cuja concentração de [H+] é muito baixa (soluções alcalinas) e a concentração de [Na+] é alta. Os eletrodos de vidro resUNICESUMAR

Topico 8 - pondem a concentrações tanto do íon hidrogênio quanto de íons de metais alcalinos, assim como é o caso do Na+, e o pH medido é menor que o pH verdadeiro. O erro alcalino pode ser explicado de forma satisfatória, considerando-se uma alteração no equilíbrio entre os íons hidrogênios presentes na superfície da membrana de vidro e os cátions presentes na solução. Essa fonte de erro também é conhecida como erro do sódio (SKOOG et al., 2010; HARRIS; BARCIA; AFONSO, 2012). Já o erro ácido pode ocorrer em uma solução de pH menor que 0,5. Em meio a um ácido forte, o pH medido é maior que o pH verdadeiro. Embora as causas desse erro não sejam bem compreendidas, o efeito de saturação que acontece quando todos os sítios da superfície do vidro são ocupados com íons H+ é uma das fontes do erro ácido. Um fato interessante relacionado ao erro alcalino foi a investigação da composição do vidro na grandeza desse erro, o que possibilitou o desenvolvimento de vidros para os quais o erro alcalino é negligenciável abaixo de pH 12. Além disso, outros estudos descobriram composições de vidro que permitem a determinação de outros cátions além do hidrogênio. Embora o eletrodo de vidro seja o mais usado para medidas de pH, existem outros eletrodos de pH além do eletrodo de vidro. Eletrodos de óxidos metálicos, como IrO2 anidro, formado pela oxidação de um fio de irídio, respondem ao pH mediante uma meia-reação que pode ser indicada por: IrO H e IrOOH E E H E E s s 0 0592

 , log ,0592pH Outros eletrodos de óxidos metálicos podem ser usados em condições extremas, tal como o eletrodo de ZnO2, empregado para medir pH em temperaturas acima de 300 °C (HARRIS; BARCIA; AFONSO, 2012). Além do eletrodo de vidro para a medida de pH, há vários outros eletrodos de membranas de extrema importância.

ELETRODOS DE MEMBRANA LÍQUIDA Os eletrodos de membrana líquida são formados por líquidos imiscíveis que se ligam de forma seletiva a certos íons. Eletrodos de base líquida são formados por uma membrana de polímero hidrofóbico saturada com um líquido trocador de íons hidrofóbico. O potencial de eletrodo de uma membrana líquida se desenvolve por meio da interface entre a solução contendo o analito e um trocador iônico, que se liga seletivamente ao íon de interesse. Esses eletrodos têm sido desenvolvidos para as medidas potenciométricas diretas de inúmeros cátions polivalentes e para certos ânions (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). Um exemplo interessante é um eletrodo de membrana líquida específico para os íons potássios, visto que é de grande importância para os fisiologistas. O transporte de sinais neurais parece envolver o movimento desses íons (K+) a partir de membranas nas células nervosas. Assim, as investigações sobre esse processo requerem um eletrodo que possa detectar pequenas concentrações de íons potássio em meios que contenham concentrações muito mais elevadas de íons sódio. Nesse sentido, um eletrodo promissor é o eletrodo baseado no antibiótico valinomicina, que tem uma grande afinidade pelos íons potássios, ou seja, uma membrana líquida constituída por valinomicina em éter difenílico é cerca de 104 vezes mais sensível aos íons potássio que aos íons sódio. ELETRODOS DE MEMBRANAS CRISTALINAS Os eletrodos de membranas cristalinas são constituídos por uma membrana cristalina preparada a partir de um composto iônico ou de uma mistura homogênea de compostos iônicos. Eles são o tipo mais importante dessa classe de eletrodos. As membranas sólidas são seletivas frente a ânions (da mesma maneira que alguns vidros respondem a cátions). De maneira análoga à interação de sítios aniônicos na superfície do vidro, que respondem à sensibilidade de uma membrana perante certos cátions, uma membrana com sítios catiônicos responde seletivamente a ânions. Muitos cristais iônicos são isolantes e não apresentam condutividade elétrica o suficiente para serem empregados na construção de membranas. No entanto, dois tipos de eletrodos de membrana sólida são empregados: o eletrodo de fluoreto e os eletrodos baseados em sais de prata. Esses materiais têm íons pequenos de carga unitária e exibem mobilidade na fase sólida. Logo, apresentam condutância (HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009 O eletro de fluoreto de lantânio (LaF3) é uma substância próxima do ideal para o preparo de um eletrodo de membrana cristalina para a determinação de fluoreto. Já as membranas preparadas a partir de pequenas pastilhas de haletos de prata são empregadas com sucesso em eletrodos para a determinação seletiva dos íons cloreto, brometo e iodeto. Nesse caso, os íons prata são suficientemente móveis para conduzir eletricidade através do meio sólido. UNICESUMAR

Topico 8 - TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO ÍONS-SELETIVOS Ainda, podemos comentar sobre outro tipo de eletrodo conhecido como transistor de efeito de campo íons-seletivos (do inglês, ISFETS). O transistor de efeito de campo ou transistor de efeito tipo metal-óxido (MOSFET, do inglês) é um pequeno dispositivo semicondutor de estado sólido amplamente empregado em computadores e outros circuitos eletrônicos, como chaves, para controlar a corrente nesses circuitos. Estudos baseados na sensibilidade às impurezas iônicas superficiais dos MOSFETs são explorados para a determinação potenciométrica seletiva de vários íons. Com isso, esses estudos têm levado ao desenvolvimento de uma variedade de transistores de efeito de campo seletivos a íons que são conhecidos como ISFETs A superfície seletiva a íons do ISFET é naturalmente sensível à mudança no valor de pH, mas o dispositivo pode ser modificado para se tornar sensível a outras espécies. Os ISFETs oferecem diversas e significativas vantagens sobre os eletrodos de membrana, incluindo robustez, pequenas dimensões, resposta rápida e baixa impedância elétrica, além de serem inertes em muitos ambientes agressivos. Além disso, os ISFETs não necessitam de uma etapa de hidratação, ao contrário dos eletrodos de membranas. Temos, também, as sondas sensíveis a gases. Embora essa expressão seja freé uma célula eletroquímica. Ela é composta por um íon específico e um eletrodo de referência imerso em uma solução interna retida por uma fina membrana permeável a gás. Assim, “sondas sensíveis a gases” é uma denominação mais apropriada para esse sensor. As sondas sensíveis a gases têm encontrado um amplo emprego na determinação de gases dissolvidos em água e outros solventes. Princípios de Análise Instrumental Nesta edição, é mantido o estilo abrangente sem abrir mão de uma abordagem profunda da matéria. São enfatizadas as bases teóricas de cada tipo de técnica analítica instrumental, incluindo campo de aplicação, sensibilidade, precisão, vantagens e limitações. A obra trata, também, de conceitos fundamentais em eletrônica analógica e digital, computadores e manipulação de dados. Para que você possa se aprofundar ainda mais na temática, faça a leitura do Capítulo 23. INDICAÇÃO DE LIVRO

As medidas potenciométricas podem ser feitas por um método rápido conhecido como medidas potenciométricas diretas. Esse método é conveniente para determinar a atividade de uma variedade de cátions e ânions. Ele requer apenas uma comparação entre o potencial de uma solução cuja concentração do analito é conhecida com aquele potencial, quando o eletrodo indicador é imerso na solução do analito. Para medidas potenciométricas diretas, o potencial de uma célula pode ser expresso em termos dos potenciais desenvolvidos pelo eletrodo indicador, eletrodo de referência e potencial de junção. Para um determinado cátion Xn+, a 25 °C, a resposta do eletrodo toma a forma nernstiana geral: E L n pX E L a ind ind

0 0592 0 0592 , , log Em que L é uma constante, e aX é a atividade do cátion. Essa expressão também pode ser escrita da seguinte maneira: pX aX pX E E E L n célula J ref

log , / 0 0592 Os termos entre parênteses podem ser combinados para gerar uma nova constante K. Assim: pX aX pX E K n pX n E K célula célula

log , / , 0 0592 0 0592 Para ânion An-, o sinal se inverte: pA n E K célula

0 0592 , Todos os métodos potenciométricos diretos se baseiam nessas equações (cátion ou ânion). Entretanto, antes de usar essas equações para determinar pX ou pA, K precisa ser avaliada experimentalmente com uma solução padrão do analito, UNICESUMAR

Topico 8 - por meio de um processo conhecido como método de calibração de eletrodos ou, ainda, método dos padrões externos. Dessa forma, K é determinada pela medida de Ecélula para uma ou mais soluções padrão de pX ou pA conhecidos. Esse método oferece as vantagens associadas à simplicidade, à velocidade e à aplicabilidade do monitoramento contínuo de pX. Sofre, contudo, com uma exatidão limitada por causa das incertezas nos potenciais de junção (SKOOG et al., 2010). Podemos analisar um exemplo em que há a aplicabilidade de métodos potenciométricos diretos, conforme o exercício a seguir. A concentração de Na+ de uma solução foi determinada por medidas realizadas com um eletrodo seletivo ao íon sódio. O sistema de eletrodo desenvolveu um potencial de -0,2462 V, quando imerso em 10,00 mL da solução de concentração desconhecida. Após a adição de 1,00 mL de NaCl 2,00 x 10-2 mol.L-1, o potencial variou para -0,1994 V. Calcule a concentração de Na+ na solução original. Resolução: A partir da expressão que trata da potenciometria direta: pX E K n célula

0 0592 , / Temos: pNa Na pNa E K célula

log ' ,0 0592 Em que E’ é o potencial medido inicialmente (-0,2462 V). Após a adição de 1,00 mL de solução de NaCl, o potencial se torna E’’célula (-0,4490 V), e

log , , , , , '' 10 00 1 00 2 00 10 10 00 1 00 Na E célula célula K Na E K

0 0592 0 9091 1 818 10 , log , , '' ,0592 Subtraindo essa equação da primeira, temos:

log log , , ' , Na Na E K cel 0 9091 1 818 10 0 05 0 0592 E K cel '' , E ce '' l cel E Na Na

' , log , , 0 0592 0 9091 1 818

0 1994 0 2462 0 0592 0 9091 1 818 , , , log , , Na Na

0 7905 0 9091 1 818 , log , , ou Na Na ,7905 Resolvendo para log: Na Na

0 9091 1 818 0 7905 , , , antilog

0 16198 0 1473 2 9 , , , Na Na 45 10 3 453 10 3 5 10

Na , mol×L , -1 (ou arredondando: 4 ) mol×L-1 Podemos comentar, ainda, sobre as titulações potenciométricas que podem ser usadas para todas as volumetrias vistas até o momento. No entanto, a informação fornecida por esse método não é a mesma daquela obtida por medidas potenciométricas diretas. A grande vantagem reside na exatidão e na precisão frente aos métodos que usam indicadores visuais. Outra vantagem é a de que o resultado é a concentração do analito, embora o eletrodo responda à atividade. Por essa razão, os efeitos da força iônica não são importantes em procedimentos titulométricos. Nas titulações potenciométricas, o uso de um eletrodo indicador serve para determinar o ponto final de uma titulação. A Figura 9 ilustra um aparato típico para a realização de titulações potenciométricas manuais. UNICESUMAR

Topico 8 - Figura 9 – Aparato para uma titulação potenciométrica / Fonte: adaptada de Skoog et al. (2010). Descrição da Imagem: é exibido um tubo de vidro com a base arredondada imerso em um béquer com solução. Ele está posicionado ao lado esquerdo do béquer. Nessa representação, há uma caixa com a frase “pHmetro com escala em milivolts”. Também há outra frase mais abaixo “Eletrodo combinado de pH”, fazendo referência ao tubo de vidro. Do lado superior direito do béquer, há uma bureta suspensa com a extremidade inferior próxima ao nível do líquido. No fundo do béquer, há uma barra magnética e um desenho demonstrando que o béquer está sobre um agitador magnético. De maneira análoga às demais volumetrias estudadas, na titulação potenciométrica, diversos métodos podem ser usados para determinar o ponto final da titulação. O mais simples envolve um gráfico direto do potencial em função do volume de reagente. Atualmente, os equipamentos utilizados para esse tipo de medida estão bem avançados, com capacidade de realizar automaticamente tanto a adição do titulante quanto a determinação do ponto final. No entanto, as titulações potenciométricas manuais sofrem com a desvantagem de consumirem mais tempo que aquelas que envolvem indicadores. As

titulações potenciométricas estão relacionadas com as demais volumetrias, assim como é o caso das titulações de formação de complexos, em que tanto os eletrodos metálicos quanto os de membranas são usados para detectar pontos finais em titulações potenciométricas. Em titulações de neutralização, observamos que as curvas de titulação experimentais são deslocadas em relação às curvas teóricas ao longo do eixo do pH, porque concentrações, ao contrário das atividades, são usadas em sua obtenção. Esse deslocamento tem pouco efeito na determinação dos pontos finais. Assim, titulações potenciométricas de neutralização são muito úteis na análise de misturas de ácidos ou de ácidos polipróticos, o que também vale para as bases. Para titulações de oxidação-redução um eletrodo indicador inerte construído de platina é normalmente usado para detectar pontos finais nesse tipo de titulação (SKOOG et al., 2010). Além das volumetrias, medidas potenciométricas também estão relacionadas a constantes de equilíbrio. Os valores numéricos para as constantes do produto de solubilidade, dissociação e formação são avaliadas de maneira conveniente por meio de medidas de potenciais de células. Um ponto importante dessa técnica é que a análise pode ser feita sem perturbar qualquer equilíbrio no sistema. Por exemplo, o potencial de um eletrodo de prata em uma solução contendo íons prata, íons cianeto e o complexo formado entre ambos depende das atividades de três espécies. Dado que as atividades dos participantes não se alteram durante a medida, a posição do equilíbrio ( Ag CN Ag CN

 ) não deverá ser perturbada. Podemos considerar um exemplo em que se relaciona a constante de dissociação com a potenciometria. De certa forma, qualquer sistema de eletrodo no qual participam os íons de hidrogênio pode ser utilizado para avaliar as constantes de dissociação de ácido e bases. Dessa forma, podemos calcular a constante de dissociação, Ka para o ácido fraco HP, se a célula ECS HP NaP Pt H , , , , , 0 010 0 040 1 00 mol.L mol.L atm -1 -1

desenvolve um potencial de -0,591 V (dado: o potencial de eletrodo de calomelano saturado ECS é 0,244 V a 25 °C). Resolução: Sabendo que a expressão da constante ácida é dada por: HP H P Ka H P HP 

UNICESUMAR

Topico 8 - e do enunciado, temos os valores das concentrações de P (provinda de NaP) e o valor da concentração de HP. Para determinar o valor da constante de dissociação, é preciso, primeiramente, encontrar o valor da concentração de H+. Começamos pelo diagrama dessa célula, que indica que o eletrodo de calomelano saturado é o da esquerda. Portanto: E E E E E E E célula direita esquerda direita célula esquerda direi

ta direita E

0 591 0 244 0 347 , , ,

Com o auxílio da equação de Nernst para o eletrodo de hidrogênio, encontramos o valor da [H+]. Contudo, vale lembrar que, nesse momento, precisamos saber o potencial padrão de redução para o hidrogênio: 0 000 0 0592 H e H E E E n pH H

, , log ,347 0 000 0 0592 1 00 0 347 2 0 0592

, , log , , , log H H log , , , log , , H H H

0 347 0 000 0 0592 5 86 1 38 106 Substituindo os valores das concentrações dos íons H+, do ácido fraco e da respectiva base conjugada na expressão da constante de dissociação, temos: Ka Ka

1 38 10 0 040 0 010 5 5 10 , , , ,

As medidas potenciométricas foram empregadas por muito tempo apenas para a detecção do ponto final em titulações. Atualmente, a potenciometria ganhou espaço e se tornou uma das técnicas mais empregadas em análises laboratoriais em geral. Com o uso de diferentes eletrodos, é possível determinar a concentração de íons (ânions e cátions) para uma vasta variedade de amostras. NOVOS DESAFIOS As medidas potenciométricas são uma das análises químicas mais realizadas dentre os analistas. Por isso, é de suma importância que você, como profissional, saiba quando e como utilizá-las em suas análises. Essas medidas podem ser empregadas em uma gama de variedades de substâncias. Claro, em se tratando dos métodos potenciométricos, você precisa saber qual tipo de eletrodo é o mais indicado para determinada análise, mas, de maneira geral, a potenciometria pode ser empregada para determinar o pH no interior de uma célula viva ou até mesmo na cavidade de um dente. Para isso, é comum o uso dos microeletrodos de vidro. Além disso, pequenos eletrodos podem ser “engolidos” para indicar a acidez do conteúdo estomacal em análises laboratoriais. Aprendemos que, em potenciometria, é usado um eletrodo indicador, que responde às variações na atividade do analito, e um eletrodo de referência, que é uma meia-célula que produz um potencial de referência constante. Os eletrodos de referência mais comuns são os eletrodos de prata-cloreto de prata e calomelano. Os eletrodos indicadores mais usados incluem o eletrodo inerte de platina, um eletrodo de prata sensível ao íon Ag+, halogenetos e outros íons que reagem com Ag+, e eletrodos de íon-seletivos. Eletrodos de íon-seletivos, incluindo o eletrodo de vidro para pH, respondem preferencialmente a um íon que está seletivamente ligado à membrana trocadora de íons do eletrodo. A diferença de potencial por meio da membrana depende da atividade do íon ao qual ele é sensível na solução externa do analito. As análises potenciométricas exigem a calibração prévia do sistema, que pode ser feita com o emprego de curvas de titulação ou pelo método da adição-padrão (HARRIS; BARCIA; AFONSO, 2012). UNICESUMAR

A constituição de equipamentos para análises potenciométricas é simples. Basta, basicamente, um conjunto de eletrodos, sendo um de referência e um indicador, e um potencial de junção para o funcionamento do sistema. Desse modo, descreva um: a)	 Eletrodo indicador. b)	 Potencial de junção líquida. 2.	 Um eletrodo de vidro/calomelano pode ser facilmente construído a partir de materiais disponíveis em laboratórios. Para isso, é importante a presença de uma ponte salina para que ocorra o contato elétrico com a solução do analito. Sendo assim, responda à seguinte questão: qual é a fonte do potencial de junção em um sistema de eletrodos vidro/calomelano, seja para um eletrodo de calomelano comercial, seja para um construído em laboratório? 3.	 Como a informação fornecida por uma medida potenciométrica direta do pH se difere daquela obtida por uma titulação potenciométrica ácido-base? Explique. VAMOS PRATICAR

REFERÊNCIAS HARRIS, D. C. Explorando a química analítica. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011. HARRIS, D. C.; BARCIA, O. E.; AFONSO, J. C. Análise química quantitativa. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. HOLLER, F. J.; SKOOG, D. A.; CROUCH, S. R. Princípios de Análise Instrumental. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2009. ROSA, G.; GAUTO, M.; GONCALVES, 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.

UNIDADE 9

MINHAS METAS MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS Estudar a utilização da luz para determinar espécies químicas. Identificar e quantificar uma diversidade de átomos e moléculas. Explorar os conhecimentos químicos envolvidos nessas determinações e a instrumentação necessária. Compreender as interações da luz com a matéria. T E M A D E A P R E N D I Z A G E M 9

INICIE SUA JORNADA Você já deve ter visto soluções coloridas e pode ter se perguntado o motivo pelo qual uma solução é vermelha, enquanto outra é amarela. Você sabe o motivo pelo qual enxergamos uma determinada cor em uma solução? As cores das soluções podem ser notadas; por outro lado, ao fazermos um exame de raio-X, não notamos cores na radiografia obtida. Você sabe o motivo pelo qual isso acontece? Por que cada solução tem uma cor característica? Você sabe o que são os raios-X? A espectroscopia pode explicar! Uma solução aquosa de cobre é azul, enquanto uma solução aquosa de níquel é verde e uma solução aquosa do complexo [FeSCN]2+ apresenta cor vermelha. A solução aquosa de níquel é verde, pois o complexo formado entre o níquel e a água, [Ni(H2O)6]2+, absorve a cor vermelha e transmite a cor complementar do vermelho, que é o verde. O inverso ocorre com uma solução de [FeSCN]2+, que absorve a cor verde e transmite a cor complementar, vermelha. Os compostos coloridos podem ser identificados por meio de uma análise espectroscópica, em que um feixe de luz é emitido na amostra, e o composto presente na amostra absorve determinada quantidade de luz, que corresponde a decor complementar, que é a cor que enxergamos. Quando o composto absorve a cor vermelha, ele mostra a cor verde. Já quando o composto absorve a cor verde, ele mostra a cor vermelha, pois verde e vermelho são cores complementares. Os compostos coloridos transmitem cores em uma região espectral que é visível ao olho humano. Já os raios-X ocorrem em uma região que possui valores de comprimentos de onda não visíveis ao olho humano. UNICESUMAR

Topico 9 - VAMOS RECORDAR? A espectrofotometria visível e ultravioleta é um dos métodos mais usados nas determinações analíticas em diversas áreas e é aplicada às determinações de compostos orgânicos e inorgânicos. Algumas substâncias, quando submetidas à luz (radiação), absorvem certa quantidade de radiação. A medida dessa por espectrofotometria é feita medindo-se a absorbância de sua solução em determinado comprimento de onda. O permanganato de potássio (KMnO4) é uma substância usada como antisséptico e adstringente. Além disso, é um forte agente oxidante que, em solução, apresenta coloração violeta a roxa: quanto maior for a concentração, mais intensa será a cor. Imagine que você é o(a) responsável por medir a absorbância do KMnO4 em três amostras e, para isso, usará um simulador, no qual você colocará as informações da sua amostra e obterá o valor da absorbância. Acesse o link a seguir e execute o passo a passo disponível na sequência. https://phet.colorado.edu/sims/html/beers-law-lab/latest/beers-law-lab_ en.html No campo “Solução”, escolha a opção “KMnO4: permanganato de potássio”. No campo “Concentração”, ajuste para 125 µM. À esquerda, clique no botão vermelho da fonte de luz. No canto superior à direita, escolha a opção “Absorbância”. Anote o valor obtido para absorbância. Observe a intensidade da luz (verde) antes e após passar pelo recipiente que contém a amostra. Agora, repita os cinco passos para as outras duas concentrações, porém, no passo 3, substitua a concentração de 125 µM por 250 µM e, após, por 500 µM. Agora, pense: qual é a diferença de cor apresentada por cada solução nas concentrações de 125, 250 e 500 µM? Os valores de absorbância variaram de que maneira entre as soluções? Retomaremos essa experiência ao final do tema.

DESENVOLVA SEU POTENCIAL O estudo das interações da radiação eletromagnética com a matéria recebe o nome de espectroscopia. A luz é um tipo de radiação eletromagnética visível ao olho humano, pois a região espectral dela corresponde ao visível. Os métodos espectroscópicos medem a radiação produzida ou absorvida por átomos ou moléculas e são classificados de acordo com a região do espectro eletromagnético envolvida na medida: raios X, ultravioleta (UV), visível (VIS), infravermelho (IV), micro-ondas e radiofrequência. Há, também, outros métodos mais atuais baseados no uso da espectroscopia (SKOOG et al., 2014): ■Espectroscopia Raman. ■Espectroscopia fotoacústica. ■Espectroscopia de fluorescência. ■Espectroscopia de absorção e emissão atômica. ■Espectroscopia de absorção molecular. ■Espectroscopia de ressonância magnética nuclear. ■Espectroscopia de Mössbauer. Química Analítica: teoria e prática essenciais Para iniciar o estudo dos métodos espectroscópicos, você pode fazer a leitura do tópico do Capítulo 14 do livro, que se intitula: Introdução aos métodos espectroscópicos - Radiação Eletromagnética. INDICAÇÃO DE LIVRO Os métodos que usam ou produzem radiação UV, VIS ou IV são chamados de métodos espectroscópicos óticos. As regiões do espectro eletromagnético e as correspondentes faixas de comprimento de onda (λ) estão apresentadas na Figura 1. Observe que a região VIS é apenas uma pequena parte do espectro que se estende do violeta (~~380 nm) até a região do vermelho (~~800 nm) (SKOOG et al., 2014). UNICESUMAR

Topico 9 - Radar TV FM AM Figura 1 – Espectro eletromagnético com destaque para a região do visível Fonte: adaptada de Skoog et al. (2014). Descrição da Imagem: são exibidas as diferentes regiões do espectro eletromagnético. Há uma faixa mostrando as regiões que são, da esquerda para a direita: raios gama, raios X, ultravioleta, infravermelho e ondas de rádio (radar, TV, FM e AM). Abaixo dessa faixa, há outra faixa que corresponde à região do espectro visível da luz. Cada intervalo de comprimento de onda corresponde a uma cor, da esquerda para a direita. O intervalo de, aproximadamente, 380 a 500 nm corresponde à cor violeta, e os tons azuis, de 500 a 600 nm, são os tons verdes e amarelos. Já o intervalo de 600 a 700 nm compreende os tons de vermelho. Fim da descrição. A interação de um analito com a radiação eletromagnética pode resultar em vários tipos de alterações. As alterações na distribuição eletrônica ocorrem na espectrofotometria UV-VIS, inclui a radiação eletromagnética referente à região de λ de 180 nm até 780 nm. Neste tema de aprendizagem, será abordada a espectroscopia UV-VIS de absorção atômica e absorção molecular (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Vários tipos de moléculas absorvem a radiação UV-VIS. Assim, a espectroscopia de absorção molecular pode ser usada para identificá-las e quantificá-las. A espectroscopia de absorção molecular está baseada na medida da quantidade de radiação absorvida pelas moléculas de interesse e é uma técnica valiosa para identificar os grupos funcionais presentes nas moléculas e realizar a determinação quantitativa de compostos que contêm grupos que absorvem a radiação. Na

espectroscopia de absorção atômica, os métodos são empregados na determinação qualitativa e quantitativa dos elementos, podendo detectar quantidades de até partes por bilhão, além de serem rápidos, convenientes e de alta seletividade (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). A radiação eletromagnética é uma forma de energia que é transmitida através do espaço a velocidades enormes e pode ser tratada como pacotes de energia ou um comportamento ondulatório (dualidade partícula-onda). Assim, a radiação eletromagnética também pode ser descrita como uma onda que é caracterizada pelo número de onda, frequência, λ e energia. A frequência (v) de uma onda eletromagnética é o número de oscilações que ocorrem em um segundo. O comprimento de onda, λ, é a distância linear entre dois máximos ou mínimos sucessivos de uma onda. Considerando a constante de Planck, h, é possível relacionar a energia de um fóton (E) com a v (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014): E = h v ⋅ A constante de Planck tem o valor de 6,62 · 10-34 J· s e a E é dada em Joules (J). Um fóton é uma partícula de radiação eletromagnética sem massa e energia igual a hv. A radiação eletromagnética se propaga no vácuo com velocidade constante, c = ë v Substituindo a segunda equação na primeira, podemos concluir que a energia da radiação é inversamente proporcional ao λ: h c E = ë ⋅ O analito, antes de se aplicar à radiação, encontra-se em seu estado de energia mais baixo, o estado fundamental. Quando um feixe de radiação passa por uma substância absorvente, a absorção da radiação na região UV-VIS resulta em transições eletrônicas e algumas das espécies do analito sofrem uma transição para um estado de maior energia, o estado excitado. Em uma transição eletrônica, um elétron se move de um orbital para outro. As transições nos átomos ocorrem entre os orbitais atômicos e nas moléculas entre os orbitais moleculares. UNICESUMAR

Topico 9 - Para que a excitação de um elétron ocorra, é necessário que a energia do fóton seja igual a diferença de energia entre os orbitais do estado fundamental e do estado excitado. É possível obter informações sobre o analito medindo-se a radiação emitida quando ele retorna ao estado fundamental ou medindo-se a radiação absorvida decorrente da excitação (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). A absorção atômica mede a energia absorvida por átomos livres, enquanto a absorção molecular mede a energia absorvida por moléculas. Diferentemente dos átomos, as moléculas exibem não apenas as transições eletrônicas, mas também dois tipos adicionais de transições induzidas pela radiação: transições vibracionais e transições rotacionais. Assim, a energia de uma molécula, Etotal, corresponde à soma das três energias: total eletrônica rotacional vibracional E = E + E + E Eeletrônica é a energia associada aos elétrons nos vários orbitais externos da molécula; Evibracional é a energia da molécula como um todo, devido às vibrações interatômicas; e Erotacional é a energia associada à rotação da molécula em torno do próprio centro de gravidade. A Etotal pode ser quantificada pela lei de Lambert-Beer, que ainda será abordada (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). A absorção da radiação por moléculas orgânicas na região de λ UV-VIS resulta das interações entre fótons e elétrons que participam diretamente da formação de uma ligação química e, portanto, elétrons associados a mais de um átomo. Para uma molécula orgânica, o λ de absorção depende do quão fortemente os elétrons estão ligados. Em ligações simples carbono-carbono ou carbono-hidrogênio, os elétrons compartilhados estão tão fortemente presos que as excitações requerem energias correspondentes ao λ da região do UV de vácuo, abaixo de 180 nm (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Devido às dificuldades experimentais de se trabalhar nessa região, os espectros das ligações simples não têm sido amplamente explorados. Os elétrons envolvidos em ligações duplas e triplas de moléculas orgânicas não estão tão fortemente presos quanto nas ligações simples, portanto, são mais facilmente excitados por radiação eletromagnética. Isso resulta em picos de absorção úteis e espectros possíveis de serem explorados satisfatoriamente.

Os grupos orgânicos insaturados que absorvem nas regiões do UV-VIS são conhecidos como cromóforos. Os compostos orgânicos saturados contendo heteroátomos, como oxigênio, nitrogênio, enxofre ou halogênios, apresentam elétrons não ligantes que podem ser excitados por radiação na faixa de 170 a 250 nm (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Em relação aos compostos inorgânicos, íons e complexos dos elementos das duas primeiras séries dos metais de transição na tabela periódica, eles absorvem bandas largas de radiação visível em, pelo menos, um de seus estados de oxidação e, como resultado, são coloridos. Nesses compostos, a absorção ocorre quando os elétrons fazem transições entre orbitais d preenchidos e não preenchidos. A diferença de energia entre esses orbitais d e, consequentemente, a posição do máximo de absorção, dependem da posição do elemento na tabela periódica, do estado de oxidação e da natureza do ligante no complexo (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Quando um feixe de radiação passa por uma substância absorvente, a intensidade da potência radiante incidente, P0, será maior que a intensidade da potência radiante transmitida, P. A lei de Lambert-Beer relaciona quantitativamente a diminuição da intensidade da radiação em função da concentração da espécie absorvente e do caminho óptico. Quando um feixe de radiação monocromática passa por uma solução absorvente, ocorre a atenuação desse feixe, que decresce de P0 até P (Figura 2). UNICESUMAR

Topico 9 - Figura 2 – Atenuação de um feixe de radiação por uma solução absorvente Fonte: adaptada de Skoog et al. (2014). Descrição da Imagem: a figura se inicia com uma flecha que representa a radiação incidente. Essa flecha aponta igual à b. Após essa cubeta, há outra flecha mais fina que a primeira: ela representa a radiação transmitida pela solução. Fim da descrição. Perceba, na Figura 2, que a radiação transmitida é menor que a incidente. Ocorreu a diminuição da radiação após ela passar pela solução, pois parte dela foi absorvida. A fração da radiação incidente transmitida pela solução é dada pela transmitância T (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014): P T = P A transmitância mede o quanto de luz incidente é transmitida. A absorbância mede o quanto de luz incidente é absorvida quando passa por um material. A absorbância de uma solução A está relacionada com a T: A = - log T 0P A = log P De acordo com a lei de Beer, a A é diretamente proporcional à concentração da espécie absorvente “c” e ao caminho ótico do meio absorvente “b”, como expresso pela equação:

0P A = log( ) = a b c P ⋅⋅ Em que “a” é a constante de proporcionalidade denominada absortividade. Quando a concentração é expressa em mols por litro e o caminho ótico em centímea equação passa a ser: A = b c ∈⋅⋅ A absortividade molar tem as unidades L ·mol-1 · cm-1 e pode ser usada como parâmetro para a identificação das substâncias, pois, em um máximo de absorção, apresenta valor característico para cada espécie química (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Para medidas de transmitância e absorbância, é necessário que a solução a ser estudada esteja em um recipiente, normalmente, uma cubeta ou célula (Figura 2), a qual mantém a solução durante a medida e padroniza o caminho ótico, que é sobre o qual ocorre a absorção. No entanto, perdas por reflexão ou espalhamento podem ocorrer em todas as interfaces entre os materiais. Por exemplo, em uma cubeta de vidro, a luz passa pelas fronteiras ar-vidro, vidro-solução, solução-vidro e vidro-ar. A luz também pode ser espalhada em todas as direções a partir da superfície de moléculas grandes ou de partículas, como poeira, presentes no solvente. A reflexão e o espalhamento causam perdas de luz, levando a uma atenuação adicional do feixe de luz, quando ele passa através da solução. Os fótons podem passar pela matéria sem interagir ou interagir de quatro maneiras (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014): ■Reflexão. ■Dispersão. ■Absorção. ■Refração. Quando a frequência de radiação da onda incidente for muito maior ou muito menor do que a frequência necessária para fazer os elétrons do material vibrarem, não haverá captura da energia da radiação e a onda passará através do material sem interação, assim como pode ser observado na Figura 3 (a). UNICESUMAR

Topico 9 - a b c d e Figura 3 – Tipos de interação da radiação com a matéria: (a) Transmissão; (b) Reflexão; (c) Dispersão; (d) Absorção; (e) Refração / Fonte: a autora. Descrição da Imagem: são exibidos os tipos de interação da radiação com a matéria. Há cinco pequenas figuras correspondentes aos cinco tipos de interação e, em cada uma, há um bloco retangular que representa um objeto e flechas que mostram a direção que a radiação percorre ao alcançar esse objeto. Em a, tem-se a transmissão: as flechas atravessam o bloco sem serem desviadas. Da mesma maneira que entraram no bloco, elas saíram. Em b, há a reflexão: ao chegarem no bloco, as flechas são desviadas de volta para cima em um mesmo ângulo. Em c, há a dispersão: ao atingirem o bloco, as flechas são desviadas para vários ângulos. Em d, há a absorção: as flechas entram no bloco e são absorvidas. Em e, há a refração: as flechas entram no bloco e atravessam com desvios em seus ângulos. Fim da descrição. Quando a radiação não penetra profundamente na matéria, ocorre a reflexão (Figura 3 (b)). A matéria envia rapidamente a energia para fora com a mesma frequência da radiação incidente. A reflexão da luz em uma superfície irregular causa a dispersão ou espalhamento (Figura 3 (c)). Se a frequência da radiação da luz incidente é próxima ou igual à frequência de vibração dos átomos e/ou

elétrons da matéria, ocorre a absorção da energia da radiação pelas moléculas (Figura 3 (d)). Quando fótons passam através de um material, como um prisma, a direção é desviada. Logo, ocorre a refração (Figura 3 (e)). Para compensar esses efeitos, a potência do feixe, transmitida através de uma célula que contém a solução do analito, é comparada com a potência que atravessa uma célula idêntica e que contém somente o solvente ou o branco dos reagentes. Assim, uma absorbância experimental que se aproxima muito da absorbância verdadeira da solução é obtida, segundo a equação descrita a seguir (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014): solvente solução P P A = log log P P ≈ Para uma análise ser válida, ela precisa obedecer a lei de Beer, que estabelece um comportamento linear entre a absorbância e a concentração do analito. A lei de Beer possui limitações e se aplica às soluções que têm as seguintes características (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014): A radiação é monocromática. A absorção ocorre em um volume de seção transversal uniforme. A substância absorve de forma independente das outras espécies na solução. As soluções são diluídas com concentração máxima de 10-2 mol · L-1 Os desvios da lei de Beer resultam em desvios da relação linear entre a absorbância e a concentração e são divididos em reais, químicos e instrumentais. Os desvios reais representam as limitações da lei de Beer que, por descrever o comportamento da absorção somente para soluções diluídas, torna-se uma lei limite. Para concentrações que excedem 0,01 mol · L-1, a distância média entre os íons ou as moléculas da espécie absorvente diminui a ponto de que cada uma afeta a extensão da absorção da outra, dos íons ou moléculas vizinhas. Um efeito semelhante ocorre com soluções diluídas que contêm altas concentrações de outras espécies, sobretudo, os eletrólitos, pois, quando os íons estão muito próximos uns dos outros, as interações eletrostáticas podem alterar a absortividade molar do analito, afetando a relação linear entre absorbância e concentração. O analito e o solvente podem reagir por meio de diferentes equilíbrios UNICESUMAR

Topico 9 - químicos e originar produtos que absorvem de forma diferente do analito, o que resulta em desvios químicos (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Os desvios instrumentais são resultantes do método empregado para efetuar as medidas de absorbância. A lei de Beer se aplica somente para medidas realizadas com fonte de radiação monocromática. A luz policromática, multicolorida, apresenta uma distribuição contínua de comprimentos de onda. Ela é constituída por muitos comprimentos de onda. Já a luz monocromática pode ser produzida filtrando, difratando ou refratando a luz policromática. Na prática, as fontes policromáticas são utilizadas em conjunto com uma grade ou filtro, a fim de isolar uma banda simétrica de comprimentos de onda ao redor do comprimento de onda a ser empregado. Para uma radiação que não é monocromática, deve-se selecionar a faixa de comprimento de onda que tenha a menor variação na absortividade, que é a região de maior absorbância do analito. Isso, porque, nessa região, a absortividade varia pouco com o λ próximo ao λ da absorção máxima (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Os espectrofotômetros são instrumentos capazes de registrar dados de absorbância em função do comprimento de onda. Esse registro é chamado de espectro de absorção. A absorção atômica gera um espectro de linhas, e a absorção molecular gera um espectro de bandas. Os espectrofotômetros modernos de varredura produzem os espectros de absorbância diretamente, enquanto alguns mais antigos indicam a transmitância (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Vamos considerar o exemplo a seguir. O azul de metileno é um composto bastante usado nas indústrias farmacêutica, têxtil, alimentícia, de plásticos e de couro. Após o tratamento do efluente de uma indústria têxtil contendo o corante azul de metileno, para verificar se o tratamento foi eficaz e os parâmetros estão de acordo ao exigido pelas leis ambientais, é necessário determinar a concentração de corante nesse efluente. Suponha que você é o(a) profissional responsável por realizar essa determinação e, para isso, fez o seguinte procedimento:

ETAPA 1: Determinação do comprimento de onda de absorbância máxima. Utilizando um espectrofotômetro, efetuou-se as leituras de absorbância de uma solução de azul de metileno, com concentração de 10 mg/L, na faixa de 450 a 700 nm. ETAPA 2: Obtenção da curva de calibração do azul de metileno. Ajustou-se o espectrofotômetro no comprimento de onda de máxima absorção obtido na Etapa 1. Usou-se o etanol como branco e foi efetuada a leitura de seis soluções, sendo cinco soluções de concentração conhecida e uma de concentração desconhecida, que é a solução do efluente contendo o azul de metileno. As concentrações das soluções eram: 10 mg/L, 25 mg/L, 50 mg/L, 75 mg/L e 100 mg/L. O máximo de absorbância foi encontrado no λ de 640 nm, e as soluções apresentaram os seguintes valores de absorbância (Abs) nesse λ: SOLUÇÃO CONCENTRAÇÃO (MG/L) ABS (640 NM) 0,201 0,312 0,474 0,625 0,798 Quadro 1 – Valores de absorbância / Fonte: a autora. Suponha que a absorbância obtida para a amostra do efluente tenha sido de 0,564. Comparando o valor de absorbância obtido para o efluente com os valores das absorbâncias das soluções de concentrações conhecidas, você conseguirá saber em qual intervalo se encontra a concentração de corante no efluente. Para determinar o valor exato da concentração, você precisará construir o gráfico das respectivas abUNICESUMAR

Topico 9 - sorbâncias versus concentrações em um programa, como o Excel (escolha a opção gráfico de dispersão), e utilizará a equação da reta obtida, ao plotar o gráfico para calcular a concentração de azul de metileno na amostra do efluente. A equação da reta obtida para o gráfico é: y = 0,0065x + 0,1419 Substituindo o valor da Abs, isto é, 0,564, para a amostra de concentração desconhecida na incógnita y da equação da reta, chegamos ao valor de x, que corresponde ao valor da concentração. Portanto, a concentração de azul de metileno obtida para a amostra de efluente tratada foi de 64,9 mg/L. Perceba que esse valor de concentração se encontra no intervalo dos valores de concentração 50 e 75 mg/L das soluções 3 e 4, respectivamente. Isso, porque o valor de Abs obtido para a solução em análise se encontra entre os valores de Abs 0,474 e 0,625, medidos para as soluções 3 e 4, respectivamente. A espectrofotometria também é usada em exames laboratoriais. Se o paciente apresenta sintomas de diabetes, por exemplo, é possível fazer um exame de glicemia para diagnóstico. A amostra de plasma sanguíneo do paciente é colocada em conjunto com os reagentes necessários na cubeta e é realizada a leitura no espectrofotômetro. Assim como ocorreu no caso anterior, ou seja, do azul de metileno, é necessário realizar a leitura das soluções de concentrações conhecidas de glicose para obter a equação da reta e calcular a concentração de glicose na amostra do paciente. Suponha os seguintes valores de absorbância (Abs) obtidos: SOLUÇÃO CONCENTRAÇÃO (MG/L) ABS (505 NM) 0,201 0,321 0,474 0,711 0,945 Quadro 2 – Valores de absorbância / Fonte: a autora.

Ao plotarmos o gráfico de Abs versus concentração, obtemos: Dosagem de glicose 1,2 0,8 0,6 0,4 0,2 Concentração (mg/dL) Absorbância 0,201 0,321 0,474 0,711 0,945 y = 0,0049x - 0,0292 R²= 0,9986 Figura 4 – Gráfico da absorbância versus concentração para a dosagem de glicose / Fonte: a autora. Descrição da Imagem: a figura mostra um gráfico da absorbância versus a concentração de glicose. Há cinco pontos no gráfico: 0,201, 0,321, 0474, 0,711 e 0,945. A equação da reta e o coeficiente de determinação, R2, são mostrados. Eles são iguais a: y = 0,0049x - 0,0292 e 0,9986, respectivamente. Fim da descrição. A equação da reta obtida (y = 0,0049x - 0,0292) nos permite calcular a concentração de glicose presente no plasma sanguíneo do paciente. Considere que a absorbância obtida para essa amostra foi de 0,615. Ao substituirmos esse valor no y da equação da reta, obtemos o valor de x, que corresponde ao valor da concentração de glicose. Portanto, a concentração de glicose na amostra do paciente é de 131 mg/dL (131 mg por decilitro), valor que é considerado alto. Logo, o paciente foi diagnosticado com diabetes. Para o acompanhamento e o controle dos níveis de glicemia no sangue, há um aparelho (Figura 5) conhecido como glicosímetro, que, de maneira prática e rápida, informa o valor de glicose no sangue. É utilizado principalmente por pessoas que têm diabetes, pois permite verificar os níveis de açúcar ao longo do dia. Em geral, o glicosímetro é comercializado como um kit que contém os acessórios necessários para a realização da medição. UNICESUMAR

Topico 9 - Figura 5 – Aparelho que utiliza a fotometria de reflexão para a obtenção do nível de glicemia capilar Descrição da Imagem: a figura mostra o aparelho utilizado para a obtenção do nível de glicemia. É um aparelho pequeno e o indivíduo pode carregar consigo. Ele tem um painel que mostra o valor medido, botões abaixo do painel e uma entrada para inserção de uma fita. Fim da descrição. Esse aparelho utiliza a técnica da absorção de luz para quantificar a glicose (princípio fotométrico): um acessório, semelhante à uma caneta, contém uma agulha no interior para furar o dedo da mão e coletar uma gota de sangue do indivíduo que está realizando o exame. Essa gota é colocada em uma fita reagente, na qual ocorre uma reação química, e a fita é inserida no aparelho, que realiza a leitura e informa a concentração de glicose no sangue. Quando a gota de sangue entra em contato com a fita, ocorre uma reação química e um produto colorido é gerado. O fotômetro do aparelho faz a leitura da cor e a glicemia é avaliada pela intensidade da mudança de cor da luz incidente na amostra. A intensidade da cor é proporcional à quantidade de glicose na amostra. A cor de uma solução está relacionada com o espectro de absorção. Quando uma solução absorve radiação, a cor da solução, que é a cor transmitida, é uma cor complementar da cor da luz absorvida. Em uma análise colorimétrica, quando a luz branca, que tem todas as cores, atinge a solução, a luz absorvida apresenta

uma determinada cor, de acordo com a faixa de λ no máximo de absorção. Concomplementar, conforme a roda de cores mostrada na Figura 6. Figura 6 – Roda de cores complementares em lados opostos Fonte: adaptada de Brown, Lemay e Bursten (1999). Descrição da Imagem: é exibida uma roda de cores complementares. Cada cor tem a cor complementar, que está do lado oposto da roda. De 400 a 430 nm, há a cor roxa: a cor complementar é o amarelo, encontrado na faixa de 560 a 580 nm; de 430 a 490 nm, está a cor azul: a cor complementar é o alaranjado, de 580 a 650 nm; de 490 a 560 nm, está a cor verde: a cor complementar é o vermelho, de 650 a 700 nm. Fim da descrição. A característica mais importante de um espectrofotômetro é a seleção de radiações monocromáticas, o que possibilita inúmeras determinações quantitativas regidas pela lei de Beer (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Os principais componentes do espectrofotômetro são mostrados na Figura 7. UNICESUMAR

Topico 9 - Detector Cubeta para colocar a amostra a ser analisada Monocromador Fenda de saída Fenda de Entrada Prisma (Elemento de dispersão) Fonte de Luz (Fonte da radiação) Figura 7 – Esquema dos principais componentes de um espectrofotômetro Fonte: adaptada de Skoog et al. (2014). Descrição da Imagem: são exibidos os componentes principais de um espectrofotômetro na seguinte sequência, da esquerda para a direita: a fonte de luz ou radiação, o monocromador, constituído pela fenda de entrada, prisma, que é o elemento de dispersão, e fenda de saída; uma cubeta para colocar a amostra a ser analisada; e um detector. Fim da descrição. A fonte de radiação deve gerar radiação contínua, ou seja, emitir todos os comprimentos de onda dentro da região espectral utilizada. Para medidas de absorção molecular, é necessária uma fonte de radiação que tenha intensidade de potência radiante o suficiente para permitir a detecção e que seja estável, isto é, que a potência radiante seja constante, além de apresentar vida longa e baixo custo. A lâmpada de deutério e hidrogênio é a fonte de radiação que opera na faixa UV por meio da excitação elétrica de deutério ou hidrogênio. A lâmpada de filamento de tungstênio é a fonte mais comum para a radiação na região VIS. No entanto, as lâmpadas de tungstênio/halogênio encontram uso cada vez maior, pois estendem a faixa de λ e tem uma maior vida útil que as lâmpadas de tungstênio comum. Os diodos emissores de luz são fontes usadas em alguns espectrofotômetros e produzem um espectro contínuo em um estreito intervalo de λ, podendo ser usado como fonte “semimonocromática” (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014).

Os monocromadores são seletores de λ e projetados para separar a banda de radiação de interesse das outras bandas emitidas pela fonte de radiação mediante um prisma ou uma rede de difração associado às fendas de entrada e saída da radiação. Quando uma banda de interesse é selecionada, uma varredura espectral será feita. Um λ fixo também pode ser selecionado. Os monocromadores são constituídos por uma fenda de entrada, lentes, um elemento de dispersão (redes ou prisma) e uma fenda de saída. De acordo com o elemento de dispersão, dividem-se em dois tipos: monocromadores de prisma e monocromadores de rede. Instrumentos mais antigos usavam monocromadores de prisma para dispersar a radiação da fonte de radiação policromática (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). O tipo mais comum são os monocromadores de rede, em que o feixe policromático passa através de uma rede de difração, posicionada entre dois espelhos côncavos. A fenda de saída dos monocromadores é usada para isolar uma banda estreita de λ, sendo uma banda isolada a cada vez, e diversas bandas podem ser transmitidas sequencialmente, girando-se a rede. A faixa de λ selecionada por um monocroUm monocromador de alta qualidade apresenta uma largura de banda efetiva de poucos décimos de nanômetros ou menor na região UV/VIS (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Banda de passagem espectral ou largura de banda efetiva UNICESUMAR

Topico 9 - Grade de reﬂexão Figura 8 – Monocromador à base de rede de difração / Fonte: adaptada de Skoog et al. (2014). Descrição da Imagem: à esquerda da figura, encontra-se a fenda de entrada e, à direita, encontra-se a fenda de saída. Entre elas, está a grade de reflexão e, acima, estão os espelhos côncavos. Há flechas representando o sentido da radiação, que saem da fenda de entrada, atingem o primeiro espelho, vão para a grade de reflexão, em seguida, para o segundo espelho e, por fim, atingem a fenda de saída. Fim da descrição. Cubetas de vidro ou de quartzo (Figura 2) são normalmente empregadas como recipientes para as amostras nas medidas no UV/VIS. As cubetas de vidro são usadas para se trabalhar na região VIS. Já as cubetas de quartzo são usadas para a região UV, pois o vidro absorve nessa faixa. A cubeta mais utilizada possui caminho ótico de 1,0 cm, porém existem cubetas de 0,1 cm a 10 cm, dependendo da necessidade da análise (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Os detectores são os responsáveis por converter a energia radiante em um sinal elétrico que possa ser medido. O transdutor de radiação é um tipo de detector que converte vários tipos de grandezas químicas e físicas em sinais elétricos, carga elétrica, corrente ou voltagem. Um transdutor ideal para a radiação responde rapidamente a baixos níveis de energia radiante em uma ampla faixa de λ e produz sinal elétrico fácil de ser amplificado. As células fotovoltaicas são detectores de baixo custo, e a energia radiante gera uma corrente na interface entre um semicondutor e um metal.

No tubo fotomultiplicador, a radiação atinge a superfície sólida fotossensível do tubo, o que causa a emissão de elétrons. Eles, por sua vez, atingem as superfícies fotoemissivas, que emitem uma cascata de elétrons que serão detectados. Um processador de sinal usualmente utilizado é um dispositivo eletrônico que amplifica o sinal elétrico produzido por um detector, como mostradores digitais, monitores de computadores, entre outros (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Existem basicamente três tipos gerais de instrumentos para espectrofotometria UV/VIS: de feixe único, de feixe duplo e multicanal. No espectrofotômetro de feixe único, o feixe de radiação incide cada vez em uma amostra, e só é possível realizar as medidas separadamente, alternando as cubetas. O feixe duplo está localizado após o filtro ou o monocromador e pode ser duplo espacial ou duplo temporal. No feixe duplo espacial, dois feixes são formados por um espelho, chamado divisor de feixes, sendo que um feixe passa através da solução referência e chega ao detector e, simultaneamente, o outro feixe atravessa a amostra para chegar a um segundo detector. Assim, os dois sinais obtidos são amplificados. A razão é obtida pelo processador de sinal. No feixe duplo temporal, os feixes são separados por um espelho setorizado rotatório que dirige alternadamente todo o feixe pela célula de referência e, então, através da célula da amostra. O feixe duplo espacial tem menos uso devido à dificuldade de se combinar dois detectores (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). A espectrometria de absorção atômica (EAA) se divide em espectrometria atômica ótica e espectrometria de massas atômicas. Os métodos óticos são divididos em espectrometria de absorção atômica, emissão atômica e fluorescência atômica. A espectrometria de absorção atômica é uma técnica baseada na absorção da radiação por átomos livres no estado gasoso. A determinação das espécies atômicas somente é feita em meio gasoso. Assim, a primeira etapa para todos os procedimentos de espectrometria atômica é a atomização, processo no qual uma amostra é convertida em átomos ou íons na fase gasosa. A eficiência e a reprodutibilidade da etapa de atomização podem ter grande influência na sensibilidade, na precisão e na exatidão do método. Portanto, a atomização é uma etapa crítica em espectrometria atômica. Com átomos e íons na fase gasosa, não existem estados de energia vibracional ou rotacional, o que significa que ocorrem apenas transiA atomização é uma etapa crítica em espectrometria atômica UNICESUMAR

Topico 9 - ções eletrônicas. Dessa forma, os espectros de absorção, emissão e fluorescência atômica são constituídos por um número limitado de linhas espectrais estreitas (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). As linhas espectrais atômicas têm larguras finitas. Com os espectrômetros comuns, as larguras de linhas observadas são determinadas pelas propriedades do espectrômetro, e não pelo sistema atômico. A largura natural de uma linha espectral atômica é determinada pelo tempo de vida do estado excitado: quanto mais curto for o tempo de vida, mais larga será a linha e vice-versa. Alguns fatores podem contribuir para o alargamento das linhas. O alargamento por colisão ou alargamento por pressão ocorre devido às colisões entre átomos e moléculas. As colisões entre átomos e moléculas na fase gasosa levam à desativação do estado excitado e, assim, ao alargamento da linha espectral. A grandeza do alargamento aumenta com as concentrações (pressões parciais) das espécies que colidem e cresce com a elevação da temperatura. Em meios energéticos, como nas chamas de um atomizador, o alargamento por colisão excede enormemente o alargamento natural (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). A instrumentação para EAA é apresentada na Figura 9, que exibe como um atomizador de chama é integrado ao espectrômetro. Nela, a lâmpada de cátodo oco é a fonte de radiação.

Figura 9 – Espectrômetro de absorção atômica / Fonte: adaptada de Dias et al. (2016). Descrição da Imagem: são exibidos os cinco componentes de um espectrômetro de absorção atômica. Na sequência, da esquerda para a direita, há: lâmpada de cátodo oco, modulador, atomizador, monocromador e detector. A entrada da amostra está acima do atomizador e, entre o modulador e o monocromador, há a chama contendo os átomos que absorvem a energia da fonte de radiação. Fim da descrição. Na espectrometria de absorção atômica (EAA), uma fonte externa de radiação incide no vapor do analito. Se a fonte de radiação for de λ apropriado, ela poderá ser absorvida pelos átomos do analito e promovê-los a estados excitados. O modulador diferencia a radiação absorvida pela amostra da radiação emitida por ela. Na absorção atômica, o interesse está na radiação absorvida. O modulador garante que apenas chegue ao detector a radiação originada na lâmpada de cátodo oco e que passou pela amostra. A radiação de uma fonte de linhas, lâmpada de cátodo oco, é focada no vapor atômico gerado no atomizador. A radiação atenuada da fonte entra em um monocromador, o qual isola a linha de interesse. A maioria das medidas em EAA é feita com monocromadores de grade ultravioleta/visível. Como na absorção molecular, o tipo mais comum são os monocromadores de rede, em que o feixe policromático passa através de uma rede de difração, associada a duas fendas, UNICESUMAR

Topico 9 - uma de entrada e outra de saída da radiação, e posicionada entre dois espelhos côncavos. O ângulo da rede entre os espelhos determina o λ da fenda de saída. Depois de passar pelo monocromador, a potência radiante atenuada é convertida em sinal elétrico pelo detector, o tubo fotomultiplicador. O sinal é, então, processado e dirigido a um sistema computacional para fornecer os dados de saída (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). A fonte de radiação mais útil para EAA é a lâmpada de cátodo oco (Figura 10), fonte que tornou a EAA prática e de grande utilidade. Contudo, é, também, a maior limitação da técnica, pois é necessária uma lâmpada de cátodo oco para cada elemento. Portanto, apenas um único elemento pode ser determinado por vez. Figura 10 – Componentes da lâmpada de cátodo oco / Fonte: https://image3.slideserve.com/6124400/ slide12-l.jpg. Acesso em: 8 jul. 2024. Descrição da Imagem: a figura mostra um tubo de pyrex. Dentro dele, há um cátodo envolto por um isolante e, abaixo, há um anodo. Do lado de fora desse tubo, em uma extremidade, há os contatos para o código do elemento analisado, os contatos elétricos e o pino de alinhamento. Na outra extremidade, há a janela de quartzo. Fim da descrição. A lâmpada de cátodo oco contém um anodo de tungstênio e um cátodo cilíndrico selados em um tubo de vidro. O tubo contém um gás inerte, como argônio ou neônio, a pressões de 1 a 5 torr. O cátodo é fabricado com o metal do analito ou serve de suporte para o recobrimento desse metal. Aplicando-se um potencial

através dos eletrodos, o gás inerte se ioniza e, à medida que os cátions e os elétrons da ionização migram para os eletrodos, é gerada uma corrente. Se o potencial for suficientemente alto, os cátions se chocarão com o cátodo com energia suficiente para desalojar alguns dos átomos do metal e, assim, produzir uma nuvem atômica. Esse processo é chamado pulverização catódica. Alguns átomos metálicos removidos do cátodo se encontram no estado excitado e, quando retornam ao estado fundamental, emitem radiação em λ característico (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). A lâmpada de descarga sem eletrodos também é uma fonte útil de espectros de linhas. Essa lâmpada consiste em um tubo de quartzo selado contendo um gás inerte e uma pequena quantidade do metal do analito ou do sal. O gás inerte é ionizado por radiofrequência ou micro-ondas, excitando (por colisão) os átomos do metal, que, ao retornarem ao estado fundamental, emitem radiação em λ característico. As linhas de emissão da lâmpada são mais estreitas que os picos de absorção na chama, e é necessário discriminar a radiação das lâmpadas da radiação proveniente do atomizador. A maior parte da radiação do atomizador é eliminada pelo monocromador, enquanto a radiação da lâmpada não é removida. O efeito da emissão do analito, que ocorre na lâmpada, é contornado pela modulação da saída da lâmpada. A modulação pode ser feita, interpondo-se um recortador de feixe entre a fonte (lâmpada) e o atomizador (geralmente, de chama). A modulação é a alteração de alguma propriedade de forma de onda, como a radiação. Na EAA, a fonte de radiação é modulada em amplitude, porém a radiação da emissão do analito não é, sendo, então, observada como sinal não modulado. O processador de sinal separa o sinal gerado pela luz recortada do sinal contínuo produzido pela chama (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). As chamas e os atomizadores eletrotérmicos são os mais comuns em EAA. O atomizador de chama é o mais empregado em razão da simplicidade, efetividade e custo relativamente baixo. Em um atomizador por chama, ocorrem os seguintes processos: nebulização, dessolvatação e volatilização da amostra. A solução da amostra é nebulizada por um fluxo de mistura de oxidante e combustível gasoso, convertida em um aerossol e levada a um queimador. Os queimadores de fluxo laminar são os mais usados, pois fornecem uma chama relativamente estável e um longo caNebulização, dessolvatação e volatilização da amostra UNICESUMAR

Topico 9 - minho ótico. O aerossol flui para o interior de uma câmara de spray, onde ocorre a dessolvatação. Logo, o solvente evapora para produzir um aerossol molecular de partículas sólidas finamente divididas (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Como resultado, a maior quantidade da amostra é coletada no fundo da câmara, onde é drenada para um recipiente de descarte. O aerossol é misturado com o combustível e o gás oxidante na câmara. Em seguida, são, então, incinerados para formar as moléculas gasosas. A dissociação dessas moléculas produz um gás atômico, os átomos livres. Somente cerca de 5% da amostra aspirada atinge a chama na forma de aerossol. Os outros 95% são perdidos. Por isso, a nebulização tem que ser bem-feita para a atomização por chama ser eficiente. Apesar das vantagens, a atomização por chama é inferior a outros métodos em relação à eficiência de amostragem e, consequentemente, à sensibilidade, por duas principais razões: perda de grande parte da amostra na dessolvatação e breve tempo de residência (10-4 s) dos átomos no caminho ótico (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). O tipo de chama depende do tipo de amostra que será atomizada. A mistura mais utilizada entre os gases combustíveis e oxidantes é acetileno/ar ou acetileno/óxido nitroso. Para amostras que se decompõem facilmente, o ar pode ser usado como oxidante e, para amostras de difícil decomposição, é necessário usar oxigênio ou óxido nitroso. Uma chama pode ser dividida em três regiões (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014): Zona de combustão primária. Região interzonal ou cone interno. Zona de combustão secundária ou cone externo. A zona de combustão primária está localizada logo acima do bico do queimador e é o local da dessolvatação da amostra. A região central da chama, denominada interzonal ou cone interno, é a parte mais quente da chama, local em que as partículas são vaporizadas e convertidas em átomos gasosos, íons elementares bustão secundária ou cone externo, onde a oxidação pode acontecer, antes que os produtos da atomização se dispersem na atmosfera. Visto que a velocidade da mistura combustível/oxidante através da chama é alta, apenas uma fração da amostra sofre todos estes processos. Logo, uma chama não é um atomizador muito eficiente (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014).

Nos atomizadores eletrotérmicos, poucos microlitros da amostra são depositados em um forno de grafite com uma seringa ou um autoamostrador. Em seguida, a amostra passa por três etapas: secagem, pirólise e atomização. Na etapa de secagem, o solvente é evaporado em baixa temperatura (110 °C) e, então, faz-se a pirólise da amostra, aumentando-se a temperatura entre 300 e 1200 °C para calcinar a amostra em um tubo de grafite eletricamente aquecido. A calcinação da matéria orgânica produz água e dióxido de carbono. Após a pirólise, a corrente aumenta rapidamente, o que faz com que a temperatura aumente rapidamente até entre 2000 °C e 3000 °C, o que vaporiza e atomiza a amostra. A atomização ocorre em um intervalo de poucos milissegundos, até segundos. A absorção do vapor atômico é medida na região imediatamente acima da superfície aquecida, no caminho óptico característico. No forno de grafite, é frequentemente usado argônio como gás de purga, a fim de remover o excesso de material durante a secagem e pirólise e após a atomização (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). O forno ou tubo de grafite (Figura 11) é cilíndrico, aberto nas duas extremidades e possui um orifício central para a introdução da amostra. Figura 11 – Passagem da radiação por um atomizador de forno de grafite Fonte: adaptada de Dias et al. (2016). Descrição da Imagem: há um tubo cilíndrico no centro da figura. Ele representa o forno de grafite pelo qual passa a radiação. Na parte inferior desse forno, há a plataforma de L’vov e, acima, um orifício, por onde a amostra é introduzida. Fim da descrição. UNICESUMAR

Topico 9 - O tubo tem cerca de 5 cm de comprimento e diâmetro interno pouco menor que 1 cm. Logo abaixo do orifício de introdução da amostra, há a plataforma de L’vov, também feita de grafite, sobre a qual a amostra é evaporada e pirolisada. Os fornos de grafite podem ser aquecidos de duas maneiras: aquecimento transversal, com temperatura máxima de 2600 °C, e aquecimento longitudinal, com temperatura máxima de 3000 °C. O aquecimento longitudinal é feito ao longo do tubo, e o centro do forno se apresenta mais quente que as extremidades. Por isso, o aquecimento transversal proporciona um ambiente mais isotérmico, em que a temperatura é quase uniforme em todo o forno. O aquecimento transversal é melhor, quando se trata de amostras refratárias, de difícil decomposição (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). É preciso fazer o controle do ambiente térmico para poder estabelecer a melhor temperatura de secagem, pirólise e atomização, garantindo que apenas o analito esteja presente na nuvem atômica, aumentando a sensibilidade da análise. A atomização eletrotérmica tem maior sensibilidade que a atomização por chama, pois a amostra toda é atomizada em curto período de tempo, e o tempo de residência dos átomos no caminho ótico é de um segundo ou mais, além do fato da amostra ser 100% introduzida para a análise e ser preciso um menor volume de amostra (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Os detectores são os responsáveis por converter a energia radiante em um sinal elétrico que possa ser medido. No tubo fotomultiplicador, a radiação atinge a superfície sólida fotossensível do tubo, o que causa a emissão de elétrons. Esses, por sua vez, atingem as superfícies fotoemissivas, que emitem uma cascata de elétrons que serão detectados. O processador de sinal amplifica o sinal elétrico produzido por um detector e faz a leitura desse sinal (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). A absorção atômica é uma técnica muito específica e com interferências que podem ser detectadas e corrigidas. Na chama, pode ocorrer a formação de um composto termicamente estável do analito que se quer analisar, diminuindo a população de átomos que absorvem a radiação. Consequentemente, a sensibilidade também é reduzida. Esse problema pode ser corrigido, utilizando-se uma temperatura mais alta na chama, em que o composto seja instável e possa ser quebrado, ou adicionando-se um agente sequestrante, um cátion que compete com o analito pela formação do composto estável. Algumas interferências ocorrem devido às características físico-químicas da matriz da amostra, por se diferirem dos padrões da curva de calibração. São as interferências de matriz,

como viscosidade, velocidade de queima e tensão superficial. Para corrigir essas interferências, é recomendável o uso da técnica de adição de padrão (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Em alguns casos, dois elementos presentes na amostra podem absorver na mesma linha espectral que foi escolhida. Se isso ocorrer, é preciso trocar a linha espectral utilizada. É muito importante ter o conhecimento prévio de quais elementos podem interferir e se há possibilidade de que eles estejam presentes na amostra. A interferência de fundo acontece pelo espalhamento de luz, causado por partículas presentes na chama ou pela absorção de luz por fragmentos moleculares presentes na chama ou no atomizador eletrotérmico, provenientes da matriz da amostra. Para solucionar o problema, a absorbância de fundo deve ser determinada e subtraída da absorbância total. Essa determinação é facilitada pelo fato de o analito absorver em uma faixa estreita e as espécies de fundo formarem uma banda larga de absorção (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Os átomos, íons ou moléculas podem ser excitados por meio de diversos processos, como o aquecimento ou a exposição a uma fonte de radiação eletromagnética. O tempo de excitação é geralmente transitório, e o relaxamento para um nível de energia mais baixo ou para o estado fundamental libera o excesso de energia na forma de radiação, calor ou de ambos. Na espectrometria de emissão atômica, obtêm-se um espectro de emissão, gráfico da potência relativa da radiação emitida em função do λ. A emissão pode gerar três tipos de espectros: um espectro de linhas, um espectro de bandas e um espectro contínuo. Os espectros de linhas ocorrem quando as espécies radiantes são átomos ou íons individuais. Os espectros de bandas são produzidos pela presença de radicais ou moléculas pequenas, enquanto o espectro contínuo não tem caráter de linha e, em geral, é produzido por sólidos aquecidos a altas temperaturas (HARRIS, 2011; SKOOG et al., 2014). Vamos retomar a experiência proposta no início do tema. Qual é a diferença na cor apresentada pelas soluções de concentração 125, 250 e 500 µM? E os valores de absorbância variaram de que maneira entre as soluções? Vamos analisar o quadro a seguir para responder a essas perguntas. SOLUÇÃO 1 SOLUÇÃO 2 SOLUÇÃO 3 Concentração (µM) UNICESUMAR

Topico 9 - SOLUÇÃO 1 SOLUÇÃO 2 SOLUÇÃO 3 Intensidade da cor da solução fraca média forte Intensidade da cor da radiação medida forte média fraca Absorbância 0,25 0,50 1,00 Quadro 3 – Soluções 1, 2 e 3 / Fonte: a autora. Observando a cor da radiação após atravessar a amostra, nota-se uma coloração verde mais forte na solução 1, enquanto, na solução 2, essa cor se mostra mais fraca. Já na solução 3, ela está ainda menos intensa, ou seja, a intensidade vai diminuindo conforme a concentração de KMnO4 aumenta, pois, quanto mais composto estiver presente na solução, mais radiação é absorvida pela amostra. Por isso, a cor se apresenta mais forte na solução 1, de menor concentração, que é a solução que menos absorve radiação, e se mostra mais fraca na solução 3, de maior concentração. Percebe-se que o aumento da concentração resulta no aumento da absorbância pelo mesmo motivo da intensidade da cor da radiação: quanto mais composto presente, mais radiação será absorvida. O valor da absorbância aumenta conforme o valor da concentração aumenta, dobra conforme a concentração dobra e diminui na mesma proporção que a concentração diminui, evidenciando que a absorbância e a concentração são diretamente proporcionais. Lembre-se de que a absorbância mede a quantidade de luz incidente que é absorvida quando passa por um material. Quanto mais intensa for a cor da solução, mais radiação será absorvida (princípio da absorbância) e menos intensidade de radiação passará pela amostra. Por isso, a solução 1 apresenta menor intensidade de cor, menor absorbância e, consequentemente, maior quantidade de radiação medida, enquanto a solução 3 apresenta a maior intensidade de cor, maior absorbância e menor quantidade de radiação medida. Seguindo esse princípio, verificamos, na prática, que a solução 3 é uma solução de roxo mais intenso do que a solução 1. Dessa forma, podemos concluir que a concentração da amostra é diretamente proporcional à intensidade da cor e à absorbância, permitindo que se faça essa correlação. Quanto mais composto presente mais radiação será absorvida

NOVOS DESAFIOS Agora, você já sabe como a luz pode agir na matéria e nos trazer informações sobre as substâncias presentes em uma amostra. Neste tema, você aprendeu os métodos espectroscópicos, a instrumentação necessária e as aplicações. A espectroscopia, no ambiente profissional, pode ser aplicada para a diferenciação de medicamentos falsos dos genuínos, na identificação de ativos farmacêuticos, na dosagem dos ativos e no controle de qualidade, por exemplo, para verificar possíveis alterações nos fármacos, como interações com os excipientes, a fim de comparar os espectros obtidos para o fármaco puro e a amostra em análise. Ainda, no âmbito das análises clínicas, a espectroscopia é utilizada para a dosagem de substâncias, como glicose, colesterol e ácido úrico, visando ao diagnóstico dos pacientes. As características individuais da amostra e a análise necessária determinarão o tipo de método espectroscópico que será útil. UNICESUMAR

Em muitas análises espectrométricas, a transmitância obtida precisa ser transformada em absorbância. Converta os seguintes dados de transmitâncias para as respectivas absorbâncias: a)	 22,7%. b)	 31,5%. 2.	 Qual é a função do monocromador em um espectrômetro de absorção atômica? Justifique a sua resposta. 3.	 As medidas de absorbância de espécies coloridas permitem a identificação e a quantificação, tornando possível determinar a concentração dessas espécies em soluções. Em uma solução contendo o composto Co(NO3)2, a presença é notada pela cor vermelha, e o comprimento de onda de máximo de absorção é 549 nm, no qual o composto apresenta uma absortividade molar de 7,00 · 103 L · cm-1 mol-1. Calcule a absorbância de uma solução a 3,75 · 10-5 mol L-1 de Co(NO3)2 em uma célula de 1,00 cm no comprimento de onda de 549 nm. VAMOS PRATICAR

REFERÊNCIAS BROWN, T. L.; LEMAY, H. E.; BURSTEN, B. E. Química: a ciência central. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1999. DIAS, S. L. P. at al. Química analítica: teoria e prática essenciais. Porto Alegre: Bookman, 2016. HARRIS, D. C. Análise química quantitativa. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011. SKOOG, D. A. et al. Fundamentos de Química Analítica. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2014.

Questoes de Fixacao e Aplicacao Pratica

Descreva os principais conceitos e fundamentos fisiopatologicos e laboratoriais abordados nesta Unidade de Cromatografia (HPLC, GC) e Espectrometria de Massas Aplicada a Biomedicina.
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?