Vogel: Análise Química Quantitativa

J Mendham · Capítulo 345 de 495

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Vogel: Análise Química Quantitativa

13.27 Polarografia convencional ou polarografia d.c.

Embora conceitualmente simples, estes experimentos só são reprodutíveis

em certas condições. O eletrodo de trabalho deve estar completamente

polarizado para que a corrente que flui através dele seja proporcional à

concentração. Esta condição é satisfeita com eletrodos de área superficial

pequena (um microeletrodo) que não são facilmente contaminados e nos

quais o comportamento da superfície é reprodutível. Este problema foi

resolvido de maneira elegante pelo eletroquímico tchecoslovaco Jaroslav

Heyrovsky [30], em 1922, com a proposta do uso do microeletrodo de

mercúrio gotejante. A voltametria feita com este eletrodo é chamada

polarografia e, até recentemente, era a forma mais usada de voltametria.

Descreveremos seu uso e aplicações na próxima seção.

 

13.27 Polarografia convencional ou polarografia d.c.

 

Para que seja possível obter curvas reprodutíveis de corrente versus

voltagem em um eletrodo imerso em uma solução diluída de uma espécie

eletroliticamente ativa, é necessário que a área superficial do eletrodo seja

muito pequena para induzir a polarização, porém é também essencial que o

eletrodo não se altere, por exemplo, por contaminação da superfície. No

caso de eletrodos sólidos, estas duas condições são quase sempre

mutuamente excludentes e medidas voltamétricas confiáveis não eram

possíveis até que Heyrovsky e Shikata desenvolveram um aparelho que

usava gotas de mercúrio que caíam de um reservatório como eletrodo de

trabalho e um poço de mercúrio como contra-eletrodo. Como as curvas

obtidas com este instrumento são representações gráficas da polarização do

eletrodo gotejante, o aparelho foi chamado de polarógrafo. As curvas

corrente versus voltagem, que no aparelho original de Heyrovsky eram

registradas fotograficamente, foram chamadas de polarogramas. A Fig.

13.11 mostra um esquema simplificado do aparelho usado na análise

polarográfica.

No esquema, o eletrodo de mercúrio gotejante é o catodo, a configuração

mais comum, porém a polaridade pode ser invertida em alguns

experimentos e, neste caso, ocorre oxidação e não redução no microeletrodo. O contra-eletrodo, normalmente o anodo, é um poço de

mercúrio que, devido à área superficial relativamente alta, tem densidade de

corrente baixa na superfície e não se polariza, isto é, seu potencial

permanece constante. Se a solução de eletrólito contém ânions capazes de

formar sais insolúveis com mercúrio (Cl –, , dentre outros), o

contraeletrodo age como um eletrodo de referência cujo potencial constante

depende apenas da natureza e da concentração do ânion em solução. Deve-

se adicionar à solução um grande excesso do ânion sobre a concentração do

analito para que o potencial total da célula dependa apenas das reações que

ocorrem no eletrodo de trabalho.

Neste sistema, o eletrodo de mercúrio gotejante é um tubo capilar de

barômetro de 10 a 15 cm de comprimento, ligado por um tubo de borracha

flexível a um reservatório de mercúrio cuja altura pode ser ajustada. Pode-

se produzir um fluxo contínuo de gotas de mercúrio, em intervalos de 1 a 5

segundos, deslocando-se verticalmente o reservatório até uma altura

conveniente. Como a característica principal de polarografia é o eletrodo de

mercúrio gotejante, é interessante analisar as vantagens e desvantagens

deste microeletrodo em relação a outros:

 

(a) Produz-se uma gota limpa e praticamente idêntica em forma e tamanho,

em intervalos regulares. Isto reduz os efeitos de contaminação ou de

envenenamento da superfície do eletrodo.

Fig. 13.11 Polarografia: aparelhagem básica

 

(b) Muitos metais reduzem-se reversivelmente a amálgamas na superfície.

(c) A sobrevoltagem do hidrogênio é muito alta na superfície do eletrodo de

mercúrio. Isto significa que vários metais com potenciais elevados de

redução se reduzem na superfície sem que ocorra redução da água e

conseqüente interferência com o experimento. Em certas soluções de

eletrólitos, o eletrodo pode ser usado em potenciais negativos (em

relação ao eletrodo de calomelano saturado) até –2,6 V antes que

hidrogênio comece a ser produzido. O potencial positivo que pode ser

usado limita-se a cerca de +0,4 V porque, neste valor, o mercúrio se

oxida a Hg(I).

(d) A área superficial das gotas pode ser calculada a partir de seu peso.

 

São muitas as vantagens do eletrodo de mercúrio gotejante, porém existem

algumas desvantagens, relacionadas principalmente ao fato de que, com

este desenho de aparelhagem, o tamanho da gota muda com o tempo e isto complica a análise eletroquímica. Os aparelhos mais modernos usam uma

série de gotas pendentes (ou até mesmo uma única gota pendente) em

substituição ao fluxo contínuo de gotas.

É mais interessante analisar os processos que ocorrem no aparelho

clássico antes de descrever os instrumentos mais recentes. Observe que a

célula da Fig. 13.11 tem tubos que permitem a purga da solução com um

gás inerte antes da realização do experimento. Isto é essencial para a

remoção do oxigênio dissolvido na solução. Se isto não for feito, o oxigênio

reduz-se a água e permite a passagem de um fluxo muito alto de corrente

pelo sistema. Este processo ocorre em duas etapas:

 

O + – + 2H + 2e = H O

2 2 2

 

H + – O + 2H + 2e = 2H O

2 2 2

 

Nas concentrações de analitos normalmente utilizadas na polarografia, estes

dois processos de redução mascaram a redução das espécies de interesse.

Felizmente, a remoção do oxigênio por borbulhamento da solução com

nitrogênio ou hidrogênio, um pouco antes de cada determinação ser feita, é

muito eficiente.

Suponha que uma solução de cloreto de cádmio (10–3 –5 a 10 M), livre de

oxigênio, está na célula da Fig. 13.11 e o potencial do eletrodo de mercúrio

gotejante aumenta gradualmente com o movimento do controle da régua do

potenciômetro (P). A corrente que flui pelo sistema pode ser acompanhada

pelo registro da curva de voltagem versus corrente (o polarograma — Fig.

13.12). Quando o potencial cresce lentamente de zero até voltagens

negativas, a corrente que flui inicialmente é muito pequena até que o

potencial atinja um valor suficientemente negativo para iniciar uma reação

eletroquímica. No presente caso, isto ocorre em aproximadamente –0,6 V,

quando a redução dos íons cádmio para dar cádmio metálico começa a

ocorrer.

 

Cd2+ – + 2e = Cd O potencial no eletrodo é controlado pela equação de Nernst:

 

Fig. 13.12 Polarograma típico

 

onde é o potencial padrão do eletrodo. Com este sistema simples de dois

eletrodos não é possível determinar exatamente o potencial no catodo,

apenas a diferença de potencial entre o anodo e o catodo.

A corrente cresce rapidamente a partir deste ponto e chega a um valor

máximo que permanece constante por várias centenas de milivolts até que

um segundo aumento rápido ocorre no limite superior da varredura de

voltagens. Por convenção, se ocorre redução, a corrente medida é registrada

com valores positivos. Esta curva polarográfica pode ser predita se for

conhecido o potencial de eletrodo padrão. O valor de voltagem relevante

ocorre na metade da corrente máxima e é conhecido como potencial de

meiaonda, E 1/2. Seu valor não é exatamente igual ao potencial padrão do eletrodo da espécie reduzida. Discutiremos adiante por que isto ocorre. É

mais importante, neste momento, explicar por que a corrente que flui pelo

sistema tem um valor limite.