Vogel: Análise Química Quantitativa

J Mendham · Capítulo 346 de 495

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Vogel: Análise Química Quantitativa

13.28 Princípios teóricos

 

Um explicação simples para isto é que o máximo de corrente é

conseqüência da velocidade limitada com que os íons chegam à superfície

do eletrodo. A etapa de redução propriamente dita é rápida. Três

mecanismos principais estão envolvidos no processo. Assim, vamos

considerar três contribuições para a corrente limite ilimite = id + ic + im.

 

Corrente de migração, im

 

Sob a influência de um potencial aplicado, os íons em solução tendem a se

mover para reduzir o potencial, isto é, os cátions para o catodo e os ânions

para o anodo. Este processo é utilizado em alguns métodos analíticos como

a eletroforese, mas na polarografia ele dá resultados erráticos para

concentrações baixas dos analitos. Para reduzir este problema, a corrente de

migração destes íons é normalmente reduzida na superfície do eletrodo por

adição de altas concentrações de outros íons, que não são reduzidos no

eletrodo e dominam a corrente de migração. Nestas condições, a corrente de

migração não contribui apreciavelmente para a corrente limite. Estes

eletrólitos, ditos eletrólitos indiferentes ou eletrólitos de suporte, são

adicionados em excesso de cerca de 100 vezes sobre a concentração dos

íons eletroativos, logo apenas uma pequena fração da corrente de migração

é devida aos íons sob análise. No exemplo anterior, o eletrólito de suporte é

HCl 1 M. Observe, entretanto, que o papel do eletrólito de suporte é mais

complexo do que a simples redução da corrente de migração do analito

porque ele pode modificar as reações que se produzem, como veremos

adiante.

 

Corrente de convecção, ic

O transporte de íons para a superfície do eletrodo por meios mecânicos,

principalmente por agitação, afeta a corrente limite. Na polarografia

tradicional não há agitação e pode-se simplificar o sistema admitindo que as

correntes de convecção são muito pequenas e ic é igual a zero. Isto cria um problema para o experimentalista que deve ter certeza de que o experimento de polarografia está sendo feito nas condições ideais. Como o líquido foi

agitado durante o processo de degasagem, é essencial esperar alguns

minutos antes de medir a onda polarográfica.

Um procedimento alternativo cada vez mais usado é fazer com que a

solução fique em movimento permanente e constante. Na voltametria

hidrodinâmica, como é conhecida, ou se agita a solução mantendo fixo o

microeletrodo ou se usa um microeletrodo rotativo para agitar a solução.

Nestas circunstâncias, as correntes observadas são algumas ordens de

magnitude maiores. Uma variante deste procedimento é manter um fluxo

constante de solução pelo eletrodo. Esta é a base do “detector

polarográfico” usado em HPLC.

 

Corrente de difusão, id

A velocidade de difusão de um íon até a superfície do eletrodo é dada pela

segunda lei de Fick como sendo

 

onde D é o coeficiente de difusão, c é a concentração, t é o tempo e x é a

distância do íon à superfície do eletrodo.

Na polarografia clássica, com soluções sem agitação e excesso de

eletrólito de suporte, im e ic tendem a zero e o único mecanismo de transporte dos íons até a superfície do eletrodo é a difusão dos íons em

solução, id. Assim, na polarografia clássica, a corrente limite é idêntica à corrente de difusão e em muitas curvas polarográficas a voltagem constante

superior é registrada como id. Os cientistas perceberam logo que a corrente de difusão é diretamente proporcional à concentração dos íons em solução

que se reduzem (ou se oxidam). Em 1934, Ilkovic [31] estudou os diversos

fatores que afetam a corrente de difusão e chegou à equação:

 

onde id = corrente de difusão média (μA) durante o tempo de vida da gota.

n = número de faradays de eletricidade necessários por mol do analito.*

D 2 –1 = constante (cm ·s), conhecida como coeficiente de difusão da espécie

a ser reduzida ou oxidada.

C –1 = concentração do analito (mmol·l).

m = massa (mg) das gotas de mercúrio que caem do eletrodo por segundo.

t = tempo total de queda das gotas (s).

 

A constante 607 é uma combinação de várias constantes, incluindo a

constante de Faraday, e depende ligeiramente da temperatura. O valor 607

está correto em 25°C. Se i for medido como a corrente máxima e não como

a corrente média, o valor da constante é 706 e não 607.

Esta equação complexa foi importante porque justificou teoricamente a

observação empírica de que id é diretamente proporcional à concentração. A equação original de Ilkovic é, na verdade, inacurada porque não leva

inteiramente em conta o efeito da curvatura da gota de mercúrio. A correção

pode ser feita multiplicando-se o lado direito da equação por (1 –

AD1/2 1/6 –1/3 · t · m), onde A é uma constante igual a 39. A correção não é muito

grande porque o termo entre parênteses vale usualmente de 1,05 a 1,15 e só

precisa ser levado em conta em cálculos muito precisos.

Na prática, a corrente de difusão depende de fatores como temperatura

(1,5 a 2,0% por grau), viscosidade da solução, composição do eletrólito de

suporte e forma química da espécie eletroativa. Normalmente, um íon

complexo de metal tem, na mesma concentração, uma corrente de difusão

diferente da de um íon simples hidratado. Observe, também, que a corrente

de difusão depende do tempo de queda e do tamanho (massa) de cada gota.

O produto 2/3 1/6 m · t é a constante do capilar e permite a comparação das

constantes de difusão obtidas com diferentes capilares.

Como a corrente de difusão depende do tamanho da gota, a polarografia

clássica se caracteriza pela curva com aspecto de dentes de serra,

claramente vistos na Fig. 13.12 na região da corrente limite. A corrente

aumenta quando a gota cresce e cai rapidamente no momento em que a gota cai. Em concentrações baixas, em que é necessário usar uma faixa de

corrente mais sensível, estas oscilações tendem a mascarar a onda de

redução à medida que o analito é consumido. Um estudo cuidadoso da

curva polarográfica mostra que um outro fenômeno pode influenciar as

correntes medidas.

 

Corrente residual

 

Ao registrar uma curva corrente–voltagem de uma solução corretamente

degasada que contém apenas o eletrólito de suporte, ainda se observa, em

potenciais mais negativos do que –0,4 V, uma pequena corrente que

atravessa o sistema. Isto ocorre porque a gota de mercúrio e a solução agem

como um pequeno condensador. A gota de mercúrio acumula carga

negativa em sua superfície que é comparável ao potencial de uma camada

fina da solução que a cerca (a dupla camada elétrica). Quando as gotas de

mercúrio caem, levam esta carga com elas e daí resulta uma pequena

corrente positiva. Esta corrente de condensador não é igual às correntes que

descrevemos. Seu comportamento não é do tipo faraday e ela não é

decorrente dos processos eletroquímicos que acontecem na superfície do

eletrodo. Abaixo de aproximadamente –0,4 V, a corrente flui na outra

direção à medida que a gota adquire carga positiva em relação à solução. O

ponto em que a corrente zero flui pelo sistema é chamado de máximo

eletrocapilar e, neste ponto, a gota de mercúrio não tem carga em relação ao

meio circundante.

A corrente deste condensador aumenta quase linearmente com o

potencial aplicado e pode ser observada mesmo em soluções muito puras do

eletrólito de suporte. Ela depende do tamanho da gota de mercúrio: atinge o

máximo imediatamente antes de a gota cair e diminui rapidamente quando a

gota cai. Nos experimentos de polarografia, a corrente medida é a soma dos

componentes do tipo faraday (eletroquímico) e do tipo não-faraday

(aparecimento de carga). Em concentrações baixas, a contribuição deste

último é importante e limita a cerca de 10–5 M a concentração mínima de

analito que pode ser determinada pela polarografia clássica.

Máximos polarográficos

 

Às vezes, não se observa uma corrente limite constante no polarograma.

Nestes casos, vê-se um máximo arredondado ou um pico agudo. A Fig.

13.13 mostra um caso típico. A curva A corresponde a íons cobre em uma

solução em hidrogenocitrato de potássio, e a curva B, a uma solução em

hidrogenocitrato de potássio e fucsina ácida 0,005%. Para medir a corrente

de difusão verdadeira, o máximo tem de ser eliminado ou suprimido.

Embora não se conheça o mecanismo de formação destes máximos, eles

podem ser removidos ou reduzidos por adição de quantidades muito

pequenas de um supressor de máximos.

Os supressores de máximos incluem colóides como a gelatina, corantes e

detergentes como o Triton X-100 (um detergente não-iônico). Como estes

materiais são surfactantes, eles provavelmente formam uma camada de

adsorção na fase aquosa, próximo da superfície do mercúrio, que impede a

passagem de íons e a formação dos máximos. Use os supressores de

máximos com muito cuidado porque uma concentração elevada suprime a

corrente de difusão normal. Concentrações de gelatina da ordem de 0,002 a

0,1% e de Triton X-100 da ordem de 0,002 a 0,004% são suficientes.

 

Potenciais de meia-onda

 

Em um eletrodo polarizado, o potencial obedece à equação de Nernst e a

concentração da espécie eletroativa se relaciona diretamente à corrente de

difusão. Isto permite relacionar o potencial e a corrente pela equação

Fig. 13.13 Máximo polarográfico

 

que em 25°C é igual a

 

onde I é a corrente medida em um determinado ponto (descontada a

corrente residual).

Esta equação, conhecida como equação da onda polarográfica, mostra

claramente que, quando I = I d/2, o potencial medido é E1/2 para uma reação

reversível. O gráfico de E contra log[(I d – I)/I] é uma linha reta com inclinação –0,00591n que permite a determinação do número de elétrons

que participam da reação. Esta relação mostra também por que as reações

que envolvem mais de um elétron têm ondas polarográficas de curvatura

mais pronunciada do que as dos processos que envolvem um elétron.

Observe que, segundo a equação, E1/2 é independente da concentração. Alguns critérios, entretanto, devem ser obedecidos para que a equação

possa ser aplicada. Em primeiro lugar, como ela é derivada da equação de

Nernst, só é válida para processos reversíveis. Em segundo lugar, é

necessário corrigir I e Id para a corrente residual e corrigir o potencial medido para uma queda IR eventual na célula. O eletrólito de suporte