Vogel: Análise Química Quantitativa

J Mendham · Capítulo 352 de 495

Páginas do PDF

Vogel: Análise Química Quantitativa

13.34 Voltametria modificada

Fig. 13.19 Célula do tipo H

 

Quando em uso, o compartimento de solução (seco por aspiração do ar

ou lavado com várias porções da solução-teste) recebe um volume

suficiente da solução-teste para cobrir totalmente o disco de vidro

sinterizado. O ar dissolvido é removido, como de hábito, com uma corrente

de nitrogênio livre de oxigênio pelo braço lateral. Durante a medida do

polarograma, o fluxo de nitrogênio é desviado por uma torneira de duas

saídas para a superfície da solução. Não se deve fazer medidas enquanto o

gás estiver borbulhando pela solução porque a agitação provoca correntes

elevadas e variáveis. Finalmente, o eletrodo gotejante é colocado em seu

lugar através de uma abertura própria na rolha (larga o suficiente para

facilitar a colocação e a retirada do capilar) e as medidas são feitas. Quando

a célula em H não está em uso, o compartimento da esquerda deve estar

cheio de água destilada ou de uma solução saturada de cloreto de potássio

(ou outro eletrólito apropriado, dependendo do eletrodo de referência que

está em uso) para evitar que o enchimento de ágar seque.

Quando se usa o controle potenciométrico, é preciso colocar um outro

eletrodo (contra-eletrodo) no sistema. Para isto, o uso de um frasco de

quatro bocas de tamanho adequado como vaso de eletrólise é muito

conveniente.

 

13.34 Voltametria modificada

 

A polarografia d.c. usual dá resultados muito bons em concentrações

moderadas, porém em concentrações menores do que 10 –5 –1 M (~1 μg·g) as

aplicações são limitadas devido às flutuações rítmicas que são registradas

durante a formação e queda das gotas de mercúrio. A diferença entre os

potenciais de meia-onda de redução de dois íons deve ser, pelo menos, 200

mV para que as ondas de redução possam ser separadas. Estes problemas

são devidos principalmente à corrente de condensador associada com a

carga que cada gota de mercúrio adquire quando se forma. Uma série de

procedimentos foi desenvolvida para superá-los, podendo ser feitos com o mesmo arranjo de eletrodos descrito na seção precedente, desde que os

necessários controles elétricos ou eletrônicos sejam aplicados nos eletrodos.

 

Polarografia de varredura rápida

 

Nesta técnica, aplica-se um potencial que varre rapidamente uma faixa de

voltagem de até 2 V durante parte do tempo de vida de uma gota. A

varredura de voltagem ocorre tipicamente durante os últimos 2 segundos do

tempo de vida de uma gota de mercúrio, cerca de seis segundos. A curva

resultante de corrente–voltagem tem um pico que se assemelha ao de um

polarograma derivado. A relação entre o potencial deste pico e o potencial

de meia-onda do íon que está sendo descarregado é

 

E s = E1/2 = 1,1RT/nF

 

A corrente no pico é maior do que a corrente de difusão registrada com um

polarógrafo d.c. convencional por um fator de 10 ou mais. O método é

muito mais sensível e permite, portanto, a medida de soluções de

concentrações baixas (10 –6 –7 a 10) com resolução da ordem de 50 mV. Usa-

se, normalmente, um HMDE, embora seja possível usar eletrodos de

platina, grafite ou carbono vitrificado. Neste caso, o processo deve ser

chamado de voltametria e não polarografia.

 

Polarografia a.c. senoidal

 

Neste procedimento, superpõe-se um potencial a.c., de alguns milivolts e

onda senoidal constante, à varredura d.c. Mede-se o potencial d.c. na forma

habitual e os resultados são acoplados às medidas com a corrente alternada.

Se os valores da corrente a.c. são colocados em um gráfico contra o

potencial aplicado pelo potenciômetro, obtém-se uma série de picos, como

na Fig. 13.20(a). A Fig. 13.20(b) mostra o polarograma d.c. normal da

mesma solução.

A curva a.c. é semelhante na aparência a um polarograma derivado (Fig.

13.17), mas os dois tipos de curva não devem ser confundidos. Cada pico

na curva a.c. corresponde a um degrau da curva polarográfica. A voltagem do pico é a mesma do ponto mediano do degrau e a altura do pico acima da

linha de base é proporcional à concentração do despolarizador, logo,

corresponde à altura do degrau. Quando as ondas polarográficas estão muito

próximas, é mais fácil fazer medidas usando os polarogramas a.c. do que os

polarogramas d.c. Considera-se que picos separados por 40 mV podem ser

resolvidos em um polarograma a.c. Compare este número com a separação

de 200 mV necessária para a resolução na polarografia d.c. Devido à

corrente residual muito grande, o limite de sensibilidade da polarografia a.c.

(10–5 M) não é muito diferente do limite de sensibilidade da polarografia

d.c. A elevada corrente residual é uma conseqüência da corrente de

condensador, que é muito grande em relação à corrente de difusão ou

corrente de Faraday, logo, a curva é semelhante à de um polarograma de

varredura rápida.

 

Fig. 13.20 Polarografia a.c. senoidal: (a) polarograma senoidal; (b) polarograma d.c. comum

 

Polarografia de pulsos

 

Barker e Jenkins [34] tentaram resolver o problema da linha de base

variável (oscilante) provocada pela corrente de capacitância (ou de carga

induzida) pelo crescimento das gotas de mercúrio e seu deslocamento, aplicando a corrente de polarização em uma série de pulsos durante o tempo

de vida de uma gota. Várias modificações deste procedimento são usadas.

 

Polarografia de pulso normal Na sua forma mais simples, o eletrodo

de mercúrio gotejante é mantido em um potencial inicial constante durante

a maior parte do tempo de vida da gota, porém, nos últimos 50 a 60 ms, um

pulso de potencial mais elevado é aplicado à gota. A corrente é medida

durante os últimos 20 ms do tempo de vida da gota. O potencial aplicado a

cada gota sucessiva é aumentado gradualmente para dar a varredura de

voltagem necessária. Quando se usa este método, o aparecimento do pulso é

marcado inicialmente por um aumento brusco da corrente total que passa.

Isto se deve à corrente de condensador (de carga) que rapidamente cai a

zero, usualmente durante os 20 ms do pulso. A corrente medida no fim da

vida da gota é, portanto, devida essencialmente ao processo de Faraday e é

proporcional à concentração do analito. O polarograma resultante é

semelhante a um polarograma d.c. convencional exceto que o perfil

serrilhado do polarograma convencional é substituído por uma curva com

ressaltos.

 

Polarografia de pulso diferencial (DPP) Se sistemas eletrônicos

modernos estiverem disponíveis, pode-se utilizar um método melhor, muito

usado em experimentos polarográficos. A Fig. 13.21 mostra como o

potencial varia com o tempo. A linha crescente, periodicamente

interrompida pelos pulsos de altura B (magnitude de 5 a 100 mV),

corresponde à voltagem d.c. continuamente crescente, com varredura de

velocidade entre 1 e 10 mV·s –1. O intervalo A entre o término da queda de

duas gotas sucessivas corresponde ao tempo de queda. A corrente é medida

duas vezes durante o tempo de vida de cada gota de mercúrio, uma

imediatamente antes da aplicação do pulso (pontos C′ na Fig. 13.21) e outra

nos pontos C, próximos ao término do pulso. A corrente em C′ é a corrente

que seria observada na polarografia d.c. normal. Seu valor é registrado no

polarógrafo. O início do pulso é marcado por um aumento rápido da

corrente. Como acontece na polarografia de pulso normal, a corrente cai rapidamente quando a corrente de condensador cai e a corrente é lida

novamente perto do término do pulso (ponto C). Este valor é, então,

comparado ao valor obtido no ponto C′, guardado no instrumento e a

diferença é amplificada e registrada.

 

Fig. 13.21 Polarografia de pulso diferencial: (a) gráfico voltagem–tempo para o pulso; (b) polarograma de pulso diferencial para uma solução que contém cobre e chumbo

 

Se as medidas de corrente forem feitas na curva de corrente residual ou

no degrau do polarograma d.c., a diferença de corrente entre os pontos C e

C′ é pequena. Se, porém, as medidas forem feitas na onda polarográfica, a diferença de corrente é apreciável e atinge o máximo quando o potencial

d.c. aplicado é igual ao potencial de meia-onda. O gráfico da diferença entre

as correntes contra o potencial d.c. aplicado é uma curva com a altura do

pico sendo diretamente proporcional à concentração da substância que se

reduz na solução.

A polarografia de pulso diferencial é um método muito satisfatório,

bastante usado na determinação de muitas substâncias. O limite de detecção

é de cerca de 10–8 M e a resolução é de 50 mV, aproximadamente. Um

aspecto importante da polarografia de pulso é a amostragem da corrente em

pontos bem definidos da varredura de voltagem durante a vida de uma gota

de mercúrio. O tempo de amostragem deve ser rigorosamente controlado.

Isto é normalmente feito com o sistema HMDE, descrito anteriormente, em

que o deslocamento da gota de mercúrio do capilar é feito mecanicamente

em intervalos muito precisos.

 

Polarografia de onda quadrada A Fig. 13.22 mostra as formas de

ondas usadas na polarografia de onda quadrada, uma modificação da

polarografia de pulso que está sendo cada vez mais usada. Uma onda

simétrica quadrada é superposta em uma onda em escada, com o pulso

direto da onda quadrada coincidindo em tempo e polaridade com o começo

do degrau da escada e o pulso reverso coincidindo com o meio do degrau

[35]. A corrente é mostrada duas vezes durante cada ciclo, uma no fim do

pulso direto e outra no fim do pulso reverso. Ao medir a corrente somente

no término dos pulsos, esta técnica também reduz os efeitos das correntes

de capacitância. Como na DPP, a diferença de corrente é posta em gráfico

contra o potencial de varredura e dá um pico proporcional à concentração

das espécies eletroativas.

Fig. 13.22 Formas de ondas para a polarografia de pulso com onda quadrada

 

Nesta técnica, a velocidade de varredura (mV·s–1) pode variar bastante.

Temos

 

onde Edegrau (mV) é a altura do degrau na escada e τ (s) é o tempo de um

ciclo da onda quadrada (1/τ = freqüência). Valores típicos são Edegrau = 2 mV e 1/τ = 100 Hz, que correspondem à velocidade 200 mV·s –1. O uso destas

velocidades elevadas, cerca de 100 vezes maiores do que o DPP

convencional, significa que a análise completa de uma solução pode ser

feita com uma gota, aumentando a rapidez da obtenção de resultados e possibilitando a tomada da média de sinais de vários ciclos de modo a

diminuir a razão sinal/ruído e aumentar o limite de detecção e a precisão.

Devido à sua velocidade, a voltametria de onda quadrada pode ser usada

como detector para HPLC e pode ser usada no estudo da cinética em

eletrodos pelo monitoramento da variação da altura do pico em uma dada

concentração da solução com a variação de τ. Para que seu desempenho seja

ótimo é necessário ter uma gota de mercúrio cujas características sejam

confiáveis e controláveis, além do controle eletrônico estável e rápido. A

instrumentação moderna permite isto.

 

Voltametria cíclica

 

As técnicas de polarografia de varredura rápida, senoidal e de pulso

superpõem ondas de diferentes formas sobre a voltagem principal, porém a

varredura é feita em uma só direção. Na voltametria cíclica faz-se uma

varredura rápida em duas direções, isto é, de 0 a V e de volta a 0 (Fig.

13.23(a)). O processo é normalmente feito com eletrodos de área superficial

pequena e em soluções sem agitação, e produz uma corrente redox muito

pequena. Isto significa que a queda ôhmica IR é pequena, mesmo para

soluções pouco condutoras. A capacitância pequena permite velocidades de

varredura rápidas, até algumas dezenas de kV·s–1 em certos casos,

eliminando completamente qualquer contribuição devida à difusão. Como a

varredura ocorre nas duas direções, observam-se duas curvas, uma redução

catódica “normal” e uma onda anódica ou de oxidação quando a varredura

de voltagem se inverte (Fig. 13.23 (b)). As curvas da Fig. 13.23(b) são

iguais em magnitude e aproximadamente alinhadas no eixo vertical. Isto

significa que o processo que ocorre no eletrodo é essencialmente uma

reação rápida e reversível. A separação pico a pico ΔEp (mV) relaciona-se diretamente ao número de elétrons transferidos na reação reversível:

Porém, se a cinética da reação inversa é lenta, a onda anódica se afasta da

onda catódica, chegando a desaparecer no caso de reações irreversíveis.

Este comportamento permite a investigação da cinética de reações muito

rápidas e, freqüentemente, o número de espécies envolvidas em uma

seqüência de reações.

 

Fig. 13.23 Voltametria cíclica

 

A voltametria cíclica tem várias limitações. O equipamento eletrônico

utilizado para produzir a onda que se altera rapidamente e para registrar as

ondas corrente–tempo deve ser capaz de resposta suficientemente rápida para reproduzir as ondas corretamente. Por outro lado, a magnitude das