IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 40 4. Técnicas instrumentais aplicadas a alimentos 4.1 Potenciometria Técnica: potenciométrica Equipamento: potenciômetro ou peagâmetro Determinação: pH, potencial elétrico (mV) A química eletroanalítica compreende um grupo de métodos analíticos baseado nas propriedades elétricas das soluções: corrente, resistência e diferença de potencial. Em alguns casos as propriedades elétricas são medidas em função do tempo. As características desses métodos são: baixos limites de detecção, possibilidade de especiação química e instrumentação relativamente barata. Os métodos potenciométricos e condutimétricos se inserem dentro da categoria dos métodos eletroanalíticos. Veja o esquema abaixo: A Potenciometria é um dos métodos analíticos mais utilizados na determinação de um constituinte da amostra, tanto pelo baixo custo quanto pela baixa complexidade. A análise potenciométrica permite determinação de substâncias ácidas e básicas muito fracas, além dos ácidos e bases mais fortes, o que torna o método amplamente utilizado. A potenciometria, além de apresentar um baixo custo, dispõe de equipamentos comerciais (eletrodos) com ótimo desempenho técnico e durabilidade, além da grande variedade de medidores de íons e de pH, disponíveis no mercado. Devido à grande diversidade de eletrodos existente e à fácil incorporação em sistemas de fluxo automático, a análise potenciométrica tem sido aplicada nas mais diversas áreas, tais como controle químico de águas e alimentos, amostras biológicas (sangue, soro, urina, saliva, etc), produtos farmacêuticos, assim como na área ambiental: Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 41 4.1.1 Noções de eletroquímica: Reações de oxidação-redução são aquelas em ocorrem transferência de elétrons entre as espécies participantes, de modo que sempre existe pelo menos uma espécie doando e outra recebendo elétrons. É o que ocorre quando uma barra de cobre metálico fica recoberta de prata metálica ao ser imersa numa solução de íon Ag+ . Essa mesma reação de oxidação-redução pode ser estudada em uma célula eletroquímica, denominada célula galvânica, na qual o fluxo de elétrons percorre um condutor, gerando uma diferença de potencial que pode ser utilizada para produzir trabalho mecânico. Na figura a seguir tem-se uma célula eletroquímica envolvendo eletrodos de cobre e prata mergulhados nas soluções de seus cátions. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 42 Os componentes de uma célula eletroquímica são em geral: dois condutores imersos em uma solução contendo eletrólitos (eletrodos); um condutor eletrônico externo para permitir o fluxo de elétrons e um condutor iônico, a ponte salina, para evitar o contato direto dos reagentes e permitir o fluxo de íons. A diferença de potencial é a medida da tendência da reação ocorrer em direção ao equilíbrio. Note-se que elétrons migram do eletrodo de cobre metálico para o eletrodo de prata metálico. O íon Ag+2 se reduz a prata metálica e o cobre metálico se oxida a íon cúprico. Uma ponte salina, contendo um sal como KCl e conectando os dois recipientes, é necessária para garantir a eletro neutralidade das soluções que formas o sistema. Ela contrabalança a deficiência de cargas positivas decorrentes do consumo de íons Ag+ no recipiente da direita, liberando ali íons K+. No frasco da esquerda, a liberação de íons Cl- contrabalança o excesso de cargas positivas, decorrentes da formação de íon Cu+2. As espécies químicas envolvidas nesse sistema, estão representadas nas semireações indicadas a seguir, ambas escritas por convenção como redução: Experimentalmente sabe-se que as reações que ocorrem são: A reação completa é: O cobre metálico doou 2 elétrons e se oxidou, dando origem ao íon Cu2+, enquanto que o íon prata Ag+ recebeu 1 elétron por íon e se reduziu, produzindo prata metálica. O cobre metálico atua, portanto como redutor, pois reduziu o íon prata, enquanto que o íon prata é o oxidante. Essa reação que ocorre na pilha eletroquímica é espontânea, sendo que os elétrons caminham do eletrodo de cobre para o eletrodo de prata. O eletrodo onde ocorre a oxidação é chamado anodo enquanto que aquele em que ocorre a redução é chamado catodo. No caso da célula eletroquímica exemplificada, esse as concentrações das soluções de Ag+ e de Cu+2 for 1 mol L-1, a diferença de potencial medida é E = 0,462 Volts. Se no circuito externo for inserida uma fonte de potencial de 0,462 Volts em oposição ao fluxo de elétrons a reação é paralisada. Se a diferença de potencial for superior a 0,46 Volts o sentido da reação se inverte, ocorre então uma eletrólise e a célula eletroquímica será denominada de célula eletrolítica. Na célula galvânica o trabalho químico gera uma diferença de potencial, enquanto que na célula eletrolítica uma diferença de potencial aplicada à mesma gera trabalho químico. A representação esquemática da célula galvânica citada é: Para qualquer célula: Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 43 Se o eletrodo de prata fosse substituído por outro de zinco ocorreria uma mudança no processo, pois o zinco que passaria a atuar como doador de elétrons e o cobre como receptor. Nota-se, portanto, que uma espécie atua como agente oxidante ou agente redutor, dependendo de como se relaciona com a outra espécie envolvida no sistema. As reações de oxidação-redução podem ser desmembradas em semi-reações, referentes aos processos de oxidação e de redução. Assim, a célula eletroquímica é composta de 2 reações de meia-cela e cada reação de meia-cela possui um potencial de eletrodo, associado, medido em relação a um padrão de referência. Potencial de Eletrodo: Potencial de uma cela onde o eletrodo em questão atua como cátodo e o EPH atua como ânodo Se as atividades de todos os reagentes e produtos é igual a 1 tem-se Potencial de Eletrodo Padrão (Eo). O potencial padrão de eletrodo, Eo, se refere a uma condição especial das espécies químicas envolvidas: sólidos na sua forma mais estável, espécies em solução com atividade unitária, ou, de modo simplificado, na concentração de 1 mol L-1 e gases na pressão de 1 atmosfera. Para se prever qual espécie química vai atuar como oxidante e qual vai atuar como redutor deve-se consultar uma tabela de potenciais padrão de eletrodo, nas quais as semi-reações são normalmente representadas sempre como processos de redução: No processo de oxidação-redução uma dessas semi-reações terá que ser invertida, ou seja, escrita como oxidação. Para a reação de oxidação-redução ocorrer como um processo espontâneo, a variação de potencial padrão da célula, Eo, resultante da soma algébrica dos potenciais padrão, deverá ser positiva. A única possibilidade de se obter valor positivo para Eo será: À medida que a reação espontânea ocorre na célula eletroquímica o potencial da célula decresce até que atinge o valor zero e o sistema entra em equilíbrio: Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 44 A equação de Nernst fornece a relação entre potencial da célula, espécies em solução, sob qualquer condição: E, e as atividades das Para temperatura de 25oC, trabalhando-se com logaritmos decimais e concentração no lugar de atividade tem-se: Quando for atingido o equilíbrio, E = 0 e assim: 4.1.2 Principio do método potenciométrico: Hoje em dia, praticamente não se encontra na indústria, ensino ou pesquisa, um só laboratório que prescinda do medidor de pH. Isto se deve à excepcional importância do controle da atividade do íon H+ em soluções. O processo comumente usado é a medida com o eletrodo de membrana de vidro, que é altamente seletivo e tem boa sensibilidade na detecção desse íon. A potenciometria é uma técnica instrumental baseada no princípio que o potencial eletroquímico estabelecido entre a solução amostra e o eletrodo pode estar diretamente relacionado à concentração de uma espécie iônica. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 45 O potenciômetro mede o potencial eletroquímico da solução e transforma em concentração (de íons H+ = pH; de outros íons como Cl-, F-, K+ = concentração) O que é potencial eletroquímico de uma solução? Potencial eletroquímico, potencial de redução, potencial redox, potencial de oxidação/redução, potencial de eletrodo é a espontaneidade ou a tendência de uma espécie química adquirir elétrons e, desse modo, ser reduzido (sofrer redução). Cada espécie tem seu potencial intrínseco de redução. Vimos com detalhes sobre o processo redox no item anterior (4.1.1). Mas, o que a Potenciometria tem a ver com os conceitos de eletroquímica tratados anteriormente? A Potenciometria (ou o método potenciométrico de análise) baseia-se na medida do potencial de uma cela eletroquímica na ausência de corrente. A equação de Nernst fornece uma relação simples entre o potencial de eletrodo e concentração de espécies iônicas em solução, evidenciando a possibilidade de uso analítico das medidas de potencial. O potencial de um eletrodo não pode ser definido isoladamente, devendo sempre estar associado a um outro eletrodo numa célula galvânica. Num fio de metal, imerso em uma solução de seus íons, desenvolve-se um potencial proporcional à concentração desses íons e o potencial de eletrodo é calculado por meio da equação de Nernst. Considerando-se a reação: Para que seja possível efetuar a medida de concentração, deve-se associar ao eletrodo em que se mede efetivamente a concentração da espécie de interesse um outro eletrodo de potencial constante. Suponha-se assim, que um fio de prata está imerso em uma solução de íons prata, cuja, atividade ou concentração deseja-se avaliar e que este eletrodo de prata esteja ligado a outro eletrodo de potencial constante 0,246 V. Verifica-se experimentalmente que, nessa situação o eletrodo de prata é o eletrodo positivo, para onde se dirige o fluxo de elétrons, ou seja o catodo. Assim, sendo a medida do potencial da célula 0,400 V, tem-se: Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 46 Na verdade esse procedimento é pouco utilizado porque um eletrodo desse tipo é pouco seletivo, respondendo a outros cátions que podem ser reduzidos presentes na solução. Alem disso, podem dissolver em meio ácido ou básico e também podem ser facilmente oxidados em algumas soluções. Mas, já que estamos falando de eletrodos, nas medidas potenciométricas são utilizados essencialmente dois tipos de eletrodos: referência e indicadores. Como é medido o potencial eletroquímico de uma solução? Através de ELETRODOS sensíveis às variações de potencial. Para se obter potenciais de eletrodos se atribui um valor arbitrário a um deles, que se toma como referência (eletrodo de referencia). Vamos detalhar melhor esses tipos de eletrodos e o instrumento utilizado a seguir: 4.1.3 Instrumentação analítica: O equipamento empregado nos métodos potenciométricos é simples e barato e inclui um eletrodo de referência, um eletrodo indicador e um dispositivo de medida do potencial (potenciômetro). Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 47 O eletrodo mais comum que se toma como referência para tabular os potenciais de eletrodo é o par H+(1M)/H2 (1 atm), que se denomina eletrodo de referência ou normal de hidrogênio, o qual possui valor de potencial = 0 Volt. Um eletrodo de referência é uma meia-célula que tem um potencial de eletrodo conhecido, que permanece constante sob temperatura constante, independente da composição da solução do analito. O eletrodo cujo potencial é dependente da concentração do íon a ser determinado é chamado de eletrodo indicador. Se for o caso de determinar o pH, o íon indicador é o H+ e o eletrodo chama-se eletrodo indicador de pH. Se o íon for outro, o Cl- por exemplo, o eletrodo chama-se eletrodo indicador de íons Cl-, ou eletrodo seletivo para ClEletrodo – É um dispositivo que se destina à medição da concentração de uma espécie química (íons H+ por exemplo) por meio de uma ou mais propriedade elétrica (a voltagem ou ddp – diferença de potencial). Essa propriedade elétrica é depois convertida em uma leitura de pH ou concentração do íon de interesse. A Figura abaixo exibe uma célula típica para análise potenciométrica. Essa célula pode ser representada por: N este diagrama, o eletrodo de referência é uma meia-célula com um potencial de eletrodo exatamente conhecido, Eref, independente da concentração do analito ou de outro íon presente na solução em estudo. O eletrodo indicador, imerso na solução contendo o analito, desenvolve um potencial, Eind, que depende da atividade do analito. O terceiro componente de uma célula potenciométrica é uma ponte salina que previne os componentes da solução do analito de se misturarem com aqueles do eletrodo de referência. O cloreto de potássio Figura 2. Uma célula para determinações é um eletrólito praticamente ideal para a ponte potenciométricas + salina porque as mobilidades do íon K e do íon Cl+ são quase idênticas. O potencial de uma célula, como a que consideramos anteriormente, é dado pela equação: Ecélula = Eind - Eref - Ej O primeiro termo nessa equação, Eind, contém a informação que estamos procurando – a concentração do analito. Para fazer uma determinação potenciométrica de um analito, então, devemos medir um potencial de célula, corrigi-lo em virtude dos potenciais de referência e de junção líquida e calcular a concentração do analito a partir do potencial do eletrodo indicador. Somente por meio de calibração adequada podemos determinar a concentração da espécie de interesse. Portanto, o problema essencial da potenciometria é a determinação da concentração de uma espécie iônica através da medida do potencial. A base teórica para Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 48 a relação entre potencial e concentração é a equação de Nernst. Através dessa equação, com algumas modificações, calcula-se a concentração. 4.1.3.1 Tipos de eletrodos: O objetivo de uma medição potenciométrica é obter informações sobre a composição de uma solução mediante ao potencial que aparece entre dois eletrodos. Esses eletrodos são chamados Eletrodo Indicador e Eletrodo de Referencia. Para obter medições analíticas válidas em potenciometria, um dos eletrodos deverá ser de potencial constante e não pode haver mudanças entre um e outro experimento. O eletrodo que satisfaz esta condição é o eletrodo de referência. Em razão da estabilidade do eletrodo de referência, qualquer mudança no potencial do sistema será ocasionada pela contribuição do outro eletrodo, chamado eletrodo indicador ou de trabalho. O potencial registrado é na realidade a soma de todos os potenciais individuais, com seu sinal correspondente, produzido pelos eletrodos indicador e referência. Eletrodo de Referência: Eletrodo com potencial constante, isto é, o seu potencial é função de uma espécie cuja concentração permanece inalterada durante toda a determinação. Para que um eletrodo seja empregado como eletrodo de referência deve apresentar as seguintes características: Invariabilidade do potencial durante o processo; Rápido ajustamento a um determinado e exato potencial; O potencial do eletrodo deve responder prontamente a uma variação de temperatura, mas assim que a temperatura inicial é restabelecida, o seu potencial deve voltar ao valor inicial; A necessidade de contar com o eletrodo de referência, além do eletrodo indicador, deve-se à impossibilidade de medir diretamente o potencial do eletrodo indicador. O Eletrodo de referência em medidas potenciométricas é sempre tratado como um ânodo. O Eletrodo de Referência Ideal apresenta reação reversível, obedece a equação de Nernst, tem potencial constante com o tempo, exibe pouca histerese à variação de temperatura e retorna o potencial após ser sujeito a pequenos valores de corrente. Tipos de eletrodos de referencia: - Eletrodo de calomelano - Eletrodo de prata/cloreto de prata Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 49 Eletrodo Indicador: Eletrodo sensível à espécie a ser determinada, isto é, o seu potencial será função da concentração dessa espécie. É o eletrodo, portanto, onde efetivamente se determina espécie química de interesse. Para que um eletrodo seja empregado como eletrodo indicador deve apresentar as seguintes características: Grande sensibilidade à espécie a ser determinada; Alto grau de reprodutibilidade; Resposta rápida à variação de concentração da espécie em determinação. Tipos de Eletrodos Indicadores: Um eletrodo indicador ideal responde de forma rápida e reprodutível a variações na concentração de um analito. Embora nenhum eletrodo indicador seja absolutamente específico em sua resposta, alguns disponíveis nos dias atuais são extraordinariamente seletivos. Os eletrodos indicadores são dos tipos: metálicos e de membrana. Nos eletrodos indicadores de metal (baseados em sistema de oxidação- redução), se desenvolve-se um potencial determinado por uma semi-reação de oxidação-redução na superfície do eletrodo. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 50 Nos eletrodos indicadores de membrana, o potencial é determinado por diferença de concentração entre os dois lados de uma membrana especial. Veja mais diferenças entre esses eletrodos abaixo: - Eletrodos Indicadores Metálicos: É conveniente classificar os eletrodos indicadores metálicos como eletrodos do primeiro tipo, eletrodos do segundo tipo ou eletrodos redox inertes. - Eletrodos de Membrana: Por muitos anos, o método mais conveniente para determinar o pH tem envolvido medidas do potencial que se desenvolve através de uma fina membrana de vidro que separa duas soluções com diferentes concentrações do íon hidrogênio. Os eletrodos de membrana são os mais comuns. Este eletrodo desenvolve potencial através de uma membrana que se interpõe entre a sua solução interna e a solução que se quer medir. Essa membrana é seletiva ao íon que se quer medir e idealmente possui a capacidade de ter uma interação físico-química com a espécie iônica de interesse e com nenhuma outra. Têm sido desenvolvidos eletrodos de membrana de vidro que permitem medidas potenciométricas diretas de espécies monovalentes, como Na+, K+, NH4+, Rb+, Cs+, Li+ e Ag+. Eletrodos de membrana têm sido desenvolvidos para as medidas potenciométricas diretas de inúmeros cátions polivalentes (Ca2+, Mg2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+) assim como para certos ânions (Cl-, NO3-, CN-, I-, Br-). O eletrodo de membrana mais comum é o eletrodo de vidro, utilizado para medidas do pH. Por muitos anos, o método mais conveniente para determinar o pH tem envolvido medidas do potencial que se desenvolve através de uma fina membrana de vidro que separa duas soluções com diferentes concentrações do íon hidrogênio. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 51 Como se mede o pH de uma solução? O instrumento utilizado é o potenciômetro ou peagâmetro. O medidor de pH mede a diferença de potencial entre o lado interno do eletrodo de pH e o lado externo – amostra. Portanto, a medida de pH é efetuada com base na medida da diferença de potencial através de uma membrana de vidro que separa a solução desconhecida de uma solução de referencia cuja [H+] é conhecida. O eletrodo de pH é sensível aos íons hidrogênio, fabricado em vidro cuja composição é um fator muito importante, pois deve ser permeável aos íons H+ da solução amostra e solução padrão interna do eletrodo. Observe-se que para medir a diferença de potencial que ocorre na membrana é necessário se dispor de um eletrodo interno denominado eletrodo de referência interno, que no exemplo é um eletrodo Ag/AgCl. Por isso, podemos dizer que o eletrodo de pH tem um eletrodo de referência interna (Ag/AgCl) submerso num tampão com sais de Cl- (pH=7), com uma membrana de vidro. Na rotina da determinação do pH em soluções aquosas, se emprega geralmente um eletrodo de vidro combinado, onde eletrodo indicador e eletrodo de referência são montados em uma mesma estrutura. O esquema de célula é: Neste exemplo, a célula tem-se um eletrodo de Ag,AgCl como eletrodo de referência interno e um eletrodo de referência externo de calomelano. Para trabalhos de precisão recomenda-se a utilização de eletrodos de vidro simples, separados do eletrodo de referência externo. Como funciona o eletrodo de pH? Por difusão iônica passagem de íons de uma solução para outra através do eletrodo de vidro. A difusão de íons H+ ocorre porque o eletrodo é feito de um vidro poroso, sensível à passagem dos íons H+ entre as soluções padrão (interna do eletrodo, de concentração conhecida de H+) e a solução amostra (com concentração de H+ desconhecida). Ele age como um voltímetro e converte o potencial elétrico medido (mV) em pH. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 52 Veja abaixo como ocorre a difusão dos íons H+ entre o eletrodo e a solução amostra: Imagine 2 soluções de HCl separadas por uma membrana permeável Membrana permeável somente para íons H+ (eletrodo de vidro) O movimento de íons cria um potencial (ddp) que impede a continuidade desse movimento Concentração tende a ser a mesma dos 2 lados A Figura abaixo mostra uma célula típica para a medida do pH. A célula consiste em um eletrodo indicador de vidro e um eletrodo de referência de calomelano saturado imersos em uma solução com pH desconhecido. O eletrodo indicador de pH é composto por uma fina membrana de vidro sensível ao pH selada na ponta de um tubo de vidro ou de plástico. Um pequeno volume de ácido clorídrico diluído saturado com cloreto de prata está contido dentro do tubo. (Em alguns eletrodos a solução interna é um tampão contendo o íon cloreto.) Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 53 Nessa solução, um fio de prata forma um eletrodo de referência de prata/cloreto de prata, que está conectado a um dos terminais do dispositivo de medida de potencial. É a membrana fina do bulbo de vidro na ponta do eletrodo que responde ao pH. No caso do eletrodo de vidro, a concentração de prótons do lado de dentro da membrana é constante e a concentração do lado de fora é determinada pela concentração, ou atividade, dos prótons presentes na solução. Essa diferença de concentração produz a diferença de potencial que medimos com um pHmetro. Do que é feita a membrana de vidro do eletrodo? O vidro Corning 015, que tem sido amplamente utilizado em membranas, consiste em aproximadamente 22% de Na2O, 6% de CaO e 72% de SiO2. Essa membrana apresenta uma excelente especificidade perante os íons hidrogênio até um pH de cerca de 9. Sob valores mais elevados de pH, entretanto, o vidro se torna de alguma forma sensível ao sódio assim como a outros cátions monovalentes. As duas superfícies da membrana de vidro precisam ser hidratadas antes de ela funcionar como um eletrodo de pH. Os vidros não higroscópicos não mostram sensibilidade ao pH. Mesmo vidros higroscópicos perdem sua sensibilidade ao pH após a desidratação pelo armazenamento em um dessecador. Entretanto, o efeito é reversível e a resposta de um eletrodo de vidro pode ser restaurada quando mergulhado em água. 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. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 54 4.1.3.2 O peagâmetro / potenciômetro: O peagâmetro - ou mais apropriadamente o medidor de pH - lê a concentração de íons hidrogênio em unidades de pH. O aparelho consiste de um eletrodo de vidro e uma escala de leitura. O eletrodo é feito de um vidro muito fino, que estabelece e mede a diferença de potencial entre a solução a ser medida, e a solução interna do eletrodo, que serve de referência. O potencial elétrico é então convertido para uma escala de valores de pH, que são os valores apresentados na escala de leitura. pH-metro ESC eletrodo de vidro fio de prata solução de pH desconhecido HCl O,1 M saturado c/ AgCl agitador magnético Fina membrana de vidro (responsável pela resposta ao pH) A resposta do peagâmetro é diretamente relacionada à concentração de íons hidrogênio, o que significa que um gráfico do tipo pH x [concentração] será linear, e a equação que descreverá tal gráfico será a de uma reta. Na prática, essa condição "constante" depende da temperatura do ambiente em que se faz a medida, e da condição física do eletrodo. Dessa forma, o peagâmetro ou o eletrodo - deve ser recalibrado constantemente. Se o seu uso for contínuo, o ideal é que o eletrodo seja recalibrado a cada duas horas. O eletrodo de vidro é preparado para leituras quando imerso em um banho de água por várias horas. Se ele estiver desidratado (seco) ele não irá funcionar de acordo. Sempre que o eletrodo tiver sido utilizado para medir soluções ricas em íons sódio, ele terá de ser deixado em um banho levemente ácido por algumas horas. O eletrodo deve ser lavado cuidadosamente com água destilada ANTES e DEPOIS de cada medida feita. As soluções de lavagem devem ser descartadas. Os peagâmetros modernos são instrumentos digitais e são capazes de atingir precisão da ordem de 0,001 a 0,005 unidades de pH. Raramente se torna possível medirse o pH com um grau de exatidão comparável. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 55 4.1.4 Calibração do peagâmetro: Nos pH-metros emprega-se uma escala em unidades de pH estabelecida segundo a equação de Nernst que é calibrada antes das medidas das amostras. Emprega-se para tanto como padrão uma solução tampão na qual a atividade de íons H+ é conhecida, 10-7 mol L-1, por exemplo, e através de um controle converte- se a medida de potencial em milivolts para 7,00. Nos equipamentos modernos, executa-se uma segunda calibração com outra solução tampão, 10-4 mol L-1 H+ por exemplo, acertando-se na escala do aparelho o valor de pH 4,00. Desta forma, podemos dizer que existem duas técnicas comuns de calibragem do eletrodo de um peagâmetro: a calibração "um ponto" e a "dois pontos". CALIBRAÇÃO A UM PONTO: se faz colocando-se o eletrodo em uma solução tampão a pH = 7, e então, ajustando-se a escala de leitura do equipamento para que ela leia exatamente o valor = 7. O procedimento experimental deve seguir algumas etapas básicas: 1. Lave o eletrodo com água destilada, utilizando uma pisseta; descarte a água de lavagem, que foi coletada em um béquer, ou outro container apropriado. Repita a operação algumas vezes. 2. Coloque o eletrodo em uma solução tampão de pH = 7,00 3. Aguarde até o aparelho estabilizar a leitura, e então ajuste a escala até que ela leia exatamente 7,00. 4. Retire o eletrodo da solução tampão, e lave-o cuidadosamente com água destilada, novamente utilizando a pisseta e descartando o produto da lavagem. 5. Retorne o eletrodo para a solução tampão de pH = 7,00. A escala do aparelho deve ler o valor 7,00; caso contrário, recalibre o equipamento, começando pela etapa 1. CALIBRAÇÃO A DOIS PONTOS: essa forma de se calibrar o peagâmetro é muito mais efetiva que a anterior, pois ajusta o medidor a dois diferentes valores de pH, de formas que a escala terá sido ajustada para dar respostas mais acuradas ao longo de pelo menos dois pontos da equação linear pH x [H+]. O segundo ponto de calibração é sempre escolhido de acordo com o tipo de solução que se deseja analisar - ácida, ou básica. Quando se deseja medir uma solução ácida (pH < 7), uma solução tampão de pH = 4 é tipicamente utilizado. Em medidas de pH de soluções básicas, geralmente emprega-se uma solução tampão de pH = 10 para a segunda calibração. O procedimento para se efetuar a calibração tipo "dois pontos" é a mesma da calibração "um ponto", porém acrescida do segundo ajuste, exatamente aquele que se fará à partir da calibração do aparelho utilizando-se a segunda solução tampão: Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 56 1. Lave o eletrodo com água destilada. 2. Coloque o eletrodo no tampão de pH = 7,00. 3. Aguarde o peagâmetro estabilizar-se. Ajuste então a escala para o valor 7,00. 4. Remova o eletrodo do tampão. Lave-o criteriosamente com água destilada. 5. Coloque o eletrodo na solução tampão de pH = 4,00 (ou pH = 10 se analisando uma solução básica). 6. Aguarde o aparelho estabilizar. Quando isso ocorrer, ajuste a escala para que ela leia o valor do tampão que está sendo utilizado. 7. Retire o eletrodo do tampão, lave-o criteriosamente com água destilada. 8. Retorne o eletrodo para o tampão de pH = 7,00. Caso a escala do aparelho não leia exatamente 7,00 após a estabilização do equipamento, faça uma re-calibração, começando pela etapa 1, utilizando os dois tampões. 4.1.4.1 Erros que Afetam as Medidas de pH: 1. O erro alcalino. O eletrodo de vidro comum torna-se de alguma forma sensível a íons de metais alcalinos e fornece leituras mais baixas em valores de pH superiores a 9. 2. O erro ácido. Valores registrados pelo eletrodo de vidro tendem a ser mais elevados quando o pH é menor que 0,5. 3. Desidratação. A desidratação pode provocar o desempenho errático do eletrodo. 4. Erros em soluções com baixa força iônica. Tem sido observado que erros significativos (da ordem de uma ou duas unidades de pH) podem ocorrer quando o pH de amostras de baixa força iônica, como de lagos ou de riachos, é medido com um sistema de eletrodos vidro/calomelano. 5. Erro no pH da solução padrão do tampão. Qualquer inexatidão na preparação do tampão utilizado para a calibração ou qualquer variação em sua composição durante o armazenamento provocam erros nas medidas de pH subseqüentes. A ação de bactérias sobre os componentes orgânicos do tampão é uma causa comum de deterioração Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 57 4.1.5 Tipos de potenciometria: 4.1.5.1 Potenciometria direta: A potenciometria pode ser direta (quando o objetivo é medir somente o pH da amostra) ou indireta (quando o pH é utilizado na determinação do ponto final de uma titulação – titulação potenciométrica). A potenciometria direta já foi tratada nos itens anteriores. 4.1.5.2 Potenciometria indireta ou titulação potenciométrica: Uma titulação potenciométrica envolve medidas do potencial de um eletrodo indicador adequado em função do volume do titulante. Na potenciometria indireta ou titulação potenciométrica, mede-se a f.e.m. da célula no curso da titulação. As titulações, como sabemos, são acompanhadas de variações bruscas de concentração nas imediações do ponto de equivalência, o que provoca uma variação brusca no potencial do eletrodo indicador e, portanto, também na f.e.m. da célula. Como se faz uma titulação potenciométrica? São feitas sucessivas medições do potencial eletroquímico da célula, sendo cada uma delas após a adição de certo volume de solução titulante adequada. A seguir relacionam-se esses potenciais medidos com o volume de solução titulante consumida, e plota-se em um gráfico, como o gráfico abaixo: Através do gráfico, pode-se estabelecer com precisão o ponto de equivalência que determinará a concentração da espécie sob análise. As titulações potenciométricas fornecem dados que são mais confiáveis que aqueles gerados por titulações que empregam indicadores químicos e elas são particularmente úteis com soluções coloridas ou turvas e na detecção da presença de espécies insuspeitas. As titulações potenciométricas têm sido automatizadas em uma variedade de diferentes maneiras e tituladores comerciais estão disponíveis no mercado. As titulações Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 58 potenciométricas manuais, entretanto, sofrem da desvantagem de consumirem mais tempo que aquelas envolvendo indicadores. A titulação potenciométrica é mais trabalhosa do que a técnica volumétrica com indicadores visuais e requer equipamento especial, mas ela apresenta uma série de vantagens sobre a técnica convencional: Maior sensibilidade pode ser aplicada a soluções bem diluídas; Pode ser empregada para soluções coloridas ou turvas, pois dispensa o uso de indicadores visuais; Pode ser aplicada para certas reações que não disponham de indicadores visuais adequados; Podem-se determinar componentes; sucessivamente vários Pode ser aplicada em meio não aquoso; Pode ser adaptada a instrumentos automáticos. Em 1955, surgiram as primeiras buretas de pistão motorizadas, permitindo a automatização das titulações, acima de tudo com maior precisão na dosagem. As titulações potenciométricas, hoje em dia, podem ser executadas manual ou automaticamente, com ou sem registro da curva. Na titulação potenciométrica manual, trabalha-se com um pH-metro e um grupo de titulação, que compreende uma bureta montada junto com um agitador. Esse tipo de titulação potenciométrica requer o controle constante das diversas etapas, anotando o volume de reagente dosado e o respectivo potencial, dados que posteriormente são utilizados para construir a curva de titulação, de onde é calculado o volume de reagente gasto até o ponto de equivalência e a concentração da espécie analisada. O ponto de equivalência da reação será revelado por uma súbita mudança do potencial medido no gráfico das leituras versus volume da solução titulante. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 59 4.1.6 Aplicações em análise de alimentos: A medida do pH é importante para as seguintes determinações: 1.Deterioração do alimento 2.Atividade das enzimas. 3.Textura de geléias e gelatinas. 4.Retenção do sabor-odor de produtos de frutas. 5.Estabilidade de corantes artificiais em produtos de frutas. 6.Verificação do estado de maturação de frutas. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 60 4.2 Condutimetria Técnica: condutimetria Equipamento: condutivímetro Determinação: condutividade elétrica A condutimetria mede a condutância elétrica de soluções iônicas. Ordinariamente, a condução da eletricidade através das soluções iônicas se dá à custa da migração de íons positivos e negativos com a aplicação de um campo eletrostático. A condutância de uma solução iônica depende do número de íons presentes, bem como das cargas e das mobilidades dos íons. Como a condutância elétrica de uma solução é a soma das condutâncias individuais da totalidade das espécies iônicas presentes, aquela propriedade carece de especificidade. A condutimetria abrange duas técnicas analíticas: a condutimetria direta e a titulação condutométrica. A condutimetria direta mede a condutância com vistas à avaliação da concentração de um eletrólito. Tem aplicação muito limitada em virtude do caráter não específico da condutância das soluções iônicas. A titulação condutométrica encontra um campo de aplicação mais amplo. Nela, o aumento ou o decréscimo da condutância são relacionados às variações de concentração das espécies iônicas que participam da reação envolvida. Uma série de medidas da condutância, antes e depois do ponto de equivalência, assinala o ponto final da titulação como uma descontinuidade na variação da condutância. As medidas de condutância também são usadas para outros fins, como a determinação de constantes de ionização, produtos de solubilidade, condutânciasequivalentes, formação de complexos e efeitos de sol ventes. 4.2.1 Princípio do método condutimétrico: A condutividade elétrica é uma propriedade física característica de muitos materiais. A condutividade de uma solução eletrolítica é a expressão numérica quantitativa da sua capacidade de transportar a corrente elétrica. A condução da eletricidade pode-se se dar por meio de condutores eletrônicos e condutores iônicos. Nos condutores eletrônicos a diferença de potencial está relacionada ao movimento de elétrons, enquanto que nos condutores iônicos ela se relaciona ao movimento de íons. Assim, ao contrário da água pura, soluções de eletrólitos são capazes de conduzir corrente elétrica pela migração de íons sob a influência de um campo elétrico. Uma solução de eletrólito pode conduzir eletricidade como um fio metálico, mas com uma diferença marcante: sofre um forte efeito da temperatura. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 61 A condutividade elétrica é proporcional, embora em relação não linear, à concentração iônica de uma solução, pois quanto maior a quantidade de íons na solução, maior o número de unidades condutoras de eletricidade. A condutimetria é um método que se baseia na condutância de soluções iônicas. A condutância é uma medida da corrente elétrica que resulta da aplicação de uma força elétrica, e é diretamente proporcional ao nº de partículas carregadas na solução, ou seja, ao nº de íons em solução. Por isso, é empregada em soluções iônicas. Qual o mecanismo responsável pela condutividade? Ao contrário do que ocorre nos condutores metálicos, nos quais a corrente elétrica é transportada por elétrons livres, o transporte de cargas nas soluções eletrolíticas é realizado por íons. Todos os íons presentes na solução participam dessa condução e, por essa razão, pode-se dizer que a condutividade fornece uma informação global, por natureza não específica (Em contraste com a determinação do pH de uma solução, que é específica, visto que ela indica somente a concentração dos íons H+). A maioria dos ácidos, bases e sais inorgânicos são bons condutores da corrente elétrica ao passo que substâncias orgânicas, que não se dissociam em solução (benzina, gasolina, açúcares, por exemplo), não são condutoras. Do que depende a condutividade de uma solução? Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 62 Número e dos tipos de íons na solução: O tamanho dos íons é importante porque eles determinam a velocidade com que os íons podem propagar-se através da solução. Os íons menores movem-se mais rapidamente do que os maiores. Quanto maior a quantidade de íons numa solução, quanto maior será sua condutividade. Em geral, para soluções aquosas de eletrólitos inorgânicos, observa-se um aumento quase linear da condutividade com o aumento da concentração (até concentrações de 10 ou 20% em peso). A carga do íon é significante porque ele determina a quantidade da atração eletrostática entre o eletrodo e os íons. Também para diâmetro igual, íons bivalentes e trivalentes conduzem mais quem íons monovalentes. Da Natureza Do Solvente: Solventes polares (água, amônia, álcool metílico, etc.) exaltam a ionização das substâncias dissolvidas e, portanto, favorecem a condutividade. Da Temperatura: ao contrário da condutividade metálica, a condutividade eletrolítica aumenta com a temperatura. De modo geral esse efeito é devido ao fato de que a mobilidade individual dos íons aumenta com a temperatura e que a viscosidade do solvente diminui. Para soluções aquosas, o coeficiente de temperatura da condutância iônica varia entre 0,5 e 5% por grau centígrado, dependendo do tipo e da concentração do íon condutor. Erros muito significativos podem ser cometidos na medição da condutividade se esse efeito não for compensado (manual ou automaticamente). 4.2.2 Instrumentação: O equipamento utilizado para medir a condutividade de uma solução chama-se CONDUTIVÍMETRO. A determinação da condutância de uma solução é feita determinando-se a resistência que a mesma oferece à passagem de corrente. Como se mede a condutividade elétrica de uma solução? Para medir a condutividade de uma solução, utiliza-se um eletrodo composto por um par de eletrodos de platina em forma de lâminas, alinhados paralelamente, os quais têm a função de transmitir a corrente fornecida por uma fonte externa à solução sob estudo. Esta é a célula (ou cela) de condutividade. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 63 Cela de condutividade: é um dos elementos mais importantes de um sistema de medição da condutividade. Basicamente, ela consiste em duas placas metálicas cujas áreas e distância são precisamente fixadas, montadas rigidamente numa cavidade construída em material isolante, vidro ou plástico. Essa cavidade serve a delinear um pequeno volume constante do líquido a medir. Cela de condutividade A distância entre essas placas de platina é determinada pela constante da cela mediante a calibração com uma solução cuja condutividade seja conhecida (solução padrão de condutividade). É muito importante saber qual o valor da constante da cela antes de se fazer a medida da condutividade de uma solução, pois ela varia em: C= 0,01 cm-1 para soluções de muito baixa condutividade tal como água bidestilada ou substâncias orgânicas muito pouco condutoras; C= 0,01 cm-1 para soluções com baixa condutividade tal como água destilada e deionizada, água desmineralizada, substâncias orgânicas pouco condutoras; C = 1 cm-1 para soluções com condutividade intermediária tal como água mineralizada, água potável e águas residuárias, substâncias orgânicas condutoras; Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 64 C = 10 cm -1 para soluções com boa condutividade tal como água do mar, ácidos, bases e sais diluídos, soluções fisiológicas; C = 100 cm-1 para soluções muito condutoras tal como ácidos, bases e sais concentrados, banhos de galvanização, efluentes industriais fortemente carregados em substâncias inorgânicas. Em geral, o valor da constante da cela está no rótulo da solução padrão de condutividade, a ser usada para calibrar o equipamento. A escolha do valor da constante de célula é feita em função da concentração iônica da solução a ser analisada. Soluções com baixa concentração de eletrólitos apresentarão baixos valores de condutância e para se obter valores mais confiáveis desse parâmetro, serão mais adequadas células com baixos valores de K, ou seja, placas de área relativamente grande, separadas por uma pequena distância. Por outro lado, soluções concentradas exigirão células com elevado valor de constante de célula. Qual a leitura que se obtém do condutivimetro? A unidade padrão indicada no display é o SIEMENS (S): uS/cm (microsiemens por centímetro) ou mS/cm (milisiemens por centímetro). A seguir, um exemplo de condutivímetro de bancada: A medida da condutividade elétrica de soluções de eletrólitos sofre forte efeito da temperatura, aumentando em média 1,9% para cada grau centígrado de aumento de temperatura. Como cada íon, tem seu coeficiente de temperatura característico, o melhor é padronizar uma temperatura para se efetuar as medidas, usualmente 25ºC. Os condutivímetros podem operar com um sensor de temperatura que promove correção automática para 25ºC através de um fator de correção sobre a leitura obtida à temperatura ambiente. 4.2.3 Calibração: Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 65 A operação de um condutivimetro é muito simples. O procedimento consiste em, após ligar o condutivímetro e aguardar sua estabilização, efetuar a sua calibração com uma solução padrão de condutividade exatamente conhecida (que vem junto com o aparelho). Com este ajuste faremos a escala de Condutividade do instrumento coincidir com o sinal do sensor que estivermos usando. Para cada tamanho de cela de condutividade existe uma solução de condutividade adequada: para K=0,1 a solução é de 23 uS; para a Célula de K=1 a solução é de 1.413 uS; para Célula de K=10 a solução é de 15,0 mS. Este procedimento deverá ser feito pelo menos uma vez por semana ou com freqüência maior, quando for necessário. Para permitir que o condutivímetro opere com maior flexibilidade, podemos trocar a Célula de Condutividade e com isso mudar as faixas de medição do instrumento. Abaixo segue alguns exemplos: Como proceder para calibrar o condutivímetro? Para tanto, deve-se posicionar o eletrodo de forma que a ponta do eletrodo fique imersa dentro da solução que se deseja determinar a condutividade, aguardar a estabilidade e efetuar a leitura. O nível de amostra deverá ser o suficiente para cobrir um furo que existe na lateral do sensor. No display aparecerá a indicação de condutividade em uS/cm e a temperatura da solução. Após cada medição, enxaguar bem a Célula com água deionizada. Na calibração, o medidor também fica acoplado (ou incorporado a ele) um sensor de temperatura, que corrige automaticamente as medições de condutividade, medidas num certo intervalo de temperatura, ao valor de 25ºC que é a temperatura na qual o aparelho está calibrado. Quais os cuidados que se deve ter ao efetuar a calibração do condutivímetro? Durante a calibração, enxágüe o sensor com água deionizada ou destilada antes de colocá-lo na solução de calibração. Com isto evitamos sua contaminação. Nunca introduza o sensor dentro do frasco da Solução Padrão, sempre dispense solução em outro vasilhame em quantidade suficiente para cobrir o orifício lateral do sensor. Jamais guarde o Sensor sem antes efetuar sua limpeza, se não estiver em uso, procure sempre mantê-lo em água deionizada. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 66 Para obtermos o melhor resultado na calibração, é importante que o sensor de temperatura esteja dentro da solução, para compensar o efeito de temperatura. 4.2.4 Aplicações: As duas maiores utilizações da condutimetria são para monitorar o total da condutância de uma solução (como parâmetro de controle) e para determinar o ponto final das titulações que envolvem íons (titulação condutimétrica). Utiliza-se a condutimetria nas seguintes atividades: Controle da pureza: Em água destilada e deionizada, condensados, substâncias orgânicas. Determinação dos eletrólitos residuais: Em água potável, água desmineralizada, água para alimentação de caldeiras, efluentes. Concentração de sais: Em banhos de salmoura, salinas, fertilizantes, fibras e têxteis, banhos de anodização, galvanização e eletrodeposição, soluções fisiológicas (diálise), alimentos e sucos de frutas. Força de ácidos e bases: Em processamento dos ácidos e bases inorgânicos diluidos e concentrados, oleum, soluções alcalinas corrosivas. Contaminações de sais: Em trocadores de calor, circuitos de arrefecimento. Processamento químico: Detecção do fim de lavagem de precipitados, determinação da solubilidade de sais pouco solúveis, titulações condutométricas. A condutimetria é utilizada nos sistemas de purificação da água, deionizadores, para indicar a presença ou a ausência de íons livres na água. Em alimentos, a condutimetria é usada para medir a concentração de íons em solução, como em sucos, refrigerantes, água de coco, bebidas isotônicas, polpa de frutas, etc. E a titulação condutométrica? Também podemos determinar o ponto final de titulação utilizando a condutância da solução amostra, após a adição de volumes de titulante. A acidez do vinagre pode ser determinada deste modo. Da mesma forma que na titulação potenciométrica, as leituras de condutividade serão plotadas contra o volume de titulante adicionado, em um gráfico, como o descrito abaixo: Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa IFMT – campus Cuiabá Bela Vista Curso de Engenharia de Alimentos 67 A extrapolação das duas retas dá o ponto de equivalência da titulação = Volume de titulante. Permite a determinação da concentração de um íon em solução. Assim como em outras titulações, o ponto final do volume é usado para calcular a quantidade ou a concentração da análise que foi inicialmente apresentado. Vantagens da titulação condutimétrica: Não necessitam de indicador colorido Permitem a localização do ponto final mesmo em soluções coradas, fluorescentes ou turvas. Podem obter-se pontos de equivalência sucessivos de diferentes componentes numa mistura. 4.2.5 Aplicações em análise de alimentos: Controle do novo processo de tratamento térmico: o aquecimento ôhmico, processo no qual o calor é gerado internamente pela passagem de uma corrente elétrica pelo produto. Medida do desenvolvimento da acidez, durante a fermentação; Concentração de sais em salmouras, sucos de frutas, refrigerantes, bebidas isotônicas, água mineral e outros alimentos. Apostila de Análise Instrumental Aplicada a alimentos Profª Elaine A. O. Coringa
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