Estudo comparativo da seletividade de um método cinético-catalítico: a determinação de Cr(VI) pela oxidação da o-dianisidina pelo peróxido de hidrogênio

Comparative study of the selectivity of a kinetic-catalytic method: the determination of Cr (VI) by oxidation of the o-dianisidine by hidrogen peroxide

selectivity; kinetic method; experimental design

ARTIGO

Estudo comparativo da seletividade de um método cinético-catalítico: a determinação de Cr(VI) pela oxidação da o-dianisidina pelo peróxido de hidrogênio

César Reis

Departamento de Química - Universidade Federal de Viçosa - 36571-000 - Viçosa - MG

João Carlos de Andrade e Roy Edward Bruns

Instituto de Química - Universidade Estadual de Campinas - CP 6154 - 13081-970 - Campinas - SP

Recebido em 5/1/98; aceito em 1/4/98

Comparative study of the selectivity of a kinetic-catalytic method: the determination of Cr (VI) by oxidation of the o-dianisidine by hidrogen peroxide. Selectivity studies for the determination of Cr(VI) using the catalytic oxidation of the o-dianisidine by hydrogen peroxide showed two distincts situations. In the first, when interferents were studied by a univariate procedure, Cr(III) and Cu(II) cause serious interferences even at the 2:1 proportion, relative to Cr(VI), while Fe(III) interfered at the 15:1 ratio and EDTA at the 10:1 ratio. On the other hand, when a multivariate investigation was performed, Cr(III) did not present any significant principal effects and its significant interaction effects were negative, in contrast to EDTA, that presented positive interaction effects although, like Cr(III), did not show significant interaction effects. In view of the interferent's action it become necessary to separate Cr(VI) by extraction with methylisobutylketone in a chloridric acid medium before its determination in vegetals and in wastewater from a cellulose industry samples. Using this procedure, the method precision is ±0,5% at the 10 ng/mL Cr(VI) concentration level. The detection and quantification limits, calculated by means of absorbance measurements of ten replicates of blank reagents were 1,1 and 3,2 ng/mL, respectively. The results obtained with real samples showed a relative standard deviation between 1,2% and 3,0% relative to their reference values.

Keywords: selectivity; kinetic method; experimental design.

INTRODUÇÃO

De acordo com a IUPAC¹, a seletividade é uma característica qualitativa que indica o grau ou extensão em que outras substâncias interferem na determinação de uma espécie por um dado procedimento. Um interferente é usualmente definido como um agente químico que causa um erro sistemático na determinação da espécie desejada e a magnitude da interferência poderia ser estabelecida em termos do desvio padrão.

Alguns métodos, tais como os catalíticos, são caracterizados por seus limites de detecção extremamente baixos, mas apresentam como desvantagem sua baixa seletividade, pois, a maioria das reações indicadoras são catalisadas por muitas espécies químicas².

O método catalítico para a determinação de Cr(VI), primeiramente desenvolvido por Buscarons e Artigas³, utiliza a reação de oxidação da o-dianisidina com peróxido de hidrogênio tendo como catalisador aquela espécie. De acordo com Kneebone e Freiser⁴, esta reação, além de ser catalisada por Cr(VI) é, também catalisada por Cr(III), Cu(II), Fe(III), Co(II), Mo(VI), V(V) e Ni(II), e algumas espécies como H₂PO₄^-, Mg(II), EDTA e Zn(II) diminuem a velocidade da reação catalisada.

No estudo da seletividade, a maioria dos pesquisadores utilizam a metodologia na qual um interferente é estudado de cada vez. Entretanto, esta metodologia não permite a verificação de efeitos de interação entre os interferentes que ocorreriam em amostras reais, visto que tais interferentes não estão atuando simultaneamente⁵. Desta maneira, um estudo multifatorial no qual todos os interferentes são estudados simultaneamente fornece informações mais seguras a respeito do comportamento das espécies em relação à seletividade do método.

O referido método catalítico para determinação de Cr(VI) é utilizado neste trabalho para: (i) demonstrar a importância da aplicação de planejamentos fatoriais no estudo da seletividade das metodologias de determinação e (ii) determinar o teor de cromo total em amostras de material vegetal e de água residual.

PARTE EXPERIMENTAL

Soluções e reagentes

Os experimentos foram efetuados empregando-se água desionizada e reagentes de pureza analítica. Os ensaios usados para os planejamentos uni e multifatorial foram conduzidos em frascos de vidro com tampas de plástico, com capacidade para 30 mL.

A solução padrão de Cr(VI) 1000 mg mL^-1, foi preparada pela dissolução de 2,8289 g de K₂Cr₂O₇ >99,5% (MERCK) em um volume final de 1000 mL, aferido em balão volumétrico. Esta solução foi estocada em frasco de polietileno.

A solução de o-dianisidina (3, 3'-dimetoxibenzidina), 0,05 mol L^-1, foi preparada dissolvendo-se 1,2215 g do reagente (ALDRICH), sem prévia purificação, em acetona e o volume completado para 100 mL em balão volumétrico, sendo logo em seguida armazenada em frasco escuro.

As soluções de Cr(NO₃)₃, Cu(NO₃)₂, Fe(NO₃)₃, Mg(NO₃)₂, Co(NO₃)₂, Zn(NO₃)₂ e (NH₄)₂MoO₄ utilizadas como interferentes, foram obtidas a partir de padrões certificados (SPEX), por diluições convenientes.

A solução de EDTA 0,1 mol L^-1 foi obtida da dissolução de 3,722 g de EDTANa₂, (MERCK), em água e o volume completado para 100mL em balão volumétrico. No teste de interferência, esta solução foi diluída para 0,002 mol L^-1.

A solução de (NH₄)₂S₂O₈ 1 mol L^-1, destinada à oxidação de todo o cromo a Cr(VI), foi preparada pela dissolução de 22,820 g do sal (NH₄)₂S₂O₈ (Mallinckrodt), em água, e o volume completado para 100 mL em balão volumétrico.

A solução tampão de hidrogenoftalato de potássio (HC₈H₄O₄^- /C₈H₄O₄^2- ), 0,15 mol L^-1, em pH = 5, foi preparada dissolvendo-se 3,060 g de KHC₈H₄O₄ (QEEL) em 50 mL de solução de NaOH 0,15 mol L^-1, ajustando-se o pH e completando-se o volume para 100 mL, em balão volumétrico.

SELETIVIDADE

Neste estudo foram utilizadas duas estratégias: (i) estudo unifatorial, onde a análise de cada íon interferente foi efetuada separadamente e (ii) o efeito de cada íon e as interações entre eles utilizando-se planejamento fatorial.

No estudo unifatorial, os íons Cr(III), Cu(II), Fe(III), Zn(II), Mo(VI) e EDTA foram estudados um de cada vez. Concentrações crescentes dos interferentes foram adicionadas para uma concentração de Cr(VI) de 10 ng mL-¹ e os valores da absorvância, a 450 nm, medidos após 20 minutos, foram registrados.

Um planejamento fatorial completo 2⁶ foi feito para as variáveis representadas também por Cr(III), Cu(II), Fe(III), Zn(II), Mo(VI) e EDTA, que tiveram seus níveis estabelecidos nos resultados do estudo anterior. O Cr(VI), assim como no estudo anterior, foi mantido a uma concentração de 10 ng mL^-1. Os níveis dos interferentes são mostrados na Tabela 1.

Preparação das amostras para a determinação de cromo

Duas amostras vegetais, uma fornecida pelo programa "International Plant-Analytical Exchange" (IPE)da Universidade de Wageningen (Holanda), (amostra A₁) e a outra, amostra de pimenteira (amostra A₂) com valor de referência para cromo, fornecida pelo "National Institute for Environmental Studies" (Japão), e duas amostras de água residual de indústria de celulose (amostras A₃ e A₄), analisadas por Espectrometria de Absorção Atômica em forno de grafite, foram utilizadas para demonstrar a aplicabilidade do método.

Foram pesadas 0,2000 gramas da amostra A₁ e 0,5000 gramas da amostra A₂, com triplicatas, em cápsulas de porcelana e procedeu-se a uma pré-calcinação em placas de aquecimento. As cápsulas com as amostras foram transferidas para a mufla a 600^oC onde permaneceram por 5 horas. Após a calcinação adicionaram-se 10 mL de solução de HCl 1:1 e aqueceu-se até a secura. Ao resíduo, previamente umidecido com água desionizada, foi adicionado 1 mL de solução HNO₃ concentrado, 10 mL de água desionizada e a mistura resultante foi filtrada para béqueres de 150 mL, lavando-se as cápsulas cuidadosamente com 20 mL de água desionizada, finalizando-se assim, a etapa de mineralização das amostras vegetais. A cada béquer contendo amostra, já mineralizada, foram adicionados aproximadamente 5 mL de solução de amônia a 3 mol L^-1 para elevar o pH para um valor entre 3 e 5. Todo cromo contido nas amostras foi então oxidado a Cr(VI) adicionando-se 2 mL de solução de persulfato de amônio a 1 mol L^-1 e 2 mL de solução de AgNO₃ 30 mg mL^-1 para catalisar a reação. Os béqueres foram cobertos com vidro de relógio e a solução foi aquecida por 30 minutos, sem ebulição. Logo em seguida, para cada amostra, procedeu-se à ebulição para decompor o excesso de perssulfato.

As amostras de água, A₃ e A₄, foram filtradas em papel Whatmam 40 e alíquotas de 40 mL, em triplicatas, foram medidas, iniciando-se o tratamento na etapa de oxidação do Cr(III) a Cr(VI). Os brancos de cada amostra passaram pelo mesmo processo da amostra correspondente.

Extração do Cr(VI) com Metil Isobutil Cetona (MIC)

O volume da solução da amostra foi acrescido para aproximadamente 50 mL, adicionando HCl, de maneira que a concentração deste ácido na solução ficasse em torno de 1 mol L^-1. Os béqueres foram colocados em banho de gelo juntamente com a metil isobutil cetona saturada com HCl 1 mol L^-1, até atingir equilíbrio térmico. As amostras foram transferidas para funis de separação, previamente resfriados em refrigerador, e a extração foi feita sob agitação por aproximadamente 1 minuto com 10 mL de MIC. Esperou-se a separação das fases e descartou-se a fase aquosa. O Cr(VI) foi extraído da fase orgânica com 10 mL de água desionizada a 70^oC.

Determinação de Cr(VI) no Extrato

Pipetaram-se 4 mL do extrato para balão de 10 mL, 2 mL de solução tampão de biftalato de potássio 0,15 mol L^-1 a pH 5, 3,5 mL de solução de o-dianisidina 0,05 mol L^-1 em acetona, 0,7 mL de H₂O₂ 30% m/m e o volume completado com água. Esperou-se 20 minutos e fez-se a leitura espectrofotométrica, em 450 nm. A curva de calibração foi obtida adicionando volumes de 50, 100, 250, 500, 750 e 1000 mL, em três replicatas, de solução de Cr(VI) a 1 mg mL^-1, em béqueres de 150 mL e todo o procedimento citado anteriormente envolvendo oxidação do Cr(III), extração e determinação, foi executado para os padrões. O mesmo procedimento, sem a adição de Cr(VI), foi feito para o branco. Dez replicatas para o branco e para o ponto da curva contendo 10 ng mL^-1 de Cr(VI) foram feitas, para estimar os limites de detecção e de quantificação e para avaliar a repetibilidade do método.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O estudo da seletividade

O estudo unifatorial de interferentes teve importante papel na determinação dos níveis de concentração das espécies interferentes para o estudo multifatorial. Para uma caracterização quantitativa da seletividade do método, os graus de interferência foram expressos pela absorvância devido à reação catalisada por Cr(VI) medidas em 450 nm na presença e na ausência do interferente respectivamente. Todos os resultados são apresentados na Tabela 2, onde as linhas 23 até 28 representam a ação dos interferentes na reação indicadora, ou seja, sem a presença do catalisador.

Os íons Cr(III) e Cu(II) são sérios interferentes no método, pois numa relação de apenas 2:1 com o Cr(VI) eles já causam um aumento no sinal de mais de 15%. Neste caso, observa-se que o grau de interferência é proporcional à concentração de ambos, Cr(III) e Cu(II). O tipo de intererência causada por esses íons está relacionado com o poder de também catalisar a reação indicadora de acordo com acréscimo no sinal, quando Cr(VI) não está presente, produzido por 40 ng mL^-1 de Cr(III) ou Cu(II), (ver linha 23 da Tabela 2). O resultado está de acordo com Dolmanova et al.⁶, que utiliza a mesma reação indicadora para determinar Cr(III). Segundo Kneebone e Freiser⁴, a interferência do Cu(II) é atribuída à sua ação catalítica sobre a decomposição do peróxido de hidrogênio. O efeito no sinal, causado pela mistura, Cr(VI) e Cr(III), não é aditivo pois, a soma dos valores DAbs produzidos pelas espécies separadas é maior do que os valores de DAbs da mistura. Neste caso está ocorrendo um decréscimo relativo no sinal da mistura.

O Fe(III) e o Mo(VI) apresentam interferência sob as condições estudadas, a partir das concentrações de 150 ng mL^-1 e 1000 ng mL^-1, respectivamente, e o grau de interferência aumenta com o aumento da concentração dentro dos limites estabelecidos. O Fe(III) quando estudado separadamente, na concentração de 300 ng mL^-1 (linha 24 da Tabela 2), catalisou a reação causando um aumento de 0,047 no valor de DAbs, que quando comparado com a resposta produzida pela mistura Cr(VI):Fe(III), estando o Fe(III) na mesma concentração de 300 ng mL^-1, sugere que o efeito de interferência, neste caso, é aditivo. O mesmo fenômeno pode ser observado para o Mo(VI), quando este é estudado separadamente na concentração de 4 mg mL^-1, (linha 27 da Tabela 2).

O Zn(II) causa um acréscimo na velocidade da reação para concentrações abaixo de 4 mg mL^-1, mas para concentrações acima deste valor a velocidade tende a cair dentro da faixa de concentração estudada. Quando o íon Zn(II) atua sozinho na reação, sem a presença do Cr(VI) (linhas 26 e 28 da Tabela 2), observa-se que na concentração de 2 mg mL^-1 seu efeito na velocidade da reação não catalisada é nulo mas torna-se negativo para uma concentração de 20 mg mL^-, o que nos leva a concluir que o Zn(II) inibe a reação indicadora e não o efeito catalítico. Já o EDTA atua inibindo o efeito do catalisador, causando séria interferência no método. Isto pode ser comprovado quando esta mesma espécie atua na reação não catalisada, pois o seu efeito de inibição da velocidade da reação, a uma concentração de 1 mg mL^-1 (linha 25 da Tabela 2) é desprezível em relação ao efeito produzido quando atua na reação catalisada na mesma concentração. Desta maneira a reação não catalisada praticamente não é afetada pelo EDTA. Então esta interferência pode ser atribuída à complexação do Cr(V) pelo EDTA porque, segundo Dolmanova e Shekovtsova⁷, esta espécie entra na reação da seguinte maneira:

onde

D= o-dianisidina

X, Y e Z = produtos da reação

No estudo multifatorial os experimentos obedecendo a um planejamento fatorial completo com dois níveis e seis variáveis foram feitos com os mesmos interferentes utilizados no estudo anterior, com o objetivo de avaliar os efeitos de interferência quando eles estão atuando juntos. A Figura 1 ilustra os efeitos ordenados em um gráfico de probabilidade normal⁸. Todos os efeitos que situam-se ao longo da linha são estatisticamente iguais a zero, enquanto os efeitos maiores, em módulo, estão colocados fora da linha. Estes efeitos são produzidos por Cu(II), Fe(III), Fe(III)XEDTA, Zn(II), Cu(II)XFe(III), Mo(VI), Cu(II)XMo(VI), Cu(II)XMo(VI)XEDTA, Fe(III)XMo(VI), Cr(III)XFe(III) e Cr(III)XMo(VI).

Tabela 3 mostra a análise de variância dos efeitos e confirma que apenas aqueles que estão dispostos fora da linha na Figura 1 são significativos quando submetidos ao teste F a um nível a = 0,01. O efeito principal do Cu(II), que tem o maior valor numérico, significa que quando a concentração de Cu(II) é aumentada de 0 para 20 ng mL^-1, o valor de DAbs aumenta em 0,057. Este valor é comparável àquele obtido no estudo unifatorial quando o Cu(II) entra na proporção de 2 : 1 em relação ao Cr(VI), (ver Tabela 2). O Cu(II) apresenta ainda interações de segunda ordem com o Fe(III) e o Mo(VI), isto significa que quando estes agentes interferentes estão atuando juntos, o acréscimo no valor de DAbs produzido por eles é maior do que a soma dos valores de DAbs produzidos por cada um isoladamente.

O efeito principal do Fe(III) tem interpretação semelhante ao do Cu(II), sendo também comparável àquele valor obtido do estudo unifatorial para a relação Fe(III):Cr(VI) igual a 50 :1, (ver Tabela 2). O Fe(III) também interage positivamente com o EDTA, que não tem efeito principal significativo e que no estudo unifatorial atua diminuindo o sinal analítico, mas aqui, quando interage com o Fe(III), ajuda a aumentar o sinal. Novamente existe a evidência de um efeito de sinergismo entre as espécies estudadas.

O comportamento do Mo(VI) seria similar àqueles apresentados pelos íons Fe(III) e Cu(II) se apenas seu efeito principal fosse considerado. Entretanto existe um efeito antagônico quando a interação entre Fe(III) e Mo(VI) é analisada, mostrando que quando estas espécies estão atuando juntas há uma tendência de diminuição no valor da resposta. Mais uma vez ocorreria um engano se apenas o estudo unifatorial fosse considerado, onde seria de se esperar que quando o Fe(III) e Mo(VI) atuassem juntos o sinal aumentasse, visto que por aquele estudo ambos causam interferência positiva.

Fato interessante ocorre com o Cr(III) que, no estudo unifatorial, mostra-se como um sério interferente já na proporção Cr(III):Cr(VI) de 2:1, (ver Tabela 2). Quando atuando em conjunto com outros interferentes, seu efeito principal torna-se insignificante e os efeitos de interação Cr(III)xFe(III) e Cr(III)xMo(VI) são negativos, ou seja, ele atua diminuindo o grau de interferência destas espécies quando todas estão atuando simultaneamente. Por outro lado, o EDTA que apresenta efeito inibidor da reação catalisada quando estudado separadamente, aqui não apresenta efeito principal sgnificativo e as interações, ao contrário do que se poderia esperar, foram todas positivas. Pode-se dizer que de uma certa forma ele atua como um ativador da reação catalisada, quando atuando simultaneamente com as espécies que interagiram positivamente com ele.

A aplicação do método

De acordo com este estudo de seletividade, comprova-se que o método cinético catalítico para determinação de Cr(VI) utilizando o-dianisidina está sujeito a ação de vários interferentes de um modo muito complexo, o que torna necessário a eliminação destes interferentes, antes da sua aplicação em amostras reais². A adição de agentes mascarantes como complexantes não é recomendada neste trabalho pois existem cátions e ânions interferentes e não seria possível anular o efeito de todos simultaneamente. Além disso, complexantes tais como EDTA afetam também a reação catalisada. A utilização de resina troca catiônica, recomendada por Kneebone e Freiser⁴, funciona quando as espécies inteferentes estão na forma catiônica e em baixas concentrações. Quando a amostra requer tratamento inicial, assim como uma amostra vegetal que necessita ser decomposta, a concentração catiônica do meio torna-se elevada, decorrente da adição de ácidos e haverá competição destas espécies com os interferentes pelos sítios de troca da resina, inviabilizando o procedimento.

Diante dos problemas apresentados por esses dois procedimentos de eliminação de interferentes, optou-se pela extração do Cr(VI), em meio clorídrico, com metil isobutil cetona (MIC) que apresenta alta seletividade para esta espécie¹⁰.

O cromo total foi determinado nas soluções, como Cr(VI), após oxidação e extração com MIC, conforme procedimento utilizado anteriormente por Pilkington e Smith¹¹. Devido a falta de padrões certificados disponíveis, a exatidão do método foi verificada por meio de amostras com valores de referência. Os resultados apresentados na Tabela 4 mostram que o maior erro relativo calculado é de -3,0% mas que o valor médio encontrado para a mesma amostra encontra-se dentro da faixa de aceitação do IPE¹². O resultado de referência para esta amostra fornecido pelo IPE, é dado em termos da mediana, pois este valor é resultante de dados de diversos laboratórios e diferentes procedimentos analíticos.

As variações nos conjuntos de medidas, (Tabela 4), são dadas pelos coeficientes de variação (CV), que foram menores do que os encontrados por Dolmanova et al.⁶ e Muller et al.⁹, que utilizaram o mesmo método para determinação de cromo em amostras de arsenito de gálio e soro sanguíneo, respectivamente, e obtiveram variações em torno de 12% para níveis de concentração comparáveis aos níveis das amostras de água na Tabela 5. Os teores de cromo encontrados nas amostras de água quando comparados com a determinação por espectrometria de absorção atômica utilizando forno de grafite, apresentaram erros relativos de apenas -2,3% e -1,5%, o que dá uma boa margem de confiabilidade.

A precisão do método foi determinada por meio do desvio padrão relativo, obtido de dez replicatas no ponto da curva de calibração, (Figura 2), correspondente a 10 ng mL^-1. Nesta concentração o desvio padrão relativo foi de 0,5%. Os limites de detecção e de quantificação¹¹ foram calculados através do desvio padrão dos valores das absorvâncias obtidas de dez replicatas do branco de reagentes, submetidas às condições de oxidação e extração, foram 1,1 ng mL^-1 e 3,2 ng mL^-1 respectivamente.

CONCLUSÃO

As espécies interferentes investigadas apresentam comportamentos distintos de acordo com a metodologia utilizada. O método unifatorial, no qual apenas um interferente é estudado de cada vez, não permite que os efeitos de interação com outras espécies sejam analisados. Tal restrição causa deficiência na aplicação do método, pois as espécies interferentes atuam simultaneamente nas amostras reais. Desta maneira é necessário que utilizemos a metodologia multifatorial em estudos desta natureza, visto que os resultados mostraram o quanto desviamos da realidade quando estudamos isoladamente cada interferente.

REFERÊNCIAS

1. Den Boef, G.; Hulanicki, A.; Pure Appl. Chem. 1983, 55, 553.

2. Muller, H.; Crit. Rev. Anal. Chem. 1982, 13, 312.

3. Buscaróns, F.; Artigas, J.; Anal. Chim. Acta 1957, 16, 452.

4. Kneebone, B. M.; Freiser, H.; Anal. Chem. 1975, 47, 595.

5. Legret, M.; Divet, L.; Analusis 1988, 16, 97.

6. Dolmanova, I. F.; Shekhovtsova, T. N.; Peshkova, V.; Zh. Analit. Khim 1972, 27, 1981.

7. Dolmanova, I. F.; Shekhovtsova, T. N.; Zh. Analit. Khim. 1977, 32, 1546.

8. Montgomery, D. C., Design and Analysis of Experiments, John Wiley & Sons, Inc.; Singapore 1991, p. 293.

9. Katz, S. A.; McNabb, W. M.; Hazel J. F.; Anal. Chim. Acta 1962, 27, 405.

10. Pilkington E. S.; Smith, P. R.; Anal. Chim. Acta 1967, 39, 321.

11. ACS Commitee On Environmental Improvement, Anal. Chem. 1980, 52, 2242.

12. International Plant-analytical Exchange (IPE) Program, Bimontly Report 91.1 - January/February 1991. OIC Dr. V. Houba, P. O. Box 8005, 6700 EC, Wageningen, Holanda.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  12 Maio 2000
• Data do Fascículo
  Abr 1999

Histórico

• Recebido
  05 Jan 1998
• Aceito
  01 Abr 1998