Utilização de um eletrodo de grafite recoberto com PbO2 incorporado em matriz de PVC como eletrodo indicador em titulações coulométricas

Utilization of a graphite electrode coated with PbO2 attached in matrix of PVC as an indicator electrode in coulometric titration

Utilização de um eletrodo de grafite recoberto com PbO₂ incorporado em matriz de PVC como eletrodo indicador em titulações coulométricas

Utilization of a graphite electrode coated with PbO₂ attached in matrix of PVC as an indicator electrode in coulometric titration

L. A. Ramos^I; N. M. Cassiano^II; M. D. Capelato^III

^IDepartamento de Química e Física Molecular - IQSC-USP - 13560-970 - São Carlos - SP - Brasil

^IIUniversidade São Francisco - 12916-900 - Bragança Paulista - SP - Brasil

^IIIDepartamento de Química - UFSCar - 13565-905 - São Carlos - SP - Brasil

RESUMO

A aplicação de um eletrodo sensível a íons H₃O⁺, obtido pelo recobrimento de um eletrodo de grafite com uma membrana polimérica contendo PbO₂ incorporado em uma matriz de PVC (PbO₂-PVC), como eletrodo indicador em titulações coulométricas de neutralização, foi investigada. As leituras dos potenciais foram feitas usando o eletrodo indicador de PbO₂-PVC e para comparação dos resultados foi usado um eletrodo de vidro combinado (EVC). As curvas de titulação monitoradas com o eletrodo de PbO₂-PVC apresentaram características semelhantes àquelas monitoradas com o EVC e os tempos de equivalência obtidos foram concordantes a um nível de confiança de 95%. O eletrodo de PbO₂-PVC apresentou resposta linear no intervalo de pH 2 a 12 com inclinação de Nernst de -57,6 ± 0,1 mV/pH (r= 0,9998), sendo o tempo de resposta deste eletrodo bem menor do que aquele obtido com o EVC. O eletrodo de PbO₂-PVC é de fácil construção, possui baixo custo e tempo de vida útil superior a 4 meses, equivalente a (pelo menos 1200 determinações por membrana polimérica).

Palavras-chave: dióxido de chumbo; titulação coulométrica; eletrodo íon seletivo.

ABSTRACT

The use of an H₃O⁺ sensitive electrode obtained by recovering a graphite rod with a polymeric membrane containing PbO₂ attached in a PVC matrix, as a working electrode in coulometric acid-base titrations is described. The coulometric curves obtained with the proposed electrode were similar to those obtained with the glass electrode and the equivalence times agreeded within a 95% confidence level. The time response of the PbO₂-PVC electrode was faster than that of the glass electrode with standard deviations (n=3) of ± 0,01 s. The PbO₂-PVC electrode presented a slope of —57,6 mV/pH and linear response from pH 1 to 12 (r=0,9998). The proposed electrode is of easy construction, low cost and a life time of at least 7 months, equivalente to at least 1200 determinations.

Keywords: lead dioxide, PVC membrane electrode, coulometric titration.

Introdução

A crescente demanda por dispositivos eletrônicos capazes de detectar e/ou monitorar a presença de espécies químicas em diferentes ambientes vem impulsionando o desenvolvimento de sensores químicos, como pode ser detectado pelo expresivo número de publicações de artigos e revisões na literatura [1-6].

O rigor analítico com o controle de pH de soluções em laboratórios de rotina, processos industriais, fermentações alcoólicas e em ciências médicas e agronômicas é de suma importância. Para este controle, geralmente é utilizado o eletrodo de membrana de vidro que é, atualmente, o eletrodo indicador de uso mais frequente para medições de pH. Outros sensores também têm sido empregados com esta finalidade [7-10] e, dentre estes, destacam-se os eletrodos sensíveis à íons H₃O⁺, baseados em membranas poliméricas. Desde a introdução do cloreto de polivinila (PVC) [11] como matriz em eletrodo íon-seletivo (ISE), muitos sensores de pH foram propostos. Higuchi et al. [12] desenvolveram o primeiro eletrodo recoberto sensível à íons H₃O⁺. Esse sensor foi preparado pelo recobrimento de um eletrodo de grafite com uma membrana de PVC contendo N,N-dimetilamina. Diversos eletrodos para pH utilizando-se aminas lipofílicas e derivados incorporados em matriz de PVC foram também propostos [13-20]. Entretanto, esses eletrodos apresentaram uma pequena região linear de resposta ao pH, como também baixa seletividade.

A polimerização eletroquímica de derivados de aminas e porfirinas em um fio de platina [21-27] foram estudados como sensores à íons H₃O⁺. As desvantagens apresentadas por estes eletrodos são a baixa seletividade e a fácil degradação da membrana polimérica na presença de oxidantes.

Para que um eletrodos íon-seletivos (ISE) seja considerado adequado espera-se que apresente resposta rápida, boa estabilidade de potenciais ao longo do tempo, baixo custo e, além disto, responda em uma ampla faixa de concentrações.

Informações sobre a utilização do dióxido de chumbo (PbO₂) como sensor potenciométrico são encontradas na literatura em proporções bem menores quando comparadas com as abordagens físico-químicas e, principalmente, com aquelas relacionadas com a tecnologia de baterias chumbo-ácido (Pb-H₂SO₄) [28]. Porém, alguns trabalhos publicados abordando algumas aplicações analíticas, mostram a viabilidade do PbO₂ como sensor potenciométrico. Kaehler et al. [29] estudaram a resposta potenciométrica do eletrodo de PbO₂ eletrodepositado sobre um fio de platina, no qual o monitoramento da atividade hidrogeniônica foi feito em soluções contendo íons Pb(II). Capelato et al. [30-32] utilizando um eletrodo de PbO₂ eletrodepositado sobre grafite, demonstraram a viabilidade desse eletrodo como sensor potenciométrico à íons H₃O⁺, Pb²⁺ e SO₄^2-.

Teixeira et al. [33] desenvolveram um eletrodo de grafite-epóxi com PbO₂ como sensor potenciométrico à íons H₃O⁺. A reprodutibilidade dos potenciais e a determinação potenciométrica dos volumes de equivalência demonstraram a viabilidade deste eletrodo no monitoramento de íons H₃O⁺ em titulações ácido-base.

Recentemente foi desenvolvido por Eftekhari [34] um eletrodo de dióxido de chumbo depositado sobre substrato de alumínio como sensor de pH. Este eletrodo apresentou resposta nernstiana no intervalo de pH 1 a 12 com inclinação de Nernst de -57,8 mV/pH (r=0,9998).

A resposta potenciométrica do PbO₂ à íons H₃O⁺ em eletrólitos onde o Pb(II) é solúvel, está relacionada à semi-reação redox (Eq. 1):

O potencial do eletrodo para esta reação (Eq. 1) é dado por (Eq. 2):

em que K é o potencial operacional cuja magnitude é característica das condições experimentais estabelecidas, o qual incorpora o potencial condicional do sistema indicador, o potencial do eletrodo de referência e a contribuição de todos os potenciais de junção líquida. S = 2,303 RT/F é o coeficiente de Nernst para uma transferência monoeletrônica reversível. Os coeficientes 2A₁S e representam as inclinações operacionais obtidas experimentalmente e os parâmetros A₁ e A₂ as eficiências eletromotivas, características para cada tipo de sensor.

As titulações coloumétricas representam uma aplicação direta da lei de Faraday à eletrólise, ela apresenta algumas vantagens quando comparada com o processo volumétrico clássico [35]. Dentro destas, a principal é a eliminação de problemas relativos à preparação de padrões e ao modo de os conservar.

Quando se necessita de pequenas quantidades de reagentes, a titulação coulométrica apresenta vantagens, pois usando valores de intensidade de corrente pequenos podem introduzir-se em soluções pequenas quantidades de substância, o que em volumetria implicaria o uso de soluções muito diluídas, com concentrações exatamente conhecidas difíceis de obter e conservar.

Além disso, as titulações coulométricas são facilmente adaptadas a titulações automáticas, como as potenciométricas.

As titulações coulométricas também apresentam as vantagens importantes nas análises titrimétricas, pois uma ampla gama de reagentes podem ser gerados eletroliticamente in situ com 100% de eficiência coulombica. O método tem uma elevada sensibilidade e uma das vantagens com relação aos métodos volumétricos tradicionais, é a possibilidade de eletrogerar reagentes com tempo de meia vida curtos, tais como Mn³⁺, Ag²⁺, Cr(II) e outros.

A titulação ácido base coulométrica baseia-se na geração catódica de íon hidróxidos (redução da água) (Eq.3) ou na geração anódica de íons hidrogênio (oxidação da água) (Eq. 4) sobre eletrodos de platina, durante a eletrólise de uma solução de um sal neutro.

A solução deve ser bem agitada e a titulação é executada de modo análogo à de uma titulação potenciométrica, medindo-se vários valores de potencial do eletrodo indicador, PbO₂-PVC, para os correspondentes intervalos de tempo (cerca de 10 segundos) em que se dá a passagem de 50 mA de corrente. Após uma interrupção de alguns segundos, para que o equilíbrio elétrico e químico sejam atingidos, registra-se o valor do potencial medido e o intervalo de tempo indicado por um relógio sincronizado com a passagem da corrente imposta. Do mesmo modo que nas titulações potenciométricas, devem obter-se um número relativamente grande de pontos próximos do ponto de equivalência, podendo obter-se o ponto final a partir de um gráfico do potencial do eletrodo de PbO₂-PVC em função do tempo.

No presente trabalho estudou-se a aplicação de um eletrodo sensível à íons H₃O⁺, pelo recobrimento de um eletrodo de grafite com uma membrana polimérica contendo PbO₂ incorporado em uma matriz de PVC (75% (^m/_m) de PbO₂ e 25% (^m/_m) de PVC), como eletrodo indicador em titulações coulométricas de neutralização.

Material e métodos

Soluções

Todas as soluções foram preparadas com água deionizada utilizando reagentes de grau analítico.

As soluções utilizadas nas titulações coulométricas de neutralização: ácido sulfúrico (H₂SO₄), ácido fosfórico (H₃PO₄), ácido clorídrico (HCl) e ácido acético (H₃COOH) foram preparadas na concentração de 0,05 mol L^-1. A força iônica das soluções de trabalho foi ajustada em 0,1 mol L^-1 com sulfato de sódio (Na₂SO₄). Como eletrólito de suporte foi utilizada uma solução de Na₂SO₄ 0,1 mol L^-1.

Cloreto de polivinila (PVC) de alto peso molecular (Fluka), tetrahidrofurano (THF) (Aldrich), pó de dióxido de chumbo (PbO₂) (Merck), foram utilizados na preparação da membrana.

Construção do eletrodo de membrana polimérica

O eletrodo-base de grafite de 0,4 cm de diâmetro e 3 cm de comprimento foi torneado a partir de bastões fornecidos pela Carbono Lorena. Numa das extremidades foi soldado um fio de cobre para o contato com o circuito externo, de acordo com o procedimento proposto por Capelato e Cassiano [31]. O conjunto foi selado com resina epóxi da SILAEX^® em um tubo de vidro neutro de 0,8 cm de diâmetro externo e 13 cm de comprimento, de modo a ficar 1,5 cm do grafite exposto, correspondendo aproximadamente a 2,0 cm² de área geométrica. A outra extremidade foi fixada com resina epóxi e poliaminoamida (Araldite^®), deixando exposto o fio de cobre para o contato com o circuito externo. Após 72 horas de repouso, completa-se a cura da resina e o eletrodo pode ser utilizado.

A solução polimérica foi preparada pela dissolução de 25 % (^m/_m) de PVC em 10 mL de THF, seguido da adição de 75% (^m/_m) de PbO₂ [36]. O recobrimento do grafite foi feito por imersão na solução polimérica. Foram realizados dez banhos sobre o eletrodo, aplicando-se camadas finas em intervalos de 30 minutos, até o completo recobrimento do grafite com uma membrana regular e homogênea. A Figura 1 ilustra o aspecto final do eletrodo construído.

Titulações Coulométricas

As medidas coulométricas foram realizadas em uma célula de vidro com camisa para circulação de água de um termocirculador de água (Quimis), a 25ºC. Para a geração catódica do titulante utilizou-se uma fonte de corrente contínua ECB (mod. 232). Como catodo gerador (eletrodo de trabalho) utilizou-se uma folha de platina retangular (4,0 cm x 2,5 cm, com forma semi-cilíndrica) e como anodo gerador (eletrodo auxiliar isolado) uma folha de platina retangular (2,0 cm x 2,5 cm). Solução de sulfato de sódio 0,1 mol L^-1 foi utilizada como eletrólito de suporte.

A geração catódica de íons hidroxila, pela redução da água sobre o eletrodo de platina, foi realizada aplicando-se uma corrente de 50 mA durante 10 s para cada ponto da curva da titulação. Após a geração eletrolítica, esperou-se o sistema entrar em equilíbrio e procedeu-se à leitura dos potenciais com o EVC e o indicador de PbO₂-PVC. A homogenização da solução durante a titulação foi feita por agitação magnética.

A Figura 2 mostra a montagem da célula eletrolítica composta por um catodo e um anodo de platina conectados a uma fonte de corrente contínua ligada em série com um amperímetro para o controle da corrente, um eletrodo indicador de PbO₂-PVC e um eletrodo de referência Ag/AgCl conectados a um pHmetro e um o eletrodo de vidro combinado (EVC) conectado a outro pHmetro.

Medidas potenciométricas

As leituras dos potenciais foram feitas usando o eletrodo indicador de PbO₂-PVC e um eletrodo de referência de Ag/AgCl Analion (mod. R684) com eletrólito interno de KCl 1,0 mol L^-1 e ponte salina contendo solução de Na₂SO₄ 1,0 mol L^-1, conectados a um pHmetro Micronal (mod. B374) com precisão de ± 0,1 mV.

A célula eletroquímica utilizada para as medidas de potenciais foi:

Ag%AgCl_(s), KCl (1,0 mol L^-1) %% solução teste % eletrodo íon seletivo %grafite

Para efeito de comparação foi usado um eletrodo de vidro combinado (EVC) Analion (mod. V620) calibrado com soluções tampão de mesma força iônica das soluções de trabalho, conectado a um pHmetro Orion (mod. EA940) com precisão de ± 0,1 mV.

Resultados e Discussão

No desenvolvimento deste trabalho utilizou-se um eletrodo indicador contendo 75% (^m/_m) de PbO₂ e 25% (^m/_m) de PVC na composição da membrana uma vez que, em estudos prévios realizados por Cassiano et al. [36], eletrodos preparados nesta composição apresentaram melhores respostas potenciométricas à íons H₃O⁺. A diminuição da porcentagem de PbO₂ na composição torna a membrana polimérica mais isolante, ocasionando, conseqüentemente, o decréscimo na sensibilidade do eletrodo.

A Figura 3 mostra as curvas de calibração obtidas graficando-se os potenciais dos eletrodos de PbO₂-PVC e do eletrodo de vidro em função do pH monitorado com EVC, na titulação coulométrica de 2,0 mL de H₃PO₄, em 25,0 mL do eletrólito de suporte Na₂SO₄ 0,1 mol L^-1.

A resposta do eletrodo foi linear num intervalo de pH de 1 a 12, com um potencial operacional de 1320,0 mV e inclinação de Nernst de -57,6 ± 0,1 mV/pH (r = 0,9998). Para o EVC nas mesmas condições, os valores obtidos foram, respectivamente, 452,3 mV e -58,5 ± 0,1 mV/pH (r= 0,9999).

Embora o eletrodo de PbO₂-PVC apresente comportamento sub-Nernstiniano, a sensibilidade do eletrodo à íons H₃O⁺ é praticamente a mesma do EVC indicando a viabilidade operacional do eletrodo de grafite recoberto com PbO₂ incorporado em matriz de PVC como sensor de pH. O eletrodo apresentou boa reprodutibilidade e um tempo de resposta menor que 15 s, não apresentando efeito de memória em três titulações coulométricas realizadas.

A Figura 4 mostra as curvas potenciométricas obtidas com o eletrodo recoberto com PbO₂ incorporado em PVC nas titulações coulométricas de neutralização de 2,0 mL dos ácidos CH₃COOH, HCl, H₃PO₄ e H₂SO₄, em 25,0 mL do eletrólito de suporte Na₂SO₄ 0,1 mol L^-1.

As curvas de titulação monitoradas com o eletrodo de PbO₂-PVC apresentaram características semelhantes àquelas obtidas com o EVC, com saltos potenciométricos bem definidos e boa concordância quanto aos perfis e tempos de equivalência.

A reprodutibilidade dos potenciais e dos tempos de equivalência demonstram que a utilização do sensor como eletrodo indicador em titulações coulométricas de neutralização é viável e prática, podendo ser usado como um procedimento alternativo no monitoramento de íons H₃O⁺ em reações de neutralização.

Na Tabela 1 são apresentados os tempos de equivalência com seus respectivos desvios-padrão (n= 3) e os valores dos erros relativos, obtidos nas titulações coulométricas utilizando-se o eletrodo de PbO₂-PVC e o EVC. Os tempos equivalentes obtidos com o eletrodo desenvolvido e o eletrodo de vidro combinado são concordantes com um nível de confiança de 95% e apresentam erros relativos pequenos.

Com o intuito de avaliar o tempo de vida útil do eletrodo indicador de PbO₂-PVC, foram realizadas titulações coulométricas por um período de 4 meses, sem perda significativa de sua sensibilidade, 2 mV/pH (2% da resposta inicial), sendo feitas no mínimo 1200 determinações por membrana polimérica.

Conclusões

O eletrodo de grafite recoberto com PbO₂ incorporado em uma matriz de PVC é de fácil construção, baixo custo e um tempo de vida útil, relativamente longo, podendo ser utilizado como sensor em titulações coulométricas de ácidos com boa reprodutibilidade. O tempo de vida útil foi superior a 4 meses (mais de 1200 determinações), sem perda significativa da sensibilidade (2% da resposta inicial).

Agradecimentos

Os autores agradecem ao programa PROCONTES/USP, à FAPESP (processo 95/0606-6) e CNPq (processo 300.827/92-0) pelo auxílio financeiro recebido. Ao Prof. Dr. Éder Tadeu Gomes Cavalheiro do Departamento de Química e Física Molecular do Instituto de Química de São Carlos pelas valiosas sugestões químicas e gramaticais.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  17 Jan 2005
• Data do Fascículo
  2004