POTENCIOMETRIA

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Aplicação de Métodos Potenciométricos na Indústria

Os métodos potenciométricos de análises baseiam-se na medida do potencial de células eletroquímicas, sem o consumo perceptível de corrente. A potenciometria é uma medição analítica a partir do uso de dois eletrodos num sistema de alta impedância, então, a medição do potencial de uma célula eletroquímica em condições de corrente zero é realizada usando um potenciômetro.

A figura acima mostra o circuito de um potenciômetro.

Cada eletrodo se comporta como a metade de uma célula eletroquímica similar a uma pilha galvânica, conforme mostrado na PARTE 1 deste artigo.

Em aplicações de métodos dinâmicos onde é necessário controlar a corrente que flui através de uma célula eletroquímica, como a coulometria de corrente constante, usa-se um galvanostato.

A figura acima mostra um galvanostato, a célula é representada por 3 eletrodos: eletrodo de trabalho (W), eletrodo Auxiliar (A) e eletrodo de referência (R), Um galvanômetro (i) em série ao eletrodo  e ao auxiliar e uma fonte e um voltímetro (V) de alta impedância ligado ao eletrodo de referência . Cortesia TDMU

O potenciostato é usado para métodos dinâmicos quando é necessário controlar o potencial do eletrodo de trabalho.

Na figura a seguir o potencial do eletrodo de trabalho é monitorado por um eletrodo de referência conectado ao eletrodo de trabalho através de um potenciômetro de alta impedância. O potencial desejado é conseguido ajustando o resistor do fio deslizante conectado ao eletrodo auxiliar.

A figura acima mostra o diagrama de interligação de uma célula eletroquímica num potenciostato manual, mostrando o galvanômetro (i) ligado no eletrodo de trabalho (W), um voltímetro de alta impedância (V) ligado no eletrodo de referência (R) e a resistência de ajuste (SW) ligada ao eletrodo auxiliar (A). Cortesia TDMU

As medições potenciométricas são feitas usando um potenciômetro para determinar a diferença de potencial entre um eletrodo de trabalho ou, indicador, eletrodo e um contra-eletrodo. Uma vez que nenhuma corrente significativa flui na potenciometria, o papel do contra-eletrodo é reduzido ao de fornecer um potencial de referência. Assim o contra-eletrodo é geralmente chamado de eletrodo de referência.

Os potenciostátos modernos incluem geradores de formas de onda que permitem um perfil de potencial dependente do tempo, como uma série de impulsos potenciais, a serem aplicados ao eletrodo de trabalho. O sistema de medição potenciométrico usa células eletroquímicas com 2, 3 e até 4 eletrodos.

Medição do pH

O pH é uma unidade de medida que descreve o grau de acidez ou alcalinidade de uma solução.

A ilustração acima mostra a escala de pH com diversos tipos de soluções e suas respectivas faixas de pH. Cortesia Mundo Educação.

A escala de pH vai de 0 a 14, as soluções com pH na faixa entre 0 até 6,9 são chamadas de soluções ácidas e as soluções com pH na faixa entre 7,1 até 14 são chamadas de soluções alcalinas. As soluções com pH 7 são chamadas de soluções neutras.

Neste artigo fizemos uma visão geral sobre algumas técnicas de analises eletroanalíticas e suas aplicações, você vai encontrar muito mais conteúdo sobre o assunto a profundar seu conhecimento sobre este tema no curso Fundamentos da Instrumentação Eletroanalítica.

 

Eletrodos de pH.

No sistema de medição de pH um dos eletrodos é chamado de ELETRODO DE MEDIÇÃO, eletrodo de membrana ou eletrodo de vidro.

A figura acima mostra um sistema de medição com um eletrodo de vidro (medição),  à esquerda, e um eletrodo de referência, à direita, onde uma milivoltagem é medida entre eles.

O eletrodo de medição, gera uma milivoltagem (ddp) proporcional ao pH da solução. Quando os eletrodos entram em contato com uma solução, produzem um potencial elétrico que é a soma dos potencias nos dois eletrodos.

A figura acima mostra a ponta de uma sonda industrial com um eletrodo de membrana de vidro para medição de pH.

A milivontagem gerada pelo eletrodo de medição obedece a lei de NERNST:

Onde:

  • E = tensão gerada pelo eletrodo (ddp)
  • Eo = potencial padrão do íon
  • R = constante universal dos gases
  • T = Temperatura em graus absolutos (oK)
  • n = número de mols eletrons transferido na reação.
  • F – Constante de Faraday.
  • iox = Concentração interna do ions.
  • ired = Concentração extrena do ion.

A figura acima mostra o potencial formado na membrana do eletrodo de medição.

O segundo eletrodo é chamado de ELETRODO DE REFERÊNCIA, que é responsável por estabelecer uma ponte de ligação elétrica, chamada de ponte salina, entre o eletrodo de medição e a solução. Através da ponte salina é que se estabelece uma relação entre os íons, livres na solução e a milivoltagem gerada no eletrodo de medição.

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.

A figura acima mostra um eletrodo de referência de prata/cloreto de prata.

A eletroanalítica vem utilizando também por muitos anos o eletro padrão de hidrogênio (EPH) como referência de tensão constante para suas medições.

Há uma grande variedade de eletrodos e sondas de medição do pH, para uso em laboratório e processo, com sistemas especiais de barreiras iônicas para interferentes e sistemas externos de limpeza.

Eletrodo de Ion Seletivo (ISE)

Atravé da adição de outros matériais na composição da membrana do eletrodo de medição, têm-se desenvolvidos eletrodos de vidro que permitem medidas potenciométricas diretas de espécies monovalentes, como Na+, K+, NH4+, Rb+, Cs+, Li+ e Ag+. As concentrações de espécies iônicas são medidas diretamente a partir do potencial de eletrodos de membranas seletivas a íons.

Há ainda eletrodos para íons específicos (ISE) para: cloro, potássio, sódio, lítio, fluoretos, cálcio e outros, eletrodos para potencial Redox, eletrodos de estado sólido, eletrodos de membrana cristalina, eletrodos metálicos com condutores inertes e eletrodos com MOSFET. Além dos eletrodos citados para meios líquidos há também os sensores eletroquímicos para gases, usados em detectores e monitores de gases atmosféricos.

Uma novidade que surgiu na última década é o eletrodo digital, onde no corpo do eletrodo é incorporado um chip que amplifica e converte o sinal analógico do eletrodo em sinal digital calibrado e armazena dados em memória embarcada, o que possibilita uma calibração padrão em bancada, antes da instalação. Atualmente essa tecnologia está em uso em sensores de pH, condutividade e oxigênio dissolvido.

A figura acima mostra o acoplamento indutivo de um sensor com tecnologia Memosens, com sinal digital e alimentação. Cortesia Memosens

Uma tecnologia Memosens modificou alguns paradigmas de manutenção de sensores industriais de pH e condutividade, nessa tecnologia um CHIP com microprocessador e memória é embarcado no eletrodo de forma a armazenar dados do processo, dados de calibração e status do sensor. Além disso com a conversão do sinal de analógico para digital o acoplamento do sinal no conector do sensor, pode ser feito de maneira magnética, sem nenhum contato elétrico entre o sensor e o cabo.

Segundo um dos fabricantes de eletrtodos com essa tecnologia, a Knick fala sobre alguns benefícios dessa tecnologia, segundo este fabricante o sistema de conectores de sensor indutivo com tecnologia Memosens transfere a energia e os dados sem o contato entre sensores eletroquímicos e analisadores. Usando sensores pré-calibrados, garante-se a disponibilidade máxima e os requisitos de manutenção mais baixos no ponto de medição. Essa tecnologia permite salvar e analisar dados relacionados ao processo diretamente no sensor (por exemplo, tempo de operação, desgaste e rompimento e contador CIP/SIP).

Titulação

A análise por titulação faz parte de um grupo de métodos analíticos baseados na determinação da quantidade de um reagente (titulante) de concentração conhecida que é requerida para reagir completamente com o analito.

As titulações são muito utilizadas em química analítica para determinar ácidos, bases, oxidantes, redutores, íons metálicos, proteínas e muitas outras espécies, a reação envolvida é denominada de estequiometria.

A titulação pode se diferencia pelo tipo de medição usada para monitorar a reação de titulação, podendo ser potenciométrica, condutimétrica ou fotométrica.

A titulações condutométricas, se baseiam na determinação do ponto de equivalência de uma titulação através de variações da condutância da solução do analito pela adição do titulante. Numa titulação condutométrica segue-se a variação da condutância da solução em análise à medida que o reagente titulante é adicionado de uma bureta. As adições de volume sucessivas e conhecidos de titulante provoca uma variação linear de condutância da solução que pela sua descontinuidade, nas proximidades do ponto de equivalência, indicará quando a substituição for completa. Essas titulações podem ser do tipo acido-base ou por precipitação.

Uma titulação potenciométrica envolve medidas do potencial de um eletrodo indicador adequado em função do volume do titulante.

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.

A figura acima mostra um analisador automático para instalação em processo, capaz de realizar análises titulométricas. Cortezia Metrohm.

Os tituladores automáticos para a realização de titulações potenciométricas estão disponíveis a partir de diversos fabricantes. A a mostra é tomada e depositada num frasco de reação, o analisador adiciona o titulante, registra o potencial versus o volume e analisa os dados para determinar a concentração da solução desconhecida.

Vários tipos de titulações potenciométricas são utilizadas como: Titulação Ácido – Base; Titulações de Formação de Complexos; Titulação Ácido-Base em Solventes Orgânicos; Titulação de Precipitação; Titulações Potenciométricas de Oxidação-Redução; iodometria.

Neste artigo fizemos uma visão geral sobre algumas técnicas de analises eletroanalíticas e suas aplicações, você vai encontrar muito mais conteúdo sobre o assunto a profundar seu conhecimento sobre este tema no curso Fundamentos da Instrumentação Eletroanalítica.

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