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UNIVERSIDADE DE COIMBRA Faculdade de Farmácia Mestrado Integrado em Ciências Farmacêuticas Determinação do teor em cálcio numa amostra de leite por titulação complexométrica com EDTA Disciplina: Química Analítica Turma: PL8 Docente: Doutora Márcia Manaia Realizado por: Ana Salgadinho, Bárbara Vitória, Vitória Ramos 28 de março de 2023 1 Índice 1. Introdução ……………………………………………………………2 2. Objetivos ……………….…………………………….…………..…3 3. Fundamentação teórica …… ………………………………………..3 4. Resultados ……………………………………………………………5 5. Cálculos ……………………………………………………………6 6. Discussão dos resultados ………………………...…………………8 7. Conclusão …………………………………………………………..10 8. Respostas às perguntas extra- laboratoriais ………………...……11 9. Bibliografia / Netografia …. ………………………………..……..13 10. Anexos …………………………………………………………..…..14 2 1. Introdução Em muitas situações, para identificar a concentração de certas soluções, (soluções não padronizadas), recorre-se a outras soluções de concentração conhecida, realizando-se uma titulação. Existem, vários tipos de volumetria, tais como a volumetria de neutralização, a volumetria de precipitação e a volumetria de complexação. Neste trabalho, vamos recorrer à última mencionada. A volumetria de complexação, ou titulação complexométrica, envolve a formação de complexos que são estáveis e que quantificam os diferentes iões metálicos em solução. Estes formam-se através da titulação da solução a ser identificada com uma solução titulante (agente complexante), em que um ião metálico reage com um agente ligante. Um complexo é formado por um ião ou átomo central rodeado por outros iões ou moléculas (ligandos) com capacidade para lhes doar pares de eletrões (são bases de Lewis), formando ligações covalentes dativas. A maioria das titulações complexométricas fazem-se utilizando ligandos polidentados. O EDTA, ácido etilenodiaminotetracético, é um dos agentes complexantes mais usados em Química Analítica. Este é formado por quatro grupos carboxilo e dois grupos amina que vão doar pares de eletrões. Deste modo, é um ligante hexadentado, uma vez que pode ceder 6 pares de eletrões, formando 6 ligações com o catião metálico. A estequiometria dos seus complexos é de 1:1 com os catiões dos metais da Tabela Periódica, tendo constantes de formação muito elevadas. O EDTA é, ainda, considerado um ácido fraco e, por essa razão, encontra-se ionizado sob a forma de 7 espécies diferentes (depende do valor de pH em que se encontra). Ou seja, se soubermos o pH da solução também conseguimos descobrir a espécie que está presente. No entanto, os complexos são sempre iguais e são constituídos por EDTA na sua forma desprotonada (Y4-), mesmo que a solução contenha outras formas de EDTA. Na presença da forma desprotonada, os protões presentes na solução e o catião metálico vão competir para se ligarem ao EDTA, sendo que quanto maior o pH mais catiões estarão ligados a este agente complexante. Quando o pH é inferior a 10, a quantidade de EDTA desprotonado será muito baixa (grande parte dos protões vão ligar-se) e os catiões não conseguirão estabelecer ligação. 3 2. Objetivos Este trabalho laboratorial tem como objetivos determinar o teor em cálcio numa amostra de leite, por complexometria, dar a entender os princípios da titulação de complexação, compreender a formação do ião complexo e reconhecer a espécie ativa do EDTA. 3. Fundamentação teórica A experiência que está a ser abordada permitirá calcular a concentração dos iões cálcio na amostra. Para isso, tal como já foi referido anteriormente, é necessário que o EDTA se encontre na sua forma desprotonada, ou seja, a solução tem de se encontrar a valores elevados de pH (𝑝𝐻 > 12), e assim os complexos formados sejam mais estáveis. Os catiões envolvidos (presentes no leite) são 𝑁𝑎+, 𝐾+, 𝐶𝑎2+ e 𝑀𝑔2+, sendo os dois últimos os únicos que têm afinidade com o EDTA. A reação de complexação para um ião metálico, 𝑀𝑛+, é: 𝑀𝑛+ + 𝑌4− ⇋ 𝑀𝑌𝑛−4 a sua constante de formação é: 𝐾𝑀𝑌 = [𝑀𝑌𝑛−4] [𝑀𝑛+] [𝑌−4] Neste caso, a reação com os iões magnésio ou cálcio será: M2+ + Y4- → MY2-. A reação tem de ocorrer a 𝐾𝑓 ≈ 10 8para que a reação de complexação seja completa. Se o valor da constante de formação for inferior, o pH será mais baixo, e nem todo o EDTA estará desprotonado, ou seja, parte dos catiões não estarão ligados a este agente complexante. Podemos também usar constantes de formação condicionais, que apenas são influenciadas pelo valor de pH usado e que relacionam a constante de formação com a quantidade de EDTA completamente desprotonado: 𝐾𝑀𝑌 ´ = [𝑀𝑌𝑛−4] [𝑀𝑛+] [𝐸𝐷𝑇𝐴] 4 Um aspeto importante é que o leite contém iões cálcio e magnésio, que sofrem precipitação a pH=10, um obstáculo que tem de ser ultrapassado com a realização de uma titulação de retorno, em vez da titulação direta. Titulação direta: o titulante reage com o titulado completamente. Titulação de retorno: é adicionado à amostra um excesso conhecido de reagente e o segundo reagente adicionado é responsável por titular o primeiro. Esta titulação é usada quando o ponto atingido na titulação direta não é compatível com a reação que está a ocorrer, ou quando a quantidade usada em excesso do primeiro reagente é necessária para que a reação seja completa. Neste caso, o EDTA vai ser o reagente auxiliar e vai complexar os iões 𝐶𝑎2+ e 𝑀𝑔2+ da amostra de leite. Em seguida, adiciona-se o padrão de cálcio para titular o EDTA em excesso. Relativamente ao EDTA, é de salientar que, por se tratar de um agente primário, não necessita de ser padronizado para se proceder à sua utilização. 5 4. Resultados Expressões matemáticas Grupo Volume gasto (mL) Ca2+ (mg/100mL) Teor Ca2+ (%) 1 8,65 147 122,5 * 2 11,07 98,6 82,17 3 9,8 123,2 102,6 4 10,13 117,4 97,83 5 9,88 122,4 102 6 9,67 121,6 101,3 Média (a)9,87 (b)121,7 (c)101,4 Desvio padrão (d)1,23 (e)24,44 Intervalo de confiança (95%) (f)]6,80; 12,94[ (g) ]60,72; 182,68[ Tabela 1 - Tabela dos resultados obtidos. *este grupo só executou 2 ensaios 6 5. Cálculos Médias (a) V gasto = (8,65+11,07+9,8+10,13+9,88+9,67) 6 = 9,87 mL (b) Ca2+ = (147+98,6+123,2+117,4+122,4+121,6) 6 = 121,7 mg/100mL (c) Ca2+ (teor) = (122,5+82,17+102,6+97,83+102+101,3) 6 = 101,4 % Desvios padrão (d) 𝑠 = √ (8,65−9,87)2+ (11,07−9,87)2 + (9,8−9,87)2 + (10,13−9,87)2 + (9,88−9,87)2 + (9,67−9,87)2 3−1 = 1,23 (e) 𝑠 = √ (147−121,7) 2+ (98,6−121,7)2 + (123,2−121,7)2 + (117,4−121,7)2 + (122,4−121,7)2 +(121,6−121,7)2 3−1 = 24,44 Intervalos de confiança (f) ]9,87 − 4,3217 1,23 √3 , 9,87 + 4,3217 1,23 √3 [ = ]6,80; 12,94[ (g) ]121,7 − 4,3217 24,44 √3 , 121,7 + 4,3217 24,44 √3 [ = ]60,72; 182,68[ Valor consultado na tabela t de Student, figura 1 em anexo, (linha 0,05 pois o intervalo tem uma confiança de 95 % ficando com uma margem de erro de 5%, e coluna 2 pois são 2 graus de liberdade) Determinação da concentração de iões cálcio, em mg / 100mL. Grupo 2 n (EDTA total) = n (EDTA que reage com Ca2+ do leite) + n (EDTA em excesso que é titulado com o padrão de Ca) 1º) n (EDTA total) = [EDTA] x V(EDTA) = 0,040 x 0,010 = 4 x 10-4 mol 2º) n (CaCO3) = [padrão de Ca] x V (CaCO3) = 0,0250 x 0,01107 = 2,7675 x 10-4 mol Rótulo: [Ca2+] na amostra = = 120 mg /100 mL MM(Ca) = 40 g/mol [padrão Ca] = 0,025 M [EDTA] = 0,040 M Volume gasto (média dos 3 ensaios de valores 11,2; 11,2 e 10,8) 7 Dado que a estequiometria é 1:1, no ponto de equivalência: n (EDTA) = n (CaCO3) 3º) n (EDTA que reage com o Ca2+ do leite)= n (EDTA total) - n (EDTA em excesso que é titulado com o padrão de Ca) = 4 x 10-4 – 2,7675 x 10-4 = 1,2325 x 10-4 mol 4º) n = m MM ⇔ m= n x MM ⇔ m = 1,2325 x 10-4 x 40 = 4,93 x 10-3 g Ca2+ (em 5 mL de leite) 5º) Tendo a massa de Ca2+ presente nos 5 mL de leite é possível calcular a massa deste em 100 mL de leite 4,93 x 10-3 g Ca2+__________________ 5 mL x g Ca2+ __________________ 100 mL Logo x = 0,0986 g Ca2+= 98,6 mg Ca2+ 6º) Teor Ca2+ (%) = m (Ca2+) m total x 100 = 98,6 120 x 100 = 82,17 % 8 6. Discussão dos resultados Ao analisar os resultados obtidos, constantes da tabela 1, verifica-se que os volumes gastos de titulante EDTA, por cada grupo de trabalho, diferem significativamente, relativamente aos valores teóricos (entre 10-12 mL). Em consequência disso, os cálculos subsequentes ([𝐶𝑎2+] e teor de cálcio) foram influenciados o que permite identificar a ocorrência de erros, de carácter aleatório e/ou sistemático, durante a realização do procedimento. O pH (deve estar compreendido entre 12 e 13) é importante para a observação da cor do indicador livre e foi um forte influenciador dos resultados. Este foi avaliado visualmente através de uma fita indicadora de pH, o que por si só já é uma medição duvidosa. Se os valores de pH foram superiores ou muito próximos de 13 pode ter acontecido a precipitação de alguma quantidade indesejada de iões cálcio, o que contribuiu erradamente nos cálculos finais (teor baixo – provável erro cometido pelos grupos 2 e 4). Pelo mesmo raciocínio, se os valores de pH foram inferiores a 12, tal não permitiu a precipitação total dos iões magnésio, aumentando o teor em percentagem de iões (provável erro cometido pelos grupos 1,3,5 e 6). Outro possível erro pode ter surgido no decorrer da titulação, mais concretamente na deteção visual do ponto final. Mesmo fazendo uso de um controlo, a visualização da mudança de cor do indicador Murexida é difícil/desafiador de perceber dado que a perceção da mudança de cor é pouco nítida, o que poderá ter conduzido a um gasto excessivo, dispensável e incorreto de volume de titulante. Facilmente, o ponto de viragem é atingido ou ultrapassado. Caso o término da adição de titulante tenha sido precoce, tal conduta levou a que o ponto de viragem não tenha sido alcançado e, deste modo, não foram descobertos tantos iões cálcio quanto o pretendido, havendo uma minoração da sua concentração e teor final. Por outro lado, a “condição” do indicador Murexida também pode ter influenciado o volume de EDTA gasto. Ao ter sido feita a extração da solução de indicador do fundo do recipiente, fazendo uso de conta-gotas, a mesma pode ter arrastado consigo partículas indevidas que se encontravam depositadas no fundo do recipiente, o que tornou a solução mais saturada e forçou a adição de um volume de titulante em excesso. 9 Os erros cometidos, tais como erros de paralaxe, a incorreta medição de volumes, a má calibração dos aparelhos de medição e ainda os erros praticados pelos operadores podem, também, ter condicionado a obtenção dos resultados finais. A concentração de cálcio no leite vem indicada no rótulo da maioria dos pacotes de leite e ronda os 120 mg/100 mL (valor teórico) o que corresponde a uma concentração de cerca de 0,025 M. Pela análise dos teores de cálcio obtidos e dos volumes de EDTA gastos, verifica-se que, para volumes relativamente elevados (em comparação com o valor teórico, 10 mL), os valores de cálcio obtidos experimentalmente apresentam-se significativamente baixos, comparativamente aos rotulados (120 mg). Pelo anteriormente descrito, o teor de cálcio diminui à medida que aumenta o volume de titulante, ou seja, o volume gasto varia inversamente com a concentração de cálcio obtida. Comparando os valores obtidos, pelos seis grupos de trabalho, com os tabelados referentes à concentração de iões Ca2+, constata-se que o grupo 4 foi o que mais se aproximou do valor teórico, seguido dos grupos 6, 5,3,2 e 1, sendo, este último, o mais discrepante. Assim, acredita-se que, numa análise global, a atividade laboratorial ocorreu com pouca precisão (concordância de valores obtidos entre grupos) e exatidão (concordância dos resultados com os valores teóricos). De realçar que, o grupo 1 apresenta valores relativamente acima da média (desvalorizando os erros referidos anteriormente), por apresentar resultados finais com base em apenas dois ensaios e não em três, não podendo ser usado em igual circunstância para conclusões estatísticas fiáveis. 10 7. Conclusão A complexometria (volumetria de complexação – aplicação do equilíbrio de complexação) foi descrita pela primeira vez em 1946, quando a titulação de cálcio e magnésio com EDTA (ácido etilenodiaminotetracético) foi relatada e a “murexida” foi empregada como o primeiro indicador metalocrómico. Na determinação de cálcio em suplementos, no caso concreto desta prática laboratorial, o EDTA foi usado como titulante que complexa os iões 𝐶𝑎2+ presentes no leite. Como a solução de EDTA e o complexo formado com o cálcio não são coloridos, o ponto final da titulação foi detetado visualmente adicionando um indicador metalocrómico, a Murexida, à amostra a ser analisada. A mudança de cor ocorre quando o indicador passa da sua forma complexada (coloração púrpura) para a forma livre (não complexada), que apresenta coloração rosa. A mudança de cor sinaliza o ponto final, pois ocorre quando o EDTA, depois de complexar todos os iões 𝐶𝑎2+não ligados, remove o ião 𝐶𝑎2+ ligado ao indicador. A remoção é possível apenas porque o EDTA complexa o 𝐶𝑎2+ mais fortemente do que o indicador. A seleção dos iões metálicos titulados pelo EDTA, bem como o equilíbrio, são influenciados pelo 𝑝𝐻 da solução, pelo que o seu valor deve ser previamente determinado. A realização desta prática laboratorial envolveu a formação de um complexo suficientemente estável (em condições adequadas, as reações são praticamente completas e instantâneas) entre um ião metálico, 𝐶𝑎2+, e um agente complexante, EDTA. A técnica de titulação complexométrica com EDTA é apta à determinação quantitativa de iões cálcio em soluções aquosas, contudo, na análise de uma amostra de leite, existem outras espécies químicas de caráter orgânico e inorgânico que podem influenciar negativamente a sua determinação. Os vários tipos de erros experimentais, já relatados anteriormente, também contribuíram para a obtenção dos resultados atrás apresentados e discrepantes entre os vários grupos de trabalho. Para colmatar e eliminar essas interferências, por vezes, é necessário adicionar à solução titulada agentes marcadores, ou ainda adicionar um agente complexante auxiliar de modo a impedir/minimizar a precipitação do metal na forma de seu hidróxido. Apesar das várias limitações e erros cometidos, consideramos ter sido capazes de entender os objetivos supostamente pretendidos e os conceitos científicos subjacentes. 11 8. Respostas às perguntas extra- laboratoriais 1. Determinação da concentração de iões cálcio, em mg / 100mL. A resposta a esta questão encontra-se no ponto 5. Cálculos, deste trabalho 2. Explique o porquê do pH da titulação do cálcio não pode ser inferior a 12. Para determinar a concentração dos iões metálicos cálcio e magnésio recorre-se a uma titulação de complexação. O EDTA é um agente complexante titulante que se combina com os iões metálicos na proporção de 1:1, formando quelatos com catiões metálicos, estáveis para titulações. 𝑀2+ + 𝑌4− → 𝑀𝑌2−(𝑛−4) Ião metálico ligante ião complexo/quelato O valor de pH do meio pode ser usado para selecionar quemetais serão titulados e que metais não serão titulados pelo EDTA, como mostra a figura 2, em anexo. Muitos metais podem ser titulados em valores de pH mais baixos, porque possuem constantes elevadas. Contudo, a reação de complexação com EDTA é mais completa para valores de pH acima de 10 (pH alcalino), no qual a maior parte dele está na forma livre (espécie ativa), formando ligações mais estáveis. Dado que o objetivo é determinar o teor de cálcio na amostra de leite em questão, é necessário efetuar a precipitação dos iões 𝑀𝑔2+ para ter a certeza que este não forma complexos com o EDTA. A reação de precipitação de iões 𝑀𝑔2+, na forma de 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2, só ocorre para valores de 𝑝𝐻 compreendidos entre 12 e 13, e a dos iões 𝐶𝑎2+ para valores acima de 13. Assim, para garantir que ocorra a ligação do EDTA aos iões cálcio, e consequente precipitação dos iões magnésio, torna-se fundamental o controlo do pH. 3. Explique como é que ocorre a deteção do ponto final na titulação realizada. O ponto final de uma qualquer titulação pode ser determinado através da análise da curva de titulação ou pelo uso de um indicador. 12 A técnica mais comum para determinar o ponto final em titulações com EDTA (volumetria por complexação) é usar um indicador para iões metálicos (indicadores metalocrómicos) que exiba cores distintas, na forma complexada e na forma livre. Os indicadores são usados para formar um complexo fortemente colorido com o ião metálico (analito): 𝑀 + 𝐼𝑛𝑑 ↔ 𝑀𝐼𝑛𝑑 (as cargas foram omitidas para melhor clareza) Isso é responsável pela mudança de cor que sinaliza o fim da titulação (ponto final). No presente trabalho foi usado o indicador Murexida. 𝐶𝑎2+(𝑎𝑞) + 𝐻2𝐼𝑛𝑑 3−(𝑎𝑞) ↔ 𝐶𝑎𝐻2𝐼𝑛𝑑 −(𝑎𝑞) púrpura rosa De notar que, para que esta reação ocorra, o complexo metal-titulante deve ser mais estável (constante de complexação maior) do que o complexo metal-indicador. 13 9. Bibliografia /Netografia • J.Mendhan, R. C. Denney, J.D. Barnes, M. J. K. Thomas, R. C. Denney, M. J. K. Thomas, Vogel`s Quantitative Chemical Analysis, 6th ed., Prentice, London, 2000. • D. A. Skoog and D. M. West, Fundamentals of Analytical Chesmistry, 9th ed., Thomson Pioneira, 2014. • D. C. Harris, Quantitative Chemical Analysis, 9th ed., Freeman, New York, 2015. • https://cesad.ufs.br/ORBI/public/uploadCatalago/15132711102012Quimica_Analitica_II_Aul a_8.pdf< • https://pt.slideshare.net/dhionmeygfernandes/relatrio-volumetria-de-complexao- determinao-de-dureza-da-gua • https://www.google.com/search?q=Tabela+distribui%C3%A7%C3%A3o+t+de+student&tbm =isch&ved=2ahUKEwiqvIiz4aH-AhXvkicCHfjOBp4Q2- cCegQIABAA&oq=Tabela+distribui%C3%A7%C3%A3o+t+de+student • https://www.google.com/search?q=Valores+de+pH+m%C3%ADnimos+para+a+titula%C3%A 7%C3%A3o+de+v%C3%A1rios+i%C3%B5es+met%C3%A1licos+com+EDTA • https://www.wikiwand.com/pt/Murexida • https://pt.wikipedia.org/wiki/EDTA) https://cesad.ufs.br/ORBI/public/uploadCatalago/15132711102012Quimica_Analitica_II_Aula_8.pdf%3c https://cesad.ufs.br/ORBI/public/uploadCatalago/15132711102012Quimica_Analitica_II_Aula_8.pdf%3c https://pt.slideshare.net/dhionmeygfernandes/relatrio-volumetria-de-complexao-determinao-de-dureza-da-gua https://pt.slideshare.net/dhionmeygfernandes/relatrio-volumetria-de-complexao-determinao-de-dureza-da-gua https://www.google.com/search?q=Tabela+distribui%C3%A7%C3%A3o+t+de+student&tbm=isch&ved=2ahUKEwiqvIiz4aH-AhXvkicCHfjOBp4Q2-cCegQIABAA&oq=Tabela+distribui%C3%A7%C3%A3o+t+de+student https://www.google.com/search?q=Tabela+distribui%C3%A7%C3%A3o+t+de+student&tbm=isch&ved=2ahUKEwiqvIiz4aH-AhXvkicCHfjOBp4Q2-cCegQIABAA&oq=Tabela+distribui%C3%A7%C3%A3o+t+de+student https://www.google.com/search?q=Tabela+distribui%C3%A7%C3%A3o+t+de+student&tbm=isch&ved=2ahUKEwiqvIiz4aH-AhXvkicCHfjOBp4Q2-cCegQIABAA&oq=Tabela+distribui%C3%A7%C3%A3o+t+de+student https://www.google.com/search?q=Valores+de+pH+m%C3%ADnimos+para+a+titula%C3%A7%C3%A3o+de+v%C3%A1rios+i%C3%B5es+met%C3%A1licos+com+EDTA https://www.google.com/search?q=Valores+de+pH+m%C3%ADnimos+para+a+titula%C3%A7%C3%A3o+de+v%C3%A1rios+i%C3%B5es+met%C3%A1licos+com+EDTA https://www.wikiwand.com/pt/Murexida https://pt.wikipedia.org/wiki/EDTA 14 10. Anexos Figura 1 – Distribuição t de Student (Extraído do livro “Curso de Estatística” Jairo Simon da Fonseca & Gilberto de Andrade Martins - Editora Atlas) Figura 2 - Valores de pH mínimos para a titulação de vários iões metálicos com EDTA. 15 Figura 3 - Murexida (ou purpurato de amónio, sal de amónio do ácido purpúrico). Figura 4 - EDTA (ou ácido etilenodiaminotetracético). Algumas propriedades Fórmula molecular C8H8N6O6 Massa molar 284,19 g/mol Alguns riscos associados Frases R R20 R21 R22 Algumas propriedades Fórmula molecular C10H16N2O8 Massa molar 292,2 g mol-1 Densidade 0,86 g/cm3 Ponto de fusão 237–245 °C Alguns riscos associados Irritante Frases R R36 Frases S S26 https://www.wikiwand.com/pt/F%C3%B3rmula_qu%C3%ADmica https://www.wikiwand.com/pt/Massa_molar https://www.wikiwand.com/pt/Frases_de_risco https://www.wikiwand.com/pt/Frases_de_risco https://www.wikiwand.com/pt/Frases_de_risco https://www.wikiwand.com/pt/Frases_de_risco https://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3rmula_qu%C3%ADmica https://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_molar https://pt.wikipedia.org/wiki/Densidade https://pt.wikipedia.org/wiki/Ponto_de_fus%C3%A3o https://pt.wikipedia.org/wiki/Frases_de_risco https://pt.wikipedia.org/wiki/Frases_de_risco https://pt.wikipedia.org/wiki/Frases_de_seguran%C3%A7a https://pt.wikipedia.org/wiki/Frases_de_seguran%C3%A7a 16 Procedimento experimental I. Num erlenmeyer, introduza 5,0 mL de leite, 10,0 mL de EDTA 0,04 M e 1,0 mL de NaOH 1M. II. Com o papel indicador universal verifique que o pH da solução se situa entre 12 e 13 (se a quantidade de NaOH não for suficiente, adicionar mais um pouco, sendo que um valor de pH superior a 13 leva, também, à precipitação do cálcio). III. Agite o erlenmeyer durante cerca de 2 minutos para precipitar o Mg(OH)2. IV. Adicione 3 gotas de solução de murexida (indicador). A solução deverá ficar púrpura. Titule com solução padrão de ião cálcio 0,0250 M, até mudança de cor para rosa. V. Repita a titulação até obter uma concordância de 3 volumes de solução de titulante com amplitude de variação inferior a 0,5 mL.