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PROF. CARLOS EMANUEL QUÍMICA - UECE QUÍMICA ANALÍTICA II G R A V I M E T R I A (ANÁLISE GRAVIMÉTRICA) G R A V I M E T R I A 1. Introdução 2. Análise Gravimétrica por Precipitação Capítulo 8 – Métodos Gravimétricos • O constituinte desejado (analito) é separado da amostra em uma forma pura, com composição química bem definida, que é então pesado. Também pode ser realizada através da perda de peso que ocorre pela evaporação ou volatilização do composto separado dos interferentes. • Grande parte das determinações gravimétricas refere-se à transformação do analito em um composto estável e puro que possa ser convertido numa forma apropriada para a pesagem. 1. Introdução G R A V I M E T R I A G R A V I M E T R I A separação CONSTITUINTE DESEJADO COMPOSIÇÃO QUÍM. BEM DEFINIDA AMOSTRA Processo analítico gravimétrico Balança de precisão G R A V I M E T R I A Balança de precisão que deve ser exata, estável e sensível Capacidade: 320 g Precisão: ± 0,001 g Balança Semianalítica Balanças Analíticas Capacidade: 220 g Precisão: ± 0,0001 g Capacidade: 160 g Precisão: ± 0,00001 g G R A V I M E T R I A Capacidade: 22 g Precisão: ± 0,000001 g Balança Microanalítica Balança Ultramicroanalítica Capacidade: 2,2 g Precisão: ± 0,0000001 g G R A V I M E T R I A Para sucessivas pesagens, numa mesma análise, usar sempre a mesma balança; As mãos do operador devem estar limpas e secas As portas laterais devem ser mantidas fechadas; .Nunca pegar diretamente com os dedos o objeto que vai pesar; O recipiente e/ou substância que vão ser pesados devem estar em equilíbrio térmico com o ambiente CUIDADOS GERAIS COM A PESAGEM G R A V I M E T R I A VANTAGENS DESVANTAGENS -TÉCNICA PRECISA E EXATA - FÁCIL CONTROLE DE POSSÍVEIS ERROS - MÉTODO ABSOLUTO (MED. DIRETA) - BAIXO CUSTO - BAIXA FREQUENCIA ANALÍTICA - BAIXA SENSIBILIDADE • Os filtrados podem ser ensaiados para verificar se a precipitação foi completa • Os precipitados podem ser examinados em busca de presença de impurezas • Não há necessidade de calibração G R A V I M E T R I A • Eletrogravimetria • Gravimetria por volatilização • Termogravimetria • Gravimetria por precipitação Classificação dos Métodos Gravimétricos G R A V I M E T R I A Eletrogravimetria O eletrodo é pesado previamente e após a deposição. A diferença de massa corresponde à massa do analito depositado. Ex: Oxidação de Pb2+ e sua deposição como PbO2 no anodo de Pt Caracteriza-se pela deposição eletrolítica do analito em um eletrodo por ação de uma corrente elétrica. G R A V I M E T R I A Gravimetria por volatilização No método direto, o produto é pesado e sua massa é relacionada à concentração do analito. No indireto, o analito é quantificado pela perda de massa da amostra O Analito é convertido em um composto volátil, gás ou vapor de composição química conhecida G R A V I M E T R I A Consiste no monitoramento da variação da massa da amostra enquanto a mesma é aquecida em fnção da temperatura programada. Durante o aquecimento podem ocorrer transformações, tais como decomposição, desidratação e oxidação do analito. Termogravimetria • Compostos orgânicos: os produtos gerados por combustão apresentam composição conhecida: CO2, H2O e N2. • Compostos inorgânicos: a identificação dos produtos de volatilização depende da temperatura na qual a decomposição foi conduzida. G R A V I M E T R I A Termogravimetria A perda de massa volátil em uma decomposição térmica é indicada por uma etapa em um termograma Termograma para CaC2O4 H2O G R A V I M E T R I A 2. Análise Gravimétrica por Precipitação PRECIPITAÇÃO DIGESTÃO FILTRAÇÃO LAVAGEM PESAGEM RESFRIAMENTO DESSECAÇÃO / CALCINAÇÃO G R A V I M E T R I A Na etapa de secagem, o precipitado gravimétrico é aquecido até que sua massa seja constante • O aquecimento remove o solvente e qualquer espécie volátil arrastada com o precipitado • Alguns precipitados também são calcinados para a decomposição do sólido em um composto de composição conhecida. G R A V I M E T R I A 2.1. Solubilidade e Constante do Produto de Solubilidade Nos métodos gravimétricos, a solução na qual a precipitação foi efetuada contém o precipitado em contato com seus íons, ou seja, a solução está saturada da substância precipitada. Esse sistema constituído pela solução saturada do eletrólito pouco solúvel em contato com a fase sólida é um sistema em equilíbrio químico G R A V I M E T R I A 2.2. Propriedades dos Precipitados Ter um valor de Kps baixo, para que a precipitação seja quantitativa, as perdas por solubilidade devem ser mínimas Ser puro e de composição química conhecida Ser facilmente filtrado e lavado: essa propriedade é função do tamanho, da forma e das cargas das partículas. Ser obtido numa forma adequada de pesagem ou então ser facilmente transformado numa conveniente forma de pesagem. Na Gravimetria o precipitado deve: • • • • G R A V I M E T R I A Forma de pesagem deve apresentar as seguintes características: Ter composição química bem definida, pois sua massa é utilizada na determinação da composição percentual da amostra e na concentração do analito; Ser termicamente estável durante o processo de dessecação ou de calcinação; O resíduo seco ou calcinado deve ser estável ao ar: não deve reagir ao ar e nem ser higroscópico Deve ter massa molar relativamente elevada para que os erros de pesagem sejam mínimos • • • • Os precipitados constituídos por partículas grandes são desejáveis nos procedimentos gravimétricos porque essas partículas são fáceis de filtrar e de lavar visando à remoção de impurezas, além de serem mais puros que aqueles formados por partículas pequenas. Vários tipos de precipitados, que se distinguem, principalmente, quanto ao tamanho das partículas, podem se obtidos na análise gravimétrica. O tamanho das partículas é uma característica muito importante, pois dele depende em grande parte, a qualidade do precipitado quanto a filtrabilidade. G R A V I M E T R I A 2.3. Tipos de Precipitados G R A V I M E T R I A 2.3. Tipos de Precipitados Coloidais (grumosos ou coagulados e gelatinosos) Pequeno tamanho de partícula (0,01–0,1 µm) Precipitação na presença de um eletrólito coagulação do precipitado (formação de aglomerados de maior massa) Cristalinos e finamente cristalinos Maior tamanho de partícula (0,1–1,0 µm) Maior grau de pureza Melhor filtrabilidade G R A V I M E T R I A Cristalinos Fácil NH4MgPO46H2O, KClO4 e K2PtCl6 Tipo de Precipitado Grumosos Intermediário Haletos de Ag,haletos de Pb Pulverulento Fácil BaSO4 CaC2O4 Gelatinosos Difícil Fe2O 3 x H2O Bi(OH)3 Filtração Exemplos 2.3. Tipos de Precipitados G R A V I M E T R I A a) Precipitados Cristalinos São os mais favoráveis para fins gravimétricos As partículas do precipitado são cristais individuais bem desenvolvidos Partículas densas e sedimentam rapidamente Em geral, não são contaminados por adsorção G R A V I M E T R I A b) Precipitados Pulverulentos (Finamente Cristalinos) Consiste em agregados de diminutos cristais individuais. São densos e sedimentam rapidamente. Às vezes, oferece dificuldade a filtração, pois a presença de pequenos cristais obriga o uso de filtros de textura densae lentos. Ex: BaSO4 e CaC2O4. G R A V I M E T R I A c) Precipitados Grumosos Resultam da floculação de coloides hidrófobos. São bastante densos, pois eles arrastam pouca água. Iodeto de prata A floculação pode ser efetuada por adição de eletrólitos, aquecimento e agitação. Os agregados de partículas coloidais são facilmente retidos pelos meios filtrantes usuais. G R A V I M E T R I A d) Precipitados Gelatinosos Resultam da floculação de coloides hidrófilos. São volumosos, têm a consistência de flocos Arrastam quantidades consideráveis de água Oferecem dificuldades à filtração e à lavagem G R A V I M E T R I A 2.4. Influência das Condições de Precipitação • Solubilidade do precipitado S • Temperatura, • Concentração das espécies reagentes • Taxa de adição do agente precipitante. Esses fatores podem ser controlados experimentalmente e estão relacionados à supersaturação relativa (SR). Condições experimentais que influenciam o tamanho das partículas A precipitação é um processo cinético, e o controle da velocidade de formação e de outras condições, em certa extensão, permite conduzir a precipitação de maneira a separar a fase sólida desejada com as melhores características físicas possíveis. G R A V I M E T R I A 2.5. Mecanismo da Formação do Precipitado Em 1925, Von Weimarn observou a dependência do tamanho do cristal com o grau de supersaturação relativa (SR), estabelecendo empiricamente a seguinte equação: Peter P. Von Weimarn (1879-1935) SR = Q – S Sonde Q = concentração do soluto no momento de adição do agente precipitante; S = solubilidade do precipitado na solução saturada Q – S = supersaturação, isto é, a concentração do soluto em excesso em relação à concentração da solução saturada G R A V I M E T R I A Equilíbrios heterogêneos Resumidos Em 3 etapas: Supersaturação Nucleação Aglomeração de moléculas na fase sólida Situação instável em que a quantidade instantânea da espécie pouco solúvel na fase aquosa (Q) é maior do que a quantidade no equilíbrio de solubilidade (S). 2.5. Mecanismo da Formação do Precipitado Crescimento das partículas Nucleação G R A V I M E T R I A Alguns íons (ou moléculas) juntam-se aleatoriamente formando pequenos agregados (nucleação homogênea). Os núcleos são instáveis e crescem até atingirem o tamanho de partículas coloidais Estes núcleos também podem ser formados sobre a superfície de um sólido contaminante suspenso, como partículas de sujeira (nucleação heterogênea) Crescimento das partículas G R A V I M E T R I A Envolve a adição de mais moléculas ao núcleo de cristalização para formar um cristal. A precipitação adicional envolve uma competição entre a nucleação adicional e o crescimento dos núcleos existentes: - Se a nucleação predomina, obtém-se uma grande quantidade de partículas pequenas; - Se o crescimento da partícula predomina: um pequeno número de partículas grandes é produzido. G R A V I M E T R I A SR pode ser usada para estimar e controlar o tipo de precipitado que é formado (inclusive o tamanho dos cristais) SR : Nucleação / ppt coloidal SR : crescimento de partícula / ppt cristalino G R A V I M E T R I A Influência das Condições de Precipitação Em uma solução menos supersaturada, a nucleação é mais lenta e o núcleo formado tem mais chance de crescer, obtendo- se partículas maiores e mais adequadas para a análise gravimétrica. Portanto: Solução muito supersaturada: menor será o tamanho da partícula; Solução menos supersaturada: maior será o tamanho da partícula Em uma solução muito supersaturada, a nucleação ocorre mais rapidamente do que o crescimento da partícula formando uma suspensão de partículas pequenas ou uma dispersão coloidal. G R A V I M E T R I A Controle experimental do tamanho das partículas As variáveis experimentais que influenciam o tamanho das partículas do precipitado são: temperatura, concentração dos reagentes e taxa com que os reagentes são misturados. Elevação da temperatura aumenta a solubilidade. Consequentemente, diminuir a supersaturação: SR = (Q – S) S Favorece o crescimento dos cristais: a) G R A V I M E T R I A Manter grande o volume de solução para que as concentrações do analito e reagente precipitante sejam baixas (uso de soluções diluídas). SR = (Q – S) S Favorece o crescimento dos cristais... b) Adição lenta do reagente precipitante, com agitação intensa, para evitar uma condição local de muita supersaturação, principalmente se a solubilidade for pequena. c) Quando a solubilidade for grande, há maior chance de se obter um precipitado cristalino G R A V I M E T R I A As partículas coloidais não são retidas por meios filtrantes comuns. O movimento browniano impede a sedimentação das partículas por ação gravitacional. As partículas podem ser coaguladas ou aglomeradas, resultando em agregados que podem ser filtrados e sedimentados. Os coloides são misturas heterogêneas de pelo menos duas fases distintas: a fase dispersa e o meio de dispersão. A fase dispersa encontra-se sob a forma finamente dividida e misturada com o meio de dispersão 2.6. Precipitados Coloidais G R A V I M E T R I A As forças repulsivas surgem quando cátions (ou ânions) são adsorvidos à superfície das partículas formando uma dupla camada elétrica: Camada de adsorção primária Camada de adsorção secundária Ex: Cl– precipitado como AgCl pela adição de excesso de AgNO3 - A camada adsorvida (primeira camada de adsorção) contém um excesso do íon comum do precipitado que predomina na solução - A camada do contra íon (segunda camada de adsorção) contém um excesso de íons de cargas opostas para manter a neutralidade elétrica da solução. G R A V I M E T R I A Perdas na Precipitação Coloidal Parte significativa do precipitado coloidal tende a sofrer PEPTIZAÇÃO, que é o processo pelo qual o coloide coagulado retorna ao estado original disperso A peptização ocorre durante a lavagem do precipitado. Parte do eletrólito constituinte da partícula coloidal é lixiviada com a água de lavagem G R A V I M E T R I A Isto pode ser obtido por um processo chamado coagulação Coagulação (aglomeração) do Precipitado Coloidal As suspensões coloidais podem ser utilizadas para análise gravimétrica desde que suas partículas sejam convertidas em uma massa amorfa que possa ser filtrada Para coagularem, as partículas precisam se colidir mas as atmosferas iônicas das partículas coloidais (camada do contra-íon), carregadas negativamente, repelem-se entre si. Coagulação pode ocorrer por: Aquecimento e/ou Agitação e/ou Adição de eletrólito. Precipitação na Presença de um Eletrólito Veja a precipitação de AgCl na presença de HNO3 0,1 mol/L A superfície do núcleo tem excesso de carga positiva devido à adsorção de Ag+ ao Cl– exposto. A superfície da camada primária carregada positivamente atrai ânions e repele cátions Coagulação do ppt G R A V I M E T R I A G R A V I M E T R I A Um agente precipitante gravimétrico deve reagir especificamente, ou pelo menos seletivamente com o analito. Agentes Precipitantes Reagentes Específicos Reagentes Seletivos São raros Reagem apenas com uma única espécie química Dimetilglioxima Específico para Ni2+ em meio básico São mais comuns Reagem com um número limitado de espécies AgNO3 Precipita em meio ácido: Cl–, Br–, I–, SCN– G R A V I M E T R I A Alguns Precipitantes Inorgânicos G RA V I M E T R I A Alguns Precipitantes Inorgânicos G R A V I M E T R I A Maior seletividade Vantagem: Dimetilglioxima Agentes Precipitantes Orgânicos 8-hidroxi-quinoleína G R A V I M E T R I A G R A V I M E T R I A 2.7. Precipitação em Meio Homogêneo Permite a obtenção de precipitados com um teor mínimo de impurezas, meta que pode ser alcançada quando cristais maiores e mais bem definidos são produzidos Em vez de ser adicionado, o agente precipitante é gerado na própria solução por meio de uma reação química lenta A supersaturação relativa (SR) é diminuída porque não há excesso do precipitante, visto que este surge gradualmente. Estas condições eliminam os efeitos indesejáveis de concentração, inevitavelmente associados aos processos convencionais de precipitação. NH2SO3H + H2O NH4 + + SO4 = + H+ Ba2+ BaSO4 Ex: Ácido sulfanílico gera sulfato gradualmente em meio aquoso, o qual é útil para precipitar Ba2+ G R A V I M E T R I A Liberação do Agente Precipitante em Meio Homogêneo G R A V I M E T R I A 2.8. Digestão de precipitados A digestão é realizada antes da filtração. O tratamento que consiste em deixar o precipitado em repouso na solução-mãe (soluçao na quial foi realizada a precipitação). Este tratamento promove uma recristalização lenta, que resulta em modificações estruturais irreversíveis: • formação de partículas maiores; • íons melhor arranjados dentro dos cristais; • diminuição da adsorção superficial e inclusão de impurezas O tempo pode variar de minutos a horas G R A V I M E T R I A Principais Modificações Estruturais no Precipitado (a) Aperfeiçoamento de Cristais As imperfeições dos cristais tendem a desaparecer e as impurezas tendem a passar para a solução-mãe, conferindo uma maior pureza ao precipitado. (b) Cimentação das partículas Após o aperfeiçoamento dos cristais, pode ocorrer a deposição de materiais reticulares nos interstícios das partículas aglomeradas. Isso ocorre devido à dissolução das superfícies ativas no processo anterior, então as partículas se depositam nos espaços vazios. G R A V I M E T R I A (c) Maturação de Ostwald Pequenas partículas tendem a se solubilizarem e re- precipitarem na superfície de cristais maiores, favorecendo uma melhor filtração Principais Modificações Estruturais no Precipitado (d) Transformação de forma metaestável em forma estável Esse fenômeno não é comum e ocorre em virtude de uma rápida recristalização do precipitado Ca2+ + C2O4 2– + x H2O → CaC2O42H2O + CaC2O4H2O CaC2O42H2O + CaC2O4H2O → CaC2O4H2O + H2O digestão G R A V I M E T R I A (e) Transformação química Principais Modificações Estruturais no Precipitado Ocorre sobretudo em cristais amorfos Cujas partículas são muito reativas. A transformação química mais comum é a polimerização. Um exemplo é a transformação lenta de precipitados gelatinosos de Fe(OH)3 em modificações cristalinas menos solúveis e mais estáveis G R A V I M E T R I A 2.9. Contaminação de precipitados • Por Co-precipitação (a) Adsorção Superficial Tendência que os precipitados têm de arrastar outros constituintes da solução no instante em que são formados Minimiza-se pelo procedimento de precipitação lenta Na adsorção, o composto normalmente solúvel é removido da solução sobre a superfície de um coloide coagulado. Ele é adsorvido em um íon de carga oposta oriundo da camada do conrta-íon Um coloide coagulado continua a expor uma grande área superficial G R A V I M E T R I A (b) Oclusão (c) Inclusão A espécie não faz parte da estrutura cristalina, mas é aprisionado no seu interior. Minimiza-se pelo procedimento de precipitação lenta. Ex: H2O em AgCl, BaCl2 em BaSO4 Íon estranho que ocupa o lugar de outro no retículo cristalino do ppt. Pode ser isomórfica quando NÃO causa imperfeições ou distorções no cristal, ou não-isomórfica quando causa. Deve-se recristalizar o precipitado. Ex: MgKPO4 em MgNH4PO4, PbSO4 em BaSO4 2.9. Contaminação de precipitados • Por Co-precipitação G R A V I M E T R I A 2.9. Contaminação de precipitados • Por Pós-precipitação A pós-precipitação ocorre quando uma segunda espécie presente na solução forma um precipitado com o reagente precipitante enquanto o precipitado de interesse está repousando (digestão). Esse fenômeno aumenta com o tempo de digestão. Ex: precipitação de MgC2O4 enquanto CaC2O4 está em repouso MgC2O4 não precipita de imediato porque apresenta uma tendência de formar soluções supersaturadas. Se a solução for deixada em repouso por mais de 1 h, vai pós-precipitar e contaminar CaC2O4 G R A V I M E T R I A Filtração do Precipitado As filtrações podem ser feitas a vácuo ou pela gravidade Verificar a forma correta de filtração, de acordo com o tamanho das partículas formadas. Geralmente pode ser filtro de papel ou vidro sinterizado Transferir primeiro o sobrenadante e por último o sólido, para evitar obstruções e lentidão Os filtros de vidro são classificados de acordo com a porosidade: grosso (retém partículas > 40-60 μm), médio (retém partículas >10-15 μm) e fino (retém partículas > 4-5,5 μm) Os papéis de filtro também apresentam diferentes classificações, sendo chamados de rápidos (retém partículas> 20-25 μm), médio rápidos (retém partículas> 16 μm), médios (retém partículas> 8 μm) e lentos (retém partículas> 2-3 μm). Filtros de papel podem ser qualitativos ou quantitativos. A diferença é que o quantitativo apresenta menos de 0,010% m/m de cinzas e o qualitativo tem um máximo de 0,060% m/m de cinzas. Se for realizada a calcinação, a interferência das cinzas do papel devem ser evitadas. G R A V I M E T R I A Filtração do Precipitado G R A V I M E T R I A Lavagem do Precipitado Ex: para AgCl lavagem pode ser feita com HNO3 e o teste de lavagem completa deve verificar a presença de Ag+ no filtrado com HCl ou NaCl. As impurezas são removidas pela lavagem Muitos precipitados não podem ser lavados com água porque sofrem peptização. Como prevenção adiciona-se um eletrólito à solução de lavagem Quando uma lavagem é feita, deve-se testar se foi completa. Testar filtrado para presença de reagente precipitante. G R A V I M E T R I A O precipitado deve apresentar composição conhecida e estável. Em geral, água incorpora-se ao precipitado gerando uma estequiometria indefinida, e, portanto deve ser removida. Dependendo da situação, pode-se secar ou calcinar o precipitado. Se o precipitado formado já se encontra na forma correta, só é necessário secar para retirar água ou eletrólitos adsorvidos: temperatura de 110-120°C, por 1-2 h A calcinação é realizada para converter o precipitado na forma mais adequada para pesar. Temperatura ~ 900-1000°C Ex1: AgCl • n H2O AgCl (T=110 – 200°C p/ 1-2 h, secagem) Δ Ex2: Fe(HCO2) • n H2O Fe2O3 (T=850°C p/ 1 h, calcinação) Δ Secagem ou Calcinação do Precipitado G R A V I M E T R I A Calcinação pode ser feita em chama ou mufla Cadinho de porcelana ou platina Carbono do papel de filtro ou gases redutores podem reagir mudando o sólido. Ex: Fe2O3 (s) + 3C → 2Fe° + 3CO Deve-se deixar a porta aberta ( no caso da mufla) até queimar todo o papel (condições oxidantes) Secagem ou Calcinação do Precipitado G R A V I M E T R I A Depois do precipitado ter sido seco ou calcinado e ter esfriado em dessecador, o mesmo pode ser pesado com precisão Através da estequiometria da reação de formação do precipitado a partir do íon em solução e da massa resultante, a quantidade do elemento em análise pode ser determinada Geralmente o resultado é expresso em porcentagem Pesagemdo Precipitado G R A V I M E T R I A %P = porcentagem do analito mC = massa do composto pesado mAM = massa da amostra ƒG= fator gravimétrico MManalito = massa molar do analito MMc = massa molar do composto pesado a/b = rãzão estequiométrica entre analito e o composto pesado CÁLCULOS DOS RESULTADOS %P = G 100 mC mAM G= MManalito a MMc b a) REGRA DE TRÊS b) FÓRMULAS G R A V I M E T R I A Ex: Uma massa de 0,5000 g de um composto foi solubilizada e tratada com NH4OH em excesso. Um precipitado foi obtido, que depois de filtrado, lavado e calcinado, pesou 0,4990 g. Calcule a % Fe2O3 e % Fe no composto. Fe3+ + 3 NH4OH Fe(OH)3 + 3 NH4 + 2 Fe(OH)3 Fe2O3 + 3 H2O Δ %Fe2O3= 100 = 99,80 % 0,4990 g 0,5000 g Em Fe2O3: Em Fe: = MManalito a MMc. Pesado b = = 0,7 56 × 2 160 %Fe = 0,7 × 100 = 69,86 % 0,4990 g 0,5000 g G R A V I M E T R I A 2.10. Fatores que afetam a Solubilidade do precipitado • Efeito do Íon comum • Formação de íon complexo • pH • Temperatura • Solvente • Força iônica (efeito salino) • Tempo