VOLTAMETRIA

Métodos VoltamétricosDentre o grupo de técnicas que se baseiam na aplicação de um programa de potencial aplicado aos eletrodos e a corrente faradaica que resulta neste processo, destacam-se:

PolarografiaPolarografia de pulso normal Polarografia de pulso diferencialVoltametria de redissolução anódicaVoltametria de onda quadrada Voltametria cíclica

BREVE HISTÓRICO:

- Século VI a.c. – Gregos: âmbar atritado em peles gerava carga eletrostática

- Século XVI – Gilbert – Verificou também que outros sólidos acumulam cargas eletrostáticas

- 1747 – Franklin (EUA) e Watson (Inglaterra): Todos os sólidos tem “fluído elétrico”

- 1752 – Franklin comprova que os raios correspondem a descargas elétricas

Um dos primeiros relatos que envolve um experimento eletroquímico foi descrito por Luigi Galvani em 1791:

“Havia dessecado uma rã, que fora colocada sobre uma mesa, próximo a uma “máquina elétrica”. Um dos assistentes colocou em contato o terminal da

máquina com os nervos da rã, ocorrendo uma pronta contração dos músculos das pernas.

Galvani concluiu: “...there is a profound connection between biological and electrochemical events”

Em 1800, a pilha de Volta é descrita.

Em 1834, Michael Faraday estabeleceu as leis que regem os princípios dos processos voltamétricos:

- A passagem de uma determinada quantidade de corrente, deposita uma determinada massa de um

dado elemento.

- A mesma corrente deposita igual número de mols de material diferente, cujo processo envolva

igual número de elétrons.

Em 1859 Planté apresenta as primeiras baterias chumbo/ácido sulfúrico, que foram utilizadas na Telefonia.

Em 1880 foi iniciada a fabricação de baterias comerciais.

E a eletroquímica? Não evoluiu como poderia, por conta do domínio da termodinâmica no final do século 19 e início do século 20. A cinética dos processos havia sido esquecida....

POLAROGRAFIA

A polarografia se enquadra dentro da voltametria. (Koltoff e Laitinen)

Em 1922, Jaromir Heyrowsky (Nobel 1959) apresentou pela primeira vez a polarografia.

Inicialmente, uma célula de dois eletrodos (indicador ou de trabalho e referência) era

utilizada. O potencial era variado linearmente entre o potencial inicial e o final e a corrente

que fluía entre os dois eletrodos era monitorada.

Célula Polarográfica em “H”(adaptada para FIA, com um eletrodo de Pt em lugar do EGHg)

a

b

c

de

f

g

hii

j k

l

m

n

op

q

Polarógrafo construido por Heirowski e Shikata

EGHg

chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/instruments/

Na célula com dois eletrodos, o processo eletroquímico que ocorre sobre o eletrodo de trabalho, requer uma reação complementar no

compartimento do eletrodo de referência.

Assim, se no eletrodo de mercúrio estiver sendo reduzido chumbo, no eletrodo de referência o

mercúrio metálico é oxidado a Hg+, que rapidamente será precipitado na forma de Hg2Cl2 (calomelano).

Se a reação principal for uma oxidação, no eletrodo de referência Hg2Cl2 é que será reduzido (a Hgo).

Pelo fato de haver um eletrodo de Hg muito pequeno - área máxima da ordem de poucos mm2

ao passo que o eletrodo de referência tem área de muitos cm2 - o fluxo de corrente por unidade de

área é baixo e pouco afeta o seu potencial.

Nos anos 50/60, surgiram os potenciostatos, que utilizam células de três eletrodos, sendo que a corrente flui entre o eletrodo de trabalho e o

auxiliar, ao passo que o potencial é medido entre o eletrodo de trabalho e o de referência.

Medições muito mais precisas e bem mais rápidas podem ser feitas desta maneira.

Típico polarograma obtido para a reduçãode um metal com eletrodo gotejante de mercúrio

Sinal registrado para a oxidação de um analito utilizando um eletrodo rotatório ou microeletrodo

Vantagens da utilização do eletrodo de mercúrio:- Eletrodo é renovável- Eletrodo com excelente reprodutibilidade- Superfície extremamente lisa e uniforme- Metal: pode ser purificado (99,99999%)- Apresenta elevada sobretensão à redução de H+

Desvantagens:- O metal é tóxico - A faixa de trabalho na região anódica é estreita

A princípio, a corrente registrada em um polarograma, é a soma de diversas componentes.

a) Corrente residual: É a corrente presente em todos os polarogramas, e se constitui na soma da corrente faradaica, provinda de processos redox de impurezas da solução (traços de espécies eletro-ativas e ainda do oxigênio dissolvido) e de corrente capacitiva, provinda do processo de carga da dupla camada elétrica.

b) Corrente de migração: Provém da oxidação ou redução da parcela de analito que alcança a superfície do eletrodo por efeito da atração eletrostática. É “eliminada” pela adição de ~50 ou 100 vezes mais eletrólito suporte.

c) Corrente de difusão : Provém da oxidação ou redução de material eletroativo que alcança a superfície do eletrodo apenas por difusão.

Minimizadas as correntes residual e de migração, Ilkovic pode derivar a equação da polarografia:

Id= 607 n D1/2 m2/3 t1/6 C

Onde:607: inclui o Faraday, densidade Hg e outros fatoresn = Número de elétrons envolvidos no processoD = Coeficiente de difusão da esp. reagente (cm2s)m = Velocidade de escoamento do mercúrio (mg/s)t = Tempo de vida da gota (s)C = Concentração do reagente

As técnicas polarográficas tiveram grande importância na primeira metade do século 20 por

permitirem a quantificação de dezenas de metais, na faixa de concentração típica de 10-3 a 10-5 mol/L.

A metalurgia, a mineração e muitas outras atividades foram beneficiadas com esta técnica.

Em meados da década de 50, surge a absorção atômica e a polarografia perde terreno...

Houve até quem considerasse a técnica “morta”.

Com o advento dos potenciostatos, novas técnicas puderam ser implementadas.

As técnicas de pulso e o desenvolvimento de eletrodos com destacamento sincronizado de gotas e de eletrodos de gota estática permitiram minimizar a contribuição da corrente capacitiva.

Os limites de quantificação alcançaram a faixa de 10-7 a 10-9 mol/L, superando em muitos casos a absorção atômica, com as vantagens adicionais de:- Permitir a especiação de elementos - Quantificar múltiplos elementos num experimento

TÉCNICAS DE PULSO

Com o desenvolvimento dos potenciostatos, modernos, surgiu a possibilidade de controlar

de forma mais adequada a aplicação do potencial e a realização das medidas em

condição mais favoráveis.

Passou-se então a aplicar degraus de potencial e a realizar as medições de corrente no tempo mais favorável, onde a corrente capacitiva já

estava reduzida significativamente, como pode ser visto na figura que segue.

Polarografia de pulso normal (PPN)

corr

ente

i capacitivai faradaica

16,6ms

56,6ms

As medidas de corrente passaram a ser realizadas no final do pulso de potencial,

condição onde a corrente capacitiva já decaiu significativamente, ao passo que acorrente

faradaica é menor, mas ainda é significativa.

Adicionalmente, o experimento é feito no final da vida da gota, condição onde a área do

eletrodo é maior e a corrente capacitiva é proporcionalmente menor.

A Polarografia de Pulso Normal permitiu que os limites de detecção, anteriormente situados na

faixa de 10-5 mol/L, passasse à faixa de 5 x 10-7

mol/L.

Considerando a época em que esta condição foi atingida, significou um grande avanço para a

quantificação de diversas espécies químicas, em particular os metais pesados.

Na década de 70, estava apenas nascendo a consciência ecológica

Polarografia de Pulso Diferencial (PPD)

Segunda amostragem de corrente

Primeira amostragem de corrente

Inícioda gota

T = 0.5 a 5 s

A polarografia de pulso diferencial veio a melhorar ainda mais o desempenho das técnicas de pulso.

Nesta técnica, todos os pulsos tem a mesma magnitude e a corrente é medida antes da aplicação

do pulso e no final do período de cada pulso.

A primeira corrente é subtraída da segunda, o que gera uma curva derivativa, em “forma de sino”.

Os limites de detecção passaram a alcançar a faixa de 10-8

mol/L com EGHg ou 5 x 10-7 para eletrodos sólidos.

Voltametria de onda quadrada

∆E

A voltametria de onda quadrada é uma técnica que permite varreduras rápidas com excelente discriminação entre a corrente capacitiva e a

faradaica.

Apresenta sensibilidade um pouco superior que a obtida na polarografia de pulso diferencial, com a

vantagem adicional de permitir medições com altas velocidades.

Em muitos casos, a interferência do O2 dissolvido é pouco significativa em medidas com SWV.

Paralelamente aos avanços instrumentais, os eletrodos de mercúrio também foram

modernizados.

Em 1980 a PAR lançou o HMDE (Hanging mercury drop electrode) e em 1983 a

Metrohm lançou o seu SMDE (pressurizado).

Tais eletrodos significaram um grande avanço para as técnicas de pulso, mas forma de

fundamental importância para os processos envolvendo pré-concentração por adsorção

ELETRODO DE GOTA PENDENTE DE MERCÚRIO FABRICADO PELA EMPRESA PAR

IMAGEM DE UMA CÉLULA POLARO-GRÁFICA

GOTA EM EGHg

Eletrodo de mercúrio desenvolvido no IQ-USP, cujo desempenho é superior ao dos eletrodos comerciais.

Pré-concentração

Os novos eletrodos de mercúrio de gota pendente permitiram que se passasse a explorar longos períodos de “coleta” do analito de interesse, denominada de etapa de pré-concentração.

Após este período, através de uma varredura rápida (de poucos segundos) todo o material

coletado é re-oxidado para a solução (stripping).

Isto possibilitou que se alcançasse limites ainda menores de concentração.

Stripping anódico

Mn+Mn+Mn+Mn+

t

-E

E1/2 CuE1/2 Hg

+ E

I

Mn+ + ne- M0

M 0

M n++ ne-

REDUÇÃOPRÉ-CONCENTRAÇÃO

Cu Hg

RE-OXIDAÇÃODETERMINAÇÃO

+E

-E

M0

Mn+Mn+Mn+Mn+

Stripping Catódico

Xn- + M MX + ne-MX +

n e-

M + X

n-

t

-E

I

E1/2

Oxidação Redução+E

MX

X-X-X-X-

X-

X- X-X-

+E

Metal ASV AAS ETAAS ICP-MSAl 0,03* 45 0,15 0.16Cd < 0,0002 0,7 0,006 0,03Co < 0,005* 9 0,15 0,01Cr 0,02 3 0,06 0,01Cu 0,002 1,5 1,5 0,02Fe < 0,04 7,5 0,06 0,20Hg 0,005 300 1,2 0,02Mn 40 1,5 0,03 0,03Ni 0,001* 6 0,3 0,04Pb 0,001 15 0,15 0,01Sn < 0,03* 30 0,6 0,06Ti 100 75 1,2 0,32V 100 60 0,6 0,03Zn 0,02 1,5 0,03 0,01

* Stripping voltamétrico de adsorção

Limites de detecção para metais (µg.L-1)

Métodos de “Stripping”

Os métodos de stripping anódico com EGPM baseiam se na formação de amálgamas dos metais a serem

determinados, dentre os quais, Cu, Pb, Cd, Zn, Tl...

Já os processos catódicos baseiam-se na formação de filmes insolúveis de HgX, dentre os quais cloreto,

brometo, iodeto, sulfeto...

Em suma, pouco mais de duas dezenas de metais e espécies que formam sais insolúveis com Hg+ ou

Hg++ podem ser determinados por stripping.Os eletrodos sólidos passam a ser utilizados para stripping a seguir.

Pré-concentração por adsorção

Diversas espécies orgânicas tem grande afinidade por adsorver sobre eletrodos de mercúrio.

Esta propriedade pode ser explorada para a determinação direta de baixíssimas concentrações

de tais compostos.

Alternativamente, ligantes que não são eletroativos, também foram explorados para

complexar e pré-concentrar metais sobre eletrodos de mercúrio.

Pré-concentração por adsorção de moléculas orgânicas

Molécula Eletrodo L.D./mol.L-1

Tiouréia Hg 2. 10-11

Bilirubina Hg 5. 10-10

Digoxina Hg 2. 10-10

Digitoxina Hg 2. 10-10

Testosterona Hg 2. 10-10

Progesterona Hg 2.10-10

Pesticidas c/ nitrogrupos Hg 5. 10-10

Cloropromazina Pasta de carbono 5. 10-9

Diazepam Nitrazepam Hg 5. 10-9

Cimetina Hg 4. 10-9

Dopamina Pt/Au 5.10-8

Adriamicina Pasta de carbono 10-8

Codeína/Cocaína Hg 10-8

Associação de pré-concentração por adsorção com processos catalíticos

Limites ainda menores puderam ser alcançados quando uma reação catalítica pode ser associado

ao processo em questão.

Este processo catalítico regenera rapidamente o metal junto ao eletrodo, podendo este ser

novamente oxidado (ou reduzido), o que torna o sinal analítico ainda maior.

Exemplos de determinações envolvendo pré-concentração por adsorção +catálise

IonMetálico

Ligante +Catalisador

Limite de detecção

Cr DTPA Nitrato

5 x 10-10 mol L-1

Mo Tropolone Clorato

1 x 10-1 mol L-1

U FormiatoNitrato

8 x 10-11 Mol L-1

W VMA-OxinaClorato

2 x 10-11 mol L-1

Ti Ácido MandélicoClorato

7 x 10-12 mol L-1

Pt Formazona H+

4 x 10-13 mol L-1

Eletrodos Sólidos

A partir de 1950, os eletrodos sólidos passaram a ser explorados, especialmente na região anódica,

região inadequada para utilizar eletrodos de mercúrio.

Dentre os eletrodos mais utilizados, encontram-se os eletrodos de metais nobres (platina, ouro, prata, irídio....) e diversas formas de carbono

(grafite pirolítico, carbono vítreo, pasta de grafite...)

Potenciais limites (V)(vs /calomelano)

Eletrodo Anódico CatódicoPlatina 1,25 - 1,0Ouro 1,5 - 1,28

Grafite Pirolítico 1,35 - 1,61Pasta de carbono 1,30 - 1,4Carbeto de boro 1,13 - 1,7

Mercúrio 0,3 - 2,2

(Os valores acima são muito dependentes do meio de trabalho).

Eletrodos sólidos comerciais

Vantagens dos eletrodos sólidos (frente a Hg)- Janela de potencial mais ampla- Simplicidade de operação- Facilidade de operação- Robustez

Desvantagens- Não apresentam sobrepotencial à redução de H+

- Superfície menos reprodutível- Renovação da superfície é mais trabalhosa

Voltametria

O termo voltametria engloba um grupo de métodos eletroanalíticos nos quais a

informação sobre o analito deriva das medidas de corrente em função do potencial aplicado,

sob condições onde o eletrodo de trabalho (ou indicador) encontra-se polarizado.

i

E(V)

A forma mais utilizada é a varredura linear de potencial, utilizada desde os primórdios da

polarografia.A faixa de potencial é “varrida” em uma única direção, iniciando no potencial inicial (t = 0)

e terminando no potencial final (t = tf).

E

t

A figura ao lado representa o perfil de uma rampa de potencial em uma varredura linear de potencial

Já na voltametria cíclica, a direção do potencial é invertido ao final da primeira varredura. Então,

geralmente a varredura tem a forma de um triângulo isósceles.

Este processo traz a vantagem de que o produto da reação redox que ocorreu na primeira etapa de

varredura (na ida), pode ser avaliado novamente na varredura reversa (na volta).

t

E E

t

A ciclovoltametria possibilita uma série de aplicações, dentre as quais:

- Avaliar o potencial formal de pares redox- Determinar processos químicos que precedem

ou sucedem reações eletroquímicas- Avaliar a cinética de transferência eletrônica - Investigar a reatividade química das mais

diferentes espécies

A voltametria cíclica é uma ferramenta muito favorável para estudos exploratórios.

Processos reversíveis

Sistemas cujo processo redox seguem exatamente as condições previstas pela equação de Nernst, apresentam voltamogramas cujas características podem ser verificadas por:

a) A separação entre os potenciais de pico (Epa - Epc) é igual a 57/n mV, para qualquer velocidade de varredura (n = no de eletrons).

b) O número de elétrons envolvidos em um processo reversível pode ser determinado por CV (vide ítem a).

c) A relação de correntes (ipa/ipc) é igual a 1, independente da velocidade de varredura (ν) utilizada.

d) A corrente de pico cresce linearmente em função da raiz quadrada da velocidade de varredura.

A variação de i vs raiz quadrada de ν será vista a seguir:

CV de ferroceno carboxilato em tampão fosfato (pH = 7,0) onde destaca-se o comportamento Nernstiano (reversivel)

Em um processos reversíveis, a corrente de pico (anódico e catódico) em função da raiz quadrada da

velocidade de varredura, é linear.

A reta ao lado corresponde às

correntes máximas medidas nos picos

anódicos, apresentados na figura anterior.

Para exemplificar como a ciclovoltametria pode ser uma importante ferramenta, vamos considerar o

seguinte exemplo:

O ciclovoltamograma da fenileno-diamina realizado a 100 mV/s, mostra um pico de oxidação (a ~520

mV) e um único pico de redução a ~200 mV.

Quando o mesmo CV foi feito utilizando velocidades maiores, um segundo pico de redução

surgiu, por volta de 450 mV.

Aumentando ainda mais a velocidade, houve significativo incremento deste pico (a 450 mV).

A explicação para tais resultados está esquematizada abaixo: Fenileno-diamina é eletroquimicamente oxidada a fenileno-di-imina. Esta, reage com H2O, gerando benzoquinona. No caso de varreduras “lentas”, toda a di-imina é quimicamente oxidada a benzoquinona, que por sua vez pode ser reduzida. Com velocidades de varredura maiores, é possível reduzir a fenileno-di-imina antes que esta reaja (completamente) com a água.

RESUMINDO:

A ciclovoltametria é uma “ferramenta” extremamente útil para aplicações

eletroanalíticas.

Apesar de não permitir a detecção de baixíssimas correntes (lembrar que em CV a

contribuição da corrente capacitiva não é facilmente subtraída) esta técnica via de regra é utilizada para avaliar sistemas desconhecidos.

Eletrodos modificados

A manipulação proposital e controlada das propriedades superficiais de eletrodos permitiu

que se criasse um vasto arsenal de novos sensores eletroquímicos, que apresentam características

muito diversas e atrativas.

Ao modificar um eletrodo, procura-se atribuir novas características fisico-químicas à sua superfície, visando sua utilização para uma

determinada aplicação.

Ao modificar um eletrodo, busca-se:

- Eletrocatálise de reações

- Seletividade

- Prevenção de envenenamento

- Pré-concentração

Eletrocatálise de Reações

Modificações de eletrodos podem favorecer a eletrocatálise de reações, gerando significativo

incremento de sinal eletroquímico e/ou antecipação (para potenciais mais favoráveis)

o(s) processo(s) redox de interesse.

Podem inclusive favorecer a ocorrência de processos redox que não acontecem sobre o

eletrodo não modificado.

Eletrodos modificados com porfirinas: Quantificação de NADH

Seletividade

Filmes de compostos adsorvidos (ex: tióis, lipídeos, etc) ou de polímeros com

características descriminativas (ex: náfion, acetato de celulose, polipirrol, etc) são utilizados para selecionar quais analitos

atingirão a superfície do sensor, obtendo-se assim seletividade com relação às demais

espécies presentes.

Filme de poli-1,2-diamino benzeno sobre eletrodo de carbono. Sinais para: a) H2O2; b) ácido ascórbico; c) ácido úrico; d) cisteína; e) soro humano.

Exemplo de seletividade por filmes poliméricos

Prevenção de envenenamento

Em diversos casos, o analito, outra espécie ou o produto da reação redox tende a acumular sobre o sensor, levando à perda de atividade deste, com

conseqüente diminuição do sinal analítico. A utilização de mediadores elimina ou diminui

tais problemas. No caso de amostras complexas, espécies não eletroativas podem também

adsorver e bloquear o eletrodo. A utilização de filmes poliméricos pode atuar na

prevenção deste envenenamento.

Prevenção de envenenamento por exclusão de ânions

Filmes de náfion

Pré concentração

A modificação da superfície de eletrodos com compostos capazes de adsorver fortemente e

simultaneamente induzir a adsorção da espécie a ser determinada, permite que analitos em baixas

concentrações possam ser pré-concentrados.Alternativamente, filmes (de espécies

eletroinativas) adsorvidos ou depositados sobre a superfície de eletrodos podem promover um

“ambiente” favorável para a pré-concentração do analito de interesse.

Eletrodos de pasta de carbono

Eletrodos de pasta de carbono tornaram-se populares devido a facilidade de preparo e

simplicidade de utilização.

Basicamente, é constituído de uma mistura de pó de grafite e óleo mineral. As quantidades variam,

tipicamente utiliza-se ~60% de pó de grafite e 40% de óleo mineral (relação m/m).

Junto à esta pasta é possível associar catalizadores, enzimas, trocadores iônicos...

Biosensores

O desenvolvimento de biossensores teve início na década de 60 e ganhou grande popularidade

com o desenvolvimento de sensores para glicose.

Definição: É um dispositivo baseado na combinação de um componente biológico

responsável pelo reconhecimento molecular do analito de interesse com um transdutor

apropriado.

Principais características dos biossensores:- Especificidade - Elevada sensibilidade

Desejável:-Alta durabilidade- Dimensão reduzida- Resposta rápida e reversível- Faixa dinâmica ampla- Baixo custo

Construção de um biossensor

Eletrodo

Solução

Enzimas Filme Poroso

Reações enzimáticas

Glicose:

Glicose + O2 H2O2 + Ácido glucônico

Glicose pode ser monitorada via:

- decréscimo de O2- pelo aparecimento de H2O2- ou ainda pela variação de pH

GOx

Na construção de biossensores, os mais variados materiais podem ser utilizados, dentre os quais:

- Enzimas- Anticorpos- Antígenos- Fungos- Bactérias- Tecidos vegetais- Tecidos animais- DNA...

Construção de biossensoresAs mais variadas formas de construção de

biossensores podem ser encontradas na literatura.

Desde os primeiros sensores que utilizavam papel de celofane como barreira para a retenção de enzimas, nos ~40 anos de desenvolvimento

destes sensores, muito se evoluiu.

Atualmente, dezenas de diferentes processos podem ser vistos, muitos dos quais envolvendo

altíssima tecnologia.

Microeletrodos

Quando as dimensões de um eletrodo são diminuídas da escala de cm ou mm para

micrômetros, verificam-se diversas mudanças no comportamento voltamétrico.

Apesar de as vantajosas propriedades de eletrodos tão pequenos serem conhecidas há muitos anos, pesquisas nesta área não eram freqüentes até o

início da década de 70.Os avanços na área da eletrônica e o desenvolvimento de materiais com microestruturas e novas formas de

construção impulsionaram esta área.

Vantagens e aplicações de microeletrodos:Menor distorção ôhmica- Análises em meio orgânico e águas naturaisMaior densidade de correnteµ-eletrodos de 100 Å: i > 100 A/cm2

Maior resolução temporalCinética: V>106 V/s - t = sub µ-segundosMaior versatilidadeAnálises em µ-volumes (10-11 L)Estudos intra-celularesEletroquímica de gasesMapeamento de pontos de corrrosãoe muitas outras aplicações...

Em solução, a rápida reposição de material à superfície do microeletrodo se deve à

contribuição da difusão não radial, que faz com que a resposta obtida seja diferente da obtida

com eletrodos de tamanho convencional.

A figura a seguir, compara respostas de eletrodos com dimensões de milímetros com a de um

microeletrodo.

Respostas de um eletrodo convencional e de microeletrodos

A busca de ferramentas para o estudo de mecanismos de reações (1970) deu início à utilização dos

microeletrodos.

No entanto, a descrição do desenvolvimento de metodologias para estudos “in vivo” (1980) chamou a atenção para este campo e impulsionou de maneira muito significativa a utilização de microeletrodos.

As vantagens de utilizar eletrodos de dimensões micrométricas permitiram que se averiguasse a

liberação de determinados neurotransmissores a nível celular, bem como a ação de fármacos.

Eletrodo de fibra de carbono

Microeletrodos para medição de pH no esôfago

Microeletrodo cônico com menos de 1 µm de diâmetro

Analytical Chemistry, 1996.

Resumindo:

Nesta aula foi possível ter uma visão de alguns dos métodos voltamétricos.

As possibilidades de aplicações na área farmacêutica são muito amplas.

As pesquisas envolvendo métodos eletroquímicos e a área farmacêutica é ainda

muito limitado em nosso contexto...