INSTRUMEMACÀO E COSTROLE CE PROCESSOS
MEDIÇÃO DE pH
Introdução
A medição de pH permite determinar o grau de acidez ou alcalinidade de uma solução.
Em diversos processos industriais a medição e controle do pH é utilizada para varias
finalidades:
a) Neutralização de efluentes, para descarga em rios e redes de esgotos;
b) Inibição de corrosão, especialmente em caldeiras;
c) Em usinas de açúcar, a adição de cal para neutralizar a acidez causada pela
sulfitação necessária para o branqueamento;
d) Controle de qualidade de produtos químicos e farmacêuticos.
Teoria
Na água, existem continuamente moléculas (Hଶ O) e íons hidrogênio (H ା ) e hidroxila
(OH ି ).
A dissociação da água em íons pode ser descrita pela expressão:
Hଶ O
H ା + OH ି
A concentração de íons hidrogênio é igual a de íons hidroxila, e vale 10⁻଻ íons-grama
por litro, a 25°C. Um íon-grama é igual ao peso atômico do íon, expresso em gramas.
Em 1 litro de água existem, portanto, a 25°C, 1 . 10⁻଻ gramas de íons hidrogênio e
17. 10⁻଻ gramas de íons hidroxila.
O produto das concentrações de dois ions vale 10⁻ଵସ a 25°C. Esse produto se
mantém constante, mesmo que haja uma substancia em solução.
As temperaturas mais altas, ambas as concentrações são maiores, e o produto será
portanto maior.
Quando se dissolve um acido na água, o mesmo também se dissocia. A forma geral
de um acido é do tipo HA. A expressão da dissociação será:
HA
H ା + Aି
Em conseqüência aumenta a concentração de íons hidrogênio em uma solução acida,
reduzindo-se ao mesmo tempo a concentração de íons hidroxila.
Quando se dissolve uma base (alcali) (com expressão geral BOH) na água, a
expressão da dissociação será:
1
B ି + OH ି
BOH
Em conseqüência, aumenta a concentração de íons hidroxila, reduzindo-se a
concentração de íons hidrogênio.
Resumindo, temos as seguintes relações, a 25°C:
Ácidos: [H ା ] > 10⁻଻
Água: [H ା ] = 10⁻଻
Bases: [H ା ] < 10⁻଻
A medida da acidez ou, da alcalinidade de uma solução poderia ser feita pela
concentração de íons hidrogênio na solução. Entretanto, visto que essa concentração
é dada por um numero muito pequeno, prefere-se usar a escala de pH, mais pratica.
Define-se como pH de uma solução o coIogaritmo da concentração de íons-hidrogênio
(em íons-grama por litro), da solução.
Essa definição pode ser expressa por:
pH = colog [H ା ] = - Iog [H ା ] = log
ଵ
[ୌశ ]
(1)
A água tem [H ା ] = 10⁻଻ . O pH da água será portanto igual a 7.
Uma solução ácida tem [H ା ] > 10⁻଻ , o pH de um solução ácida será portanto menor
que 7. Quanto mais forte, ou mais concentrada for uma solução ácida, menor será o
seu pH.
Uma base tem [H ା ] < 10⁻଻ , o pH de uma solução básica será portanto maior que 7.
Quanto mais forte, ou mais concentrada for uma solução básica, maior terá o seu pH.
O valor de pH de algumas soluções é dado pela seguinte tabela:
Soda Caustica, a 4%
Leite de cal
Leite de magnésio
Bórax
Clara de ovo
Água
Leite
Suco de Laranja
Suco de Limão
Ácido sulfúrico, a 5%
pH
14
12,5
10,5
9,5
8
7
6,5
3,5
1,5
0
A faixa usual de medição de pH se estende de 0 a 14, embora possa haver soluções
concentradas de ácidos fortes com pH menor que 0, e de bases fortes com pH maior
que 14.
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Métodos de Medição
Em laboratórios, é comum o uso de processos de titulação e de papeis indicadores,
que mudam de cor quando imersos em soluções com diversos valores de pH.
O método industrial de medição utiliza um sistema composto, basicamente de:
a) Um eletrodo de medição, geralmente de vidro;
b) Um eletrodo de referencia;
c) Um amplificador, acoplado a um indicador ou registrador;
O eletrodo de vidro se baseia na descoberta de que uma membrana de vidro, em
contacto com uma solução, desenvolve na sua superfície uma diferença de potencial
relacionada linearmente com o pH da solução.
Essa diferença de potencial vale 59,14 mV por unidade de pH, a 25°C; 54,2 mV a 0°C;
e 74 mV a 100°C.
O aspecto de um eletrodo de vidro pode ser visto na
fig.1. Para a medição do potencial é necessário
estabelecer contato com as superfícies interna e externa
da membrana. A conexão a superfície interna é feita por
um fio de prata, recoberto de cloreto de prata, e imerso
em uma solução com pH =7, contida dentro do eletrodo.
O contato com a superfície externa é feito por intermédio
de um eletrodo de referencia, descrito mais adiante.
A presença de íons de sódio introduz erros na medição
do pH de soluções de alta alcalinidade. Tem sido
desenvolvidos alguns tipos de vidro especiais, que
reduzem esse efeito.
Em algumas aplicações especiais tem sido usados com
êxito eletrodos de antimônio. Eletrodos desse tipo não
são afetados por íons de sódio. Podem ser utilizados
com soluções de amônia e de acido fluorídrico, que
atacam o vidro. São mais resistentes a abrasão.
Entretanto, são mais influenciados pela temperatura da
solução,
a qual devera ser mantida constante para se
obter bons resultados.
O eletrodo de referencia e utilizado para completar o circuito
de medição. A primeira vista, a imersão de um fio na solução
suficiente para essa finalidade; entretanto, verifica-se
experimentalmente que os metais em contato com soluções
desenvolvem diferenças de potencial que dependem não só
do pH mas também da natureza do metal e da solução.
O aspecto de um eletrodo de referencia pode ser visto na fig.
2. Um fio de prata recoberto de cloreto de prata é imerso em
um reservatório de vidro contendo uma solução de cloreto de
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potássio, de concentração 4M, saturada com cloreto de prata para prolongar a vida útil
do eletrodo,
O contato com a solução cujo pH se deseja determinar é feita através de um pequeno
orifício existente na parte inferior, que o eletrólito flua lentamente para a solução.
Quando a solução se encontrar a uma pressão superior à atmosférica, o interior do
eletrodo pode ser pressurizado por uma coluna liquida do próprio eletrólito, ou
aplicando uma pressão de ar comprimido. Dessa maneira fica garantida a vazão do
eletrólito para fora do eletrodo, impedindo-se que a solução flua para dentro do
eletrodo, contaminando dessa maneira o eletrólito.
A compensação de temperatura pode ser feita manualmente ou através de um
termocompensador. Essa compensação é necessária devido ao fato de a diferença de
potencial produzida no eletrodo de vidro ser dependente da temperatura. O
termocompensador serve para compensar essas variações. Ele é constituído por um
termistor ou bulbo de resistência, que é colocado em contato com a solução. Note-se
que o termocompensador tem por função apenas a de compensar variações na
característica do eletrodo de medição com a temperatura. O pH de uma solução é
afetado, também, pela temperatura. Um indicador de pH, devidamente compensado,
indicara corretamente o valor do pH de uma solução, à temperatura em que for
realizada a medição; a eventual correção da leitura, para condições "standard" de
temperatura só poderá ser feita se for conhecida a relação entre o pH e a temperatura
da solução, em diversas condições de temperatura. Assim, p.ex., o pH da água
destilada vale 7,46 a 0°C; 6,62 a 50°C e 6,12 a 100°C.
Uma câmara de medição é normalmente utilizada para montar o eletrodo de medição,
o eletrodo de referencia é o termocompensador. Câmaras de medição podem ser de
submersão, para instalação em tanques, ou de passagem, para instalação em
tubulações.
Um amplificador é ligado por um cabo especial ao conjunto de eletrodos. Trata-se de
um amplificador eletrônico com altíssima impedância de entrada (visto que o eletrodo
de vidro tem uma altaresistência interna), dotado de indicador e/ou sinal de saída, em
mA ou mV, para acoplamento a indicador, registrador ou controlador,
NOTAS;
1. Dada a alta impedância do circuito de medição, devem ser evitadas a todo
custo correntes de fuga que possam afetar os resultados. O cabo de ligação
deve ser mantido limpo e seco. Em geral, utiliza-se silica-gel na câmara de
medição e no amplificador, afim de reduzir a umidade a um baixo nível;
2. O cabo de ligação deve ser instalado em conduite metálico, longe de linhas da
rede, para reduzir fenômenos de indução elétrica;
3. Os eletrodos devem ser mantidos sempre limpos. Algumas soluções podem
causar incrustações ou depósitos no eletrodo de vidro, reduzindo sua
sensibilidade. Recomenda-se uma limpeza periódica, com freqüência a ser
determinada pela experiência, ou a utilização de dispositivos mecânicos ou
ultrasônicos, para limpeza continua;
4. A calibração deve ser verificada periodicamente, pela imersão em “soluções
tampão”, de pH conhecido;
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5. O cabo de ligação deve ser tão curto quanto possível, para reduzir efeitos de
fuga, indução e de atraso de medição. Alguns fabricantes oferecem préamplificadores, que podem ser montados nas proximidades das câmaras de
medição, e que podem ser ligados por fios comuns ao indicador.
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