Novas técnicas voltamétricas para determinação de constantes de estabilidade de complexos de metais vestigiários e diagnóstico de labilidade José Paulo Pinheiro Centro Multidisciplinar de Química do Ambiente Departamento de Química e Bioquímica Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade do Algarve

Porque estamos interessados em especiação de metais ? Muitos metais são tóxicos para os microorganismos A biodisponibilidade do metal determina os riscos de saúde para as populações A especiação controla a biodisponibilidade

Absorção de metais por microorganismos A absorção de metais por microorganismos numa matriz complexa é determinado por: transporte das espécies metálicas do interior da solução para a superfície do organismo, cinética das reacções de associação e dissociação dos complexos na camada de difusão processos de internalização do metal.

Para compreender a absorção é necessário conhecer não só a especiação do metal no equilíbrio mas também o comportamento dinâmico das espécies.

Durante a reducção de um ião metálico num eléctrodo os fenómenos em solução são idênticos aos que ocorrem durante a absorção por um microorganismo.

Natureza dinâmica dos complexos Ao aplicar um potencial suficientemente negativo os iões metálicos reduzem-se, logo a concentração à superfície do eléctrodo torna-se menor que no interior da solução, desenvolvendo-se um gradiente de concentração e uma camada de difusão (). Será que os complexos contribuem para o fluxo de metal que está a ser reduzido ?

Se o tempo de vida característico do metal livre, M, (1/kacL), ou dos complexos, ML (1/kd) associado à reacção de associação/dissociação forem maiores que o tempo de escala do fenómeno interfacial, os complexos não se dissociam na camada de difusão, e não contribuem para o fluxo de metal, desigando-se, complexos inertes. Se contribuem para o fluxo designam-se complexos dinâmicos e a contribuição depende das grandezas relativas dos fluxos resultantes do transporte de massa do interior da solução para a interface (fluxo difusivo) e do fluxo resultante da dissociação dos complexos (fluxo cinético), e varia de lábil (controlo pela difusão) até não-lábil (controlo cinético).

1/ka´ , 1/kd vs. t Inerte Dinâmico Quase lábil Lábil ka´t , kdt << 1 ka´t , kdt >> 1 Inerte Dinâmico Jkin vs. Jdif Jkin/Jdif << 1 Jkin/Jdif >> 1 Quase lábil Lábil

Técnicas de Redissolução Anódica Consistem em dois passos: Deposição: aplica-se um potencial fixo (Potencial de Deposição, Ed) durante um intervalo de tempo (tempo de deposição, td), durante o qual o metal se reduz ficando amalgamado no eléctrodo. Redissolução: na qual o metal amalgamado é reoxidado de uma forma controlada, de forma a determinar a quantidade de metal reduzido no passo de deposição.

Vantagens Problemas Limite de detecção muito baixo (<10-9 M) Não destructivas Problemas As técnicas clássicas (DC, DP, SW-ASV) medem uma corrente transiente, que é de difícil interpretação, sobretudo nos casos não-lábeis (rsoluções numéricas). A adsorção de matéria organica no eléctrodo distorce os sinais, impossibilitando muitas vezes as determinações. O estudo da labilidade dos complexos é muito complicado pois requer a variação do tempo de escala da técnica no passo de deposição.

Cronopotenciometria de Redissolução Anódica (SCP) A deposição é efectuada a um potencial correspondente à corrente limitada por difusão O passo de redissolução é efectuado por aplicação de uma corrente muito pequena, (corrente de redissolução, Is) de forma a reoxidar totalmente todo o metal amalgamado. Segue-se a variação de potencial com o tempo (cronopotenciometria)

O tempo de transição limite, *, é: A melhor forma de determinar *, é através da derivada dt/dE vs.E por integração da área do pico obtido. A adsorção de matéria orgânica no eléctrodo não afecta o sinal. O oxigénio interfere com o sinal pois oxida o metal amalgamado. A especiação efectua-se por comparação entre os tempos de transição limite na presença ( ) e ausência ( ) de ligandos.

Cronopotenciometria de redissolução anódica com varrimento de potenciais de deposição (SSCP) Uma curva de SSCP é construída fazendo uma série de deposições a diferentes potenciais e representando os tempos de transição em função dos potenciais de deposição (“pseudopolarograma”) A vantagem desta técnica é ter dois resultados experimentais independente: as variação do potencial de meia onda e do tempo de transição limite.

Por SSCP podemos determinar as constantes de equilíbrio, coeficientes de difusão dos complexos e as constantes cinéticas de associação e dissociação dos complexos para sistemas de metais em presença de macromoléculas ou partículas a níveis muito baixos de concentrações de iões metálicos. A variação do potencial de meia onda de SSCP, Ed,1/2, depende da constante de equilíbrio de formação do complexo, K, independentemente do grau de labilidade do mesmo (desde que se verifique a aproximção de Koutecky-Koryta)

O tempo de transição limite (t O tempo de transição limite (t*) quantifica o metal accumulado no eléctrodo e logo depende da labilidade e do transporte de massa em solução. Para sistemas onde DMDML a razão entre os tempos de transição em presença e na ausência de ligando é 1 para sistemas lábeis e para sistemas não-lábeis: µ é a espessura da camada de reacção, i.e, a distância que o metal livre M pode percorrer durante o seu tempo de vida médio d é a espessura da camada de difusão (=r0 para um microelectrodo)

Parâmetros cinéticos para complexos pequenos: Cd-NTA A partir da variação do potencial obteve-se um valor de log K 9.810.07 que concorda com o valor de referência da IUPAC. Usando o valor de K e o decréscimo do tempo limite obteve-se µ e calculou-se ka (3.21.2)109 dm3mol-1s-1 que concorda com o valor do mecanismo de Eigen 4109 dm3mol-1s-1 Figure 2: Valores experimentais e simulados de SSCP para Cd e Cd-NTA a pH 8 num HMDE. Curvas experimentais obtidas para 210-7 mol dm-3 Cd(II) na ausência () e presença de NTA () 110-6 mol dm-3 em 0.1 mol m-3 KNO3,

Para sistemas lábeis a constante de equilíbrio é: Para sistemas onde DM<<DML a razão dos tempos de transição limite em presença e ausência de ligando depende também do coeficiente de difusão do complexo. Para sistemas lábeis a constante de equilíbrio é: o coeficiente de difusão médio obtém-se a partir de: onde p é um coeficiente hidrodinâmico cujo valor é 1 para um microeléctrode ou um valor entre 1/3 e 1/2 para um macroeléctrodo.

Diagnóstico de labilidade Para complexos com DML<< DM, K calculado por DEd1/2, será o mesmo que o K calculado por t* se o sistema for lábil. Então, diferenças entre K calculados por DEd,1/2 e t* indicam perda de labilidade Figure 3: Comparação entre (O) K(E) e () K() calculdos a partir de curvas SSCP teóricas (K=106), em função do critério de labilidade (Jkin/Jdif).

Verificação do diagnóstico de labilidade Cadmium Determinaram-se as constantes de equilíbrio de cádmio e chumbo com nanoesferas de latex modificadas com ácidos carboxílicos (raio 35 nm) O cádmio perde labilidade cerca de pH 6.5 e o chumbo cerca de pH 5.4 Lead Figure 4: Comparação entre (O) K(E) e () K() em funcão do pH para a interacção de Cd e Pb com nanoesferas de latex

Especiação em águas naturais Em águas naturais, apenas uma fracção do metal dissolvido existe na forma livre, pois forma complexos com uma grande variedade de ligandos inorgânicos e orgânicos, adsorvem-se em colóides e/ou matéria em suspensão. A maioria destes ligandos exibem um carácter polifuncional e polielectrolítico e são polidispersos. Assim, apresentam uma gama de constantes de complexação, labilidades e coeficientes de difusão, definindo a biodisponibilidade e mobilidade dos iões metálicos.

Conclusões Usando o sistema Cd-NTA verificamos que as constantes de equilíbrio de complexos podem ser calculadas a partir da variação do potencial de meia onda das curvas de SSCP para qualquer grau de labilidade do sistema.  Para complexos com DML < DM, a comparação de K(Ed1,2) com K(*) constitui um diagnóstico da labilidade do sistema.