Polímeros Condutores

Polímeros Condutores

Relatório apresentado como avaliação parcial da disciplina de Eletroquímica, sobre a condutividade de polímeros dopados, prática realizada no dia 2/06/12. Profº Dr. Jarem Raul Garcia

1 – Introdução3
2 – Objetivos5
3 – Materiais e métodos5
a) Materiais utilizados5
b) Procedimento experimental5
4 – Resultados e discussão6
5 – Conclusões7

1 – Introdução

Polímeros são macromoléculas de alto peso molecular formadas pela repetição de pequenas estruturas, as quais chamamos de monômeros, unidas por ligações covalentes.[1,2] Estas substâncias podem ser naturais – como o DNA, a seda, a lã, as proteínas, as resinas vegetais – ou sintéticas, produzidas por processos industriais – como os plásticos , tecidos como o nylon e o poliéster, e o teflon. [2,3]

Na década de 70, foi produzido o primeiro polímero condutor. Esta descoberta foi acidental, resultado de uma tentativa de síntese do poliacetileno, que é um pó preto, mas que neste experimento, depositou-se na forma de um filme prateado e brilhante como um filme de alumínio, devido à adição de uma quantidade mil vezes maior de catalisador. Por meio da oxidação com cloro, bromo ou vapor de iodo, processo que foi chamado de “dopagem”, percebeu-se que a condutividade deste composto condutor aumentava cerca de 10 vezes. [4,5]

Para que um polímero seja capaz de se tornar condutor, ele precisa ter uma característica especial: a presença de duplas ligações conjugadas ao longo da sua estrutura:

Figura 1 – Representação de uma estrutura com ligações duplas conjugadas.

Cada ligação dupla é formada por uma ligação sigma ( ), que é uma ligação forte, e uma ligação pi ( ), que é mais fraca. Quando esta estrutura é perturbada por remoção (oxidação) ou inserção de elétrons (redução), processo que caracteriza a dopagem, há uma reação por parte da molécula na tentativa de reacomodar os elétrons recebidos ou perdidos, deslocando-os ao longo da estrutura, o que o torna capaz de conduzir corrente elétrica. [5]

Um dos polímeros condutores mais estudados é a polianilina (PANI), devido à estabilidade da sua forma condutora, à facilidade de polimerização e de dopagem e também ao baixo custo de obtenção do seu monômero, a anilina. Sua estrutura é composta por anéis de fenila e, entre estes, átomos de nitrogênio, que conferem flexibilidade química à cadeia e possibilita a existência de vários estados de oxidação. [6]

Figura 2 – Estrutura da polianilina na sua forma básica.

Existem duas formas de síntese da polianilina: pelo método químico, por meio de reações químicas, e pelo método eletroquímico, por meio de aplicação de potencial elétrico. Na síntese química, o produto é obtido na forma de pó, e na síntese eletroquímica, o produto é obtido na forma de filmes finos. A síntese química da polianilina no estado de oxidação esmeraldina é realizada através de diversos agente oxidantes, como MnO2, NH4S2O8, Cr2O4, H2O2, K2Cr2O7, KClO3, e meios ácidos inorgânicos, como HCl, H2SO4, H3PO4, sendo que o meio mais comum de síntese é por meio do NH4S2O8 em HCl, produzindo um pó verde onde todos os nitrogênios encontram-se protonados, caracterizando o sal de esmeraldina, forma condutora.[6,7] A síntese eletroquímica é realizada por meio da oxidação anódica da anilina sobre um eletrodo inerte. As vantagens da síntese eletroquímica são: obtenção do polímero na forma de filmes finos, maior controle de síntese e o fato de que não é necessária a utilização de agentes oxidantes de catalisadores. Entretanto, apresenta a desvantagem de um menor rendimento e da dificuldade de remoção do polímero da superfície do eletrodo. [6]

A polianilina apresenta três estados de oxidação, que podem ser vistos na tabela a seguir:

Como podemos visualizar na tabela, apenas uma das formas parcialmente oxidada é condutora, o sal de esmeraldina, de coloração verde. Ela é obtida pela dopagem do polímero com HCl, protonando os nitrogênios da estrutura do polímero e formando o sal.

As principais aplicações da polianilina são em baterias plásticas, sensores, superfícies condutoras, proteção contra a corrosão, diodos emissores de luz, dispositivos fotovoltaicos e músculos artificiais. [6]

2 – Objetivos

Produzir a polianilina, dopá-la com HCl e verificar sua condutividade por voltametria cíclica.

3 – Materiais e métodos a) Materiais utilizados

- Potenciostato, acoplado a um eletrodo de referência, um eletrodo de trabalho e um contra eletrodo; - Solução de anilina 0,05 mol/L;

- Solução de HCl 0,5 mol/L;

- Plaqueta de vidro coberto com SnO dopado com In (ITO);

- Computador com software para voltametria cíclica.

b) Procedimento experimental

Primeiramente, colocou-se a solução de anilina no recipiente, juntamente com solução de HCl, e mergulhou-se a plaqueta de vidro coberto com SnO dopado com In, ligada ao potenciostato. A plaqueta de vidro, neste caso, foi o eletrodo de trabalho. Em seguida, aplicou-se uma diferença de potencial ao sistema, a fim de formar um filme de polianilina sobre a placa de vidro, registrando-se os sinais por voltametria cíclica, em um total de 10 ciclos, utilizando o software apropriado.

Após a formação do filme de polianilina, a placa foi retirada e mergulhada em uma solução de HCl. Novamente, aplicou-se uma diferença de potencial, registrando pelo software os sinais elétricos.

4 – Resultados e discussão

O primeiro voltamograma, resultado da voltametria cíclica aplicada no momento da polimerização da anilina, teve uma forma parecida com o voltamograma abaixo:

Voltametria cíclica do composto [Ru(x-bpy)3(PF6)2 em diclorometano.

Este formato do voltamograma demonstrou o crescimento do filme de polianilina na superfície da placa de vidro coberta com SnO dopada com In. A polimerização da anilina também pode ser observada visualmente, pela formação de uma camada de cor verde sobre a o eletrodo de trabalho. Esta camada de cor verde é chamado de sal de esmeraldina, que tem estrutura parcialmente oxidada e é a forma condutora da polianilina.

Quando se realizou voltametria cíclica com a aplicação de potencial no filme de polianilina, verificou-se a continuação da oxidação, fazendo com que a coloração do filme fino na superfície do eletrodo passasse de verde a azul, forma desprotonada e isolante da polianilina. O voltamograma típico para a polianilina apresenta-se da seguinte maneira:

Este voltamograma mostra a evolução da oxidação da polianilina com a aplicação de potencial anódico, e a redução da polianilina com a aplicação de potencial catódico.

5 - Conclusões

Neste experimento, foi possível obter a polianilina no estado de oxidação do sal de esmeraldina por meio da síntese eletroquímica e dopagem com HCl, e por aplicação de potencial elétrico, foi possível também observar a alteração do estado de oxidação da polianilina da forma de sal de esmeraldina para a forma de base de esmeraldina, através da mudança de coloração do verde para o azul.

Referências

1 LUCAS, F. E.; SOARES, B. G.; MONTEIRO, E. E. C. Caracterização de

Polímeros – Determinação de Peso Molecular e Análise Térmica. Rio de Janeiro: E-papers, 2001.

2 SPINACÉ, M. A. S.; PAOLI, M. A. A tecnologia de reciclagem de polímeros. Química Nova. Vol. 28, n. 1, p. 65-72, 2005.

3 WAN, E.; GALEMBEK, E.; GALEMBEK, F. Polímeros sintéticos. Cadernos temáticos de Química Nova na Escola. Edição especial, maio/2001.

4 FAEZ, R. et. al. Polímeros condutores. Química Nova na Escola. nº 1, maio/2000.

5 ROCHA-FILHO, R. C. Nobel 2000 – Polímeros Condutores: descobertas e aplicações. Química Nova na Escola. nº 12, novembro/2000.

6 MEHL, H. Nanocompósitos Formados por Nanotubos de Carbono,

Nanopartículas de Prata e Polianilina: Síntese e Caracterização. 2011. 142 f. Dissertação. Mestrado em Engenharia. Universidade Federal do Paraná. Curitiba, 2011.

7 ZOPPEI, R. T. Polianilina: Síntese, Filmes, Dopagem e Condução DC. 1999. 7 f. Dissertação. Mestrado em Ciências – Física Aplicada. Instituto de Física, Universidade Federal de São Carlos. São Carlos, 1999.

Comentários