Йонселективні електроди

Одним із сучасних фізико-хімічних методів аналізу, що дозволяє контролювати стан навколишнього середовища та слідкувати за зміною концентрації електролітів у біологічних рідинах, є йонометрія – потенціометричний метод дослідження складу розчинів за допомогою йонселективних електродів.

Іонселективні електроди – це електрохімічні датчики, потенціали яких залежать від активності певного виду іонів у розчині. Ці іони називають потенціалоутворюючими, а електроди – іон селективними («селективний» означає «вибірковий»).

Нині промисловість випускає понад 30 видів іонселективних електродів, за допомогою яких можна визначити більше 50 катіонів, аніонів та молекулярних сполук. Найбільшого застосування знайшли електроди, селективні до неорганічних іонів, газів та молекул деяких органічних сполук.

Такі електроди складаються із корпуса, допоміжного електрода та мембрани. Тому такі електроди називають мембранними і класифікують за типом мембрани: скляні, кристалічні, рідкі та плівкові. Суттєвим є те, що всі мембрани містять електродноактивні речовини, які й забезпечують процес селективного обміну іонами між мембраною та розчином.

При занурені іон селективного електрода у досліджуваний розчин електродна мембрана відокремлює цей розчин від зовнішнього розчину. Між мембраною та обома розчинами починається процес обміну іонами, які рухаються в напрямку фази з меншою активністю іонів цього виду. Оскільки мембрана не пропускає частину іонів, то по обидва її боки через певний проміжок часу виникає стрибок потенціалу, який перешкоджає подальшому переходу іонів між фазами. Таким чином досягається рівноважний розподіл іонів між розчинами та мембраною.

Іонселективні електроди класифікують за агрегатним станом електродноактивного матеріалу.

Глава 5 Адсорбционное равновесие и процессы на подвижных и неподвижных границах деления фаз.

Поверхностные явления – это процессы, которые происходят на границах деления фаз в гетерогенных системах.

По агрегатным состояниям контактирующих фаз поверхности деления классифицируют на:

- подвижные границы деления: жидкость – газ (Ж – Г), жидкость-жидкость (Ж – Ж) ;

- неподвижные границы деления: твердое тело – газ (Т – Г), твердое тело – жидкость (Т– Ж), твердое тело – твердое тело (Т – Т).

В жизнедеятельности организмов поверхностные явления имеют большое значение, ибо жизнь человека начинается с дыхания, которое происходит при участии кислорода. От поглощается альвеолами легких, количество которых достигает сотен миллионов, а их общая поверхность составляет ≈ 90 м², что в 50 раз превышает поверхность тела человека. Дальше кислород связывается гемоглобином и переносится красными кровяными тельцами – эритроцитами, количество которых в крови человека достигает 27 триллионов, а поверхность составляет приблизительно 3200 м².

В организме на поверхности деления фаз происходят процессы обмена, синтеза, адсорбции, десорбции, ферментные реакции и тому подобное, обусловленные его жизнедеятельностью. Следовательно, исследование физико-химии поверхностных явлений тесно связано с изучением этих важных процессов в живых системах.

Поверхностная энергия и поверхностное натяжение.

Свойства молекул на поверхности деления жидкость – газ, отличаются от свойств молекул в объеме жидкой фазы.

Если молекула находится внутри жидкости, она равномерно притягивается со всех сторон такими же по природе молекулами и силовое поле межмолекулярного взаимодействия скомпенсировано. На молекулу, что находится вблизи поверхности деления фаз, со стороны газообразной фазы действуют более слабые силы притягивания, чем со стороны жидкой фазы, следовательно положение такой молекулы энергетически не скомпенсировано. При попадании молекулы жидкости на поверхность деления фаз неуравновешенность молекулярного взаимодействия растет. Равнодействующая сил направлена внутрь жидкой фазы. Это обусловлено тем, что сила взаимодействия между молекулами жидкости значительно больше, чем между молекулами жидкости и газа.

Энергетическая нескомпенсированность молекул на границе деления фаз приводит к втягиванию тех молекул, что расположены на поверхности, в глубину жидкости. Вследствие этого возникает сила, под действием которой поверхность жидкости на границе деления жидкость – газ уменьшается до минимальных размеров (S > min), а молекулы, расположенные на поверхности, приближаются к молекулам более низких слоев. При этом расстояние между молекулами поверхностного слоя меньше, чем между молекулами внутренних слоев.

Молекулы, расположенные на поверхности, не полностью реализуют свою способность к взаимодействию и поэтому имеют определенный избыток энергии, который называют свободной поверхностной энергией G_S. Отношение избытка свободной поверхностной энергии Гиббса к единице площади деления фаз называют поверхностным натяжением:

σ = ,

где G_S – свободная поверхностная энергия; S – поверхность деления фаз; σ– поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение можно определить как работу при обратимом изотермическом процессе, которую нужно выполнить, для увеличения поверхности деления фаз на 1 м².

Каждая чистая жидкость при постоянной температуре имеет определенную величину поверхностного натяжения, которая зависит от ее природы. Она тем больше, чем большая полярность молекул жидкости, и зависит от способности молекул образовывать водородные связи. Поверхностное натяжение воды по сравнению с поверхностным натяжением других жидкостей наибольший.

Поверхностное натяжение многих жидкостей линейно уменьшается с повышением температуры. Исходя из этой закономерности, Д.Менделеев установил, что при определенной критической температуре (температура кипения) величина поверхностного натяжения равняется нулю.