4.5. Потенциометрические методы анализа воды

Предназначены для определения определенного типа ионов в воде (Z.B. измерение концентрации [H]⁺ (рН), Cl^-, F^-, Ca²⁺, Na⁺, K⁺ и др.)

§1. Измерение pH воды

Методы основаны на использовании соотношении Нернста: ; (а = fc) и измерении равновесного потенциала системы электродов.

Е – потенциал электрода

Е₀ – стандартный потенциал

n – валентность иона, концентрация которого измеряется

а – активность

f – коэффициент активности

с – концентрация

Потенциал нормального водородного электрода принят за ноль.

Платиновый электрод погружен в раствор с а = 1 (ионов Н⁺) и подачей газообразного водорода к электроду. Считается ; значения других потенциалов определяется относительно .

Уравнение Нернста справедливо для равновесных потенциалов. Равновесным считается потенциал электрода, когда скорости окисления и восстановления на нем равны.

В системе электродов равновесный потенциал, когда ток не протекает либо очень маленький (отсутствует поляризация).

рН = - lgC_H+

I. ИЭ – измерительный электрод (стеклянный), потенциал которого является f (рН)

ВЭ – вспомогательный хлор-серебряный электрод

Основным элементом ИЭ является чувствительная мембрана 1, которая выполнена из специального стекла

Е _ИЭ = Е₁ + Е₂ + Е₃ (Е₁; Е₂ = const; E₃ = f (pH))

Е_ВЭ = const (всегда)

Е_ЭС = Е_ИЭ + Е_ВЭ (ЭС – электродная система)

2 – полупроницаемая мембрана нужна для замыкания электрической цепи внутри анализируемого раствора, т.е. через нее пропускаются ионы К⁺ и Cl^-

3 – корпус

Статическая характеристика

Практическое значение – координаты изопотенциальной точки используются в системе термокомпенсации рН-метров.

Зависимость потенциала ИЭ от рН называют водородной функцией:

Недостатки системы: 1) высокое электрическое сопротивление стеклянной мембраны и соответствующего электрода в целом (>500 Ом)  требует очень высокого входного сопротивления у измерительных приборов  через стеклянный электрод протекает I10^-12 А. В связи с его малостью датчик рН и ВП не могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние. Необходима сложная защита от помех вторичного прибора.

2) сложная в обслуживании и эксплуатации конструкция стеклянного электрода

3) эти электроды не выдерживают измерение рН при высоких температурах.

I I. 1 –

2 –

3 –

4 – амальгама на внутренней поверхности чувствительной мембраны

5 – точка контакта электрода

III. Полупроводниковая техника кампланарной технологии

1 – корпус датчика

2 – измерительный электрод

3 – вспомогательный электрод

4 – датчик температуры

5 – аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)

6 – область, заполненная хорошо проводящим гелем

7 –ионо-селективная мембрана (в данном случае к Н⁺)

: 1) невысокое внутренне сопротивление (~ 10 кОм) электродной системы

2) возможность передачи сигнала на значительное расстояние без существенных помех

3) низкая стоимость

§2. Анализ воды с помощью иона селективности электрода

Существует свыше 100 ионо-селективных электродов. Их селективность определяется типом или видом чувствительной мембраны.

Принцип действия такой же, как и определение рН.

Недостатки: 1) необходимость периодической очистки или смены чувствительной мембраны из-за загрязнений

2) достаточно высокая чувствительность к содержанию К⁺ и Na⁺ (только стеклянные электроды)