Слесарев. Основы Химии живого

Электродами определения являются ионоселективные электро­ ды (разд. 25.6.2), среди которых наибольшее применение нахо­ дят стеклянные электроды.

При потенциометрических измерениях гальваническая цепь такова:

Из этой схемы видно, что результат потенциометрических из­ мерений, т. е. значение ЭДС, зависит прежде всего от работы электрода сравнения и электрода определения. Рассмотрим уст­ ройство и работу этих электродов.

25.6.1. ХЛОРСЕРЕБРЯНЫЙ ЭЛЕКТРОД СРАВНЕНИЯ

Хлорсеребряный электрод (рис. 25.7) состоит из серебряной проволоки, покрытой слоем малорастворимой соли AgCl, опущен­ ной в раствор КС1 определенной концентрации (обычно насыщен­ ный раствор КС1) и солевого мостика, соединяющего этот раствор с исследуемым раствором. Электрохимическая цепь хлорсеребряного электрода записывается так: Ag |AgCl, КС1(нас).

В хлорсеребряном электроде на межфазной границе проте­ кает следующая реакция:

AgCl(T) + е" Ag(T) + Cl-

Так как активность твердых веществ AgCl и A g постоянна, то потенциал хлорсеребряного электрода зависит только от актив­ ности ионов С1~ в растворе. Если активность ионов С1~ поддер­ живать постоянной, то и потенциал хлорсеребряного электрода будет постоянной величиной. Проще всего поддерживать посто­ янной активность ионов хлора в растворе, используя насыщен­ ный раствор КС1, в котором а(С1“) = const. В этом случае по­ тенциал хлорсеребряного электрода по отношению к стандарт­ ному водородному электроду

671

анионом хлора с образованием осадка AgCl:

Вслучае катода в системе происходит растворение осадка AgCl

ивосстановление катионов A g+:

Потенциал хлорсеребряного электрода постоянен, легко воспроизводим и практически не зависит от протекания побоч­ ных реакций.

До недавнего времени в качестве электрода сравнения ш и­ роко использовался каломельный электрод Hg |H g2C l2, С Г, ко­ торый устроен аналогично хлорсеребряному электроду. На по­ верхность ртути нанесен слой малорастворимой соли H g2C l2 (каломель). Над поверхностью каломели находится насыщен­ ный раствор КС1, который определяет растворимость H g2C l2, а следовательно, и концентрацию ионов H g f+ в системе. При этих условиях потенциал каломельного электрода постоянен и равен 0,241 В. В настоящее время каломельный электрод ста­ раются не использовать из-за высокой токсичности ртути и ее солей.

25.6.2. ИОНО- И МОЛЕКУЛЯРНОСЕЛЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Для измерения концентрации биологически активных ио­ нов: Н +, Na+, К +, N H 4, Са2+, NO 3 и других, а также различных веществ в биологических системах используют электроды опре­ деления, которые называют также индикаторными электродами. Потенциалы этих электродов зависят в основном от концентра­ ции определяемого иона или вещества. Электродами определения прежде всего являются ионоселективные электроды, действие которых основано на возникновении мембранного потенциала на мембране с селективной чувствительностью к данному иону.

672

вестной постоянной активностью определяемого иона (aBH(Xj) =

=const). В этот раствор опущен внутренний электрод сравнения

спостоянным значением потенциала. В качестве внутреннего электрода обычно используют хлорсеребряный электрод. Кон­ такт этой системы с исследуемым раствором осуществляется через ионоселективную мембрану. На внутренней и наружной поверхностях данной мембраны возникают потенциалы <рвн и Фнар> которые согласно известному уравнению Нернста прямо

пропорциональны логарифму активности определяемого иона во внутреннем и исследуемом растворах соответственно. Для изме­ рения возникающих мембранных потенциалов в исследуемый раствор опускают внешний хлорсеребряный электрод сравнения. Полученную гальваническую цепь измерительной системы мож ­ но записать следующим образом:

Потенциал ионоселективного электрода определяется суммой потенциалов на каждой границе раздела: <р = щ + <рвн + Фнар* Поскольку потенциалы <pj и <рвн постоянны, а значение <рнар —

2SRT

=— lg a(Xi) прямо пропорционально логарифму активности

2г

анализируемого иона X* в исследуемом растворе, то и ЭДС галь­ ванической цепи будет линейной функцией показателя актив­ ности этого иона в растворе, так как рХ* = -lg а(Х*). Таким об­ разом, измерив ЭДС гальванической цепи из ионоселективного электрода определения и электрода сравнения, опущенных в ис­ следуемый раствор, можно определять в нем эффективную кон­ центрацию анализируемого иона. ЭДС гальванической цепи оп­ ределяют с помощью иономера (рис. 25.9). Это высокочувстви­ тельный милливольтметр, шкала которого проградуирована в единицах рХ*. Иономер имеет разные диапазоны для грубых и точных измерений определяемых величин.

Все ионоселективные электроды в зависимости от агрегатного состояния мембран подразделяются на электроды с твердыми и жидкими мембранами. Наиболее широко используемым ионосе­ лективным электродом определения с твердой мембраной являет­ ся стеклянный электрод. Стеклянный электрод представляет со­ бой трубку, заканчивающуюся тонкостенной стеклянной мембра­ ной в виде шарика, чувствительной к определенному виду ионов. Внутри находится раствор, содержащий данный вид ионов, в

Рис. 25.9. Измерения с помощью иономера (прямая потенциометрия)

который опущен внутренний электрод сравнения, соединяемый с внешней цепью. Чаще всего используется стеклянный электрод, чувствительный к ионам Н + и поэтому позволяющий определить pH раствора. В этом случае внутренним раствором является 0,1 М раствор НС1, а стеклянную мембрану (шарик) изготавливают из специального литийбарийсиликатного стекла (рис. 25.10).

Чтобы повысить чувствительность стеклянной мембраны к ионам Н +, стеклянный электрод после хранения необходи­ мо вымочить в разбавленном растворе НС1 и далее сохранять в дистиллированной воде. При вымачивании стеклянной мем­ браны в кислоте поверхность стекла гидратируется, ионы ще­ лочного металла в стекле обмениваются на ионы водорода Н +, находящиеся в растворе:

674

зависит в основном от активности ионов Н + в исследуемом рас­ творе, так как внутренний раствор имеет постоянную активность ионов Н +. Для измерения этой разности потенциалов необходимо составить гальваническую систему из стеклянного электрода, со­ держащего обычно внутренний хлорсеребряный электрод, и внеш­ него электрода сравнения:

Фстекл “ Ф1 + Фвн + Фнар

где <р! + фвн — const, так как включает постоянные потенциалы элек­ трохимической системы стеклянного электрода. Величина фна« согласно уравнению Нернста равна фнар = (2,3RT/F) lg а(Н+) = -2 •10“ 4 Т pH, поэтому фСТекл “ const + фнар = const - 2 •10~ 4 Т pH.

Таким образом, потенциал стеклянного электрода является функцией pH исследуемого раствора, и ЭДС гальванической це­ пи из стеклянного электрода и электрода сравнения тоже будет функцией pH исследуемого раствора:

Е = Фхл.сер ~ Фстекл = <=Onst + 2 •10' 4 Т pH

Полученное выражение свидетельствует о линейной зависимости ЭДС гальванической цепи от pH исследуемого раствора. Так как постоянная величина, входящая в это выражение, неизвестна, то перед измерением pH с помощью конкретного стеклянного элек­ трода необходимо откалибровать этот электрод по стандартным буферным растворам с точно известным значением pH, коррек­ тируя показания шкалы рН-метра, являющегося, по сути, точ­ ным милливольтметром. Таким образом, рН-метры позволяют с помощью откалиброванного стеклянного электрода и электрода сравнения измерять pH исследуемого раствора непосредственно по шкале прибора.

Аналогично измерению pH с помощью стеклянных ионосе­ лективных электродов, мембрана которых изготовлена из опре­ деленного сорта стекла, селективного по отношению к ионам Na+, К + или N H J, можно определять концентрацию этих ионов непосредственно в биологических системах.

На основе мембраны из кристаллического фторида лантана созданы фторид-селективные электроды для определения кон­ центрации фторид-иона в молоке, моче и в зубной пасте.

Ионоселективные электроды с жидкой мембраной состоят из мелко­ пористой диафрагмы из стекла или пластмассы, пропитанной раствором

ионофора в нелетучем органическом растворителе, не смешивающимся с водой. Селективность такой мембраны зависит от комплексообра­ зующих свойств ионофора по отношению к определяемому иону на фоне других ионов, находящихся в анализируемой системе. Среди ио­ носелективных электродов определения с жидкой мембраной наиболее широкое применение нашли калиевый, кальциевый, нитратный и аце­ тилхолиновый электроды (табл. 25.2).

В последнее время наряду с ионоселективными электродами в биохи­ мических анализах применяют молекулярноселективные электроды. Мо­ лекулярноселективные электроды определения представляют собой ионо­ селективные электроды, на наружной поверхности мембран которых на­ несен слой иммобилизованного фермента. Ферменты - вещества, которые способны катализировать превращения одного-единственного субстрата из многих сотен или даже тысяч веществ близкой химической природы. Под действием фермента происходит реакция с определяемым субстратом, приводящая к образованию иона, к которому чувствителен данный элек­ трод определения. Такие электроды часто называют ферментными. На­ пример, мочевино-селективный электрод состоит из аммоний-селектив- ного стеклянного электрода, покрытого слоем, содержащим фермент уреазу. Под действием уреазы мочевина CO(NH2 )2 в исследуемом растворе гид­ ролизуется с образованием иона аммония, концентрация которого фикси­ руется аммоний-селективным стеклянным электродом, и тем самым опре­ деляется содержание мочевины в исследуемом растворе.

С помощью фермента пенициллиназы, нанесенного на поверхность мембраны стеклянного электрода для измерения pH, можно опреде­

676

лять концентрацию пенициллина в исследуемом растворе. Пеницил­ лин под действием пенициллиназы количественно превращается в пе­ нициллиновую кислоту, что изменяет pH среды пропорционально со­ держанию пенициллина и фиксируется стеклянным электродом.

В настоящее время в клинической практике широко используются молекулярноселективные электроды, содержащие ферменты для опре­ деления глюкозы, антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот и других биологически активных веществ. Разрабатываются иммуно­ электроды для определения содержания антигенов или антител.

Кроме ионо- и молекулярноселективных электродов в потенциометрии в качестве электрода определения используют окислительно­ восстановительный электрод определения на основе платины для ис­ следования ионного состава различных сопряженных окислительно­ восстановительных пар.

С помощью рассмотренных электродов определения потенциометрически определяют непосредственно активности и кон­ центрации соответствующих ионов или веществ в исследуемых системах. Такая методика называется прямой потенциометрией (см. рис. 25.9). При прямой потенциометрии предварительно обязательно калибруют электрод определения. Для этого с по­ мощью данного электрода определения проводят измерения се­ рии стандартных растворов с известной концентрацией опреде­ ляемого иона или вещества. По полученным данным или строят калибровочный график в координатах Е = ДрХ*), или корректи­ руют ш калу иономера для измерения рХ*. Таким образом, от­ корректированный рН-метр или иономер позволяют с помощью откалиброванного электрода определения измерить pH или рХ* непосредственно по шкале прибора.

Прямая потециометрия с использованием ионо- и молеку­ лярноселективных электродов определения широко применяет­ ся в клинической и санитарной практике.

25.6.3. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ

Более точным и более информативным методом по сравне­ нию с прямой потенциометрией является потенциометрическое титрование.

Потенциометрическим титрованием называется титриметрический метод анализа, в котором точка экви­ валентности определяется по изменению в ходе титро­ вания ЭДС гальванической цепи, включающей анализи­

руемый раствор.

Потенциометрическое титрование состоит в том, что к анализи­ руемому раствору, в который опущены электрод определения и электрод сравнения, порциями добавляют титрант из бюретки, содержащей реагент на определяемое вещество, и после каждо­ го добавления титранта измеряют ЭДС составленной гальвани­ ческой цепи (рис. 25.11).

677

Переключатель

Рис. 25.11. Потенциометрическое титрование

Электрод определения выбирают в зависимости от вида ана­ лизируемых ионов и типа химической реакции, протекающей при титровании. При кислотно-основном титровании pH раство­ ра измеряется с помощью стеклянного электрода определения, чувствительного к катиону Н +. При окислительно-восстанови- тельном титровании применяют окислительно-восстановитель- ный платиновый электрод определения. В случае комплексо­ метрического титрования в качестве ионоселективного электро­ да определения используют электрод, чувствительный к кон­ центрации анализируемого иона, участвующего в реакции комплексообразования.

Для нахождения точки эквивалентности при потенциомет­ рическом титровании обычно строят кривую титрования.

Кривой потенциометрического титрования называ­ ется график зависимости ЭДС гальванической цепи, со­ держащей анализируемый раствор, от объема титранта Е -Л^титр)* а 6 случае кислотно-основного титрова­ ния - график зависимости pH раствора от объема титранта pH = ЯУТИТР).

Кривдя потенциометрического титрования обычно имеет S-об- разную форму (рис. 25.12, а). На этой кривой можно выделить три участка:

- начальный относительно пологий участок, для которого

Vтитр < Vэкв>

у у

678

Рис. 25.12. Кривая потенциометри­ ческого титрования и методы опре­ деления положения точки эквива­ лентности:

а - графически; б - по зависимости ДрН/AFTHTp = ДТ^титр)

редина скачка титрования со­ ответствует точке перегиба и точке эквивалентности, для нее

- конечный, также относи­ тельно ПОЛОГИЙ, ДЛЯ которого У'титр > Т^экв-

Точка эквивалентности, как точка перегиба, может быть определена графически, как показано на рис. 25.12, а, с помо­ щью отрезка прямой АВ, соединяющей точки отрыва касатель­ ных, проведенных к начальному и конечному участкам кривой титрования. Точка пересечения этим отрезком скачка титрова­ ния и будет точкой эквивалентности потенциометрического тит­ рования. Более точно точку эквивалентности находят по мак­ симуму на графике ApH/AFTHTp = Л^титр) (рис. 25.12, б).

Метод потенциометрического титрования в медикобиологи­ ческих исследованиях применяют не только для измерения концентрации ионов, но и для определения констант диссоциа­ ции слабых кислот, аминокислот, белков, нуклеиновых кислот или для определения констант нестойкости комплексных соеди­ нений. Рассмотрим определение константы диссоциации слабой кислоты на примере уксусной кислоты (рис. 25.13).

Константу диссоциации СН 3СООН определяют по ее кривой потенциометрического титрования. В процессе титрования к ана­ лизируемому раствору кислоты порциями добавляют раствор ще­ лочи, при этом на начальном этапе образуется буферная система: смесь слабой кислоты (донор протона) и ее соли (акцептор прото­ на). Значение pH образующейся кислотной буферной системы при титровании можно вычислить по следующему уравнению:

Из приведенного уравнения видно: если с(соль) = с(кислота), то pH = рКа. Равенство концентраций слабой кислоты и ее соли в анализируемой системе наступает при добавлении к раствору кислоты половины эквивалентного объема титранта: ^NaOH “ V 2 V 3Kb* Поэтому значение pH анализируемой системы в момент полунейтрализации слабой кислоты численно равно значению pJTa этой кислоты. В нашем примере р!Га(СНзСООН) = = 4,75. Таким образом, при потенциометрическом титровании

679