Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналитическая химия. Электрохимические методы анализа. Учебное пособие
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Г.Н. Микилева, Г.Г. Мельченко, Н.В. Юнникова
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Учебное пособие
Для студентов вузов
2-е издание, переработанное и дополненное
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим
центром высшего профессионального образования
для межвузовского использования в качестве учебного пособия
для студентов всех форм обучения технических вузов
Кемерово 2010
2
УДК 542.87(075)
ББК 24.4я7
М59
Рецензенты:
Б.Г. Трясу
нов, профессор, д-р хим. наук;
Г.Н. Шрайбман, доцент, канд. хим. наук
Рекомендовано редакционно-издательским советом
Кемеровского технологического института
пищевой промышленности
Микилева, Г.Н.
М59 Аналитическая химия. Электрохимические методы
анализа : учебное пособие / Г.Н. Микилева, Г.Г. Мельченко, Н.В. Юнникова; под ред. Г.Н. Микилевой; Кемеровский технологический ин
ститут пищевой промышленно-
сти. – 2-е изд., перераб. и доп. – Кемерово, 2010. – 184 с.
Даны современные представления об электрохимических
методах, получивших преимущественное применение в анализе
и исследованиях пищевого сырья и готовых продуктов питания:
потенциометрии, вольтамперометрии, кондуктометрии и кулонометрии. Излагаются краткие теоретические основы методов,
описаны используемые приборы и оборудование, указано применение методов в анализе пищевых продуктов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям и специальностям т
питания. Может быть полезно студентам других нехимических
специальностей, а также магистрам и аспирантам.
Второе издание, переработанное и дополненное. Первое
вышло в 1993 г. под названием «Электрохимические методы
анализа». Основные отличия указаны в предисловии.
ехнологии и производства продуктов
УДК 542.87(075)
ББК 24.4я7
Охраняется законом об авторском
Охраняется законом об авторском
праве, не может быть использовано
праве, не может быть использовано
любым незаконным способом
любым незаконным способом
без письменного договора
без письменного договора
© КемТИПП, 2010, с изменениями
© КемТИПП, 1993
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данное учебное пособие предназначено для студентов
технологических направлений и специальностей пищевого профиля. Оно соответствует требованиям государственных образовательных стандартов и предназначено для студентов всех форм
обучения по направлениям «Технология продуктов питания»,
«Производство продуктов питания из растительного сырья»,
«Технология сырья и продуктов животного происхождения»,
«Технология продовольственных продуктов специального назначения и о
080401 «Товароведение и экспертиза товаров» и 240902 «Пище-
вая биотехнология». Его можно рекомендовать студентам и других технических направлений и специальностей вузов, а также
магистрам и аспирантам, использующим в своих исследованиях
электрохимические методы анализа.
Издание второе, переработанное и дополненное (первое
издание вышло в 1993 г. под названием «Электрохимические
методы ан
Мельченко, Г.Н. Микилева, Л.С. Сизова, В.А. Старовойтова,
Н.В. Юнникова). При переработке материала, включенного в
учебное пособие, учтены современные теоретические представления по основным вопросам электрохимических методов анализа и исследования, новые научные данны
применения для определения показателей качества и безопасности сырья и готовых пищевых продуктов, а также современные
тенденции и достижения в аналитическом приборостроении.
За время, прошедшее после опубликования первого издания (1993), центральными издательствами были выпущены новые учебники по аналитической химии, но ни один из них не
соответствует в полной мере госу
стандартам по вышеприведенным направлениям.
Целью настоящего учебного пособия является ознакомление студентов с теоретическими основами и современным аппаратурным оснащением электрохимических методов анализа
(ЭМА), возможностями их применения для анализа и исследования пищевого сырья и продуктов на его основе.
бщественного питания», а также по специальностям
ализа», авторы: В.П. Гуськова, Г.З. Загидуллина, Г.Г.
е об условиях их
дарственным образовательным
С учетом современных тенденций развития аналитической
химии пищевых продуктов наибольшее внимание в учебном
пособии уделено тем электрохимическим методам анализа, которые являются наиболее перспективными для определения показателей качества и безопасности сырья и готовой продукции.
К таким методам можно отнести потенциометрию, вольтамперометрию, кулонометрию и кондуктометрию. В настоящем
учебном пособии дано п
ностях и ограничениях каждого метода и его современном аппаратурном оснащении. При рассмотрении каждой группы методов сделан акцент на наиболее перспективные варианты, особенно важные для анализа и исследований сырья и пищевых
продуктов. К числу таких вариантов методов относятся ионометрия и ионоселективные электроды в потенциометрии, инверсионная воль
в вольтамперометрических методах и др. В настоящем учебном
пособии дано описание новых современных приборов, которые
появились за годы, прошедшие после выхода первого издания.
Особенно важным является ознакомление будущих специалистов с продукцией отечественного аналитического приборостроения (рН-метрами, иономерами, полярографами, кондуктометрами и др.). Впервые в настоящем издан
дел «Современные тенденции развития электрохимических методов анализа», изучив содержание которого, студенты получат
знания, необходимые специалистам для выбора метода анализа
в случае решения ими какой-либо исследовательской или практической задачи.
В конце глав 2-5 даны контрольные вопросы, которые могут быть использованы студентами при самостоятельной подготовке к за
го контроля знаний студентов (вопросы к первой главе отсутствуют, поскольку она включает общую характеристику ЭМА). С
целью обеспечения студентов необходимой дополнительной
информацией дан подробный список литературы.
При изложении материала в пособии использован ряд
приемов, позволяющих улучшить восприятие новой информации, акцент
важных моментах, выводах. Для этого применяются различные
тамперометрия и твердые (графитовые) электроды
нятиям, а преподавателями – для текущего и рубежно-
ирующих внимание студентов на определениях,
редставление об особенностях, возмож-
4
ии представлен раз-
шрифтовые и нешрифтовые выделения и т.д. Чтобы облегчить
понимание студентами достаточно сложной теории электрохимических методов анализа, в текст учебного пособия для наглядности включено много рисунков и таблиц.
В основу учебного пособия положен многолетний опыт
кафедры аналитической химии и экологии Кемеровского технологического института пищевой промышленности. Авторы приносят благо
риала, изложенного в учебном пособии, за ценные замечания и
рекомендации. Особую благодарность авторы выражают доценту, канд. техн. наук Л.С. Сизовой за предварительный просмотр
рукописи учебного пособия и сделанные при этом замечания и
пожелания, которые были приняты во внимание при окончательном редактировании ру
там профессору, д-ру хим. наук Б.Г. Трясунову и доценту, канд.
хим. наук Г.Н. Шрайбман, рекомендации и замечания которых
помогли устранить недочеты в рукописи и были учтены при ее
подготовке к печати. Большой вклад в подготовку рукописи к
изданию внесен сотрудниками редакционно-издательского центра (РИЦ) Кемеровского технологического инст
промышленности.
том, канд. техн. наук Г.Н. Микилевой, глава 2 – доцентом, канд.
хим. наук Г.Г. Мельченко, главы 3, 5 – доцентом, канд. хим. наук Н.В. Юнниковой. Общее редактирование рукописи учебного
пособия осуществлено доцентом, канд. техн. наук Г.Н. Микилевой. Автор
способствующие улучшению качества учебного пособия.
дарность коллегам за участие в обсуждении мате-
Искреннюю признательность авторы выражают рецензен-
Главы 1, 4 настоящего учебного пособия написаны доцен-
ы будут признательны за критические замечания,
5
кописи.
итута пищевой
6
ВВЕДЕНИЕ
Производство продуктов питания – это очень важная,
жизненно значимая для любой страны отрасль промышленности. В настоящее время пищевая промышленность России интенсивно развивается: значительно увеличился ассортимент
пищевых продуктов, их производителями освоено много новых
технологий и новых видов сырья, возросла конкуренция на рынке продовольственных товаров. Практически во всех странах, в
том числе и в России, у
что неизбежно сказывается на качестве пищевых продуктов.
Острой стала проблема их фальсификации и выявления подлинности продовольственных товаров.
Это обусловливает необходимость повышения точности,
надежности, чувствительности, а также специфичности химического анализа используемого сырья и пищевых продуктов на его
основе. Поскольку они имеют сложный, многокомпонентный
состав, то для выпо
плекс методов аналитической химии. Однако лидирующими по
применению являются инструментальные методы анализа, в которых используются различные аналитические приборы (инструменты).
Дисциплина «Аналитическая химия и физико-химические
методы анализа» включена в государственные образовательные
стандарты всех специальностей и направлений пищевого профиля и явля
ми технохимического контроля пищевых производств, вопросов
стандартизации, метрологии, сертификации и управления качеством пищевых продуктов. Ее актуальность и значимость несомненны для всех специалистов, занимающихся научными исследованиями и оценкой уровня качества и безопасности используемого сырья и готовых продуктов питания. Образовательная программа дисци
дентами тех инструментальных методов, которые наиболее широко применяются в анализе и исследованиях пищевых продуктов: электрохимических, спектроскопических и хроматографических. При разработке методик анализа электрохимическим
ется основой для последующего изучения студента-
сложнились экологические проблемы,
лнения такого анализа используют весь ком-
плины предусматривает изучение сту-
методам часто отдают предпочтение, так как они обеспечивают
высокую чувствительность определений, точность результатов
анализа, его экспрессность и возможность автоматизации. Оборудование и приборы во многих электрохимических методах
просты в эксплуатации, имеют невысокую (приемлемую) стоимость. Известно, что пищевые продукты представляют собой
многокомпонентные гетерогенные смеси, содержащие белки,
жиры, углеводы, воду и пр. Поэтому, измеряя электрофизические характеристики, можно, например, у
ные условия и сроки хранения продуктов по изменению содержания влаги в них. При анализе напитков их электрофизические
свойства позволят сделать заключение о подлинности или фальсификации продуктов.
В настоящее время известно много электрохимических
методов анализа, отличающихся по сущности, приборному оснащению, метрологическим характеристикам и назн
Однако, по мнению большинства специалистов (см. работы [15,
21, 22]), для определения показателей качества и безопасности
пищевых продуктов, а также в научных исследованиях, связанных по тематике с пищевой промышленностью, основное применение находят потенциометрия и вольтамперометрия. Поскольку для многих продуктов важным показателем является
электропроводимость, то имеет практическое з
тометрия. Область применения кулонометрии в анализе пищевых продуктов невелика, но она, являясь более точным безэталонным (не требующим использования стандартных образцов)
методом, представляет интерес в анализе сложных объектов при
оценке достоверности результатов, полученных с помощью других электрохимических методов.
Все вышеизложенное определило структуру настоящего
учебного пособия и объем материала, изло
священных методам потенциометрии, кондуктометрии, вольтамперометрии и кулонометрии. Для лучшего понимания содержащегося в них теоретического материала в учебное пособие
включена глава 1, в которой рассмотрены основные исходные
понятия и охарактеризованы такие электрохимические явления,
без знаний которых невозможно изучение электрохимических
методов анализа.
7
становить оптималь-
ачению.
начение кондук-
женного в главах, по-
8
ГЛАВА 1
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА
Электрохимические методы также называют электроана-
литическими, электрометрическими или электрофизическими. Однако наиболее общепринятым является название «электрохимические методы анализа». Они занимают важное место
среди методов инструментального анализа, благодаря высокой
чувствительности, точности результатов анализа, экспрессности,
селективности анализа, простоте выполнения аналитических операций во многих случаях, возможности их автоматизации. Развитию и сове
способствуют успехи фундаментальных исследований в области
электрохимии и аналитического приборостроения.
ршенствованию электрохимических методов также
1.1. Общие теоретические представления
Электрохимические методы анализа и исследования
(ЭМА) основаны на измерении электрических параметров
электрохимических явлений, возникающих в исследуемом растворе и протекающих на поверхности электродов или в приэлектродном пространстве.
Аналитическим сигналом, функционально связанным с составом и концентрацией анализируемого раствора, может служить любой электрический или электрохимический параметр:
потенциал, сила тока, эле
ние) и др. Для его измерения необходима электрохимическая
цепь, или электрохимическая ячейка, составной частью которой
является электропроводящий анализируемый раствор.
ктрическая проводимость (сопротивле-
+
9
1.1.1. Особенности протекания окислительно-
восстановительных реакций на межфазных поверхностях.
Электрохимическая ячейка
Простейшая электрохимическая ячейка представлена на
рис. 1.1. Она состоит из двух электродов, погруженных в раствор электролита. Это устройство позволяет использовать уникальную особенность окислительно-восстановительных реакций
– их способность протекать при пространственном разделении
окислителя (Ок) и восстановителя (Вос). В этом случае перенос
электронов от восстановителя Вос1 к окислителю Ок2 осуществляется с помощью двух электродов и проводников во внешней
цепи так, как показано на рис. 1.1. Для предотвращения непосредственного контакта Ок и Вос помещены в отдельные сосуды. Если соединить электроды внешним проводником, а растворы – солевым мостиком (назначение солевого мостика пояснено
в разд. 1.1.6), то восстановитель будет отдавать электроны электроду Э1 и окисляться: Вос1 – nе− → Ок1. Для поддержания общего электрического баланса равное число электронов уйдет с
электрода Э1 и по внешней цепи перейдет к электроду Э2, который, приняв их, отдает окислителю. В результате при замыкании цепи протекает та же реакция:
,
ВосОкОкВос +→
2121
которая протекала бы при непосредственном контакте Вос1 и Ок2.
Полная электри-
ческая цепь (см. рис.
1.1) состоит из электрохимической ячейки и
внешней цепи (металлические проводники и
измерительное устройство). Механизм пере-
Рис. 1.1. Электрохимическая ячейка
носа электричества на
различных участках цепи неодинаков. В элек-
В
10
тродах и металлических внешних проводниках электричество
переносится электронами, в рассмотренной на рис. 1.1. схеме
они движутся от электрода Э1 к электроду Э2. В растворе электричество переносят ионы, а на поверхности электродов цепь
замыкается за счет перехода от ионной проводимости к электронной в результате электрохимической реакции.
Полуреакцию окисления на электроде Э1 (аноде)
ос ne Ок
−
−→
11
называют анодным током (IA), а полуреакцию восстановления
на электроде Э2 (катоде)
Ок ne Вос
−
+→
11
называют катодным током (I
) . Эти токи соответствуют пере-
K
носу электронов в противоположных направлениях, и, чтобы их
различать, катодный ток считают положительным (+IК), а анодный – отрицательным (–IА). И катодный, и анодный токи обусловлены процессом электролиза (электрохимическими реакциями), поэтому их называют фарадеевскими токами (I
).
F
1.1.2. Некоторые исходные понятия электрохимии
Исходные понятия электрохимии необходимо знать для
рассмотрения теоретических основ электрохимических методов
анализа и исследования.
К числу таких понятий относятся следующие:
1. Электрохимический процесс – такой процесс в хими-
чески реагирующей системе, в котором окислительно-восстановительная реакция неразрывно связана с направленным переносом электричества (электрическим током) между частями
этой системы, т.е. между участками окисления и восстановления.
Следовательно, электрохимический процесс – такой процесс, который сопровождается одновременным протеканием
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]