Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Konspekt_lekcii

.pdf
Скачиваний:
63
Добавлен:
12.02.2016
Размер:
1.94 Mб
Скачать

У разі відсутності індексів затримування у довідниковій літературі, хроматограф може використовуватися для виділення невідомої речовини у чистому вигляді з елюату під час виходу хроматографічного піка з натупним дослідженням її за допомогою інших фізикохімічних чи хімічних методів аналізу.

Для ідентифікації хроматографічних піків досліджуваної суміші можна використати порівняння параметрів затримування піків суміші з параметрами затримування чистих речовин, виміряних при тих же умовах хроматографування. Відсутність серед параметрів затримування піків суміші параметрів затримування чистої речовини однозначно свідчить про відсутність цієї речовини в суміші. Наявність в хроматограмі суміші піка з параметром затримування, який має пік якоїсь чистої речовини, може свідчити про можливість наявності цієї речовини в суміші, але не виключена наявність іншої речовини з рівним або близьким параметром затримування.

Великі можливості для якісного аналізу має гібридний метод хроматографічного розділення з використанням ІЧабо мас-спектрального детектування.

3.9. Кількісний аналіз

Кількісним параметром хроматографічного піка є його площа (S), яка пропорційна масі речовини введеної в хроматограф з пробою (3.20). З теорій хроматографії видно, що при збільшенні кількості речовини збільшується висота піка (h) при незмінній його ширині (ω0,5). Тому висота піка теж є кількісним параметром піків. Висоту піків виміряти просто. Для вимірювання площі піків необхідно застосовувати спеціальні засоби або реєстратори з інтеграторами, але залежність площі піків від маси речови має більший діапазон лінійності, ніж висота. Тому як кількісні характеристики використовують також величини, пропорційні площі піків -

0,5 або hlr.

Таким чином, кількісним параметром (Р) можуть бути як площа піка (S), так і його висота (h) або добуток висоти на ширину піка (0,5) чи на відстань затримування (hlr). Тоді для і-го компонента можна записати:

mi = kiּPi .

(3.26)

З другого боку,

mi = CiVпрMi ,

де Ci, Mi - молярна концентрація та молярна маса компонента, Vпр - об'єм проби, введеної в хроматограф.

З рівнянь 3.26 та 3.27 одержимо:

Ci V kMi Pi .

пр i

(3.27)

(3.28)

Величина ki залежить від властивостей речовини, конструкції і режиму роботи хроматографа, тому методом абсолютного калібрування можна користуватися при можливості підтримування стабільного режиму роботи хроматографа і введення однакового об'єму проби та калібрувальних сумішей. Газові хроматографи зазвичай комплектуються дозаторами газових проб, які дають можливість вводити постійний об'єм (1 - 10 мл) проби газових сумішей, і

користуватися методом абсолютного калібрування або калібрувальних коефіцієнтів.

Рідкі проби об'ємом 1 - 10 мкл вводяться мікрошприцами, які не забезпечують постійності об'єму проб і метод абсолютного калібрування для точного аналізу рідин не використовуєть-

ся. У цьому випадку користуються методом відносного калібрування (внутрішнього стандар-

53

та). Він полягає у тому, що до відомої маси проби (mпр) додають відому масу речовини стандарта, якої немає в пробі (mст), змішують їх і хроматографують одержану суміш. Масові частки компонентів проби розраховують за формулою:

 

 

 

fi Pi mст

100%

,

(3.29)

i

 

 

 

Pст mпр

 

 

 

 

 

 

 

де Pi, Pст - кількісні параметри піків і-го компонента та речовини стандарта,

fi - нормувальний коефіцієнт, який дорівнює відношенню чутливостей хроматографа до компонента і речовини стандарта.

Нормувальний коефіцієнт розраховують з хроматограми суміші, яка містить відомі концентрації компонентів ( i) та речовини стандарта ( ст, % мас):

f

 

 

i Pст

.

(3.30)

i

 

 

 

Pi ст

 

 

 

 

 

У випадку, коли необхідно визначати концентрації всіх компонентів суміші, суму їх концентрацій приймають за 100% і тоді відпадає необхідність в додаванні речовини стандарта. В цьому випадку розрахунки концентрацій проводять за методом внутрішньої нормалізації:

i

 

fi

Pi

100% .

(3.31)

fi Pi

 

 

 

 

Нормувальні коефіцієнти розраховують за формулою 3.30, прийнявши одну з речовин за стандартну, при цьому fст = 1.

3.10. Переваги хроматографічного аналізу.

1.Широкі межі застосування для аналізу сумішей газів, рідин, розчинів неорганічних і органічних сполук.

2.Мала кількість проби, необхідної для аналізу.

3.Висока точність (до 0,5%) і чутливість (до 10-6 г).

4.Короткий час аналізу (1-10 хв.).

5.Можливість автоматизації аналізу та включення в системи автоматичного регулювання безперервних технологічних процесів.

Питання для самоконтролю.

1.На чому грунтуються хроматографічні методи аналізу?

2.Суть хроматографічного розділення.

3.Класифікація хроматографічних методів аналізу.

4.Принципова схема і призначення основних блоків газового хроматографа.

5.Теорія рівноважної газової хроматографії.

6.Теорія нерівноважної газової хроматографії.

7.Теорія тарілок. Ефективність хроматографічної колонки.

8.Рівняння Ван-Деемтера.

9.Хроматограма та її характеристики. Аналітичний сигнал хроматографічних методів аналізу.

10.Якісні та кількісні характеристики аналітичного сигналу.

11.Чіткість хроматографічного розділення компонентів.

12.Вплив основних факторів на чіткість розділення.

13.Вимоги до рідкої нерухомої фази, носіїв рідкої фази і твердої нерухомої фази.

54

14.Способи детектування. Принцип дії детекторів за теплопровідністю та іонізацією полум’я.

15.Можливості якісного хроматографічного аналізу.

16.Кількісні параметри хроматографічного піка.

17.Кількісний аналіз газових сумішей.

18.Методи внутрішнього стандарта, внутрішньої нормалізації.

19.Застосування хроматографічних методів аналізу.

4. ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ

Електрохімічні методи аналізу грунтуються на використанні залежності електричних параметрів електролітичної комірки від концентрації, природи та структури речовини, що бере участь в електродній (електрохімічній) реакції або в електрохімічному переносі зарядів між електродами. Електролітична комірка є електрохімічною системою, яка складається з електродів та електроліту, що контактують між собою.

За рекомендаціями ІЮПАК електрохімічні методи аналізу можна розділити на:

1.Методи, які грунтуються на перебігу електродних реакцій при відсутності електричного струму (потенціометрія).

2.Методи, які грунтуються на перебігу електродних реакцій при проходженні електричного струму крізь розчин електроліту (вольтамперометрія, кулонометрія,

електрогравіметрія).

3.Методи, які не пов'язані з протіканням електродної реакції, а лише з електричними явищами в розчині (кондуктометрія, діелькометрія і інші).

Електричні параметри (сила струму, напруга, електричний опір) можуть служити аналітичними сигналами при прямих вимірах "сигнал-склад" або для індикації кінцевої точки титрування в непрямих методах.

4.1. Потенціометричні методи аналізу

Потенціометричні методи аналізу грунтуються на залежності потенціалу електрода від складу розчину, в який він занурений.

Металічний індиферентний провідник, занурений в розчин, набуває певного потенціалу, якщо в розчині відбувається рівноважний процес передачі електронів між двома формами речовинини – окисно-відновною парою.

Ок + ne Відн

Потенціал такого електрода визначається за формулою Нернста:

Е

 

Е 0

 

RT

ln

aОк

,

(4.1)

Ок / Відн

 

 

 

Ок / Відн

 

nF

аВідн

 

 

 

 

 

 

де ЕОк0 / Відн - потенціал, який визначається природою окисно-відновної пари, В;

R - універсальна газова стала (R=8,314 Дж/моль К); T - абсолютна температура, К;

F - число Фарадея (F=96485 Кл/моль);

aОк , aВідн - активності окисненої та відновленої форм речовини.

55

Men+

Підставляючи в цю формулу значення констант при температурі 298 К і переходячи до десяткових логарифмів, одержимо:

Е

 

Е 0

 

0,059

lg

aОк

,

(4.2)

Ок / Відн

 

 

 

Ок / Відн

 

n

 

аВідн

 

 

 

 

 

 

 

4.1.1. Класифікація електродів. Аналітичний сигнал.

За механізмом виникнення потенціалу на електродах, останні поділяються на електронообмінні і іонообмінні.

В електронообмінних електродах потенціал виникає внаслідок обміну електронами між металом і розчином крізь поверхню розділу фаз. Вони, в свою чергу, поділяються на електроди І, ІІ, і ІІІ роду та індиферентні.

Електроди І роду – це метали (Pt, Ag, Cu, Cd, Au, Ir) у вигляді пластинки або дротинки, занурені у розчин добре розчинної солі цього металу. У цьому випадку утворюється окисновідновна система Men+/Ме, в якій відбувається реакція:

+ ne Me

У відповідності з формулою 4.2:

Е

 

 

 

 

Е

0

 

 

 

 

0,059

lg

aMen

 

 

 

n

/ Me

 

n

/ Me

 

 

 

 

 

 

Me

 

Me

 

 

n

аMe

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оскільки активність в розчині твердої фази постійна, вона приймається за 1. Тоді:

 

Е

 

 

 

 

Е 0

 

 

 

 

0,059

lg a

 

 

 

(4.3)

 

n

 

/ Me

n

 

/ Me

 

n

 

 

Me

 

Me

 

 

 

n

Me

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Потенціал електрода І роду залежить від активності іонів металу, з якого складається електрод, в розчині.

Металічні електроди I роду використовуються також як індикаторні електроди, є оборотніми і дають відтворювані результати.

Електроди ІІ роду – це метали, занурені у насичений розчин малорозчинної солі цього металу в надлишку аніонів солі. Наприклад, срібна дротинка, занурена в розчин хлориду калію в присутності твердого хлориду срібла. Схема такого електрода: Ag, AgCl│Cl-, K+. Оскільки активність Ag+ визначається добутком розчинності, рівняння 4.3 набуває такого вигляду:

Е

 

Е 0

0,059 lg

ДР( AgCl)

.

(4.4)

Ag / Ag

 

 

Ag / Ag

 

аCl

 

 

 

 

 

 

Потенціал електрода ІІ роду залежить від активності аніона малорозчинної солі металу в розчині.

Електроди ІІІ роду – це метали, занурені у розчин, насичений відносно двох малорозчинних солей із спільним аніоном. Перша сіль містить катіон металу електрода, друга - інший катіон. Необхідно, щоб розчинність другої солі була більша від розчинності першої. Розчин містить також добре розчинну сіль катіона другої солі. Наприклад, срібна дротинка, занурена в розчин Cd(NO3)2 в присутності твердих Ag2S i CdS. Схема такого електрода: Ag, Ag2S, CdS│Cd2+, NO3-. Потенціал його визначається за формулою:

Е

 

Е 0

 

0,059

lg

ДР( Ag 2 S)

a

 

 

(4.5)

Ag / Ag

 

 

2

 

 

Ag / Ag

2

 

ДР(CdS)

Cd

 

 

 

 

 

 

 

 

Потенціал електрода IІІ роду залежить від активності катіона другої малорозчинної солі металу в розчині.

56

Індиферентні електроди виконують роль передавача електронів. Найчастіше це благородні метали (Au, Pt, Pd) або склоподібний вуглець. При наявності в розчині окисненої і відновленої форм речовини

pОк + ne qВідн

індиферентний електрод набуває значення потенціала:

 

 

 

 

 

 

p

 

Е

 

Е 0

 

0,059

lg

aОк

(4.6)

Ок / Відн

 

q

 

Ок / Відн

 

n

 

 

 

 

 

аВідн

 

Потенціал індиферентного електрода залежить від співвідношення активностей окисненої та відновленої форм.

Іонообмінні (мембранні, іоноселективні) електроди в своєму складі мають тверду або рідку мембрану, яка не розчиняється в досліджуваному розчині, і компонент якої здатний оборотньо дисоціювати, надсилаючи в розчин аніон або катіон. Потенціал на такому електроді виникає внаслідок обміну іонів між розчином і матеріалом мембрани.

KtAn Ktn+ + Ann-

 

 

 

 

 

 

 

мембрана

розчин

Мембранні електроди влаштовані таким чином, що іонообмінна мембрана розділяє

внутрішню камеру електрода від досліджуваного розчину (рис.4.1).

4

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.1. Іоноселективний електрод

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

з твердою мембраною.

 

 

 

 

 

 

 

 

1

– мембрана,

 

 

 

 

n-

 

 

 

2

– аналізований розчин,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a’An

 

2

3

– внутрішній розчин,

 

 

 

 

 

 

 

 

KtAn, Kt

n+

4

– внутрішній електрод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aAnn-

Якщо у внутрішню камеру вміщено розчин з постійною концентрацією добре розчинної сполуки, що дисоціює на іон, який надсилає в розчин мембрана, внутрішня і зовнішня поверхня електродів набувають зарядів, різниця потенціалів яких дорівнює:

ЕM Еas 0,059 lg aAnn , n a,Ann

де EM, Eas - різниця потенціалів поверхонь мембрани і потенціал асиметрії, aAnn , a,Ann - активності аніону в розчині і у внутрішній камері електрода.

Проте якщо a aAnn a,Ann , потенціал асиметрії повинен дорівнювати 0. Внаслідок різних

фізичних властивостей внутрішньої і зовнішньої поверхонь мембрани, Eas набуває невеликої постійної величини порядка сотих або десятих часток вольта.

У внутрішню камеру електрода занурюють електронообмінний електрод (переважно ІІ-го роду). При постійному складі внутрішнього розчину потенціал мембранного електрода залежить від активності іона, на який дисоціює компонент мембрани:

 

 

 

0,059

 

,

 

0,059

 

 

 

 

ЕM

Еas

 

 

lg a

An

n

 

 

lg a

An

n

(4.7)

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

57

На потенціал мембранних електродів, крім визначуваних іонів, в певних умовах впливає присутність у розчині деяких інших іонів. У цьому випадку справедливе загальне рівняння:

 

 

 

0,059

,

 

0,059

 

n

 

ЕM

Еas

 

 

lg aAnn

 

 

lg aAnn ki ai zi

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

де ki - коефіцієнти селективності електрода, який показує, у скільки разів електрод чутливіший до даного іона, ніж до стороннього;

zi - заряд сторонніх іонів.

Чим менші ці коефіцієнти, тим селективніші електроди. Вони дозволяють оцінити придатність різних іоноселективних електродів для розв'язування конкретних аналітичних завдань.

В твердих іоноселективних електродах іоночутливий елемент виготовляють з малорозчинної кристалічної речовини з іонним характером провідності. Перенос заряда в такому кристалі відбувається за рахунок дефектів кристалічної гратки. Вакансії в гратці можуть займатись іонами тільки певного розміру і заряда.

Із електродів цього типу широко застосовується фторидний електрод, в якому мембраною є монокристал LaF3 з добавкою EuF2 для збільшення електричної провідності. Чутливість фторидного електрода дозволяє проводити вимірювання рівноважної концентрації фторидіонів F- в діапазоні 10-6 – 1 моль/л. Селективність електрода дуже висока і наявність сторонніх іонів Hal-, NO3-,SO42- та ін. не перешкоджає визначенню F-. Однак в присутності ОН--іонів селективність падає, бо на поверхні електрода може утворюватись осад La(OH)3. Робота фторидного електрода погіршується також в присутності лігандів, які утворюють з іоном La3+ міцні координаційні сполуки в розчині (цитрат-, оксалат-іони та ін.).

Фторидний електрод використовується для визначення іонів F- у воді, різних біологічних пробах, вітамінах, при контролі за забрудненням довкілля.

Складні іоноселективні електроди, чутливі до іонів Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Ag+, Tl+, NH4+, застосовуються для визначення цих катіонів в різних об’єктах (кров, плазма, вода, екстракти рослин та ін.).

Визначення за допомогою іоноселективних електродів успішно конкурує з полум’янофотометричними методами та нерідко переважає їх за швидкістю і точністю.

Вимоги до електродів:

1.Стабільність і відтворюваність потенціалу.

2.Оборотність електродної реакції.

3.Відсутність поляризації при проходженні невеликого струму.

4.Зручність у роботі.

Таким чином, аналітичним сигналом потенціометричних методів аналізу є потенціал електрода, який залежить від природи визначуваних іонів та їх активності. Оскільки цей аналітичний сигнал є одномірним, він може використовуватися тільки для кількісного аналізу.

4.1.2. Індикаторні електроди і електроди порівняння.

Доступного способу вимірювання абсолютного значення потенціала ізольованого електрода немає. Порівняно просто виміряти різницю потенціалів двох електродів, як електрорушійну силу гальванічного елемента, яку вони складають. Отже, для проведення потенціометричного аналізу необхідно використовувати 2 електроди.

За призначенням електроди поділяються на індикаторні, потенціал яких залежить від складу досліджуваного розчину, і електроди порівняння (стандартні), потенціал яких відомий, постійний і не залежить від складу досліджуваного розчину. Тоді:

58

ЕРС = Еx - Ест; звідки Еx = ЕРС + Ест.

Якщо потенціал електроду порівняння (Ест) прийняти рівним 0, то ЕРС буде дорівнювати відносній величині потенціалу електрода.

Як електрод порівняння обрано стандартний водневий електрод (СВЕ). Він складається з платинової фольги, вкритої платиновою черню, зануреної у водний розчин кислоти з активністю іонів водню 1М, яка знаходиться в контакті з газоподібним воднем під тиском 101,3 кПа.

Електродною реакцією в такому електроді є:

2H+ + 2e ↔ H2

Потенціал СВЕ умовно приймають рівним нулю при будь-якій температурі. Тоді стандартний окисно-відновний потенціал (E0Ок/Відн) дорівнює потенціалу, виміряному відносно СВЕ при стандартних умовах (активність окисненої і відновленої форм та активність інших речовин, які беруть участь в електродній реакції, дорівнюють 1 моль-екв./л; парціальний тиск газоподібних речовин дорівнює 101,3 кПа; Т = 298 К).

СВЕ не зручний для використання через необхідність роботи з газоподібним воднем, повільне встановлення рівноважного потенціалу, отруєння поверхні платини деякими речовинами. Тому як електроди порівняння переважно використовують електроди ІІ роду.

Каломелеві електроди, запропоновані ще Оствальдом, виготовляють за схемою Hg, Hg2Cl2│ KCl ||, електродна реакція:

Hg2Cl2 + 2e ↔ 2Hg + 2Cl-,

відповідають всім вимогам до електродів. Потенціал цих електродів залежить від концентрації KCl (0,1 М; 1 М; насичений розчин).

Сульфатно-ртутний електрод виготовляють за схемою Hg, Hg2SO4│H2SO4||, електродна

реакція:

Hg2SO4 + 2e ↔ 2Hg + SO42-,

відрізняється довговічністю, використовується переважно в кислому середовищі. Окcидно-ртутний електрод виготовляють за схемою Hg, HgO│KOH||, електродна

реакція:

HgO + 2e + H2O ↔ Hg + 2OH-,

використовується переважно в лужному середовищі.

Електроди порівняння з металічною ртуттю сполучаються з досліджуваним розчином переважно через солевий місток з KCl. Через шкідливість ртуті і її солей ртутьвмісні електроди використовуються мало.

Хлоридно-срібний електрод виготовляють за схемою Ag, AgCl│KCl||, електродна реакція:

AgCl + e ↔ Ag + Cl-,

відрізняється високою відтворюваністю і компактністю.

Незалежність потенціала електрода порівняння від складу досліджуваного розчину досягається тим, що він з'єднується з цим розчином через сольовий місток (KCl, NH4NO3), який забезпечує тільки електричний контакт з мінімальною контактною різницею потенціалів (ртутьвмісні електроди порівняння). Інколи контакт здійснюється через внутрішній розчин електрода порівняння, який з малою витратою витікає в досліджуваний розчин (хлоридно-срібний електрод). Рівень внутрішнього розчину необхідно підтримувати вище рівня розчину, в який занурений електрод. Найбільш розповсюдженим електродом порівняння є хлоридно-срібний.

Як індикаторні електроди можна використовувати будь-які електроди, які задовольняють вищезгаданим вимогам до електродів.

Наприклад, срібний електрод (І роду) використовують для визначення в розчині Ag+, хлоридно-срібний електрод (ІІ роду) - для визначення Cl-, електрод Ag, Ag2S, CdS│ (ІІІ роду)

59

для визначення Cd2+, платиновий електрод (індиферентний) - для визначення домішок Fe3+ в розчині солей Fe2+.

Велике значення в практиці потенціометрії має використання мембранних (іоноселективних) електродів різної конструкції.

Для визначення pH розчинів широке застосування знайшов скляний електрод. Це скляна трубка, на кінці якої є кулька з дуже тонкою стінкою, виготовлена із спеціального скла з підвищеною електропровідністю (наприклад, складу: SiO2 - 64, Na2O - 30, CaO - 3, MgO - 3%). Кулька заповнюється розчином хлоридної кислоти, в який вставляється хлоридно-срібний електрод. При вимочуванні у воді поверхневі катіони силікатів обмінюються на іони водню і поверхня набуває властивостей кремнегелю, який здатний дисоціювати:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O-

O

 

Si

 

O

 

 

H

 

 

 

O

 

Si

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 2H+

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

Si

 

 

O

 

H

 

 

 

O

 

Si

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Внаслідок дисоціації поверхня скла отримує заряд, який залежить від активності іонів водню в розчині. Цей заряд зумовлює появу певного потенціалу поверхні електрода. Оскільки внутрішній розчин електрода теж містить іони водню, потенціал скляного електрода дорівнює:

E

 

E

 

E

 

0,059 lg

aH зовн.

E

 

E

 

0,059( pH

 

pH

 

)

ce

xce

as

aH внутр .

xce

as

внутр .

зовн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Склад внутрішнього розчину сталий, тому потенціал скляного електрода лінійно залежить від pH розчину, в який він занурений. Якщо за електрод порівняння взяти хлоридносрібний з активністю Cl- такою ж як активність Cl- у внутрішньому розчині скляного

електрода, ЕРС комірки, складеної з цих електродів, буде:

 

ЕРС = E' - 0,059pHзовн. ,

(4.8)

де Е' - потенціал, який включає потенціал асиметрії (ΔEas) і потенціал, зумовлений pH

внутрішнього розчину скляного електрода.

 

Для вимірювання pH зараз випускаються комбіновані електроди,

які в одному корпусі

містять скляний індикаторний електрод і хлоридно-срібний електрод порівняння, зручні у використанні як в лабораторних умовах, так і для контролю середовища промислових розчинів.

Скляний електрод характеризується компактністю, широким інтервалом лінійності (pH від 1 до 13), не отруюється, не чутливий до окисників і відновників, швидко встановлюється рівновага. Недоліками скляного електрода є крихкість, високий внутрішній опір.

Усильнолужному середовищі потенціал скляного електрода може залежати від наявності

врозчині великих концентрацій іонів деяких лужних металів, що пов'язане з іонообмінними

властивостями поверхні скла.

Розроблені скляні електроди чутливі до іонів Na+, Ag+, NH4+ і мало чутливі до pH. Виготовляються іоноселективні електроди, в яких внутрішній розчин контактує з

досліджуваним через мембрану з твердих малорозчинних солей або суміші двох малорозчинних солей із спільним аніоном або катіоном. Подібно до електродів ІІ і ІІІ роду, потенціали цих

електродів залежать від активностей певних катіонів або аніонів. Випускаються електроди,

чутливі до іонів: F-, Cl-, Br-, I-, SCN-, S2-, CN-, Ag+, Cu2+, Pb2+, Cd2+.

60

Електроди, чутливі до ряду катіонів та аніонів, виготовляють також на основі мембрани

або полімерної плівки, які містять рідкі іонообмінники. Прикладами таких електродів є електроди, чутливі до іонів Ca2+, NO3-, ClO4-, UO22+.

4.1.3. Вимірювання потенціалів.

Для вимірювання ЕРС гальванічного елемента, складеного з індикаторного електрода і електрода порівняння, не можна використовувати звичайні прилади вимірювання напруги через спотворення величини потенціалу від проходження електричного струму крізь розчин електроліту.

Для точного вимірювання ЕРС в потенціометрії використовують компенсаційний метод, який полягає в тому, що від зовнішнього джерела постійного струму за допомогою реохорда подають на електролітичну комірку рівну за величиною та знаком величину потенціалу. Це приводить до того, що струм через досліджуваний розчин не проходить (І=0) і вимірювання потенціала не спотворюється явищами поляризації. В цьому випадку ЕРС потенціометричної комірки точно дорівнює напрузі U, яка може вимірюватися звичайним способом. Для перевірки правильності показів і настройки таких потенціометрів використовуються нормальні елементи Вестона (НЕВ), влаштовані за наступною схемою:

(-)Hg, Cd│CdSO4 ּ 8/3H2Oнас│Hg2SO4тв│Hg(+)

НЕВ має стабільну ЕРС, яка мало залежить від температури, не боїться короткочасного короткого замикання, має великий термін використання (десятки років).

Сучасні потенціометричні прилади замість НЕВ мають високостабільні джерела постійної напруги і використовують електронні схеми, які процес порівняння здійснюють автоматично, і значення зрівноваженого потенціалу можна прочитати безпосередньо за шкалою прилада.

4.1.4. Пряма потенціометрія.

Для аналізу розчину на вміст певних іонів методом прямої потенціометрії необхідно мати відповідний індикаторний електрод, електрод порівняння і прилад для вимірювання ЕРС комірки компенсаційним способом або електронний потенціометр з внутрішнім опором, не меншим 107 Ом/В.

У залежності від того, який індикаторний електрод використовується, існують відомі формули, які пов'язують потенціал електрода і активність визначуваного іона (формули 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7). Формально, скориставшись цими формулами, можна розрахувати активність іона, який визначає потенціал електрода. Завданням кількісного аналізу є визначення концентрації іонів, яка близька до активності в дуже розбавлених розчинах (іонна сила розчину близька до 0). Тому розрахунковий метод одержання результатів прямої потенціометрії практично не використовується.

Реальне значення виміряного потенціала індикаторного електрода залежить не тільки від концентрації визначуваного іона і іонної сили розчину, а і від наявності іонів, здатних вступати в реакції осадження і комплексоутворення з визначуваними іонами. Але форма залежності потенціала електрода від концентрації іона залишається такою самою:

E

 

K

0,059

lg A K

0,059

pA .

(4.9)

ie

 

 

 

 

n

 

n

 

 

 

 

 

 

де Eie - потенціал індикаторного електрода;

K - константа, яка містить, залежно від роду електрода, стандартні окисно-відновні потенціали, добутки розчинності, константи стійкості комплексів, потенціали асиметрії;

61

[A] – концентрація визначуваного іона; pA = -lg[A].

При постійності брутто складу розчину найчастіше використовують метод абсолютного калібрування. За допомогою серії стандартних розчинів будують графік в координатах Eie - lg[A] або Eie - pA, які будуть прямими або близькими до прямих лініями.

Якщо брутто склад аналізованого розчину важко відтворити, використовують розбавлення у певному співвідношенні стандартних і досліджуваного розчинів розчином з досить великою іонною силою (буферування іонної сили). Цей засіб використовується для зменшення впливу іонної сили досліджуваного розчину на результати калібрування.

У разі присутності в досліджуваному розчині речовин, які можуть вступати в різні побічні реакції з визначуваним іоном, використвується метод добавок, хоча при цьому розрахунок результату аналізу складніший, ніж у випадку лінійної залежності аналітичного сигналу від концентрації.

Широке розповсюдження знайшло пряме потенціометричне визначення pH розчинів з допомогою скляного індикаторного електрода і хлоридно-срібного електрода порівняння. ЕРС такої комірки описується формулою 4.8. Електронні потенціометри вимірювання ЕРС компенсаційним способом, шкала яких відградуйована в одиницях pH, називають pH-метрами. Калібрування цих приладів полягає в тому, що з допомогою двох буферних розчинів встановлюють такі Е' і кут нахилу прямої, щоб відлік pH по шкалі відповідав дійсному значенню pH буферних розчинів. Сучасні pH-метри можуть вимірювати також ЕРС гальванічних елементів з іншими індикаторними електродами і використовуватися як іономіри.

Метод прямої потенціометроії має ряд переваг:

1.В процесі вимірювання склад розчину не змінюється.

2.Достатньо велика чутливість (10-6 - 10-7 М).

3.Дуже малий об'єм досліджуваного розчину.

4.Результати аналізу можна реєструвати автоматично.

До недоліків метода можна віднести те , що для аналізу на вміст певного іона, необхідно мати відповідний індикаторний електрод з достатніми коефіцієнтами селективності по відношенню до сторонніх іонів у розчині, який аналізують. Слід мати на увазі, що точність вимірювання pС не перевищує 0,01 одиниці, тобто похибка у вимірюванні концентрації перевищує 2% відносних. Рівновага у розбавлених розчинах встановлюється повільно, що збільшує час вимірювань.

4.1.5. Потенціометричне титрування

Потенціометричне титрування - титриметричний метод аналізу, в якому точку еквівалентності при титруванні досліджуваного розчину стандартним розчином визначають за залежністю потенціала індикаторного електрода від об'єму титранта.

У хімічних методах при вивченні кислотно-основного і окисно-відновного титрування розглядалася залежність pH і окисно-відновного потенціала в розчині від об'єму титранта. Розрахунки показують, що поблизу точки еквівалентності спостерігається стрибок pH і потенціала, що дозволяє вибрати відповідний кольоровий індикатор. Якщо в процесі кислотноосновного і окисно-відновного титрування в розчин будуть занурені індикаторний і стандартний електроди, криву титрування можна побудувати експериментально, і визначити об'єм титранта за положенням стрибка титрування.

Стрибки титрування спостерігаються тоді, коли використовуються індикаторні електроди відносно визначуваної речовини або титранта. Доцільніше обирати індикаторний електрод,

62