Metode electrochimice pentru analiza obiectelor alimentare. Metode de cercetare electrochimică. „Instrumentare și echipamente”, Volgograd

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://www.allbest.ru

Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse

Instituția de învățământ bugetară de stat federală

educatie inalta

„Universitatea Națională de Cercetare Tehnică din Irkutsk”

Departamentul de Metalurgie a Metalelor Neferoase

(numele departamentului)

„Metode de cercetare electrochimică”

Rezumat asupra disciplinei

„Metode fizico-chimice pentru studiul proceselor metalurgice”

Completat de un elev din grupa MCM-16-1

Zakharenkov R.I.

Verificat de profesorul Departamentului de MCM

Kuzmina M.Yu.

Irkutsk 2017

INTRODUCERE

Electrochimia este o ramură a chimiei fizice care ia în considerare sistemele care conțin ioni (soluții sau topituri de electroliți) și procesele care au loc la limita a două faze cu participarea particulelor încărcate.

Primele idei despre relația dintre fenomenele chimice și electrice au fost cunoscute în secolul al XVIII-lea, deoarece au fost efectuate un număr imens de experimente fizice și chimice cu descărcări electrice și fulgerătoare, cu sarcini situate în borcanele Leyden, dar toate au fost aleatorii în natură din cauza lipsei unei surse puternice constante de energie electrică. Originea electrochimiei este asociată cu numele lui L. Galvani și A. Volta. În timp ce studia funcțiile fiziologice ale broaștei, Galvani a creat accidental un circuit electrochimic. Era format din două metale diferite și o picior de broască pregătit. Laba era atât un electrolit, cât și un indicator al curentului electric, dar concluzia a fost dată incorect, adică, potrivit lui Galvani, acest curent electric care a apărut în circuit era de origine animală, adică era asociat cu caracteristicile funcționale ale corpul broaștei (teoria „electricitatea animală”).

Interpretarea corectă a experimentelor lui Galvani a fost dată de A. Volta. El a creat prima baterie de celule galvanice - o coloană voltaică. Celulele bateriei constau din discuri de cupru și zinc, iar electrolitul era un material burete înmuiat în apă sărată sau acid. Această conexiune a făcut posibilă obținerea curentului electric. Curând, prin lucrările marilor oameni de știință A. Volta, J. Daniel, B. S. Jacobi, P. R. Bagration, G. Plante și alții, au apărut celule și baterii galvanice puternice, ușor de utilizat. Apoi A. Volta a dezvoltat o serie de tensiuni metalice. Dacă două metale diferite sunt aduse în contact și apoi separate, atunci folosind mijloace fizice, cum ar fi un electroscop, se poate observa că un metal a dobândit o sarcină pozitivă, iar celălalt una negativă. Această serie de metale, în care fiecare metal precedent este încărcat pozitiv, dar după contactul cu oricare altul ulterior, adică seria Volta, s-a dovedit a fi similară cu seria de tensiune.

Mai departe, la începutul secolului al XIX-lea, electroliza a fost dezvoltată, iar M. Faraday a stabilit legile cantitative ale electrolizei. Oamenii de știință au avut o mare contribuție la dezvoltarea electrochimiei: S. A. Arrhenius, V. F. Ostwald, R. A. Colley, P. Debye, W. Nernst, G. Helmholtz, etc. Acum electrochimia este împărțită în teoretică și aplicată. Prin utilizarea metodelor electrochimice, este conectat cu alte ramuri ale chimiei fizice, precum și cu chimia analitică și alte științe.

potențiometrie electrochimică conductometrie coulometrie

1 . METODE ELECTROCHIMICE DE CERCETARE

Necesitatea utilizării unei varietăți de metode pentru a studia procesele electrochimice se datorează gamei largi de variații ale vitezei de transfer de electroni în reacțiile electrozilor. Fiecare dintre metode are o anumită limită a valorii determinate a densității curentului de schimb, peste care nu pot fi determinați parametrii electrochimici ai reacției electrodului. În raport cu fiecare obiect specific, este necesar să alegeți metoda care oferă cantitatea maximă de informații fiabile. Atunci când se efectuează studii electrochimice, este necesar să se cunoască compoziția chimică a substanțelor inițiale și a produselor de reacție. Pentru determinarea compoziției electrolitului se folosesc diverse metode fizice și chimice: spectrofotometrice, potențiometrice, analitice și altele. Când se efectuează studii electrochimice, trebuie respectate următoarele condiții.

1. Puritatea maximă a reactivilor utilizați; trebuie cunoscută cu strictețe compoziția electrozilor, precum și starea suprafețelor acestora. Trebuie avut grijă să vă asigurați că suprafața electrozilor nu suferă modificări în timpul procesului de măsurare.

2. Proiectarea celulei electrochimice și a electrozilor amplasați în aceasta trebuie să asigure distribuția uniformă a curentului pe întreaga suprafață a electrodului de lucru.

3. Măsurătorile trebuie efectuate la temperaturi strict controlate.

4. Menține presiunea și compoziția constantă a fazei gazoase deasupra electrolitului. De regulă, studiile sunt efectuate într-un mediu gazos inert (N 2, Ar, Ne, He H 2), deoarece oxigenul în faza gazoasă poate avea un efect semnificativ asupra mecanismului procesului.

5. Este necesar să se asigure astfel de condiții experimentale în care scăderea potențialului în partea difuză a stratului dublu electric să fie minimă sau cunoscută cu precizie. Pentru a reduce acest potențial, de regulă, se utilizează un electrolit de fundal, a cărui concentrație ar trebui să fie de nu mai puțin de 20 de ori mai mare decât cea a substanței principale. Cu toate acestea, trebuie mai întâi să vă asigurați că electrolitul de fond nu distorsionează curba de polarizare a reacției studiate.

6. Măsurarea precisă a potențialului electrodului de lucru. Pentru a face acest lucru, este necesar să se elimine potențialul de difuzie dintre electrolitul studiat și electrolitul electrodului de referință. Acest potențial capătă valoarea maximă atunci când se apropie de curentul limită și poate distorsiona semnificativ rezultatele măsurătorii. Pentru a elimina potențialul de difuziune dintre electrolitul studiat și electrolitul electrodului de referință, este de dorit: a) selectați un electrod de referință care are aceeași compoziție electrolitică ca și cel studiat. De exemplu, atunci când cercetați în soluții de clorură, este convenabil să folosiți electrozi de clorură de argint, calomel și clor; în soluții de sulfat acizi - electrozi de mercur-sulfat etc.; b) folosiți un electrod de referință cu un electrolit la limita căruia cu electrolitul studiat potențialul de difuzie poate fi calculat folosind formule cunoscute.

Când se măsoară în soluții cu o putere ionică constantă și la concentrații mari de fond - cu o concentrație ionică constantă, puteți, în principiu, să utilizați orice electrod de referință. Potențialul de difuzie în acest caz poate fi foarte mare, dar și constant - poate fi calculat sau determinat experimental.

În toate cazurile de studiere a cineticii proceselor electrochimice, este necesar să se măsoare densitatea curentului. De obicei, ei încep prin a afla folosind chimie analitică și metode de coulometrie pentru a determina dacă la electrod are loc o singură reacție studiată sau dacă este complicată de reacții secundare. În cazul reacțiilor secundare, este necesar să se afle ce proporție din curent se datorează doar implementării reacției studiate (construiți așa-numita caracteristică de polarizare parțială pentru reacția studiată).

Mecanismul reacției electrodului poate fi interpretat cel mai simplu numai în cazul în care substanța de pornire este transformată într-un singur produs cu eficiență curentă de 100%. Verificarea reacției pentru conformitatea cu legea lui Faraday sau efectuarea măsurătorilor coulometrice vă permite să determinați simultan numărul de electroni care participă la reacția totală a electrodului. Cunoașterea compoziției substanței de pornire și a produsului de reacție, precum și a numărului total de electroni transferați, face posibilă notarea ecuației pentru reacția totală a electrodului.

Următorul pas în studierea mecanismului reacției electrodului este de a afla care stadiu este limitativ.

Dacă etapa limitativă este etapa de descărcare-ionizare, iar toate celelalte se desfășoară reversibil, atunci principalii parametri cinetici ai procesului pot fi determinați grafic sau analitic prin aplicarea ecuațiilor teoriei de descărcare lentă la caracteristicile de polarizare.

1.1 Metode electrochimice de analiză

Metode electrochimiceanaliză este un ansamblu de metode de analiză calitativă și cantitativă bazate pe fenomene electrochimice care apar în mediul studiat sau la interfață și asociate cu modificări ale structurii, compoziției chimice sau concentrației substanței analizate.

Există metode electrochimice directe și indirecte. Metodele directe folosesc dependența puterii curentului (potențial etc.) de concentrația componentei care se determină. În metodele indirecte, puterea curentului (potenţialul etc.) este măsurată pentru a găsi punctul final de titrare a analitului cu un titrant adecvat, adică. Se folosește dependența parametrului măsurat de volumul titrantului.

Pentru orice fel de măsurători electrochimice este necesar un circuit electrochimic sau celulă electrochimică, din care soluția analizată este parte integrantă.

Metodele electrochimice sunt clasificate în funcție de tipul de fenomene măsurate în timpul procesului de analiză. Există două grupe de metode electrochimice:

1. Metode fără impunerea potențialului străin, bazate pe măsurarea diferenței de potențial care apare într-o celulă electrochimică formată dintr-un electrod și un vas cu soluția de testat. Acest grup de metode este numit potențiometrice. Metodele potențiometrice folosesc dependența potențialului de echilibru al electrozilor de concentrația ionilor care participă la reacția electrochimică asupra electrozilor.

2. Metode cu impunerea potențialului străin, bazate pe măsurare:

a) Conductivitatea electrică a soluțiilor? conductometrie;

b) Cantitatea de energie electrică care trece prin soluție? cuulometrie;

c) Dependenţa curentului de potenţialul aplicat? volt-amperometrie;

d) Timpul necesar pentru ca reacția electrochimică să aibă loc - metode cronoelectrochimice(cronovoltametrie, cronoconductometrie).

În metodele acestui grup, se aplică un potențial străin electrozilor celulei electrochimice.

Elementul principal al instrumentelor de analiză electrochimică este celula electrochimică. În metodele fără a impune un potențial străin, așa este celulă galvanică, în care apare un curent electric din cauza reacțiilor chimice redox. Într-o celulă, cum ar fi o celulă galvanică, doi electrozi sunt în contact cu soluția analizată - un electrod indicator, al cărui potențial depinde de concentrația substanței, și un electrod cu un potențial constant - un electrod de referință, față de care se măsoară potențialul electrodului indicator. Diferența de potențial este măsurată folosind dispozitive speciale - potențiometre.

În metodele cu impunerea potenţialului străin, celulă electrochimică, numită astfel deoarece la electrozii celulei, sub influența unui potențial aplicat, are loc electroliza - oxidarea sau reducerea unei substanțe. În analiza conductometrică, se utilizează o celulă conductometrică în care se măsoară conductivitatea electrică a unei soluții. După metoda de aplicare, metodele electrochimice pot fi clasificate în metode directe, în care concentrația de substanțe se măsoară în funcție de citirile aparatului, și titrare electrochimică, unde se înregistrează indicarea punctului de echivalență folosind măsurători electrochimice. În conformitate cu această clasificare, se disting potențiometria și titrarea potențiometrică, conductometria și titrarea conductometrică etc.

Instrumentele pentru determinări electrochimice, pe lângă celula electrochimică, agitatorul și rezistența la sarcină, includ dispozitive pentru măsurarea diferenței de potențial, curentului, rezistenței soluției și cantității de electricitate. Aceste măsurători pot fi efectuate cu instrumente indicatoare (voltmetru sau microampermetru), osciloscoape și potențiometre de înregistrare automată. Dacă semnalul electric de la celulă este foarte slab, atunci acesta este amplificat folosind amplificatoare radio. În dispozitivele de metode cu impunerea de potențial străin, o parte importantă este dispozitivul de alimentare a celulei cu potențialul corespunzător de curent continuu sau alternativ stabilizat (în funcție de tipul metodei). Unitatea de alimentare pentru dispozitivele de analiză electrochimică include de obicei un redresor și un stabilizator de tensiune, care asigură funcționarea constantă a dispozitivului.

1.2 Potențiometrie

Potențiometria se bazează pe măsurarea diferenței de potențiale electrice care apare între electrozi diferiți scufundați într-o soluție cu substanța care este determinată. Potențialul electric apare la electrozi atunci când are loc o reacție redox (electrochimică). Reacțiile redox apar între un agent oxidant și un agent reducător cu formarea de perechi redox, al căror potențial E este determinat de ecuația Nernst de concentrațiile componentelor perechii [ok] și [rec]:

Unde E°- potenţial electrod standard, V;

n- numărul de electroni care participă la proces.

Măsurătorile potențiometrice sunt efectuate prin coborârea a doi electrozi în soluție - un electrod indicator, care reacționează la concentrația ionilor care se determină, și un electrod standard sau de referință, față de care se măsoară potențialul indicatorului. Sunt utilizate mai multe tipuri de electrozi indicatori și standard.

Electrozi de primul fel reversibil în raport cu ionii metalici din care este format electrodul. Când un astfel de electrod este coborât într-o soluție care conține cationi metalici, se formează o pereche de electrozi: M n + /M.

Electrozi de al doilea fel sensibile la anioni și sunt metal M acoperite cu un strat de sare insolubilă MA cu un anion A- la care electrodul este sensibil. Când un astfel de electrod vine în contact cu o soluție care conține anionul specificat A-, apare potențialul E, a cărui valoare depinde de produsul solubilității sării

ETC M.A. și concentrația de anioni [ A-] în soluție.

Electrozii de al doilea tip sunt clorură de argint și calomel. Electrozii de clorură de argint saturată și de calomel mențin un potențial constant și sunt utilizați ca electrozi de referință față de care se măsoară potențialul electrodului indicator.

Electrozi inerți- o placă sau sârmă din metale greu de oxidat - platină, aur, paladiu. Ele sunt folosite pentru a măsura E în soluții care conțin un cuplu redox (de exemplu, Fe 3+ /Fe 2+).

Electrozi cu membrană diferite tipuri au o membrană pe care ia naștere potențialul de membrană E Valoarea lui E depinde de diferența de concentrație a aceluiași ion pe diferite părți ale membranei. Cel mai simplu și cel mai des folosit electrod cu membrană este electrodul de sticlă.

Amestecare de tip săruri insolubile AgBr, AgCI, AgI iar altele cu unele materiale plastice (cauciucuri, polietilena, polistiren) au dus la creare electrozi ion selectivi pe Br-, Cl-, eu-, adsorbind selectiv ionii indicati din solutie datorita regulii Paneth-Faience-Ghan. Deoarece concentrația de ioni detectabili în afara electrodului diferă de cea din interiorul electrodului, echilibrele de pe suprafețele membranei sunt diferite, ceea ce duce la apariția unui potențial de membrană.

Pentru a efectua determinări potențiometrice, o celulă electrochimică este asamblată dintr-un electrod de referință indicator, care este scufundat în soluția analizată și conectat la un potențiometru. Electrozii folosiți în potențiometrie au o rezistență internă mare (500-1000 MOhm), deci există tipuri de potențiometre care sunt voltmetre electronice complexe de înaltă rezistență. Pentru a măsura EMF-ul sistemului de electrozi în potențiometre, se folosește un circuit de compensare pentru a reduce curentul din circuitul celulei.

Cel mai adesea, potențiometrele sunt folosite pentru măsurători directe ale pH-ului, indicatori ai concentrațiilor altor ioni pNa, pK, pNHa, pCIși mV. Măsurătorile se efectuează utilizând electrozi ion-selectivi corespunzători.

Pentru măsurarea pH-ului se utilizează un electrod de sticlă și un electrod de referință - clorură de argint. Înainte de a efectua analize, este necesar să se verifice calibrarea pH-metrelor folosind soluții tampon standard, a căror fixare este atașată la dispozitiv.

pH-metre pe lângă determinările directe pH, pNa, pK, pNHa, pCI iar altele permit titrarea potențiometrică a ionului care se determină.

1.3 Titrare potențiometrică

Titrarea potențiometrică se efectuează în cazurile în care indicatorii chimici nu pot fi utilizați sau când nu este disponibil un indicator adecvat.

În titrarea potențiometrică, electrozii potențiometru plasați în soluția titrată sunt utilizați ca indicatori. În acest caz, se folosesc electrozi care sunt sensibili la ionii titrați. În timpul procesului de titrare, se modifică concentrația ionilor, care este înregistrată pe scara de măsurare a potențiometrului. După ce au înregistrat valorile potențiometrului în unități de pH sau mV, reprezentați grafic dependența acestora de volumul titrantului (curba de titrare), determinați punctul de echivalență și volumul de titrant consumat pentru titrare. Pe baza datelor obținute, se construiește o curbă potențiometrică de titrare.

Curba de titrare potențiometrică are o formă similară curbei de titrare din analiza titrimetrică. Curba de titrare este utilizată pentru a determina punctul de echivalență, care este situat în mijlocul saltului de titrare. Pentru a face acest lucru, se trasează tangente la secțiuni ale curbei de titrare și se determină punctul de echivalență în mijlocul tangentei saltului de titrare. Cea mai mare valoare de modificare ? pH/?V dobândește în punctul de echivalență.

Punctul de echivalență poate fi determinat și mai precis prin metoda lui Gran, care este folosită pentru a construi dependența ? V/?E din volumul titrantului. Folosind metoda Gran, titrarea potențiometrică poate fi efectuată fără a o aduce la punctul de echivalență.

Titrarea potențiometrică este utilizată în toate cazurile de analiză titrimetrică.

Titrarea acido-bazică folosește un electrod de sticlă și un electrod de referință. Deoarece electrodul de sticlă este sensibil la modificările pH-ului mediului, atunci când acestea sunt titrate, modificările pH-ului mediului sunt înregistrate pe potențiometru. Titrarea potențiometrică acido-bazică este utilizată cu succes în titrarea acizilor și bazelor slabe (pK?8). La titrarea amestecurilor de acizi, este necesar ca pK-ul lor să difere cu mai mult de 4 unități, altfel o parte din acidul mai slab este titrat împreună cu cel puternic, iar saltul de titrare nu este exprimat clar.

Acest lucru permite utilizarea potențiometriei pentru a construi curbe de titrare experimentale, pentru a selecta indicatorii pentru titrare și pentru a determina constantele de aciditate și bazicitate.

În titrarea potențiometrică a precipitațiilor, ca indicator se folosește un electrod din metal care formează o pereche de electrozi cu ionii determinați.

Când se utilizează titrarea complexometrică: a) un electrod metalic reversibil la ionul metalului care se determină; b) un electrod de platină în prezența unui cuplu redox în soluție. Când unul dintre componentele cuplului redox este legat de titrant, concentrația acestuia se modifică, ceea ce provoacă modificări ale potențialului electrodului indicator de platină. Se utilizează, de asemenea, titrarea inversă a unei soluții în exces de EDTA adăugată la o sare metalică cu o soluție de sare de fier (III).

Pentru titrarea redox se utilizează un electrod de referință și un electrod indicator de platină, sensibil la cuplurile redox.

Titrarea potențiometrică este una dintre cele mai utilizate metode de analiză instrumentală datorită simplității, accesibilității, selectivității și capabilităților largi.

1.4 Conductometrie. Titrare conductometrică

Conductometria se bazează pe măsurarea conductivității electrice a unei soluții. Dacă doi electrozi sunt plasați într-o soluție a unei substanțe și li se aplică o diferență de potențial electrozilor, un curent electric va curge prin soluție. Ca orice conductor de electricitate, soluțiile se caracterizează prin rezistență R iar mărimea ei inversă – conductivitatea electrică L:

Unde R- rezistenta, Ohm;

Rezistență specifică, Ohm. cm;

S - suprafata, cm 2.

Unde L - conductivitate electrică, Ohm-1;

R- rezistență, Ohm.

Analiza conductometrică se realizează cu ajutorul conductometrelor - dispozitive care măsoară rezistența soluțiilor. După valoarea rezistenței R determinați conductivitatea electrică a soluțiilor care este valoarea sa inversă L.

Determinarea concentrației soluțiilor se realizează prin conductometrie directă și titrare conductometrică. Conductometrie directă folosit pentru a determina concentrația unei soluții folosind un grafic de calibrare. Pentru a crea un grafic de calibrare, se măsoară conductivitatea electrică a unei serii de soluții cu o concentrație cunoscută și se construiește un grafic de calibrare al dependenței conductivității electrice de concentrație. Apoi se măsoară conductivitatea electrică a soluției analizate și se determină concentrația acesteia din grafic.

Mai des folosit titrare conductometrică. În acest caz, soluția analizată este plasată într-o celulă cu electrozi, celula este plasată pe un agitator magnetic și titrată cu titrantul corespunzător. Titrantul se adaugă în porții egale. După adăugarea fiecărei porțiuni de titrant, măsurați conductivitatea electrică a soluției și reprezentați grafic relația dintre conductibilitatea electrică și volumul titrantului. Când se adaugă un titrant, are loc o modificare a conductibilității electrice a soluției. curba de titrare se înclină.

De la n mobilitatea ionilor depinde de electricitate conductivitatea soluției: cu cât mobilitatea este mai mare b ioni, cu atât electricitatea este mai mare conductivitatea soluției.

Titrarea conductometrică are mai multe avantaje. Se poate realiza in medii tulburi si colorate, in lipsa indicatorilor chimici. Metoda are o sensibilitate crescută și vă permite să analizați soluții diluate de substanțe (până la 10-4 mol/dmі). Amestecuri de substanţe se analizează prin titrare conductometrică, deoarece diferențele de mobilitate a diferiților ioni sunt semnificative și pot fi titrate diferențiat în prezența celuilalt.

Analiza conductometrică poate fi automatizată cu ușurință dacă soluția de titrant este furnizată de la o biuretă la o viteză constantă, iar modificarea conductibilității electrice a soluției este înregistrată pe un înregistrator.

Acest tip de conductometrie se numește crono- analiza conductometrică.

În titrarea acido-bazică, conductometria poate determina acizi tari, acizi slabi, săruri ale bazelor slabe și acizi tari.

ÎN precipitativ conductometricetitrare conductivitatea electrică a soluţiilor titrate scade mai întâi sau rămâne la un anumit nivel constant datorită legării electrolitului titrat într-un precipitat, după ce i.e. când apare un exces de titrant, acesta crește din nou.

ÎN complextitrare conductometrică metrică modificări ale conductivității electrice a soluției apar datorită legării cationilor metalici într-un complex cu EDTA.

conductometrie redoxtitro- ție pe baza unei modificări a concentrației ionilor de reacție și a apariției de noi ioni în soluție, care modifică conductivitatea electrică a soluției.

În ultimii ani a existat o dezvoltare conductometrie de înaltă frecvență, în care electrozii nu intră în contact cu soluția, ceea ce este important atunci când se analizează medii agresive și soluții în vase închise.

Au fost dezvoltate două opțiuni - Dreptconductometrie de înaltă frecvență și titrare de înaltă frecvență.

Conductometria directă de înaltă frecvență este utilizată pentru a determina conținutul de umiditate al substanțelor, cereale, lemn, concentrația de soluții în vase închise - fiole și atunci când se analizează lichide agresive.

Titrarea de înaltă frecvență se efectuează pe titratoare speciale - TV-6, TV-6L.

Titrarile conductometrice de inalta frecventa se efectueaza ca titrari acido-bazice, redox sau precipitatii in cazurile in care nu este disponibil un indicator adecvat sau cand se analizeaza amestecuri de substante.

1.5 Coulometrie. Titrare coulometrică

În coulometrie, substanțele sunt determinate prin măsurarea cantității de energie electrică cheltuită pentru transformarea lor electrochimică cantitativă. Analiza coulometrică se efectuează într-o celulă electrolitică în care este plasată o soluție a substanței care se determină. Când se aplică un potențial adecvat electrozilor celulei, are loc reducerea sau oxidarea electrochimică a substanței. Conform legilor electrolizei, descoperite de Faraday, cantitatea de substanță reacționată la electrod este proporțională cu cantitatea de electricitate care trece prin soluție:

Unde g- masa substanței eliberate, g;

n- numărul de electroni transferați în procesul electrodului;

F- numărul Faraday (F = 96485 C/mol);

eu- puterea curentului, A;

t- timp, s;

M- masa molară a substanței eliberate, g/mol.

Analiza coulometrică face posibilă determinarea substanțelor care nu se depun pe electrozi și nu scapă în atmosferă în timpul unei reacții electrochimice.

Există coulometrie directă și titrare coulometrică.. Precizia și sensibilitatea ridicată a metodelor de măsurare a curentului electric oferă analize coulometrice cu o precizie unică de 0,1-0,001% și o sensibilitate de până la 1 10 -8? 1 10 -10 g Prin urmare, analiza coulometrică este utilizată pentru a determina microimpuritățile și produsele de distrugere a substanțelor, ceea ce este important la monitorizarea calității acestora.

Pentru a indica i.e. La titrarea coulometrică se pot folosi metode chimice și instrumentale - adăugarea de indicatori, detectarea compușilor colorați fotometric sau spectrofotometric.

Spre deosebire de alte metode de analiză, coulometria poate fi complet automatizată, ceea ce reduce la minimum erorile de determinare aleatoare. Această caracteristică a fost folosită pentru a crea titratoare coulometrice automate - instrumente sensibile utilizate pentru analize deosebit de precise atunci când alte metode nu sunt suficient de sensibile. Atunci când se analizează substanțe care sunt slab solubile în apă, coulometria poate fi efectuată pe electrozi din negru de acetilenă, care sunt un bun adsorbant și îndepărtează astfel de substanțe din mediul de reacție cu suficientă completitate. Titrarea coulometrică este o metodă promițătoare de analiză instrumentală. Poate găsi o aplicație largă pentru rezolvarea unui număr de probleme analitice speciale - analiza impurităților, cantități mici de medicamente, determinarea substanțelor toxice, oligoelemente și alți compuși din materialul biologic și din mediu.

CONCLUZIE

Lucrarea oferă o trecere în revistă a principalelor metode de cercetare electrochimică, descriind în detaliu principiul, aplicarea, avantajele și dezavantajele acestora.

Metodele electrochimice de analiză sunt un grup de metode de analiză chimică cantitativă bazată pe utilizarea electrolizei.

Varietățile metodei sunt analiza electrogravimetrică (electroanaliza), electroliza internă, schimbul de metale de contact (cimentare), analiza polarografică, coulometria etc. În special, analiza electrogravimetrică se bazează pe cântărirea substanței eliberate pe unul dintre electrozi. Metoda permite nu numai efectuarea determinărilor cantitative de cupru, nichel, plumb etc., ci și separarea amestecurilor de substanțe.

În plus, metodele electrochimice de analiză includ metode bazate pe măsurarea conductibilității electrice (conductometrie) sau a potențialului electrodului (potențiometrie). Unele metode electrochimice sunt utilizate pentru a găsi punctul final al unei titrari (titrare amperometrică, titrare conductometrică, titrare potențiometrică, titrare coulometrică).

LISTA REFERINȚELOR UTILIZATE

1. Fundamentele analizei electrochimice moderne. Budnikov G.K., Maistrenko V.N., Vyaselev M.R., M., Mir, 2003.

2. J. Plambeck, ed. S. G. Mayranovsky Metode electrochimice de analiză. Fundamente de teorie și aplicare: trad. din engleza / Vidannya: Mir, 1985.

3. Damaskin B.B., Petriy O.A., Tsirlina G.A. Electrochimie - M.: chimie, 2001. 624 p.

4. STO 005-2015. Sistemul de management al calității. Activități educaționale și metodologice. Înregistrarea proiectelor de curs (lucrărilor) și a lucrărilor finale de calificare a specialităților tehnice.

Postat pe Allbest.ru

...

Documente similare

Clasificarea metodelor electrochimice de analiză, esența voltametriei, conductometriei, potențiometriei, amperometriei, coulometriei, aplicarea lor în protecția mediului. Caracteristicile echipamentelor de analiză chimică și principalele companii de vânzare.

lucru curs, adăugat 01/08/2010

Metodele electrochimice se bazează pe măsurarea parametrilor electrici ai fenomenelor electrochimice care apar în soluția studiată. Clasificarea metodelor electrochimice de analiză. Titrare potențiometrică, conductometrică, coulometrică.

rezumat, adăugat la 01.07.2011

Clasificarea metodelor electrochimice de analiză. Determinarea potențiometrică a concentrației unei substanțe într-o soluție. Principiul conductometriei. Tipuri de reacții în timpul titrării conductometrice. Analiza polarografică cantitativă. Coulometrie directă.

lucrare curs, adăugată 04.04.2013

Esența metodelor electroanalitice, capacitatea de a obține informații experimentale despre cinetica și termodinamica sistemelor chimice. Avantaje, dezavantaje și adecvarea voltammetriei, conductometriei, potențiometriei, amperometriei și coulometriei.

rezumat, adăugat 20.11.2009

Caracteristici generale ale analizei potențiometrice. Electrozi indicatori (schimb de electroni și ioni selectivi). Tipuri de metode potențiometrice de analiză. Potențiometrie directă și titrare potențiometrică. Măsurarea EMF a circuitelor electrochimice.

lucrare de curs, adăugată 06.08.2012

Concepte generale, condiții și clasificare a metodelor electrochimice de analiză. Analiza potențiometrică (potențiometrie). Titrare amperometrică (titrare cu polarizare potențiometrică). Analiza polarografică cantitativă.

rezumat, adăugat la 10.01.2012

Metode de cercetare electrochimică, clasificarea și esența lor, istoricul apariției. Determinarea concentrației de acid prin titrare conductometrică; potențialele electrozilor, EMF ale unei celule galvanice, echivalentul electrochimic al cuprului.

lucrare curs, adaugat 15.12.2014

Studiul metodei de analiză potențiometrică. Analiza si evaluarea obiectelor de cercetare. Studiul tehnicii de analiză potențiometrică aplicată acestui obiect. Determinarea posibilității de utilizare a metodelor de analiză potențiometrică a produselor din carne.

lucrare curs, adăugată 16.09.2017

Metode electrochimice de bază de analiză. Caracteristici generale ale analizei potențiometrice. Tipuri de metode potențiometrice de analiză. Utilizarea unei celule galvanice formată din doi electrozi. Procedura de măsurare a potențialului electrodului indicator.

lucrare de curs, adăugată 08.11.2014

Clasificarea metodelor instrumentale de analiză în funcție de parametrul care se determină și metoda de măsurare. Esența titrării potențiometrice, amperometrice, cromatografice și fotometrice. Determinarea calitativă și cantitativă a clorurii de zinc.

Metode electrochimice– cele mai dinamice în curs de dezvoltare în ceea ce privește aplicarea lor în monitorizarea mediului. Cele mai frecvente metode utilizate în sistemele MOS sunt voltametria (inclusiv polarografia), potențiometria (inclusiv ionometria), coulometria și conductometria.

Metodele electrochimice de analiză folosesc dependența diferitelor proprietăți electrice ale mediului de conținutul cantitativ și compoziția calitativă a substanțelor analizate în acesta:

· Schimbare potenţial electrod în funcție de procesele fizice și chimice care au loc în substanță ( potențiometrice metoda), incl. reacții selective ale electrozilor ion-selectivi, sensibili individual la un număr mare de cationi și anioni ( ionometrice metodă);

· Schimbare conductivitate electrică (curent)și constanta dielectrică a unei substanțe în funcție de natura mediului și de concentrația componentelor sale ( conductometriceȘi amperometrică metode);

· schimbări cantitatea de electricitate când analitul intră în celula electrochimică ( coulometrică metodă);

· recuperarea compusului analizat pe un electrod cu picurare sau rotație de mercur, de regulă, atunci când se analizează urme de substanțe în diferite stări de agregare ( polarografice sau voltametrice metodă).

Polarografele tuturor dispozitivelor din acest grup au cea mai mare sensibilitate, egală cu 0,005–1 μg/ml de probă.

Voltametrie include un grup de metode de analiză electrochimică bazate pe studiul curbelor de polarizare. Aceste metode sunt polarografieȘi titrare amperometrică – au multe varietăți și modificări. Cel mai comun curent constant polarografie.

O instalație polarografică constă dintr-o sursă de curent continuu, un divizor de tensiune, un electrod de cădere (de obicei cu mercur) sau rotativ și un electrod auxiliar (de obicei, de asemenea, mercur sau altul). Pentru a măsura curentul, la sistem este conectat un microampermetru. Electrozii sunt plasați împreună cu soluția de testat într-un electrolizor (celulă).

Tensiunea aplicată unei celule electrolitice determină polarizarea anodului și catodului E=f A– f k +iR, Unde i– puterea curentului; LA - rezistența la soluție; f Ași f k– potențialele anodului și catodului.

Dacă reduceți rezistența soluției prin adăugarea unui electrolit puternic (fond), atunci valoarea iR(potențială scădere a soluției) poate fi neglijată.

Potențialul anodului rămâne practic constant în timpul funcționării celulei, deoarece densitatea de curent este scăzută și suprafața relativ mare a anodului nu este polarizată. Atunci potențialul unui catod polarizat cu picurare cu o suprafață mică va fi egal cu: E= -f k. Adesea, în măsurătorile polarografice, în loc de un strat de mercur pe fundul vasului, se folosește un electrod de calomel saturat nepolarizant, al cărui potențial este luat egal cu zero.

Datele polarografice se obțin prin măsurarea curentului care trece printr-o celulă electrolitică în funcție de potențialul aplicat electrozilor. Dependența grafică a curentului de potențial se numește undă polarografică ( orez. 2).

La începutul electrolizei, la valori scăzute ale EMF impuse, puterea curentului va fi aproape constantă și va crește doar foarte lent. Acesta este așa-numitul curent rezidual, care rămâne pe toată durata electrolizei.

Orez. 2. Polarograma unei soluții 10–3 M de clorură de zinc și a unei soluții 1 M de clorură de potasiu (curba 1) și a unei soluții 1 M de clorură de potasiu (curba 2)

De îndată ce potențialul de reducere a ionilor este atins (de exemplu, pentru ionii de zinc determinați este egal cu -1,0 V), descărcarea lor începe pe o picătură de mercur:

Zn2+ + 2 +Hg® Zn (Hg).

La catod se formează un amalgam de zinc diluat Zn (Hg), care se descompune în constituenții săi de îndată ce picătura care căde intră în contact cu anodul:

Zn (Hg) – 2 ® Zn 2+ +Hg.

La potențialul de reducere al ionilor de zinc, curentul crește brusc ( orez. 2), dar după atingerea unei anumite valori, în ciuda creșterii EMF aplicate, aceasta rămâne aproape constantă. Acest curent se numește limitator sau difuzie valoarea lui este de obicei proporțională cu concentrația substanței care se determină.

Atunci când se iau polarograme, la electrolitul studiat se adaugă un electrolit indiferent cu cationi care se reduc mult mai greu decât cationul analizat, de exemplu, KCl, KNO3, NH4Cl; la o concentraţie de 100–1000 de ori mai mare decât concentraţia substanţei care se determină. Acest electrolit se numește „fond”. Este creat în soluția de testare pentru a crește conductivitatea electrică și pentru a proteja câmpul electric al electrodului indicator (catod). Prin urmare, cationii analitului nu sunt atrași de câmpul electric al catodului, ci se deplasează către acesta datorită difuziei.

Cea mai importantă caracteristică a unei polarograme este potențialul de semi-undă E 1/2 și înălțimea undei polarografice h(curent limită de difuzie). Potențialul semiundă este utilizat în calitate analiza polarografică. Potențialele de semiundă ale diferitelor substanțe, aranjate în ordinea creșterii valorii negative, constituie așa-numitul „spectru polarografic”. Deoarece potențialul de semiundă depinde în mod semnificativ de compoziția soluției (mediul analizat), fundalul este întotdeauna indicat în tabelele polarografice.

ÎN cantitativÎn analiza polarografică, pentru măsurarea concentrației sunt utilizate metodele graficului de calibrare, aditivii, comparațiile și metodele de calcul.

Printre diferitele opțiuni pentru polarografie, metoda Polarografie cu impulsuri diferențiale (DIP) ) este cel mai eficient pentru rezolvarea problemelor de monitorizare a mediului, în principal datorită sensibilității sale ridicate. Metoda DIP vă permite să evaluați conținutul tuturor substanțelor determinate de polarografie clasică. Printre alte metode polarografice, este deosebit de convenabil pentru analiza urmelor undă pătrată polarografie, care asigură o limită de detecție apropiată de cea a DIP, dar numai în cazul proceselor cu electrozi reversibile și de aceea această metodă este adesea folosită pentru determinarea urmelor de metale grele. Metoda DIP poate fi folosită și pentru a determina agenții tensioactivi care modifică capacitatea stratului electric dublu al electrodului.

Metodele pot fi utilizate pentru determinarea microconținutului de ioni de metale grele analiză electrochimică inversă (IEA) sau in alt fel, analiza voltametrică de stripare (IVA ), în care metalele de determinat sunt pre-depuse pe electrod și apoi dizolvate în timpul controlului polarografic. Această opțiune, în combinație cu DIP, este una dintre cele mai sensibile metode de analiză electrochimică. Designul hardware al IEA (IVA) este relativ simplu, ceea ce face posibilă efectuarea de analize în teren, iar stațiile automate de control continuu (monitorizare) pot funcționa și pe acest principiu.

Metodele IEA (IVA) oferă determinarea ionilor Cu, Pb, Bi, Sb, As, Sn In, Ga, Ag, Tl, Cd, Zn, Hg, Au, Ge, Te, Ni, Co și mulți anioni. Un avantaj important al metodelor IEA (IEA) este (spre deosebire de alte metode, de exemplu, cum ar fi spectrometria de absorbție atomică) capacitatea de a distinge ionii liberi de formele lor chimice legate, care este importantă și pentru aprecierea proprietăților fizico-chimice ale substanțelor analizate din punct de vedere al controlului analitic al mediului (de exemplu, la evaluarea calității apei). Multe substanțe organice pot fi determinate și prin metode IEA (IEA) după acumularea lor de adsorbție pe suprafața electrodului.

Metodele polarografice pot fi, de asemenea, utilizate pentru a determina aerosoli de diferite metale în atmosfera și aerul spațiilor industriale, după ce sunt capturați pe filtre adecvate, urmate de transferul concentratelor în soluție. Compușii organici prezenți sub formă de gaze și vapori în atmosferă pot fi determinați polarografic după ce sunt absorbiți de soluții special selectate. Metalele și diverșii compuși din materialele biologice sunt de obicei determinate polarografic după extracția lor. Toate măsurătorile polarografice, inclusiv IEA (IVA), pot fi complet automatizate, ceea ce este esențial atunci când se efectuează analize în serie.

Unul dintre cele mai importante domenii de aplicare a polarografiei este determinarea oxigenului în apă. În acest scop se folosesc detectoare amperometrice care generează un curent proporțional cu concentrația de oxigen din soluție.

Prin aplicarea unei enzime pe suprafața membranei detectorului, este posibil să se obțină diverși senzori amperometrici enzimatici convenabil pentru analize biochimice și clinice. Astfel de senzori sunt utilizați și în sistemele de monitorizare a mediului.

Electrozii care funcționează pe principiul electrocatalitic sunt potriviți pentru monitorizarea diferitelor gaze (SO 2, H 2 S, CO, NO x) în aerul spațiilor industriale. Reacțiile electrochimice ale acestor gaze (care joacă rolul unui catalizator) care au loc pe suprafața electrodului generează un curent în sistemul de electrozi care este legat funcțional de concentrația gazelor din aer.

Utilizarea polarografiei nu se limitează la analiza probelor discrete, iar metoda trece treptat la principiile analizei continue a gazelor și lichidelor.

Detectoarele polarografice voltametrice au fost utilizate cu succes în cromatografia lichidă de înaltă performanță (HPLC). În acest caz, combinarea unei metode de separare foarte selectivă cu o metodă de detectare sensibilă duce la o extindere vizibilă a gamei de substanțe determinate de metoda cromatografică (urme de substanțe foarte toxice, erbicide, medicamente, stimulente de creștere etc.).

Detaliile metodei pot fi clarificate în literatura de specialitate.

Potențiometrie– o metodă de determinare a concentrației de substanțe, bazată pe măsurarea FEM a celulelor galvanice reversibile.

În practică, se folosesc două metode analitice: direct potențiometrie pentru a determina activitatea particulelor, care poate fi calculată folosind ecuația Nernst din f.em. celulei galvanice și titrare potentiometrica , în care o modificare a activității substanțelor chimice în timpul procesului de titrare duce la o modificare a fem-ului celulei galvanice.

Echipamentul pentru efectuarea titrărilor potențiometrice și pentru potențiometria directă este același. Circuitul de măsurare potențiometric include un electrod indicator și un electrod de referință cu un potențial constant stabil, precum și un dispozitiv secundar. Schema de principiu a metodei este prezentată în orez. 3.

1 – electrod indicator; 2 - electrod de referință

Orez. 3. Celula potențiometrică

Potențialul unei perechi de electrozi este constant. Modificarea concentrației analitului în soluție modifică EMF-ul circuitului. Electrozii indicatori vin de obicei în patru tipuri, în funcție de membrana utilizată, care separă soluția de electrozi de soluția de testat: 1) electrozi cu membrană omogenă din material pulbere sau cristalin; 2) electrozi cu membrană eterogenă, în care substanța activă a electrodului este distribuită, de exemplu, în cauciuc siliconic; 3) electrozi cu membrană lichidă, în care membrana este o soluție aplicată pe o substanță neutră, de exemplu, sticla poroasă; 4) electrozi de sticlă cu diferite compoziții chimice de sticlă.

Electrozii indicatori dobândesc potențialul soluției în care sunt plasați. Sunt două tip electrozi indicatori:

1) electrozi indiferenți (nedistructibili în timpul electrolizei);

2) electrozi care se schimbă (oxidează sau reduc) în timpul măsurătorilor.

Rol electrozi indiferenti(aceștia sunt uneori numiți electrozi al treilea fel) este să dea sau să câștige electroni, adică fi conductori de electricitate. Astfel de electrozi pot fi fabricați din aur, platină lustruită, grafit și alte materiale. Exemple de electrozi variabili (uneori numiți electrozi) primul fel) pot fi plăci de cupru, zinc și alte metale, precum și electrozi indicatori de chinidronă și hidrogen. În plus, electrozii indicatori pot fi electrozi de membrană ion selectiv pentru determinarea a numeroși cationi: Li +, Pb +, Cs +, Tl +, NH +, Na +, K +, Ag + etc. Ca electrozi de referință ( standard electrozi), al căror potențial rămâne constant pe toată durata măsurării, cei mai des utilizați sunt, de exemplu, electrozii de calomel (calomel) normali și decinormali cu potențiale de +0,282 V și, respectiv, +0,334 V, precum și un electrod de clorură de argint saturată. cu un potențial de +0,201 V.

Într-un caz ideal, măsurarea potențiometrică directă a EMF a unei celule galvanice poate fi legată prin ecuația Nernst de activitatea particulei care se determină sau de concentrație, dacă se cunosc coeficienții de activitate corespunzători:

Unde E 0 – potențial electrod standard, V; R– constanta de gaz; T– temperatura absolută; F – numărul Faraday; n– numărul de electroni pierduți sau câștigați; , [redus] – concentrații de echilibru ale formelor oxidate, respectiv reduse, mol/dm 3 .

Dacă înlocuim valorile de referință ale constantelor și trecem de la logaritmul natural la cel zecimal, atunci pentru o temperatură de 25°C obținem:

Cel mai important indicator în caracterizarea stării mediului este valoarea pH-ului acestui mediu, a cărui determinare ( pH-metria ) în prezent se realizează de obicei folosind electrozi indicatori (de măsurare) din sticlă. Pentru măsurători pe termen lung, au fost dezvoltate modele speciale de electrozi de sticlă cu dispozitive suplimentare pentru a asigura curățarea membranei de sticlă. Electrozii de sticlă acoperiți cu o membrană semi-permeabilă cu o peliculă de electrolit servesc, de asemenea, ca bază pentru diferite tipuri de sonde ( senzori ), utilizat în analiza apei și aerului în condiții de producție pentru un număr de poluanți (NH 3, CO 2, NO x, SO 2, H 2 S etc.).

Procesul din domeniul creării electrozilor ion selectivi (ISE) permite monitorizarea ionilor F – , I – , Br – , Cl – , CN – , SCN – , NO 3 – , NO 2 – , ClO 4 – , S 2 –, Na + , K + Ca 2+ , Ag + , Cu 2+ , Cd 2+ , Pb 2+ în concentrații variază de la 10 –2 la 10 –7 mol/l (aproximativ 1–10 –5 mg/ml). Monitorizarea folosind ISE se caracterizează prin rapiditate, simplitate și posibilități mai mari de efectuare a măsurătorilor continue. Au fost dezvoltate ISE care sunt selective pentru o clasă largă de substanțe organice, precum și izomeri în masa lor, agenți tensioactivi și detergenți găsiți în aerul unei zone de producție și regimul de gospodărire a apei al întreprinderilor industriale.

Potențiometria este, de asemenea, utilizată pentru măsurarea potențialelor redox ale diferitelor sisteme redox (O/R) din apă. De regulă, rezultatele măsurătorilor corespund unui potențial mixt, deoarece mai multe sisteme O/W coexistă de obicei simultan în apă.

Trebuie remarcat faptul că utilizarea senzorilor bazați pe tranzistori cu efect de câmp cu oxizi metalici semiconductori selectivi din punct de vedere chimic și cu efect de câmp ion-selectiv (HSFT, ISFT) este promițătoare. Selectivitatea în aceste sisteme se realizează prin alegerea compoziției membranei și a stratului depus pe poarta tranzistorului. Sistemul este scufundat în soluția analizată, iar diferența de potențial dintre electrodul de referință și poarta tranzistorului modulează curentul care circulă între sursa și scurgerea acestuia. Datorită selectivității membranei sau a stratului depus, curentul modulat devine o funcție a activității componentei corespunzătoare a soluției. Senzorii cu semiconductori formează baza monitoarelor și analizoarelor diferitelor gaze și vapori. Dimensiunea mică a unor astfel de senzori face posibilă combinarea acestora sub formă de mozaic pe un singur substrat, astfel încât se obține un analizor care poate monitoriza o întreagă gamă de substanțe nocive. Semnalele de la senzorii individuali incluși în mozaic pot fi înregistrate secvenţial și periodic de către centrul de măsurare al sistemului analitic.

Dezvoltarea microelectronicii face posibilă proiectarea de analizoare compacte de tip sondă folosind ISE-uri moderne. În acest caz, un circuit care procesează răspunsul de la obiectul de control al mediului și chiar un afișaj poate fi montat în mânerul sondei.

În literatura de specialitate puteți afla detaliile metodei, , , .

Coulometrică metoda de analiză este o măsurare a curentului reacției electrodului în care substanța de testat intră în celula coulometrică cu debitul analizat. Diagrama schematică a unei celule coulometrice este prezentată în orez. 4.

1 – camera catodică; 2 – camera anodica; 3 – microampermetru

Orez. 4. Schema unei celule coulometrice

Analiza coulometrică se bazează pe măsurarea cantității de energie electrică cheltuită pentru realizarea cantitativă a unui anumit proces electrochimic într-o anumită probă, de exemplu. cu condiția ca eficiența curentului să fie de 100%. Aceasta este cantitatea de energie electrică cu ajutorul unui integrator curent-timp conectat în serie cu celula de măsurare, sau un coulometru-electrolizor, în care se realizează un proces electrochimic cu o eficiență curentă sută la sută, însoțit de eliberarea unui substanță, a cărei cantitate poate fi restabilită ușor și precis.

În conformitate cu Legea lui Faraday:

m( X)/M(X) = m(k)/M(k),

Unde m(X), m(k) – masa substanței care se determină Xși respectiv substanța eliberată în coulometru; M(X), M(k) – masa molară a echivalenților de substanță Xși substanța eliberată în coulometru, g/mol.

Calculul se poate face și folosind ecuația care descrie legea lui Faraday:

dacă puterea curentului este măsurată în timpul analizei i, A și timpul t, s, cheltuită pentru realizarea procesului electrochimic.

Într-o altă modificare a acestei metode, numită
titrare coulometrică , titrantul este generat electrolitic în soluția analizată la un curent dat. Consumul de titrant în reacția analitică este înlocuit de sarcina care curge prin soluție atunci când titrantul este generat până la atingerea punctului de echivalență.

Unul dintre avantajele metodelor coulometrice este că procesul de standardizare a titrantului nu este adesea necesar, deoarece calculele se bazează pe constanta lui Faraday, adică metoda este absolută și vă permite să estimați cantitatea de substanță determinată, și nu concentrația acesteia. Dezavantajul coulometriei cu un potențial dat este durata procedurii de analiză, asociată cu necesitatea finalizării complete a electrolizei. Tehnologia computerizată face posibilă reducerea acestui timp prin prezicerea sfârșitului electrolizei prin prelucrarea matematică a curbei curent-timp pentru etapele inițiale ale electrolizei și prin calcularea cantității de electricitate sau a concentrației unei substanțe în soluție. Atunci când se analizează probe cu mai multe componente, acesta poate fi utilizat coulometria de scanare , în care potențialul de electroliză este modificat continuu sau treptat. Pentru astfel de sisteme, titrarea coulometrică este preferabilă coulometriei directe, deoarece eficiența curentului de 100% în generarea titrantului poate fi obținută cu ușurință prin alegerea corectă a reactivului titrant și compoziția mediului de lucru. Titrarea coulometrică este aplicabilă la determinarea substanțelor de la 0,01 la 100 mg (uneori sub 1 μg). Volumul probei de lucru este de obicei de la 10 la 50 ml. Metoda se caracterizează printr-o precizie ridicată, eroarea relativă nu depășește câteva zecimi de procent chiar și cu titrarea coulometrică a conținutului de micrograme. În condiții optime, titrarile pot fi efectuate cu erori globale foarte mici de 0,01% (rel.). Diverse acido-bazice, redox; Opțiunile de precipitare și titrare complexometrică pot fi efectuate coulometric.

Analizoare coulometrice de gaze și analizoare de apă („coulometre”) au fost dezvoltate și produse pentru determinarea dioxidului de sulf și a hidrogenului sulfurat (sulfați și sulfuri), a ozonului (și peroxid de hidrogen), a clorului în aer (și a clorului activ în apă), monoxid de carbon și dioxid de azot în aer (nitrați și nitriți în apă). Coulometria este, de asemenea, utilizată ca instrument de detectare electrochimică în cromatografia lichidă.

Detalii despre metodă pot fi găsite în literatura de specialitate.

Metoda conductometrică analiza se bazează pe măsurarea conductivității electrice a soluției. Metoda conductometrică de analiză constă în măsurarea modificării rezistenței unei soluții de electrolit atunci când o componentă a amestecului este absorbită. Instalațiile conductometrice sunt utilizate, de exemplu, pentru determinarea monoxidului și dioxidului de carbon, vaporilor de benzină, amoniacului și altele.

Conductivitatea electrică este inversul rezistenței R, dimensiunea sa este de cm (Siemens) i.e. æ = 1/ R.

Conductivitatea electrică a unei soluții depinde de numărul de ioni pe unitatea de volum a soluției, adică. pe concentrare CU, asupra mobilității acestor ioni – V. Pe baza unor relații cunoscute

Unde Z– distanta dintre electrozi; S – zona electrodului; k– coeficientul de proporționalitate.

Pentru o anumită pereche de electrozi cu o distanță constantă între ei S/Z= const. Apoi

Unde k 1 = k(S/Z).

La efectuarea calculelor în conductometrie, se utilizează conceptul de „conductivitate electrică” æ 0:

În calcule este convenabil să se utilizeze conductibilitatea electrică echivalentă, care este egală cu:

Unde P - numărul de moli echivalent în 1 cm 3 de soluţie. Conductivitatea electrică echivalentă l ¥ la diluție infinită este egală cu suma mobilităților cationilor Uși anion V.

Raportul dintre conductivitatea electrică echivalentă a unei soluții de electrolit slab și conductivitatea electrică echivalentă a acestui electrolit la diluție infinită este egal cu gradul de disociere a a acestui electrolit:

În ciuda nespecificității sale, această metodă este destul de des folosită în sistemele de monitorizare a mediului în comparație cu alte metode electrochimice. Acest lucru se explică prin faptul că atunci când se evaluează poluarea, de exemplu, apa și atmosfera, este posibil nu treptat, ci controlul (final) al proceselor industriale. Datorită conductibilității electrice extrem de scăzute a apei, este adesea suficient să se estimeze conținutul total de contaminanți, ceea ce oferă conductometria. Exemple tipice de utilizare a metodelor conductometrice în monitorizarea mediului sunt analizoarele detergenților din apele uzate, concentrația componentelor sintetice în sistemele de irigare și calitatea (salinitatea) apei potabile. Analizoarele conductometrice sunt utilizate pentru monitorizarea continuă a poluanților din aer și precipitații, cum ar fi SO 2 și H 2 SO 4 . În plus față de conductometrie directă poate fi folosit pentru a determina anumite tipuri de poluare indirect metode, care oferă estimări foarte eficiente ale conținutului de substanțe enumerate mai sus, care interacționează înainte de măsurare cu reactivi special selectați, iar modificarea înregistrată a conductivității electrice este cauzată numai de prezența produselor corespunzătore în reacție. Astfel se pot determina oxizii de azot după reducerea lor catalitică a preamoniacului, precum și HCl, HBr și CO 2 după o reacție preliminară cu Ba(OH) 2 sau NaOH. Principiul descris pentru determinarea CO 2 poate fi folosit și pentru determinarea indirectă a substanțelor organice din apă.

Pe lângă conductometria clasică, există și o versiune de înaltă frecvență ( oscilometrie ), în care sistemul cu electrozi indicator nu intră în contact cu proba. Acest principiu este adesea implementat în analizoarele de conductivitate continuă.

Metodele electrochimice de analiză sunt, de asemenea, descrise într-o serie de publicații educaționale și speciale.

LITERATURĂ

1. Drugov Yu.S., Rodin A.A.Chimie analitică a mediului.
Sankt Petersburg: 2002. – 464 p.

2. Pashkevich M.A., Shuisky V.F. Monitorizarea mediului. Tutorial. Universitatea de Stat din Sankt Petersburg. – Sankt Petersburg, 2002. – 90 p.

3. Cattrall Robert W. Senzori chimici. M.: Lumea științifică, 2000. – 144 p.

4. Turyan Ya.I., Ruvinsky O.E., Zaitsev P.M.Catalimetrie polarografică. M.: Chimie, 1998. – 272 p.

5. Budnikov G.K., Maistrenko V.N., Murinov Yu.I. Voltametrie cu ultramicroelectrozi modificați. M.: Nauka, 1994. – 239s.

6. Brainina Kh.Z., Neiman E.Ya., Slepushkin V.V. Metode electroanalitice de inversare. M.: 1988. – 240 p.

7. Salikhdzhanova R.F. si etc. Polarografele și utilizarea lor în analiză și cercetare practică. M.: Chimie, 1988. – 192 p.

8. Kaplan B.Ya., Pats R.G., Salikhdzhanova R.F. voltametrie AC. M.: Chimie, 1985. – 264.

9. Bond A.M. Metode polarografice în chimia analitică. M.: Chimie, 1983.

10. Efremenko O.A. Analiza potențiometrică. M.: MMA im. LOR. Sechenova, 1998.

11. Ghid de referință pentru aplicarea electrozilor ion selectivi. M.: Mir, 1986.

12. Korita I. Ioni, electrozi, membrane. M.: Mir, 1983.

13. Nikolsky B.V., Materova E.A. Electrozi selectivi de ioni. L.: Chimie, 1980.

14. Efremenko O.A.Titrare coulometrică. M.: MMA im. LOR. Sechenova, 1990.

15. Khudyakova T.A., Koreshkov A.P. Metoda conductometrică de analiză. Manual pentru universități. M.: Şcoala superioară, 1975. – 207 p.

16. Budnikov G.K., Maistrenko V.N., Vyaselev M.R. Fundamentele analizei electrice moderne. M.: Chimie, 2000.

17. Prokhorova G.V. Introducere în metodele electrochimice de analiză. M.: Editura Universității de Stat din Moscova, 1991. – 97 p.

18. Metode electroanalitice în monitorizarea mediului. /Ed. R. Kalvoda, R. Zyka, K. Shtulik și alții M.: Chimie, 1990. – 240 p.

19. Plambeck J.Metode electrochimice de analiză. Fundamente ale teoriei și aplicării./Trans. din engleza M.: Mir, 1986.

Metodele electrochimice de analiză se bazează pe măsurarea potențialelor, curenților și a altor caracteristici în timpul interacțiunii analitului cu un curent electric.

Metodele electrochimice sunt împărțite în trei grupe:

¨ metode bazate pe reacțiile electrozilor care au loc în absența curentului (potențiometrie);

¨ metode bazate pe reacțiile electrozilor care au loc sub influența curentului (voltametrie, coulometrie, electrogravimetrie);

¨ metode bazate pe măsurători fără reacție electrod (conductometrie - titrare de joasă frecvență și oscilometrie - titrare de înaltă frecvență).

După metodele de aplicare, metodele electrochimice se clasifică în Drept, pe baza dependenței directe a semnalului analitic de concentrația substanței și indirect(stabilirea punctului de echivalență în timpul titrarii).

Pentru a înregistra un semnal analitic, sunt necesari doi electrozi - indicator și referință. Se numește un electrod al cărui potențial depinde de activitatea ionilor detectați indicator. Trebuie să răspundă rapid și reversibil la modificările concentrației ionilor detectați în soluție. Se numește un electrod al cărui potențial nu depinde de activitatea ionilor detectați și rămâne constant electrod de referință.

POTENTIOMETRIE

Metoda potențiometrică se bazează pe măsurarea forțelor electromotoare ale celulelor galvanice reversibile și se folosește pentru determinarea concentrației de ioni într-o soluție.

Metoda a fost dezvoltată la sfârșitul secolului trecut, după ce în 1889 Walter Nernst a derivat o ecuație care raportează potențialul electrodului cu activitatea (concentrația de substanțe):

unde este potențialul standard al electrodului, V; 0,059 – o constantă care include constanta universală a gazului (), temperatura absolută și constanta Faraday (); – numărul de electroni care participă la reacția electrodului; și sunt activitatea formelor oxidate și, respectiv, reduse ale substanței.

Când o placă metalică este scufundată într-o soluție, echilibrul este stabilit la limita metal-soluție

Ме 0 ↔ Ме n+ + nē

și apare un potențial de electrod. Acest potențial nu poate fi măsurat, dar forța electromotoare a unei celule galvanice poate fi măsurată.

Celula galvanică studiată este formată din doi electrozi care pot fi scufundați în aceeași soluție (element fără transfer) sau în două soluții de compoziții diferite care au contact lichid unul cu celălalt (circuit cu transfer).

Se numește un electrod al cărui potențial depinde de activitatea ionilor detectați indicator: E= f(c). Se numește un electrod al cărui potențial nu depinde de concentrația ionilor detectați și rămâne constant electrod de referință. Este folosit pentru a măsura potențialul unui electrod indicator.

Metodele electrochimice de analiză se bazează pe studiul și utilizarea proceselor care au loc pe suprafața electrodului sau în spațiul apropiat de electrod. Orice parametru electric (potențial, curent, rezistență etc.), legat funcțional de concentrația soluției analizate și susceptibil de măsurare corectă, poate servi drept semnal analitic.

Potențiometria, conductometria și voltametria și-au găsit aplicații în analiza alimentelor.

Metoda potențiometrică de analiză

Metoda potențiometrică se bazează pe măsurarea forțelor electromotoare ale elementelor galvanice reversibile și este utilizată pentru a determina concentrația ionilor într-o soluție. Această metodă utilizează în mod activ ecuația Nernst:

E = E° + R*T/(n*F) ln (un oxid/o reducere)

Unde E° este potențialul standard al sistemului redox; R - constanta universală a gazului; T - temperatura absolută; F este constanta lui Faraday; n este numărul de electroni care participă la reacția electrodului; și oxid și reduc - activitatea formelor oxidate și, respectiv, reduse ale sistemului redox.

Principalele avantaje ale metodei potențiometrice sunt precizia sa ridicată, sensibilitatea ridicată și capacitatea de a efectua titrări în soluții mai diluate decât permit metodele cu indicatori vizuali. De asemenea, trebuie remarcat faptul că această metodă poate determina mai multe substanțe într-o singură soluție fără separare și titrare prealabilă în medii tulburi și colorate.

Această metodă face posibilă analiza produselor alimentare pentru:

· prezența nitriților și nitraților în produsele din carne;

· determinarea aciditatii produselor lactate, berii, orzului si altor culturi de cereale;

· măsurarea pH-ului siropurilor;

· determinarea potasiului în lapte;

· determinarea amidonului în cârnați.

Metoda conductometrică de analiză

Metoda conductometrică se bazează pe modificări ale conductivității electrice a soluțiilor în funcție de concentrația particulelor încărcate prezente.

Obiectele unei astfel de analize sunt soluțiile electrolitice.

Principalele avantaje ale conductometriei:

sensibilitate ridicată (limita inferioară a concentrațiilor detectabile ~10 -4 -10 -5 M), precizie destul de mare (eroare relativă de determinare 0,1-2%), simplitatea metodelor, disponibilitatea echipamentelor, capacitatea de a studia soluții colorate și tulburi, și, de asemenea, automatizarea analizei.

Metoda conductometrică de analiză face posibilă determinarea:

· sulfați în soluție,

· determinarea acidului citric în materiile prime din fructe și fructe de pădure;

· cenusa in zahar si melasa.

Metoda amperometrică de analiză (Voltametrie)

Voltametria este un grup de metode bazate pe procesele de oxidare sau reducere electrochimică a analitului, care au loc pe un microelectrod și determină apariția unui curent difuz. Metodele se bazează pe studiul curbelor curent-tensiune, care reflectă dependența curentului de tensiunea aplicată. Voltamogramele fac posibilă obținerea simultană a informațiilor despre compoziția calitativă și cantitativă a soluției analizate, precum și despre natura procesului electrodului.

Pentru a efectua analiza curent-tensiune, sistemului de electrozi este aplicată o tensiune de la o sursă externă. Prin modificarea tensiunii, studiem dependența curentului de difuzie de diferența de potențial aplicată, care este descrisă printr-o voltamogramă.

Graficul are o formă de undă și este format din 3 secțiuni. Secțiunea I - de la începutul înregistrării semnalului analitic până la începutul reacției electrochimice, curentul trece prin celulă. Secțiunea II - o creștere bruscă a curentului datorită unei reacții electrochimice. Secțiunea III - curentul de difuzie, atingând valoarea limită, rămâne aproape constant, reacția electrochimică este finalizată.

Folosind această metodă, pot fi efectuate următoarele analize alimentare, care vor determina:

· amiloza din amidon;

· metale grele din produsele lactate;

· acid ascorbic în băuturi și sucuri.

1. Metode electrochimice de analiză

2. Potențiometrie Titrare potențiometrică

3. Conductometrie. Titrare conductometrică

4. Coulometrie. Titrare coulometrică

5. Lista referințelor utilizate

Metode electrochimice de analiză

Clasificarea metodelor electrochimice de analiză

Metodele electrochimice se bazează pe măsurarea parametrilor electrici ai fenomenelor electrochimice care apar în soluția studiată. Această măsurare se efectuează folosind o celulă electrochimică, care este un vas cu soluția de testare în care sunt plasați electrozii. Procesele electrochimice dintr-o soluție sunt însoțite de apariția sau modificarea unei diferențe de potențial între electrozi sau de o modificare a mărimii curentului care trece prin soluție.

Metodele electrochimice sunt clasificate în funcție de tipul de fenomene măsurate în timpul procesului de analiză. În general, se disting două grupe de metode electrochimice:

2. Metode cu impunerea unui potențial străin, bazate pe măsurarea: a) conductivității electrice a soluțiilor – conductometrie; b) cantitatea de energie electrică care trece prin soluție – cuulometrie; c) dependența valorii curente de potențialul aplicat – volt-amperometrie; d) timpul necesar pentru ca reacția electrochimică să aibă loc - metode cronoelectrochimice(cronovoltametrie, cronoconductometrie). În metodele acestui grup, se aplică un potențial străin electrozilor celulei electrochimice.

Elementul principal al instrumentelor de analiză electrochimică este celula electrochimică. În metodele fără a impune un potențial străin, așa este celulă galvanică, în care apare un curent electric din cauza reacțiilor chimice redox. Într-o celulă ca o celulă galvanică, în contact cu soluția analizată există doi electrozi - un electrod indicator, al cărui potențial depinde de concentrația substanței, și un electrod cu un potențial constant - un electrod de referință, față de care se măsoară potențialul electrodului indicator. Diferența de potențial este măsurată folosind dispozitive speciale - potențiometre.

În metodele cu impunerea potenţialului străin, celulă electrochimică, numită astfel deoarece la electrozii celulei, sub influența unui potențial aplicat, are loc electroliza — oxidarea sau reducerea unei substanțe. În analiza conductometrică, se utilizează o celulă conductometrică în care se măsoară conductivitatea electrică a unei soluții. După metoda de aplicare, metodele electrochimice pot fi clasificate în metode directe, în care concentrația de substanțe se măsoară în funcție de citirile aparatului, și titrare electrochimică, unde se înregistrează indicarea punctului de echivalență folosind măsurători electrochimice. În conformitate cu această clasificare, se disting potențiometria și titrarea potențiometrică, conductometria și titrarea conductometrică etc.

Potențiometrie

Măsurătorile potențiometrice sunt efectuate prin coborârea a doi electrozi în soluție - un electrod indicator, care reacționează la concentrația ionilor care se determină și un electrod standard sau de referință, față de care se măsoară potențialul indicator. Sunt utilizate mai multe tipuri de electrozi indicatori și standard.

/M .

Electrozi de al doilea fel sensibile la anioni și sunt metal M acoperite cu un strat de sare insolubilă MA cu un anion

, la care electrodul este sensibil. Când un astfel de electrod vine în contact cu o soluție care conține anionul specificat, apare un potențial E, a cărui valoare depinde de produsul solubilității sării și concentrația anionului în soluție.

Electrozi inerți- o placă sau sârmă din metale greu de oxidat - platină, aur, paladiu. Ele sunt folosite pentru a măsura E în soluții care conțin un cuplu redox (de exemplu,

/).

Amestecarea sărurilor insolubile precum AgBr, AgCl, AgI și altele cu unele materiale plastice (cauciuc, polietilenă, polistiren) a condus la crearea electrozi ion selectivi pe

, , adsorbând selectiv ionii indicați din soluție datorită regulii Paneth–Faience–Hahn. Deoarece concentrația de ioni detectabili în afara electrodului diferă de cea din interiorul electrodului, echilibrele de pe suprafețele membranei sunt diferite, ceea ce duce la apariția unui potențial de membrană.

Cel mai adesea, potențiometrele sunt utilizate pentru măsurători directe ale pH-ului, indicatori ai concentrațiilor altor ioni pNa, pK, pNH₄, pCl și mV. Măsurătorile se efectuează utilizând electrozi ion-selectivi corespunzători.

Pe lângă determinările directe ale pH-ului, pNa, pK, pNH₄, pCl și altele, pH-metrele permit titrarea potențiometrică a ionului care este determinat.

Titrare potențiometrică

Titrarea potențiometrică se efectuează în cazurile în care indicatorii chimici nu pot fi utilizați sau când nu este disponibil un indicator adecvat.

Curba de titrare potențiometrică are o formă similară curbei de titrare din analiza titrimetrică. Curba de titrare este utilizată pentru a determina punctul de echivalență, care este situat în mijlocul saltului de titrare. Pentru a face acest lucru, se trasează tangente la secțiuni ale curbei de titrare și se determină punctul de echivalență în mijlocul tangentei saltului de titrare. Modificarea ∆рН/∆V capătă cea mai mare valoare în punctul de echivalență.

Metode electrochimice pentru analiza obiectelor alimentare. Metode de cercetare electrochimică. „Instrumentare și echipamente”, Volgograd

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Documente similare

Cultura metodologică a profesorului

Imaginația în psihologie

Filippo Tommaso Marinetti

Teoria Rusiei antice despre originea Rusiei

Ce-ar fi dacă a șasea Cruciadă nu s-ar fi întâmplat niciodată?

Metode electrochimice pentru analiza obiectelor alimentare. Metode de cercetare electrochimică. „Instrumentare și echipamente”, Volgograd

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Documente similare

Articole similare