Методы химического анализа (стр. 21 из 31)

Наряду с электродами I рода существуют электроды П рода, потенциал которых определяется концентрацией соответствующих анионов. Такие электроды представляют собой пластину металла, покрытую труднорастворимой солью этого металла и опущенная в раствор соли, содержащей одноимённый ион.

К электродам П рода относятся хлорсеребряный, каломельный и др. Хлорсеребряный электрод изготавливают из серебряной проволоки, которую покрывают тонким слоем хлорида серебра, он помещён в раствор соли KCl.

Хлорсеребряный электрод: Ag│AgCl│KCl

EАg/Ag⁺ = Е_Х.С. + 0,059ℓg[Ag⁺] = E_Х.С. + 0,059ℓg

Для измерения потенциала индикаторного электрода в анализируемый раствор погружают второй электрод, потенциал которого не зависит от концентрации определяемых ионов. Этот второй электрод называют электродом сравнения.

В качестве индикаторных электродов используют электроды двух типов.

Электродообменные, на межфазных границах которого протекают реакции с участием электронов.

Ионообменные, на межфазных границах которого протекают реакции сопровождающиеся обменом ионов. Такие электроды называют ион-селективными.

А). Ион-селективные электроды.

Ион-селективные электроды широко внедряются в практику химического анализа, применяются для определения самых разнообразных веществ. Они подразделяются на несколько групп:

а) Стеклянные электроды

б) Твёрдые электроды с гомогенной или гетерогенной системой.

в) Жидкостные электроды ( на основе ионных ассоциатов, хелатов металлов, нейтральных лигандов и тд.)

г) Газовые электроды

д) Электроды для измерения активности (концентрации) биологических веществ.

Ион-селективные электроды представляют собой электрохимические полуэлементы, у которых разность потенциалов на границе раздела фаз Электрод ― Электролит зависит от концентрации (активности) определяемого иона в растворе. Электродом обычно является твёрдая или жидкая мембрана, способная обмениваться ионами с анализируемым раствором.

Если ионы в раствор электролита проникают из мембраны, то её поверхность приобретает заряд, противоположный заряду перешедших в раствор ионов и на границе раздела фаз возникает потенциал, величина которого зависит от концентрации (активности) данных ионов в растворе.

Если мембрана разделяет два раствора с различной активностью, то потенциал определяется уравнением Нернста.

Е = Е⁰ + 0,059ℓg

а¹ ― активность (концентрация) ионов в первом растворе

а¹¹ ― активность (концентрация) ионов во втором растворе

Обычно в одном из растворов активность (концентрацию) сохраняют постоянной (чаще внутри мембраны).

Если а¹¹ ― const, тогда:

Е = Е⁰ + 0,59 ℓgа¹

Т.е. потенциал индикаторного ион-селективного электрода зависит только от активности ионов первого раствора.

Ион-селективные электроды находят широкое применение в практике физико-химического анализа.

С помощью их можно быстро провести анализ по определению многих ионов, даже тех, которые другими методами не определяются.

Существуют ион-селективные электроды для определения К⁺, Na⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Cu²⁺, NO₃^-, SO₄^2-, PO₄^3-, CN^-, SCN^-.

Главным достоинством ион-селективных электродов является высокая избирательность определения.

Чувствительной частью ион-селективного электрода является мембрана, которая разделяет два раствора, находящихся в контакте, на внутренний и внешний, поэтому электроды называются мембранными.

Существуют различные классификации ион-селективных электродов, но наиболее удобна классификация по виду мембраны:

1 Электроды с твёрдой мембраной.

а) Стеклянные

б) С кристаллической мембраной

в) С плёночной мембраной

2. Электроды с жидкой мембраной.

3. Специальные электроды ― газовые, ферментативные и др.

В потенциометрии в качестве индикаторных обычно применяют мембранные (ион-селективные) электроды. Через мембрану возможно перемещение ионов одного вида, активность ионов внутри мембраны постоянна.

Среди ион-селективных электродов наибольшее распространение получил стеклянный электрод, предназначенный для измерения рН. Устройство его довольно простое ― включает стеклянную трубку с шариком на конце. Шарик изготовлен из специального стекла, обладающего повышенной электропроводностью и заполнен стандартным раствором ― 0,1 М раствором HCl с добавками KCl или NaCl. Токоотводом служит хлор-серебряный электрод ― серебряная проволока, покрытая хлоридом серебра, к которой припаян изолированный провод.

Шарик имеет толщину стенок 0,06-0,1 мм, изготовлен из стекла состава - 64% SiO₂

- 28% Na₂O

- 8% MgO

Внутри стеклянной трубки помещена серебряная проволочка, покрытая труднорастворимой солью серебра AgCl, защищенная стеклянным кожухом.

Ag, AgCl | HCl(0,1 M) || стекло || исследуемый раствор.

Перед применение стеклянного электрода для определения рН ― его вымачивают в 0,1 М растворе HCl. В результате этой операции происходит обмен ионов.

Ионы водорода из раствора кислоты обмениваются на ионы натрия в стекле шарика и на границе стекло кислота устанавливается равновесие:

Н⁺ Na⁺

В таком состоянии электрод готов к работе.

Потенциал стеклянного электрода обусловлен обменом ионов щелочных металлов, находящихся в стекле с ионами водорода раствора.

Концентрация ионов водорода на внутренней поверхности стеклянной мембраны находится в равновесии с внутренним раствором HCl и на границе мембрана ― внутренний раствор устанавливается равновесный потенциал (Е₁).

При погружении стеклянного электрода в исследуемый раствор ионы водорода начинают перемещаться через стекло шарика (мембрану) из раствора с большой активностью, при этом на границе мембрана ― внешний раствор возникает равновесный потенциал (Е₂).

Разность этих потенциалов даёт общий потенциал стеклянного электрода:

Ест. = Е₁ + Е₂

Электродная реакция на стеклянном электроде сводится к обмену ионами водорода между раствором и стеклом:

Н⁺(р-р) Н⁺(стекло)

Т.е. она не связана с переходом электронов. Ионы водорода на поверхности внешней стороны мембраны находятся в равновесии с ионами водорода в исследуемом растворе и на границе раздела возникает потенциал.

Е₁ = Е₁⁰ +

ℓn

Где: а_н⁺(х) ― активность ионов водорода в исследуемом растворе.

а` _н⁺ (1) ― активность ионов водорода на внешней поверхности мембраны.

Аналогично на границе раздела внутренней поверхности мембраны возникает потенциал:

Е₂ = Е₂⁰ +

ℓn

Где: а_н⁺(2) ― активность ионов водорода во внутреннем растворе

а` _н⁺ (2) ― активность ионов водорода на внутренней поверхности мембраны.

Суммарный потенциал стеклянного электрода:

Е_ст = Е₁ – Е₂ = Е₁⁰ – Е₂⁰ +

ℓn

При постоянных значениях:

а` _н⁺ (1) ― активность ионов водорода на внешней поверхности мембраны

а` _н⁺ (2) ― активность ионов водорода на внутренней поверхности мембраны

а_н⁺(2) ― активность ионов водорода во внутреннем растворе

Уравнение принимает вид:

Е_ст = const +

ℓn а_н⁺(х)

Т.е. потенциал мембраны характеризует рН исследуемого раствора.

Или Е_ст = const + 0,059ℓgС_н⁺

Величина const зависит от природы вспомогательного электрода сравнения, природы внутренного раствора и др.

При определении рН, с использованием стеклянного электрода в паре с каломельным ― измеряют ЭДС цепи:

Hg, Hg₂Cl₂│KCl│ а_н⁺(х)│стекло│HCl│AgCl, Ag

ЭДС цепи Е = Е₁ – Е₂

Е₁ = Е⁰ Hg₂Cl₂/Hg – 0,059ℓga_Cl^-(1) – 0,059ℓga_н⁺(х)

Е₂ = Е⁰ АgCl/Аg – 0,059ℓga_Cl^-(2) – 0,059ℓga_н⁺(cт)

Е = [Е⁰ Hg₂Cl₂/Hg - Е⁰ АgCl/Аg + 0,059ℓg

+ 0,059ℓgH⁺(ст) – 0,059ℓgaH^+|(x) = E_ст – 0,059ℓп а_н⁺(х)

Стеклянные электроды обладают рядом достоинств:

а) Широкий диапазон значений рН (от 0 до 13), который можно измерять стеклянным электродом.

б) Быстрота достижения равновесия и простота работы.

в) Возможность использовать электрод в присутствии окислителей, восстановителей, коллоидных растворов и пр.

Одним из недостатков стеклянного электрода является его хрупкость.

Другим недостатком ― является искажение результатов, если рН внутреннего раствора близок к рН исследуемого.