elektrody membranowe.pdf

Potencjometryczna metoda oznaczania chlorków w wodach

i ściekach z zastosowaniem elektrody jonoselektywnej

opracowanie: dr Jadwiga Zawada

Cel ćwiczenia: poznanie podstaw teoretycznych i praktycznych metody potencjometrycznego

oznaczania jonów w roztworze.

I. Wprowadzenie do zagadnienia

1. Metoda potencjometryczna

Układy do badań potencjometrycznych składają się z dwóch zasadniczych części: pary

elektrod tworzących z badanym roztworem ogniwo pomiarowe oraz przyrządu pomiarowego,

pozwalającego na pomiar siły elektromotorycznej (SEM) tego ogniwa. Jedna z elektrod jest

zwykle elektrodą wskaźnikową, a druga elektrodą porównawczą (odniesienia). Elektrody

wskaźnikowe decydują o możliwościach analitycznych potencjometrii. Daną substancję

można oznaczyć potencjometrycznie tylko wtedy, gdy istnieje czuła na nią elektroda

wskaźnikowa. Potencjał elektrody wskaźnikowej zależy od stężenia oznaczanego jonu oraz

od zmian zachodzących w roztworze. Potencjał elektrody odniesienia w trakcie pomiarów jest

stały i nie zależy od oznaczanego jonu. Do grupy elektrod wskaźnikowych należą elektrody

jonoselektywne ( EIS ).

Schemat najprostszego układu do pomiarów potencjometrycznych

2. Charakterystyka elektrod jonoselektywnych

Elektrody jonoselektywne są to elektrody membranowe, o rozmaitych rozwiązaniach

konstrukcyjnych. Przez odpowiedni dobór związku chemicznego, stanowiącego materiał

elektroaktywny membrany, uzyskano elektrody czułe na różne jony (kationy i aniony). W

zależności od stanu skupienia fazy tworzącej membranę EIS można podzielić na:

- elektrody jonoselektywne ze stałymi membranami:

a/ odmiana homogeniczna (membrany wykonuje się z monokryształów lub

polikryształów odpowiednich trudno rozpuszczalnych związków)

b/ odmiana heterogeniczna (membrany utworzone są z elektroaktywnego materiału

jonowymiennego)

- elektrody jonoselektywne z ciekłymi membranami (membranę tworzy substancja

elektrodowo czynna rozpuszczona w rozpuszczalniku organicznym nie mieszającym się z

wodą)

- elektrody membranowe enzymatyczne, stwarzające możliwość oznaczania związków

organicznych

- selektywne elektrody gazowe, czułe na: CO 2 , SO 2 , NO, NO 2 i NH 3 .

Przykłady konstrukcji jonoselektywnych elektrod membranowych

3. Potencjometria i zastosowanie elektrod jonoselektywnych

Podstawę teoretyczną bezpośrednich oznaczeń potencjometrycznych stanowi

równanie Nernsta. Metodą potencjometrii bezpośredniej można oznaczyć stężenie każdej

substancji, o ile istnieje czuła na nią elektroda wskaźnikowa. Wspólną cechą elektrod

membranowych jest to, że ich potencjał zależy nie tylko od stężenia jonu oznaczanego, ale

również od stężenia innych jonów obecnych w roztworze.

Potencjał jonoselektywnych elektrod membranowych opisany jest przez wzór

Nikolskiego:

ln(

)

gdzie:

a i – aktywność oznaczanego jonu

a j – aktywność jonu przeszkadzającego

n – wartościowość jonu i , na który elektroda jest czuła

z - wartościowość jonu przeszkadzającego j

K ij – współczynnik selektywności (stała selektywności) elektrody czułej na jon i

względem jonu j.

Im większa jest wartość współczynnika selektywności, tym mniej selektywna („gorsza”) jest

dana elektroda.

Podstawowe parametry wybranych jonoselektywnych elektrod membranowych

4. Oznaczanie stężeń jonów za pomocą elektrody jonoselektywnej metodą krzywej

wzorcowej

c i , gdzie: f i – współczynnik aktywności jonu

c i - stężenie jonu w roztworze

Dla roztworów bardzo rozcieńczonych wykreśla się zazwyczaj krzywą wzorcową w układzie

E = f (log ci). Aby zniwelować wpływ wzrostu stężenia roztworu na przebieg krzywej

wzorcowej przeprowadza się pomiary w roztworach o stałej sile jonowej. W celu uzyskania

stałej siły jonowej dodaje się do roztworów wzorcowych i roztworów badanych odpowiedni

nadmiar elektrolitu obojętnego, czyli nie mającego wpływu na potencjał elektrody. W tak

przygotowanych roztworach współczynniki aktywności mają stałą wartość, a zatem

aktywność jest proporcjonalna do stężenia. Metoda krzywej wzorcowej jest prosta, lecz

wrażliwa na obecność w badanej próbce substancji zakłócających, nieobecnych w roztworach

wzorcowych.

II. Część doświadczalna

1. Zasada metody i zakres jej stosowania

Oznaczanie polega na pomiarze potencjału jonoselektywnej elektrody chlorkowej

względem elektrody odniesienia. Różnica potencjałów między elektrodami jest miarą stężenia

jonów chlorkowych. Metodę stosuje się do oznaczania chlorków w wodzie i ściekach przy ich

zawartości 5,0 – 500 mg/cm 3 . Przez odpowiednie rozcieńczenie zakres ten można rozszerzyć

do 5000 mg/cm 3 .

2. Aparatura oraz sprzęt laboratoryjny

a) elektroda jonoselektywna

b) elektroda kalomelowa jako elektroda odniesienia

c) klucz elektrolityczny wypełniony 1 M roztworem KNO 3

d) minikomputer wielofunkcyjny

e) papierki wskaźnikowe

f) zlewkipojemności 150 cm 3

g) kolbki pomiarowe pojemności 100 cm 3

3. Odczynniki i roztwory

a) azotan (V) potasu cz.d.a. – roztwór 1 M

b) kwas siarkowy (VI) – stężony (1,84) . cz.d.a. – roztwór 1 +1

c) wodorotlenek sodowy cz.d.a. – 5% roztwór

d) wzorcowy roztwór podstawowy chlorku sodowego cz.d.a. ( 1 cm 3 tego roztworu

zawiera 5 mg chlorków)

e) badane roztwory o nieznanej zawartości jonów chlorkowych

Metoda krzywej wzorcowej polega na zanurzeniu ogniwa pomiarowego w badanym

roztworze, odczytaniu SEM, a następnie odczytaniu stężenia badanej substancji z krzywej

wzorcowej, sporządzonej odpowiednio wcześniej. Krzywa wzorcowa jest wynikiem

wykreślenia z danych eksperymentalnych (uzyskanych dla roztworów o znanych stężeniach

oznaczanego jonu) funkcji E = f (log a i ). Aktywność jonu a i jest związana z jego stężeniem

równaniem: a i = f i

4. Przygotowanie skali wzorców i sporządzanie krzywej wzorcowej

Do 6-ciu kolb pomiarowych pojemności 100 cm 3 każda odmierzyć kolejno: 0,1; 0,5;

1,0; 2,0; 5,0; i 10 cm 3 podstawowego roztworu wzorcowego chlorku sodowego, uzupełnić

wodą destylowaną do kreski i wymieszać. Stężenie chlorków w tak przygotowanych

roztworach wynoszą kolejno: 5,0; 25,0; 50,0; 100; 250; i 500 mg/dm 3 . Następnie do 6-ciu

zlewek pojemności 150 cm 3 każda wlewać kolejno po 100 cm 3 roztworu (czyli całą zawartość

kolbki) i dodać do każdego roztworu po 10 cm 3 roztworu KNO 3 .

Zestawić układ pomiarowy według schematu podanego w części I.1. W tym celu należy:

- podłączyć elektrody do minikomputera wielofunkcyjnego ( jako miernika potencjału),

włączając elektrodę chlorkową w gniazdko [ pH, jon, mV], a elektrodę kalomelową jako

elektrodę odniesienia w gniazdko oznaczone [ GND] . Następnie:

- wcisnąć przyciski: „on” oraz „mV”

- elektrodę chlorkową zanurzać kolejno w poszczególnych roztworach wzorcowych i

wykonać pomiary wartości potencjału ( w mV) dla poszczególnych wzorców. Wartości

potencjału odczytywać zawsze po upływie1 minuty, licząc od chwili zanurzenia

elektrody we wzorcu. Po każdym pomiarze elektrody opłukać wodą destylowaną i

osuszyć bibułą do sączenia.

Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli:

Obj. roztw.

podst. [cm 3 ]

0,1 cm 3 0,5 cm 3

1,0 cm 3

2,0 cm 3

5,0 cm 3 10,0 cm 3

Stężenie Cl -

[mg/dm 3 ]

Poten. E [mV]

Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów wykreślić krzywą wzorcową na papierze

półlogarytmicznym, odkładając na osi logarytmicznej wartość stężeń chlorków w mg/dm 3 , a

na osi arytmetycznej odpowiadające im wartości potencjału.

5. Wykonanie oznaczenia

Odpipetować 100 cm 3 badanego roztworu i dodać 10 cm 3 roztworu azotanu

potasowego. Sprawdzić pH roztworu za pomocą papierka wskaźnikowego. Jeżeli wartość pH

nie mieści się w granicach 2-12, należy ją skorygować za pomocą roztworu H 2 SO 4 lub

roztworu NaOH. Następnie zanurzyć elektrody włączone do minikomputera i po upływie 1

minuty odczytać wartość potencjału. Zawartość chlorków w badanej próbce wyrażoną w

mg/dm 3 odczytać z krzywej wzorcowej. Za wynik końcowy oznaczenia należy przyjąć

średnią arytmetyczną wyników dwóch równolegle wykonanych oznaczeń, różniących się

między sobą nie więcej niż 5% wyniku mniejszego.

Wszystkie wyniki zamieścić w tabeli podanej poniżej:

Badane roztwory

Potencjał – I pomiar

[mV]

Potencjał – II pomiar

[mV]

Potencjał średni

[mV]

Stężenie chlorków

[mg/dm 3 ]

Woda wodociąg .

Woda destylowana

Roztwór I

Roztwór II

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: