Электрохимические методы анализа

Преимущество этих методов в относительной простоте и невысокой стоимости анализов. Они имеют высокую чувствительность, хорошую селективность и экспрессность. ЭМА могут быть автоматизированы, что позволяет встраивать их в систему непрерывного контроля производственных процессов либо системы непрерывного мониторинга объектов окружающей среды. Для ЭМА характерны необычайно разнообразные области применения: от определения содержания ионов тяжелых металлов и следовых количеств токсичных органических веществ в природных и сточных водах до диагностики генетических заболеваний. Однако основной причиной развития разнообразных областей применения ЭМА является создание множества химически-модифицированных электродов (ХМЭ). Электрохимические методы анализа позволяют определять концентрацию веществ в широком диапазоне от 1 до 10–9 моль/дм3.

eha-shema.png
Потенциометрический анализ

Иономер лабораторный - метрологический инструмент для измерения уровня кислотности, массовой и молярной доли концентрации ионов, окислительно-восстановительного потенциала биологических материалов, пищевых и продуктов переработки нефти. Также он может измерять температуру исследуемого раствора.

ionomery.png

Характерной особенностью потенциометрических методов анализа является их высокая избирательность, что создает возможность анализа сложных многокомпонентных смесей, с помощью различных ионселективных электродов. Частным случаем является определение pH раствора, схема прибора:

ionomery-shema.png

Прямую потенциометрию относят к группе неразрушающих способов контроля, и анализируемый раствор может быть использован для дальнейших исследований.

Потенциометрический титратор - потенциометрическое титрование основано на регистрации изменения потенциала индикаторного электрода в процессе химической реакции между определяемым компонентом и титрантом. Вблизи точки эквивалентности происходит резкое изменение (скачок) потенциала.

pot_tit-shema.png

Это наблюдается лишь тогда, когда хотя бы один из реагентов (или один из продуктов реакции) является участником электродного процесса. Таким образом, потенциометрическое титрование представляет объемный метод анализа и отличается от классического титриметрического метода тем, что эквивалентную точку титрования определяют не по изменению окраски индикатора, а по скачку потенциала в процессе титрования.

titratory.png

При определении концентрации вещества методом потенциометрического титрования могут быть использованы все типы химических реакций: кислотно-основные, окислительно-восстановительные, осаждения и комплексообразования. К подобным реакциям применяются следующие требования:

  1. титруемое вещество и титрант должны реагировать между собой в стехиометрическом соотношении;
  2. должен применяться доступный индикаторный электрод;
  3. реакция должна протекать количественно (константа равновесия должна быть большой).

C помощью потенциометрического титрования решают как аналитические, так и физико-химические задачи:

  • определение концентрации одного или нескольких веществ, присутствующих в растворе;
  • определение констант диссоциации слабых кислот и оснований;
  • определение константы нестойкости комплексных ионов;
  • определение произведения растворимости;
  • определение нормальных окислительно-восстановительных потенциалов.
Амперометрический анализ

Электрохимические сенсоры - принцип действия электрохимических газоаналитических приборов (газоанализаторов) основывается на электрохимическом методе определений массовых концентраций вредных токсичных веществ, а также кислорода в газовоздушной среде.

ehsensory.jpg

В качестве чувствительного элемента тут выступает электрохимический сенсор (ячейка), предназначенный для обнаружения утечек и контроля токсичных, инертных и других газов, кислорода, органических веществ и паров кислот.

elektrohimicheskiy_sensor.jpg

Контролируемый газ через противопылевой фильтр (также выполняющий функцию селективного (избирательного) фильтра) и гидрофобную мембрану диффундирует на измерительный (рабочий) электрод, выполненный из одного из благородных металлов (платина, золото, палладий либо другого драгметалла). Высвобождающиеся при этом электроны проходят через электролит и эталонный электрод, и формируют во внешней цепи сигнал постоянного тока.

shema_podkl_sensora.jpg

Величина этого сигнала прямо пропорциональна концентрации детектируемого газа.
Помимо газовых сенсоров хорошим примером является глюкометр.

amptitratory.jpg

Амперометрический титратор - в амперометрическом титровании регистрируемым аналитическим сигналом является предельный диффузионный ток, протекающий через раствор в процессе его титрования. Кривая амперометрического титрования отражает зависимость диффузионного тока Id при постоянном потенциале Ed индикаторного электрода от объема V добавленного титранта.

kivyeamptit.jpeg

Достоинства амперометрического титрования:

  • применим для многих типов реакций;
  • можно определять электронеактивные вещества;
  • сравнительно простая аппаратура;
  • хорошая точность с преимуществами инструментального титрования;
  • сравнительно высокая чувствительность.
shemaamptit.jpg
Кулонометрический анализ анализ
kulonometr.png

Кулонометр - основу кулонометрического метода анализа составляет электропревращение вещества на электроде, что говорит о пригодности данного метода только для электроактивных веществ. Выделяют два вида прямой кулонометрии:

shemakul.jpg
  • гальваностатическая кулонометрия (I = const) - анализируемое вещество предварительно осаждают на электрод в виде металла/оксида, для растворения. При полном растворении будет наблюдаться скачок;
  • потенциометрическая кулонометрия (U = const) - анализ проводят до уменьшения силы тока до остаточной.
tipykulonometrov.png

Преимущества кулонометрии:

  • исключительная точность метода (погрешность 0,002%);
  • воспроизводимость результатов;
  • низкие пределы обнаружения – до 10-10 моль/л;
  • высокая избирательность;
  • возможность анализа органических и неорганических объектов исследования;
  • возможность анализа малоустойчивых веществ.

Недостатки кулонометрии:

  • в отличие от электрогравиметрии в кулонометрии необходимо строго фиксировать время конца химической реакции;
  • необходимым условием проведения анализа является 100%-й выход по току.
kulontitust.png

Кулонометрический титратор - в кулонометрическом титровании аналитическим сигналом является не объём стандартного раствора титранта, а количество электричества, которое необходимо для его получения. Кулонометрическое титрование, в отличие от прямой кулонометрии, используется для определения электронеактивных веществ. Измерения в кулонометрическом титровании проводятся при постоянной силе тока. Количество электричества при таком режиме измерения равно произведению силы тока на время электролиза.

shemakultit.jpeg

Преимущества кулонометрического титрования перед другими титриметрическими методами анализа заключаются в том что:

  • титрант не нужно готовить, стандартизировать и хранить;
  • можно получать титранты (например, Fe2+ или Cl2), которые сложно или невозможно приготовить обычным способом;
  • титрант легче «дозируется» (отрегулировать силу тока значительно легче, чем добавить точный объём титранта);
  • раствор в процессе титрования не разбавляется;
  • в процессе предэлектролиза можно устранить мешающее влияние примесей;
  • одну и ту же ячейку можно использовать для любого вида титрования;
  • процесс анализа можно легко автоматизировать.
Кондуктометрический анализ
kondprom.png

Кондуктометр промышленный - кондуктометрический метод, основан на непосредственной зависимости удельной электропроводности от концентрации ионов в разбавленных растворах, где сохраняется линейная зависимости удельной электропроводности κ от концентрации.
Метод обладает высокой точностью, но не является селективным, так как электропроводность – аддитивная величина (является суммой электропроводностей всех присутствующих в растворе ионов), поэтому даже незначительные примеси искажают результаты анализа.
Достоинства прямой кондуктометрии: простота эксперимента; высокая чувствительность (до ~10-4 моль/л); сравнительно малая погрешность определения (0,1-2%).

kondtit.jpg

Кондуктометрический титратор - точка эквивалентности устанавливается по резкому изменению электропроводности в процессе титрования раствора одного электролита раствором другого. Применение титранта, способного взаимодействовать только с определяемым ионом, позволяет повысить селективность метода. Точку эквивалентности находят с помощью кривых титрования κ = f(V). Вид кривой титрования зависит от природы взаимодействующих электролитов, подвижности ионов, входящих в состав раствора.

Достоинства кондуктометрического титрования:

  • титрование можно проводить в мутных, окрашенных, непрозрачных средах;
  • малая погрешность и высокая чувствительность определения;
  • анализ можно автоматизировать.

Недостатки кондуктометрического титрования: малая селективность.

Используемая литература:
  1. Электрохимические методы анализа: руководство к лаборатор. практикуму: [учеб.-метод. пособие]/ [Л. К. Неудачина, Ю. С. Петрова, Н. В. Лакиза, Е. Л. Лебедева]; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. — 136 с. ISBN 978-5-7996-1276-4
  2. Сенсоргаз: офиц. сайт. URL: https://www.sensorgas.ru/poleznoe.html&art=10?ysclid=m0cpdl1xd2840081547(дата обращения: 27.08.2024)
  3. Студенческий научный форум: офиц. сайт. URL: https://scienceforum.ru/2017/article/2017032001(дата обращения: 29.08.2024).