Ćwiczenie 5 AN Potencjometryczna metoda oznaczania chlorków z zastosowaniem elektrody jonoselektywnej.

Transkrypt

1 Ćwiczenie 5 AN Potencjometryczna metoda oznaczania chlorków z zastosowaniem elektrody jonoselektywnej. 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 elektrodą wskaźnikową, a druga elektrodą 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. Do takich elektrod wskaźnikowych należą m.in. elektrody jonoselektywne. Potencjał elektrody odniesienia w trakcie pomiarów jest stały i nie zależy od oznaczanego jonu. Ryc. 1. Schemat układu pomiarowego stosowanego w ćwiczeniu Elektrody jonoselektywne umożliwiają bezpośredni pomiar (szybką analizę), podczas którego można monitorować poziom stężeń wielu kationów, anionów, niektórych substancji gazowych i związków organicznych (np. glukoza, salicylany, antybiotyki i związki powierzchniowo czynne) obecnych w oznaczanej próbie. Dlatego też często wykorzystywane są w kompletnych systemach kontroli (analizatorach wykonujących jednocześnie kilka oznaczeń, jak np.: ph, pca, pk, pna w osoczu krwi). 1

2 Ryc.. Schemat stosowanej w ćwiczeniu elektrody odniesienia DJR z podwójnym płaszczem. Charakterystyka elektrod jonoselektywnych Elektrody jonoselektywne umożliwiają bezpośredni pomiar, a co z tym związane szybką analizę i możliwość monitorowania poziomu stężeń, w wielu próbach nie ingerując przy tym w ich skład. Dodatkowo miniaturyzacja czujników (mini- i mikroelektrody) umożliwia pomiar nawet w bardzo małej objętości oznaczanego materiału co sprawia że są coraz częściej wykorzystywane zarówno do pomiarów in vivo, jak i in vitro. Elektrody jonoselektywne są to elektrody membranowe, o rozmaitych rozwiązaniach konstrukcyjnych. Przez odpowiedni dobór związku chemicznego, stanowiącego materiał aktywny membrany, uzyskano elektrody czułe na różne jony (kationy i aniony). W zależności od stanu skupienia fazy tworzącej membranę elektrody jonoselektywne można podzielić na: - elektrody jonoselektywne ze stałymi membranami - 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, SO, NO, NO i NH 3

3 W zależności od użytej membrany zmieniają się właściwości elektrody (czułość na dany jon, szybkość odpowiedzi elektrody na zmianę aktywności badanego jonu w próbce itp.). Pierwszą membranową elektrodą jonoselektywną (skonstruowaną w 1909 r.) była elektroda szklana (przeznaczona do pomiarów ph). Zmieniając skład szkła, można otrzymać membrany selektywne dla jonów metali np.: Li +, Na + lub K +. Stałą membranę mogą też tworzyć krystaliczne związki jonowe, trudno rozpuszczalna sól, czy wymieniacze jonowe (mogą one stanowić jednolity monokryształ jak w przypadku związków jonowych, bądź być zdyspergowane w obojętnej hydrofobowej matrycy utworzonej z gumy silikonowej czy polietylenu). W 1967 roku skonstruowano elektrodę do oznaczania jonów potasu, w której substancją aktywną był naturalny makrocykliczny antybiotyk walinomycyna kompleksujący selektywnie jony potasu. Zapoczątkowało to rozwój elektrod z tzw. pseudociekłą membraną z polichlorku winylu (PCW) zmiękczonego odpowiednim plastyfikatorem, zawierającą jako substancję aktywną nośnik jonów zwany jonoforem. Obecnie elektrody takiego typu, wykorzystujące jako jonofory zarówno związki zarówno pochodzenia naturalnego (np.: walinomycyna czuła na jony K + ; nonaktyna i monaktyna - selektywne na jony NH 4 + ) czy otrzymywane syntetycznie (cykliczne polietery, związki acykliczne) powszechnie wykorzystywane są do oznaczeń wielu jonów nieorganicznych i organicznych w roztworach wodnych. Znajdują one zastosowanie w analizie biomedycznej w chemii klinicznej i neurofizjologii (np. analiza płynów ustrojowych), w przemyśle spożywczym, czy w ochronie środowiska (analiza i monitoring wód gruntowych, ścieków itp.). Jak wspomniano wcześniej do oznaczanie niektórych substancji organicznych (np. substratów reakcji enzymatycznych) wykorzystuje się membranowe elektrody jonoselektywne. Elektrody takie posiadają na swojej membranie odpowiedni enzym i będą zmieniały swój potencjał w zależności od ilości konkretnego jonu, który powstaje w wyniku reakcji enzymatycznej. Przykładem takiej elektrody enzymatycznej jest elektroda służąca do oznaczania mocznika. Cząsteczki mocznika dyfundują z roztworu przez błonę półprzepuszczalną do powierzchni elektrody, gdzie w warstwie żelu zawierającego enzym ureazę ulegają rozkładowi enzymatycznemu zgodnie z reakcją enzymatyczną: CO + ureaza + ( NH ) H O + H CO + NH + 4 Powstałe w wyniku reakcji jony amonowe ( NH ) dyfundują przez kolejną błonę półprzepuszczalną do powierzchni elektrody powodując zmianę jej potencjału

4 Podana poniżej tabela przedstawia podstawowe parametry (zakres wykrywanych stężeń, jony przeszkadzające w pomiarach) wybranych jonoselektywnych elektrod membranowych. Podany współczynnik selektywności określa selektywność danej elektrody. Im większa wartość tego współczynnika tym mniej selektywna (czuła) jest dana elektroda. Oznaczany jon Zakres stężenia Zakres ph Jony przeszkadz. Rodzaj membrany [mol/dm 3 ] (współcz. selekt) F OH - Stała monokryst. LaF 3 Ag +, S (0-14) Hg + (10-7 ) Stała, homogenicznaspiek polikrystaliczny Ag S lub heterogeniczna Cl -, Ag S -, Br -, J -, CN - Stała, homo- lub heterogeniczna AgCl Br -, Ag S - (10-7 ) j.w.agbr J - (5x10-5 ) J -, Ag S - (10-7 ) j.w. AgJ CN S - (10-7 ) j.w. AgJ + Ag S J - (10) Br - ( 10-4 ) Cl - (10-6 ) Pb Ag +,Hg +,Cu + j.w. Ag S +PbS Cu S -, Ag +, Hg + j.w. Ag S CuS lub K Na + ( 10-3 ) Cs +,Rb + +,NH 4 NO J -, Br -, ClO - 4, Cl -, F -, NO -, SO - 4, CO - 3, homogeniczna CuS Ciekła z nośnikiem obojętnym (walinomycyna) Ciekła z wymieniaczem jonowym Ni(o-fen) 3 x(no 3 ) 3. Potencjometria z zastosowaniem elektrod jonoselektywnych Elektroda jonoselektywna zmienia swój potencjał w zależności od stężenia (aktywności) jonów w roztworze. Zasada pomiaru opiera się na liniowej zależności potencjału elektrody od logarytmu aktywności jonów w roztworze i jest wyrażona równaniem Nernsta: RT E = E o +,303 log( a i ) nf gdzie: E SEM ogniwa pomiarowego złożonego z elektrod jonoselektywnej i odniesienia w badanym roztworze (mv), E 0 potencjał normalny elektrody jonoselektywnej (mv), a i aktywność oznaczanego jonu, n wartościowość oznaczanego jonu, R- stała gazowa (8,314 J/ K mol), T temperatura w stopniach Kelvina, F stała Faraday a ( C). 4

5 Rozszerzona postać równania Nernsta, uwzględniająca obecność jonów przeszkadzających w roztworze badanym, to równanie Nikolskiego: RT E = E o +,303 log( a + / K a n z i ) nf ij j gdzie: a i aktywność oznaczanego jonu, a j aktywność jonu przeszkadzającego, n wartościowość jonu i, na który jest czuła stosowana elektroda, z wartościowość jonu przeszkadzającego j, Kij współczynnik selektywności (stała selektywności) elektrody czułej na jon i względem jonu j Pomiar aktywności jonów jest możliwy przez zmierzenie potencjału elektrody jonoselektywnej względem elektrody odniesienia (chlorosrebrowa elektroda DJR z podwójnym płaszczem). W zależności od badanych jonów z elektrodą jonoselektywną współpracuje elektroda odniesienia z różnym elektrolitem zewnętrznym. Elektrody te posiadają konstrukcję umożliwiającą dokonanie wymiany elektrolitu na właściwy dla określonej elektrody jonoselektywnej. Tabela podaje najczęściej stosowane elektrolity w zależności od badanych jonów. Oznaczany jon F -, Cl -, Br -, J -, S -, CN -, Ag +, Cu +, Cd + Ca + K +, Li + Na + NO 3 - Elektrolit zewnętrzny 1M KNO 3 1M KNO 3 lub 1M KCl 0,1 M NH 4 NO 3 0,1 M NH 4 NO 3 lub 0,1 M CH 3 COOLi nasycony K SO 4 4. Oznaczanie stężeń jonów za pomocą elektrody jonoselektywnej metodą krzywej wzorcowej W metodzie krzywej wzorcowej wykorzystuje się zależność siły elektromotorycznej ogniwa od stężenia oznaczanego jonu. Krzywa wzorcowa jest wynikiem wykreślenia z danych eksperymentalnych (uzyskanych dla roztworów o znanych stężeniach oznaczanego jonu) funkcji E = f (log a i ). Aktywność jonu jest związana z jego stężeniem równaniem : a i = f i c i gdzie: f i współczynnik aktywności jonu, c i stężenie jonów w roztworze Dla roztworów bardzo rozcieńczonych wykreśla się zazwyczaj krzywą wzorcową jako zależność absorbancji od stężenia A= f (logc i ). 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. 5

6 Po sporządzeniu takiej krzywej, możemy następnie zanurzyć elektrodę wskaźnikową do badanego roztworu i odczytać SEM. Korzystając z wyznaczonej wcześniej krzywej wzorcowej możemy odczytać jakiej wartość SEM odpowiada stężenie badanej. Metoda krzywej wzorcowej jest prosta, lecz wrażliwa na obecność w badanej próbce substancji zakłócających, nieobecnych w roztworach wzorcowych. II. Część doświadczalna Zasada metody i zakres jej stosowania Oznaczenie polega na pomiarze potencjału jonoselektywnej elektrody chlorkowej względem elektrody odniesienia DJR (elektroda chlorosrebrowa z podwójnym płaszczem). Różnica potencjałów między elektrodami jest miarą stężenia jonów chlorkowych. Metodę tę stosuje się w praktyce do oznaczenia chlorków w wodzie i ściekach. Wartość ph badanego roztworu powinna mieścić się w granicach 1. Aparatura i sprzęt laboratoryjny - chlorkowa elektroda jonoselektywna - elektroda chlorosrebrowa DJR jako elektroda odniesienia - miernik wielofunkcyjny CPI mieszadło magnetyczne - zlewki o pojemności 150 cm 3 - kolbki miarowe o pojemności 100 cm 3 - papierki wskaźnikowe Odczynniki i roztwory - 1 M roztwór KNO 3 - kwas siarkowy rozcieńczony w stosunku 1:1 (roztwór do ewentualnej korekty ph) - 5 % wodorotlenek sodowy (roztwór do ewentualnej korekty ph) - wzorcowy roztwór podstawowy chlorku sodowego (5 mg Cl - /cm 3 = 5000 mg Cl - / dm 3 ), roztwór przygotowany przez rozpuszczenie 8,44 g NaCl w 1dm 3 wody dejonizowanej) - roztwór badany o nieznanej zawartości jonów chlorkowych 1. Przygotowanie skali wzorców i sporządzanie krzywej wzorcowej Do 6-ciu kolbek miarowych o pojemności 100 cm 3 odmierzyć kolejno: 0,1; 0,5; 1,0;,0; 5,0 i 10 cm 3 podstawowego roztworu wzorcowego chlorku sodowego, uzupełnić wodą do kreski i wymieszać. Stężenia chlorków w tak przygotowanych roztworach wynoszą odpowiednio: 5; 5; 50; 100; 50 i 500 mg/dm 3. Następnie do 6-ciu zlewek o pojemności 150 cm 3 przenieść całą zawartość kolbek miarowych i dodać do każdego roztworu po 10 cm 3 1M KNO 3. Zestawić układ pomiarowy wg schematu podanego w części teoretycznej. W tym celu należy: - podłączyć elektrody do mikrokomputerowego miernika laboratoryjnego (CPI-501), elektrodę chlorkową do gniazda oznaczonego [ph/mv], a elektrodę odniesienia DJR w gniazdo oznaczone [GND]. - wcisnąć przyciski ON oraz mv na panelu głównym miernika - elektrodę chlorkową zanurzać kolejno w poszczególnych roztworach wzorcowych i wykonać pomiary wartości potencjału (mv) dla poszczególnych wzorców. Wartości 6

7 potencjału odczytywać po upływie 1 minuty, licząc od chwili zanurzenia elektrody we wzorcu. Po każdym pomiarze elektrody opłukać wodą dejonizowaną i osuszyć bibułą. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli: Stężenie Cl - [mg/dm 3 ] log stężenia Cl - SEM [mv] Na postawie otrzymanych wyników pomiarów wykreślić krzywą wzorcową (wykres półlogarytmiczny, przebieg krzywej został pokazany na rycinie poniżej). Wykonanie oznaczenia chlorków w wodzie i próbie badanej Do 100 cm 3 badanego roztworu dodać 10 cm 3 roztworu azotanu potasowego. Po zanurzeniu elektrod połączonych z miernikiem, po upływie 1 minuty odczytać wartość potencjału. Zawartość chlorków w badanej próbce wyrażoną w mg/dm 3 odczytać z krzywej wzorcowej. Poza roztworem badanym oznaczyć analogicznie zawartość chlorków w wodzie wodociągowej i wodzie destylowanej. Wyniki zestawić w tabeli: Badane roztwory Potencjał [ mv ] Stężenie chlorków [mg/dm 3 ] Woda wodociągowa Woda destylowana NaCl o nieznanym stężeniu 7