Politechnika Łódzka Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności. Ćwiczenie 1

Transkrypt

1 Politechnika Łódzka Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności Ćwiczenie 1 Polarograficzna metoda oznaczania śladowych ilości Pb(II) w obecności innych jonów metali w próbie badanej

2 1.Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z możliwościami użycia technik woltamperometrycznych i polarograficznych do oznaczania wybranego składnika tu - jony Pb 2+ w próbie: wody, gleby lub materiału roślinnego w obecności innych metali. 2. Wstęp teoretyczny Polarografia należy do metod woltamperometrycznych, które polegają na realizowaniu i analizowaniu zależności natężenia prądu od napięcia przykładanego z zewnątrz do elektrod znajdujących się w naczyńku elektrolitycznym. Jedna z elektrod wchodząca w skład układu elektrolitycznego ulega polaryzacji (może to być katoda lub anoda). W metodzie tej wykorzystuje się zjawisko elektrolizy, która nie zachodzi w całej objętości roztworu ale jedynie w warstwie dyfuzyjnej bezpośrednio przy polaryzowanej elektrodzie. W związku z tym stężenia składników roztworu w dostatecznie dużej odległości od elektrody pozostają nie zmienione. Polarografia jest szczególnym przypadkiem woltamperometrii z zastosowaniem elektrody rtęciowej. W praktyce stosuje się kilka technik polarograficznych, należą do nich m.in.: a) polarografia stałoprądowa, w której do kroplowej elektrody rtęciowej jest przykładany potencjał zmieniający się liniowo w czasie, b) polarografia zmiennoprądowa, w której liniowa zmiana potencjału elektrody pracującej jest modulowana napięciem zmiennym (prostokątnym lub sigmoidalnym), c) polarografia pulsowa, w której na potencjał elektrody pracującej nakładane są impulsy napięcia prądu pulsującego, d) oscylopolarografia, w której zmiany przykładanego do elektrod napięcia następują z szybkością dochodzącą do kilkudziesięciu woltów na sekundę. Techniki te umożliwiają realizację oznaczenia polarograficznego w wersji najbardziej odpowiedniej dla danej substancji. Twórcą metod polarografii był Jaroslav Heyrowski profesor Uniwersytetu Karola w Pradze, W 1959 r. otrzymał Nagrodę Nobla jako wynik uznania za odkrycie i systematyczne ich rozwijanie. Najbardziej rozpowszechnioną w polarografii elektrodą wskaźnikową (często nazywaną roboczą) jest klasyczna kapiąca elektroda rtęciowa, ale coraz częściej stosowana jest stacjonarna wisząca kroplowa elektroda rtęciowa. Mogą być też zastosowane inne elektrody, np. z innych metali bądź z grafitu. Podstawowy schemat zestawu do polarografii przedstawiono na rys.1. Jedną z elektrod jest rtęć, kapiąca drobnymi kroplami z kapilary (1) a druga elektroda to warstwa rtęci (2) umieszczona na dnie naczyńka o dużej powierzchni. Źródłem przykładanego napięcia jest bateria akumulatorów (4), ujemny biegun baterii połączony jest ze zbiornikiem kroplowej elektrody, która zwykle pracuje jako katoda (chociaż może też być anodą), napięcie można w sposób ciągły regulować za pomocą opornicy suwakowej (3). Natężenie prądu płynącego przez elektrolit mierzy się galwanometrem (5). Roztworu poddanego elektrolizie w metodzie polarograficznej nie miesza się podczas wykonywania pomiaru. Natomiast przed wykonaniem pomiaru układ odtlenia się. Ma to na celu usunięcie tlenu występującego w elektrolicie gdyż bez tego mógłby wchodzić w reakcję elektrolityczną i w sposób niekontrolowany zmieniać wynik reakcji. Usuwanie tlenu z elektrolitu przeprowadza się poprzez przepuszczanie gazu obojętnego (argon, azot lub hel) w ściśle określonym czasie z kontrolowaną szybkością.

3 Kroplowa elektroda rtęciowa (KER) Zasadniczym elementem w zestawie do polarografii jest kroplowa elektroda rtęciowa (KER). Składa się ona z grubościennej kapilary szklanej o długości kilkunastu centymetrów i średnicy wewnętrznej 0,03-0,05 mm. Kapilara jest połączona za pomocą węża polietylenowego ze szklanym zbiornikiem rtęci. Prędkość wypływu rtęci zależy od położenia zbiorniczka (wysokości słupa) oraz długości i średnicy kapilary. Kroplowa elektroda rtęciowa charakteryzuje się następującymi właściwościami: - powierzchnia rtęci wypływającej systematycznie w postaci kropel jest stale odnawiana, a produkty reakcji elektrodowej są usuwane wraz z odrywającą się kroplą, - każda narastająca świeża kropla rtęci styka się ze świeżym roztworem, - mała powierzchnia kropli powoduje, że natężenie płynącego prądu jest bardzo małe, wobec czego zużycie depolaryzatora jest minimalne w trakcie pomiaru polarograficznego. Dzięki tym zaniedbywalnym zmianom stężenia możliwe jest wielokrotne rejestrowanie krzywych dla tego samego roztworu, co ma istotne znaczenie przy prowadzeniu oznaczeń ilościowych (kontrola powtarzalności wykonania oznaczenia) - duże nadnapięcie wodoru na rtęci pozwala na prowadzenie pomiarów w szerokim zakresie potencjałów - rtęć jako metal szlachetny nie reaguje chemicznie ze stosowanymi w polarografii roztworami jako elektrolity podstawowe. Kroplowa elektroda rtęciowa jest całkowicie polaryzowalna, tzn., że pod wpływem zewnętrznej siły elektromotorycznej powstaje na KER potencjał, który powoduje wytworzenie siły elektromotorycznej polaryzacji P skierowanej przeciw przyłożonemu napięciu równemu co do wielkości. Polaryzacja dąży do zmniejszenia natężenia prądu: V P I R gdzie: I - natężnie prądu R- opór P polaryzacja Iloczyn IR jest wielkością stałą mniejszą od 1mV, a wynika z tego, że natężenie prądu jest bardzo małe, rzędu 10-6 A (1mikroamper) i opór R jest niewielki rzędu W porównaniu z przyłożonym napięciem, które osiąga wartość jednego lub dwóch woltów iloczyn IR jest więc bardzo mały i można go pominąć. Wówczas zgodnie z równaniem polaryzacja jest prawie równa zewnętrznemu napięciu przyłożonemu do elektrod. Dzięki zjawisku polaryzacji na elektrodzie (rys.2.) pojawia się dokładnie tyle ładunków ile zostanie przyłożonych z zewnątrz, ale o znaku przeciwnym. V P Krzywa polarograficzna Jeżeli w elektrolitycznym naczyńku znajduje się roztwór elektrolitu nie ulegający reakcjom elektrochemicznym w zakresie stosowanego napięcia (np. podstawowe sole sodu, litu lub potasu; np.: NaNO 3, NaClO 4, Na 2 SO 4, KCl, LiCl i itp.), zawierający małą ilość kationów zdolnych do reakcji elektrodowych, np.: Zn 2+, Cu 2+, Cd 2+, Pb 2+, Fe 3+, Fe 2+, Se 4+ a także i inne, wówczas zacznie się przykładać napięcie wzrastające w czasie oraz będzie się mierzyć i rejestrować odpowiadające mu natężenie prądu, to otrzyma się

4 krzywą zależności I=f(E) rys.3. Na rysunku tym krzywa stanowiąca wykres zależności I od E składa się z trzech części; AB, BC i CD. Odcinek AB jest prawie równoległy do osi X i mimo wzrostu napięcia natężenie jest bardzo małe. Prąd ten nazywany jest prądem szczątkowym, obejmuje on prąd pojemnościowy elektrolitu podstawowego i wszystkie elektroaktywne zanieczyszczenia obecne w układzie. Ta część krzywej odpowiada procesowi polaryzacji elektrody rtęciowej. Punkt B odpowiada potencjałowi wydzielania depolaryzatora czyli w tym przypadku Pb 2+, od tego punktu następuje znaczny wzrost natężenia prądu, krzywa zagina się. Ten punkt obrazuje początek procesu - normalnej elektrolizy, jony cynku redukują się na kroplowej elektrodzie rtęciowej i w postaci amalgamatu rozpuszczają się w rtęci. Ogólnie reakcję zachodzącą na elektrodzie możemy zapisać następująco: M n+ + ne - M 0 (Hg) Proces dyfuzji Zredukowany na katodzie metal w postaci amalgamatu jest usuwany z roztworu razem z odrywającą się kroplą rtęci. W wyniku tego procesu jony ołowiu ubywają z najbliższego otoczenia elektrody, w rezultacie czego powstaje różnica stężeń jonów ołowiu między cienką warstwą roztworu przy elektrodzie, a pozostałą częścią roztworu. W wyniku tej różnicy stężeń następuje dyfuzja jonów ołowiu w kierunku powierzchni elektrody z głębi roztworu. Płynie prąd zwany prądem dyfuzyjnym, którego wyrazem graficznym jest stroma część krzywej polarograficznej (BC) zwana falą polarograficzną lub strefą depolaryzacji elektrody. Dlatego też substancje, które wydzielają się na elektrodzie noszą nazwę depolaryzatorów. Wolny wzrost napięcia powyżej potencjału wydzielania powoduje więc wzrost natężenia prądu zgodnie z prawem Ohma, ze względu na to, że zwiększa się ilość jonów ołowiu redukujących się na KER i zwiększa się w ten sposób szybkość dyfuzji. Jednak liczba jonów doprowadzonych do powierzchni elektrody uwarunkowana jest ich dyfuzją z wnętrza roztworu do powierzchni elektrody i nadchodzi taki moment, że wszystkie jony, które dotrą do elektrody ulegną natychmiast redukcji. Stężenie jonów ołowiu w warstwie katodowej praktycznie staje się równe zero i różnica stężeń w warstwie katodowej i reszcie roztworu równa się stężeniu ołowiu w głębi roztworu. W tych warunkach ustala się stała szybkość dyfuzji, przy czym prąd dyfuzyjny osiąga wartość maksymalną, na którą nie ma wpływu dalsze zwiększanie napięcia (odcinek CD). Ta ustalona wartość natężenia prądu nazywa się prądem granicznym. Fala polarograficzna jest to część krzywej polarograficznej odpowiadająca przebiegowi określonej reakcji elektrodowej. Potencjał, przy którym natężenie prądu osiąga wartość równą połowie wartości granicznego prądu dyfuzyjnego nazywa się potencjałem półfali i oznacza się symbolem E 1/2. Prąd dyfuzyjny nazwa ta wskazuje, że natężenie prądu zależy wyłącznie od szybkości dyfuzji depolaryzatora z głębi roztworu do powierzchni elektrody kroplowej. Ponieważ szybkość ta zależy od stężenia oznaczanej substancji w roztworze, wartość natężenia prądu dyfuzyjnego płynącego przez roztwór w czasie trwania kropli rtęci można obliczyć na podstawie równania wyprowadzonego przez Ilkoviča (współpracownik Heyrowskiego). I d,l = 607. n. c. D 1/2. m 2/3. t 1/6 gdzie: I d,l średnie natężenie granicznego prądu dyfuzyjnego 607 współczynnik obejmuje wielkości stałe w temp.25 C

5 n - liczba elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej c - stężenie substancji oznaczanej w głębi roztworu (mol/l) D współczynnik dyfuzji substancji ulegającej redukcji lub utlenieniu m wydajność kapilary, czyli masa rtęci wypływająca z kapilary w czasie 1s, t - czas trwania kropli rtęci W danych warunkach doświadczalnych wartości - n, D, m i t są wielkościami stałymi więc równanie można przedstawić w formie uproszczonej I d,l = k. c gdzie: k obejmuje wszystkie współczynniki ustalone w warunkach wykonania analizy. Ta postać równania wskazuje na prostoliniowy przebieg zależności natężenia prądu dyfuzyjnego od stężenia elektroaktywnej substancji i jest podstawą polarografii jako metody analitycznej. Równanie fali polarograficznej (katodowej) zgodnie z równaniem Nernsta dla roztworów rozcieńczonych przedstawia się następująco: 0,059 c E E lg n c ox red Fala anodowa i anodowo-katodowa Dotychczas była mowa o fali katodowej, która powstaje podczas redukcji zachodzącej na kroplowej elektrodzie rtęciowej. Przykładem takim może być redukcja jonów Pb 2+, które zgodnie z równaniem tworząc amalgamat rozpuszczają się w kropli rtęci: Pb e - Pb 0 (Hg) Wykres przebiegu tej reakcji przedstawiony jest na rys.4., jako krzywa. Proces ten można odwrócić, zastępując czystą rtęć w kroplowej elektrodzie rtęciowej bardzo słabym amalgamatem ołowiu i wkraplając amalgamat do roztworu elektrolitu pozbawionego powietrza. Wtedy gdy do elektrod przyłożone jest duże ujemne napięcie (około V), galwanometr wykazuje tylko przepływ prądu szczątkowego. W miarę stopniowego przykładania bardziej dodatniego napięcia otrzymuje się położenie, w którym galwanometr wskazuje szybki wzrost natężenia prądu, ale w przeciwnym kierunku do natężenia otrzymanego przy redukcji jonów ołowiu na katodzie. Gdy przyłożone ujemne napięcie dalej się zmniejsza, otrzymuje się natężenie stałe, niezależne od napięcia. Zostaje więc otrzymany prąd dyfuzyjny, spowodowany rozpuszczeniem ołowiu z amalgamatu: Pb(Hg) Pb e - Otrzymuje się wtedy falę anodową, jak na rys.4., krzywa 2. Jeżeli zaś krople amalgamatu ołowiu spadają do roztworu elektrolitu zawierającego rozcieńczony roztwór soli ołowiu, to otrzymuje się falę anodowo-katodową, rys.4., krzywa 3. Na rys.5. przedstawiono przykład fal polarograficznych dla elektroredukcji dwóch substancji elektroaktywnych obecnych w tej samej próbie badanej. Przedstawiono też sposób wyznaczania wysokości fal polarograficznych dla obecnych tam depolaryzatorów. Niektóre krzywe polarograficzne wykreślone jako fale są trudne do zinterpretowania na

6 skutek niedostatecznie rozdzielonych fal. Dokładne ustalenie potencjałów półfali jest jednak możliwe. Na przykład jeżeli zastosuje się rejestrację krzywych polarograficznych jako pochodne, czyli różniczki podstawowej zależności funkcji f(e) = di/de Przykład takiego wykresu podano na rys.6. Oznaczenie zawartości jonów Pb(II) w obecności jonów miedzi(ii) i kadmu(ii) Oznaczenie kilku substancji obok siebie metodą polarograficzną jest możliwe wówczas, gdyż potencjały półfali (depolaryzacji) tych pierwiastków różnią się dostatecznie między sobą. Tylko w takim przypadku dla każdego z badanych składników mieszaniny otrzymuje się dobrze wykształconą fale lub pik polarograficzny, który nie jest zakłócony i/lub zniekształcony przez falę sąsiednią. Innym sposobem jest skorzystanie z wykresu w postaci pochodnej funkcji podstawowej (jak na rys.6.). Zasada oznaczenia polega na wykreśleniu krzywych zależności i d =f(e) w układzie KER, Pt i NEK (Nasycona Elektroda Kalomelowa) dla różnych stężeń jonów Pb 2+ w roztworze elektrolitu podstawowego. Wartość prądu i d jest liniowo zależna od stężenia jonów ołowiu w roztworze. Dla próby badanej na zawartość ołowiu wykreśla się w tych samych warunkach pomiarowych wykres polarograficzny i d =f(e) a dla otrzymanej wartości i d tej próby odczytuje się z krzywej kalibracyjnej (rys.7.) wartość stężenia ołowiu. Ponadto w obliczeniach końcowego jego stężenia należy uwzględnić wszystkie rozcieńczenia związane z przygotowaniem próby badanej do analizy polarograficznej. I analogicznie kiedy wykreślamy nie fale a piki polarograficzne (rys.8a.) to dla max wartości ich prądów i odpowiadających im wartości stężeń analitu (jony Pb 2+ ) w roztworze wzorcowym wykreślamy krzywą wzorcową (rys.8b.) z której odczytujemy wartości stężenia analitu dla próby badanej (na rys.8a i b - linia przerywana) i przeliczamy odczytaną wartość dla uwzględnienia wszystkich operacji wykonanych na roztworze badanym podczas przygotowania doświadczalnego zgodnie z procedurą analityczną. Polarograficzne oznaczenie zawartości jonów Pb 2+ w roztworze możemy dokonać także metodą dodatku wzorca i z użyciem techniki ekstrapolacji. W metodzie tej dokonuje się rejestracji co najmniej dwóch polarogramów (można też więcej, np.: 4-6). Najpierw dokonuje się rejestracji polarogramu dla próby badanej (o znanej objętości V 1 i nieznanym stężeniu C x ) dla której odczytuje się wysokość piku h 1 = max wartości prądu tego piku. Następnie do roztworu dodaje się znaną objętość V 2 roztworu o znanym stężeniu C 2 oznaczanego składnika analitu, i wykonuję się drugą rejestrację polarogramu dla próby badanej z dodatkiem roztworu wzorcowego, i dla niej odczytuje się wysokość piku h 2 = max wartości prądu tego drugiego piku. Stężenie substancji badanej (jony Pb 2+ ) w próbie poddanej analizie polarograficznej, określone jako C x wyznacza się ze wzoru : C x = h 1 C 2 h 2 h 1 V 1 V 2 +h 2 Stosując tą metodę można dodać kolejne dodatki wzorca i wówczas jeszcze raz zarejestrować polarogramy i analogicznie jak poprzednio i wyznaczyć wartość składnika oznaczanego (wg. wzoru) oraz dokonać obliczenia wyznaczanej doświadczalnie

7 zawartości substancji oznaczanej. To postępowanie analityczne daje najlepsze wyniki oznaczenia analitu wtedy kiedy wielkości dodatku wzorca do próby badanej są zbliżone co do wielkości wartości substancji w niej oznaczanej. Stosując metodę dodatku wzorca z zastosowaniem ekstrapolacji dokonuję się co najmniej dwukrotnego dodatku roztworu substancji wzorcowej i rejestruje polarogramy dla próby badanej bez i z dodatkami wzorca. Na uzyskanych polarogramach wyznacza się wartości wysokości pików h 0, h 1, h 2, i nanosi na wykres w funkcji ilości dodanego wzorca (wielkości masy lub stężenia), np.: m 0, m 1, m 2, a stężenie roztworu wzorcowego (C w ) określone jest równaniem: m 1 = V w C w, zaś m 2 = 2m 1, Wykres dla tego typu oznaczenia przedstawiono na rys.9. Punkt przecięcia otrzymanej prostej z osią odciętych układu współrzędnych wyznacza ilość substancji zawartej w próbie badanej, wartość tą należy jeszcze skorelować z rozcieńczeniami zastosowanymi zgodnie z procedurą analityczną. Zestawienie wyników i obliczeń: Tabela 1., Zestawienie wyników pomocniczych z doświadczenia: Dodatek wzorca Pb 2+ [ μl ] C w stęż.jonów Pb 2+ *10-3 mol/l Tabela 2, Zestawienie wyników pomiarowych i obliczonych dla prób badanych Dodatek wzorca [ μl ] Stęż.jonów Pb mol/l Natężenie prądu piku 10-6 [A] Potencjał piku E p [V] Powierzchnia piku 10-7 WNIOSKI, LITERATURA: 1) Z.Galus; Teoretyczne podstawy elektroanalizy chemicznej, PWN, Warszawa 1987, 2) A.Cygański; Metody elektroanalityczne, WNT, Warszawa 1991, 3) J.Heyrowski, P.Zuman; Wstęp do polarografii praktycznej, PWN, Warszawa, 1966, 4) Elektroanaliza w ochronie środowiska naturalnego, Praca zbiorowa pod red. R.Kalwody, WNT Warszawa 1992, 5) W.Szczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej,pwn, Warszawa 2001.

8

9

10