Potencjometryczna metoda oznaczania chlorków w wodach i ściekach z zastosowaniem elektrody jonoselektywnej

Transkrypt

1 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:

2 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:

3 gdzie: o RT E = E + ln(ai + K nf n j= 1 ij a n / z j ) 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

4 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 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 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) zlewki pojemności 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

5 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 ] Stężenie Cl - [mg/dm 3 ] Poten. E [mv] 0,1 cm 3 0,5 cm 3 1,0 cm 3 2,0 cm 3 5,0 cm 3 10,0 cm 3 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 Woda wodociąg. Woda destylowana Roztwór I Roztwór II Potencjał I pomiar [mv] Potencjał II pomiar [mv] Potencjał średni [mv] Stężenie chlorków [mg/dm 3 ]

6 6. Opracowanie ćwiczenia 1. Ćwiczenie opracować w postaci sprawozdania według formy podanej przez asystenta. 2. Krzywą wzorcową narysować na papierze półlogarytmicznym i załączyć do sprawozdania. 3. Zaznaczyć na krzywej wartości stężeń jonów chlorkowych badanych próbek. 4. Zawartość chlorków w poszczególnych próbkach [mg/dm 3 ] podać jako średnią arytmetyczną dwóch równolegle wykonanych oznaczeń w badanej próbce. Literatura 1. Norma PN-80 / C / 04. Woda i ścieki. Badanie zawartości chlorków. 2.Szczepaniak W. : Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 1985.