Потенциометр представляет замкнутую сборку с двумя резисторами в регулируемой цепи постоянного тока. Слабый сигнал, созданный в гальваническом элементе из электродов, погруженных в емкость с исследуемым электролитом, усиливается, выводится на шкалу вольтметра. В отличие от других электрохимических аналитических приборов, источником ЭДС в потенциометрии является только исследуемая среда.
Особенности метода
Суть метода в измерении разности потенциала в пробе и перевода ЭДС в количественный показатель измеряемого ингредиента, после достижения системой равновесного потенциала. В приборе один электрод настроен на стандартную величину, называется электродом сравнения. Рабочий электрод опущен в исследуемую жидкость. Между стандартным и рабочим полуэлектродами генерируется разница потенциалов: E=E1-E2. Величина зависит от концентрации измеряемого компонента в растворе. Шкала вольтметра градуирована под единицы измерения лабораторного прибора. Потенциометрические методы относятся к электрохимическим. Они позволяют определять содержание вещества в редоксометрии, ионометрии, рН-метрии, проводить потенциометрическое титрование.
Виды и типы лабораторных приборов для потенциометрических методов анализа
Тип рабочего электрода лабораторных потенциометров определяет специализацию:
- Прибор для определения кислотности среды, рН-метр.
- Иономер, стационарный или переносной прибор с набором ионоселективных электродов для определения качественных характеристик воды с разной степенью загрязнения.
- Кондуктометр ЕС – измеряет проводимость вещества в зависимости от ионного состава. Амперометрическое титрование позволяет определить жесткость воды. Ионы кальция и магния обладают наименьшей электропроводностью, этим и выделяются из общего солевого состава.
Определяющим в назначении прибора служит рабочий электрод. Он должен реагировать на среду избирательно, обладать химической устойчивостью к побочным компонентам. В потенциометре применяются только обратимые электроды. Их особенность – реагировать на скачки ЭДС, потом держать равновесность.
В качестве рабочих применяют металлические и мембранные электроды. К металлическим относят активные и инертные электроды. Активными считают электроды I-III рода из восстановленных ионов Ag, Pb, Cu. Инертные электроды i-рода - система из металла в растворе собственного иона.
Другой тип ионоселективные – обмен выполняют ионы. В аналитической химии чаще всего используют ионоселективные электроды, важнейшей определенного заряда и размера.
Потенциометрические исследования водного раствора определяют как прямые и косвенные. Прямым называют анализ, если проба не требует дополнительной обработки. Измерение ЭДС проводится в один прием. Метод косвенный, если в ходе определения в сосуд добавляется титрант или проводится осаждение мешающего определению, другого иона.
Методы прямого потенциометрического анализа
В лабораторных исследованиях потенциометры служат для прямого определения ионов, с использованием разных индикаторных электродов. В дальнейшем пересчет на определяемый ингредиент проводится по уравнению Нернста.
Метод применяют:
- в редоксометрии, измеряя окислительно-восстановительный потенциал жидкости;
- в ионометрии для определения концентрации солевого состава с применением ионоселективного электрода;
- в рН-метрии для определения уровня кислотности среды водных и неводных растворов.
Важно, чтобы индикаторный электрод соответствовал выполняемому анализу.
Применение потенциометра в титриметрических анализах
Потенциометрическое титрование построено на постепенном добавлении реагента. Но точка эквивалентности определяется не по изменению цвета раствора, по изменению ЭДС. Перед достижением точки равновесия происходит скачок потенциала на электроде, титрование автоматически прекращается.
Разработано 4 вида потенциометрического титрования:
- Кислотно-основное, применяется, если титруются смеси двух кислот разной силы, образующие 2 скачка на экспоненте. Метод подходит для водных и неводных растворов, при достижении точки эквивалентности резко меняется ЭДС.
- Комплексонометрическое титрование по определению ионов меди ведут с медным электродом, цинка с цинковым или с универсальным, из амальгамы золота.
- Титрование с осаждением дает две экспоненты, определяемого иона и осадителя.
- Реакцией окисления-восстановления определяют ионы металлов с применением I-электрода. Количество вещества находят по калибровочному графику.
Процесс титрования применим для окрашенных и мутных растворов. Позволяет определить несколько элементов в одной пробе.
Для осадительного титрования выбирают серебряный или хлоридсеребряный электрод. В комплекометрических и окислительно-восстановительных анализах необходимо применить платиновый. Точки эквивалентности реакции должны быть рассчитаны, графики экспоненты построены заранее.
В чем преимущество применения потенциометрии
Чем больше в оснастке лаборатории приборов, тем выше требования к квалификации исполнителя и точнее результаты. Прибор совместим с системами учета и контроля данных.
Высокая точность результатов достигается в слабоокрашенных или опалесцирующих растворах малой концентрации. Метод позволяет получить результат в мутной среде.
Потенциометрическое титрование является единственной возможностью получить результат в неводном растворе, если продукт несовместим с водой.
Возможность раздельного результата по ряду близких компонентов, учитывая поведение каждого из них в графике. Высокая точность результатов за счет усиления малых токов на выходе сигнала.
Анализ относится к неразрушающим структуру пробы – ее можно использовать для дальнейших исследований.
Погрешность прямого измерения– 2-10 %, а титриметрического – 0,5 – 1 %, считается невысокой.
Приборы, основанные на принципе измерения ЭДС используются в быту и на предприятиях для экспресс анализов на загрязнение почвы, воды, продуктов солями, азотистыми соединениями, определения кислой или щелочной среды.
Прямая потенциометрия на примере определения рН
Прибор рН-метр обязателен в оснащении лабораторий любого уровня. Измерение кислотности или щелочности – первый этап обработки жидких проб. Два электрода в сосуде с рабочей пробой создают ЭДС среды, причем стандартный электрод отрегулирован на 0 при рН 7 под нейтральный ионный состав воды ( Н2О = +Н=+ОН= 1,004*10 -7). Показатель –lg [H+] определяет рН. В нейтральной среде показатель 7 единиц, потенциометр показывает 0. Когда количество ионов +Н в растворе уменьшается, рН изменяется от 7 до 14, среда щелочная, и наоборот.
Стандартный электрод может быть отрегулирован на любой рН по буферному раствору. Соответственно 0 – показатель, зависящий от целевого назначения прибора. Если среда измерений постоянно сильно кислая, 0 может соответствовать 4 единицам. Тогда потенциал для генерации нулевого напряжения будет происходить при рН 4, чтобы уменьшить погрешность.
Определение кислотности среды ведется измерительным электродом с использованием тонкой стеклянной мембраны, проницаемой для +Н. Устройство относится к разновидности ионообменных, представляет стеклянную трубку с шариком, заполненным раствором соляной кислоты. Электрод сравнения – хлорсеребряный. Шкала показаний вольтметра отрегулирована на единицы рН. Показания выводятся на шкалу вольтметра, градуированную под нужные единицы рН в диапазоне 0-14.
Для каждого потенциометрического анализа применяется отдельная методика определения.