Алемасова - Лекции по аналитической химии

вещество смешивают с органическим растворителем и пластификатором (например, поливинилхлоридная матрица, пластифицированная ТБФ), из полученной плёнки вырезают диск нужного диаметра и приклеивают к тефлоновому корпусу. Например, в нитрат-селективном электроде активным веществом может быть тетрадециламмоний нитрат или комплекс Fe2+

с фенантролином [Fe(Phen)3]2+(NO3–)2.

3. Ферментные электроды.

Ферментный электрод – ионоселективный электрод, покрытый слоем фермента, вызывающего реакцию органического или неорганического вещества (субстрата) с образованием частиц (ионов, молекул), обуславливающих отклик электрода.

В основе работы ферментного электрода лежит ферментативная реакция:

Фермент

определяемое вещество (субстрат) продукты (молекула, ион) При создании ферментного электрода поверхность подходящего ио-

носелективного электрода покрывают плёнкой геля или полимера, в которую включён фермент. При погружении такого электрода в анализируемый раствор, содержащий исследуемое вещество, это вещество проникает в гель. В результате протекает реакция, катализируемая ферментом, с образованием продуктов, один из которых является потенциалопределяющим компонентом. Так, содержание мочевины в растворе определяют, используя реакцию, которая протекает в слое геля, содержащем фермент уреазу (буферный раствор рН = 7), и с использованием NH4+-ионоселективного

электрода:

(NH)2CO + 2H2O + H+ → 2NH4+ + HCO3–

Подобным образом изучают процессы окисления аминокислот. Если в ходе ферментативной реакции изменяется рН среды, то можно использовать обычный стеклянный электрод, чувствительный к ионам H+. Создание ферментных электродов открывает большие возможности, так как ферменты катализируют превращение веществ весьма избирательно. В связи с этим можно осуществить определение отдельных веществ, находящихся в смеси с близкими химическими и биологическим веществами.

Биологические мембраны

Мембранные процессы широко распространены в живой природе. Живым системам свойственны различные физико-химические механизмы переноса растворителя и растворённых веществ. Одно из явлений – «активный транспорт» – осуществляется только в живых мембранах. Природные мембраны различны по составу, структуре, избирательности, назначению.

Так, клеточные или плазменные мембраны отделяют внутреннюю часть клетки от окружающей среды. Мембраны при этом обладают избирательной проницаемостью, в результате чего составы растворов внутри и вне клетки различны.

201

Перенос вещества через мембрану подчиняется электрохимическим закономерностям. Следовательно, аналогично искусственным, в живых мембранах происходит неравномерное распределение ионов, что вызывает появление электрических мембранных потенциалов, имеющих важное физиологическое действие.

Удивительна способность некоторых мембран концентрировать ионы. Например, у некоторых морских птиц мембраны носовых солевых желёз осуществляют перенос NaCl из внутренних тканей в таких высоких концентрациях, что с конца клюва птицы капает 5%-ный раствор соли.

Концентрация Na+ вне клетки в 15 раз больше, чем внутри её. Калий

– внутриклеточный металл. Его концентрация внутри клетки в 35 раз больше, чем вне неё. Ионы Na+ и К+ непрерывно движутся через клеточные мембраны из области меньших концентраций в сторону больших (т.е. против градиента концентраций). Самопроизвольно такой процесс происходить не может, поэтому энергию ему сообщает реакция гидролиза АТФ. Например, калий проникает внутрь клетки за счёт сродства к белку мембраны фосфатопротеину, который проводит калий через мембрану внутрь клетки.

В клетке происходит гидролиз АТФ с образованием АДФ (аденозиндифосфорной кислоты), выделяется группа PO43-, она фосфорилирует фосфатопротеин, и он отпускает ион калия, который в результате этого оказывается внутри клетки. Фосфорилированный фосфатопротеин, в свою очередь, обладает повышенным сродством к иону натрия, захватывает его и уходит с ним через мембрану наружу, где отпускает ион Na+ на свободу во внеклеточное пространство. Так работает натрий-калиевый насос, основной задачей которого является поддержание натрий-калиевого баланса во всех тканях организма.

Область прямой потенциометрии, в которой используют ионоселективные электроды, называют ионометрией.

Использование ионометрии в анализе почв

Бромид-ионы попадают в почву с бромсодержащими пестицидами. Степень загрязнения почвы бромид-ионами можно определить, анализируя водные вытяжки почв с помощью бромид-селективного электрода. Это твердотельный электрод с кристаллической мембраной из смеси AgBr и Ag2S.

Излишек хлорид-ионов в почве и в воде, применяемой для полива и орошения, вреден растениям. Определить хлорид-ионы можно с помощью хлорид-селективного электрода. Калий влияет на рост растений, поэтому важно контролировать его содержание в почвах. Калий-селективный электрод на основе антибиотика валиномицина позволяет быстро и точно определить содержиние калия в водной вытяжке. Содержание кальция в почве влияет на урожайность. После экстракции соединений кальция из почвы раствором ацетата аммония в вытяжке определяют содержание кальция с

202

кальций-селективным электродом. Нитрат-селективный электрод позволяет контролировать уровень нитратов в почве и прогнозировать загрязнение нитратами продукции растениеводства. В то же время уровень азота в почве должен быть достаточен для нормального развития растений. Для этого контролируют содержание в почве аммиака. Это можно сделать с помощью аммиачного электрода, представляющего собой газочувствительный датчик для определения NH3 в растворе (газоселективный электрод).

Потенциометрическое титрование

Этот вид титрования используют тогда, когда нельзя применить химические индикаторы, например, при титровании мутных, окрашенных растворов, или когда индикатор невозможно подобрать. В методе потенциометрического титрования для нахождения конечной точки титрования используют зависимость равновесного потенциала индикаторного электрода от состава раствора. При этом применяют электроды, чувствительные к титруемым ионам. Например, если проходит кислотно-основное титрование и изменяется концентрация H+-ионов в растворе, то используют как индикаторный стеклянный электрод и хлорсеребряный электрод как электрод сравнения.

Автоматически или вручную записываются показания потенциометра

– рН-метра в зависимости от объема добавленного титранта (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Графический способ нахождения конечной точки титрования: а – интегральная кривая; б – первая производная; в – вторая производная

203

Достоинством потенциометрического титрования является также возможность одновременного определения нескольких компонентов смеси из одной порции анализируемого раствора.

15.2. Вольтамперометрия

Вольтамперометрическими называют методы анализа, основанные на регистрации и изучении зависимости тока, протекающего через электролитическую ячейку, от внешнего наложенного напряжения.

Вольтамперометрия была предложена в 1922 г. чешским учёным Я. Гейровским. За открытие и развитие этого метода Гейровскому в 1959 году была присуждена Нобелевская премия. Для регистрации вольтамперограмм нужна электролитическая ячейка, состоящая из индикаторного электрода (иногда его называют рабочим электродом) и электрода сравнения. Электродом сравнения обычно служит насыщенный каломельный электрод или слой ртути на дне электролизера (донная ртуть). В качестве индикаторного используют ртутный капающий электрод (тогда метод принято называть полярографией, а полученные зависимости силы тока от напряжения – полярограммами) или микродисковые вращающиеся или стационарные платиновый или графитовый электроды (тогда метод называют вольтамперометрией).

Название метода (полярография) произошло от слова поляризация. Прохождение тока через раствор электролита резко отличается от прохождения тока через металлы. При прохождении тока через металл вещество не изменяется, часть тока затрачивается только на некоторое нагревание проводника. Прохождение тока через раствор связано с движением ионов. На электродах начинаются электрохимические процессы, которые приводят к изменению состава раствора или электрода. Таким образом, два одинаковых электрода становятся различными в результате прохождения тока через раствор. Эти два проводника становятся различными полюсами гальванического элемента, возникающего внутри электролита. Такое явление, препятствующее прохождению тока через раствор, называется поляризаци-

ей.

Прохождение тока вызывает изменение потенциала одного или обоих электродов, т.е. ячейка поляризуется. Есть различные виды поляризации – концентрационная, кинетическая и др.

На рис. 15.6 представлена схема полярографической установки.

204

Электроды подсоединены к полярографу. Полярограф обеспечивает на электродах возрастание потенциала от 0 до –3 В или до +3 В. Типичная зависимость силы тока от приложенного напряжения приведена на рис. 15.7.

Рис. 15.7. Полярограмма: 1 – остаточный ток; 2 – диффузионный ток

Если в растворе нет веществ, способных восстанавливаться под действием электрического тока, то сила тока в цепи будет небольшой. Этот ток называют остаточный.

Остаточный ток проходит через электрод (через цепь) из-за восстановления кислорода и других примесей на электроде. Из раствора кислород можно удалить, пропуская через него инертный газ, либо добавляя избыток Na2SO3. Однако основной вклад в остаточный ток вносит формирование двойного электрического слоя – конденсатора. Поверхность ртути, как и любого металла, в растворе заряжена. При разомкнутой цепи ртуть заряжена положительно. При увеличении потенциала положительный заряд уменьшается, достигает нуля, а затем ртуть заряжается отрицательно. То есть образуется молекулярный конденсатор. Этот конденсатор формируется и заряжается на каждой вытекающей из капилляра капле, поэтому даже в отсутствие электроактивных веществ через ячейку протекает ток, называе-

мый конденсаторным или емкостным.

Если же в растворе есть вещества, способные восстанавливаться, то при достижении определённого потенциала ионы начнут восстанавливать-

ся на ртутном катоде, нередко с образованием амальгамы: Mn+ + ne + Hg = M(Hg)

При этом сила тока в цепи возрастёт (полярографическая волна). С этого момента рост потенциала электрода как бы отстает от роста налагаемого внешнего напряжения – электрод деполяризуется. Вещество, участвующее в электрохимической реакции и вызывающее деполяризацию электрода, называют деполяризатором. Если в растворе находится несколько веществ, способных к восстановлению, то по достижении определенных значений потенциала восстановления на полярограмме будет не одна волна, а несколько – по числу восстанавливающихся ионов (рис. 15.8).

206

где Id – диффузионный ток; n – число электронов, принимающих участие в электродной реакции; D – коэффициент диффузии определяемого вещества; m – скорость вытекания ртути из капилляра; τ – время образования одной капли; С – концентрация деполяризатора.

Количественное определение проводят по градуировочным графикам и методом добавок (рис. 15.9).

Рис. 15.9. Градуировочный график (а) для определения концентрации, построенный по полярограммам (б) серии стандартных растворов

Современные полярографические методы

Если вместо интегральной полярограммы, т.е. зависимости в коорди-

натах I – E регистрировать дифференциальные полярограммы в коорди-

натах dI/dE – E, то вместо S-образных волн будут наблюдаться пики (рис. 15.10).

Рис. 15.10. Интегральная (а) и дифференциальная (б) полярограммы

208

Это дает возможность улучшить разрешающую способность полярографического метода.

В методе осциллографической полярографии изменение внешнего налагаемого на ячейку напряжения происходит очень быстро, что улучшает чувствительность и разрешающую способность метода. Вольтамперограммы получают в виде светящегося изображения на экране осциллографа. Всю осциллополярограмму удается записать во время жизни одной капли. Ток в максимуме выше предельного диффузионного. Чувствительность метода осциллографической полярографии достигает порядка 10–6 М, т.е. на порядок лучше, чем у классической полярографии.

Поляризующее напряжение можно подавать на электрод не непрерывно по линейному закону, как в классической и осциллографической полярографии, а отдельными кратковременными импульсами. Импульсная полярография, особенно один из ее вариантов – дифференциальная импульсная полярография – наиболее современный высокочувствительный метод. На медленно изменяющееся по линейному закону постоянное напряжение налагают кратковременные (до 60 мс) импульсы постоянного напряжения равной амплитуды (50 – 100 мВ). На каждую каплю подают один импульс. Результирующая кривая (дифференциальная импульсная полярограмма) записывается в координатах ∆I – E (рис. 15.11).

Потенциал пика численно равен потенциалу полуволны. Высота пика пропорциональна концентрации полярографически активного вещества. Предел обнаружения 5·10–8 М.

Рис. 15.11. Дифференциальная импульсная полярограмма и ее характеристики

В методе переменнотоковой полярографии на электроды одновре-

менно с линейно возрастающим постоянным напряжением подается синусоидальной формы переменное напряжение с фиксированной частотой и небольшой амплитудой. Метрологические характеристики этого метода (минимальная определяемая концентрация 5·10–7 М, разрешающая способ-

209

ность 50 мВ) такая же, как и у метода дифференциальной импульсной полярографии.

Существенное увеличение чувствительности дает инверсионная вольтамперометрия. Сущность этого метода состоит в выделении определяемого элемента из очень разбавленного раствора на ртутной капле или на графитовом электроде электролизом с последующим анодным растворением полученной амальгамы. Зависимость силы тока от напряжения при анодном растворении имеет вид характерного пика, глубина которого h пропорциональна концентрации определяемого иона, а потенциал минимума Emin определяется природой иона (рис. 15.12):

Рис. 15.12. Кривая анодного растворения

Предел обнаружения в методике инверсионной вольтамперометрии на 2 – 3 порядка ниже предела обнаружения в обычных полярографических методиках.

Объектами вольтамперометрического анализа являются не только неорганические вещества или ионы, но и многие органические вещества. К вольтамперометрически активным группировкам относятся, например, =СНО, =С=N, –NO2, –O–O–, –S–S– и многие другие. В условиях вольтамперометрического анализа легко восстанавливаются и могут быть определены многие альдегиды, кетоны, азо- и нитросоединения, органические пероксиды. Ряд пестицидов содержит электроактивные группы (–NO2, –S–S–, =CO, C–Cl), поэтому их можно определять прямыми способами. К числу таких пестицидов относятся паратион, метафос, гексахлорциклогексан. Если пестицид не содержит электроактивных групп, его модифицируют химическим способом. Например, в результате щелочного гидролиза карбофоса и рогора получаются электроактивные диметилдитиофосфорная и меркаптоуксусная кислоты соответственно.

Полярографический метод используется для определения емкости катионного обмена почв. Гумусовые вещества почв полярографически неактивны, но существует ряд возможностей косвенного определения функциональных групп гумусовых веществ.

Амперометрическое титрование

В процессе амперометрического титрования после прибавления отдельных порций реактива отмечают силу тока при напряжении, соответст-

210