Вольтамперометрический метод анализа

Содержание

1.Введение                                                                                                                            стр.2

2.Электролиз  с ртутным капающим катодом                                                                   стр.2

3.Полярографические  волна и фон                                                                                     стр.2

4.Полярографические  максимум                                                                                        стр.4

5.Влияние растворённого кислорода                                                                                  стр.7

6.Качественный полярографический анализ                                                                     стр.8

7.Количественный полярографический анализ                                                                стр.9

8.Одласть применения ртутного капающего катода, его достоинства и недостатки    стр.10

9.Твёрдые микроэлектроды, их область применения, достоинства и недостатки       стр.11

10.Дифференцильная полярография                                                                                  стр.12 

11.Осциллографическая полярография                                                                              стр.14

12.Переменно – токовая полярография                                                                              стр.16

13.Амальгамная полярография                                                                                            стр.19

14.Инверсионная вольтамперометрия                                                                                стр.20

15.Определение микроколичеств цинка, кадмия, свинца и меди в природных водах методом инверсионной вольтамперометрии                                                                     стр.24

16.Задача                                                                                                                                стр.25

17.Список литературы                                                                                                          стр.26  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    Вольтамперометрическими  называют методы анализа, основанные  на регистрации и изучении  зависимости тока, протекающего  через электролитическую ячейку, от внешнего наложенного напряжения. Графическое изображение этой зависимости называют вольтамперограммой. Анализ вольтамперограммы даёт информацию о качественном и количественном составах анализируемого вещества.

    Для  регистрации вольтамперограмм нужна электролитическая ячейка, состоящая из индикаторного электрода и электрода сравнения. Электродом сравнения обычно служит насыщенный каломельный электрод или слой ртути на дне электролизёра. В качестве индикаторного используют ртутный капающий электрод, микродисковые платиновый или графитовый электроды.

    В  зависимости от типа индикаторного  электрода вольтамперометрические  методы принято делить на полярографию  и собственно вольтамперометрию.  Если в качестве индикаторного  электрода используют ртутный  капающий электрод, то полученные зависимости силы тока от напряжения называют полярограммами и соответственно метод анализа – полярографией. Метод был создан выдающимся чешским электрохимиком лауреатом Нобелевской премии Яр. Гейровским (1922). При работе с любым другим индикаторным электродом, в том числе и со стационарным ртутным, дело имеют с вольтамперометрией.   

Электролиз  с ртутным капающим катодом.

     Рассмотрим  процесс восстановления деполяризатора (например, какого – либо катиона)  на ртутно – капельном катоде. Предположим, что раствор имеет состав н. и 1н. . При электролизе такого раствора в начале процесса, при небольших значениях наложенной извне э.д.с., возрастание силы тока будет незначительным. Этот ток называется остаточным током, возникает он в основном за счёт разряда электровосстанавливающихся примесей.

    Как  только будет достигнут потенциал катода, равный приблизительно -1,0 В, ионы начнут разряжаться на поверхности ртутной капли с образованием амальгамы цинка:

и на i- кривой с увеличением скорости разряда ионов будет наблюдаться резкое возрастание тока. Затем, с дальнейшим ростом потенциала микрокатода, возрастание силы тока практически прекратиться и, таким образом, ток достигнет своего предельного значения . Общий вид кривой зависимости i от называется полярограммой. Полярограмма отвечает случаю, когда поляризация будет носить в основном концентрационный характер. На рис.1 показана полярограмма для случая восстановления на катоде ионов меди, свинца и цинка. На этой кривой имеется несколько волн, каждая из которых характеризует разряд определённого иона.

Рис.1 Полярограмма на ртутно – капельном катоде; последовательный разряд ионов меди, свинца и цинка. 

Полярографические волна и фон 

Поялрографическая волна

     В  ячейку поместим раствор в 0,1 М растворе KCl и тщательно удалим растворенный кислород, продувая через раствор азот. Если затем с помощью полярографической установки запишем зависимость тока, протекающего через ячейку, от потенциала капающего ртутного электрода, то получим полярограмму, подобную представленной на рис.2. Характерная форма полярограммы (полярографическая волна) позволяет получить информацию о том, что происходит на электроде при изменении потенциала. Характеристиками полярограммы, связанными с природой восстанавливающегося на электроде вещества и его концентрацией, являются соответственно потенциал полуволны ( ) и ток ( ).

    На  рис.2 показано, что полярограмма имеет три характерных участка. С момента замыкания цепи (точка А) до потенциала в точке Б через ячейку протекает небольшой ток, называемый остаточным. Наличие остаточного тока (участок полярограммы АБ) обусловлено двумя причинами. Прежде всего могут восстанавливаться более легко восстанавливающиеся, чем ион кадмия (2), примеси. Наиболее обычной примесью, способной восстанавливаться даже при небольших отрицательных потенциалах ртутного электрода, являются следы плохо удалённого кислорода. Но даже если анализируемый раствор тщательно очистить от растворенного кислорода и других легко восстанавливающихся примесей, на участке АБ через ячейку будет протекать остаточный ток. Другая причина его возникновения – образование двойного электрического слоя (молекулярного конденсатора). Одной обкладкой конденсатора служит заряженная поверхность ртутной капли, другой – плоскость, проходящая через центры ближайших к ней противоположно заряженных ионов в растворе. Этот конденсатор формируется и заряжается на каждой вытекающей из капилляра капле, поэтому даже в отсутствие электроактивных веществ через ячейку протекает ток, называемый конденсаторным или ёмкостным.

    При  достижении потенциала, отмеченной  точкой Б, на полярограмме наблюдается  резкое увеличение тока. Потенциал  в точке Б называют потенциалом выделения. Он соответствует началу электрохимической реакции восстановления ионов кадмия (2) на электроде с образованием раствора металлического кадмия в ртути (амальгамы):

    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. На участке БВ то растёт, а потом достигает некоторой постоянной величины, называемой предельным током (участок ВГ). На этом участке ток практически не зависит от потенциала электрода. В этот момент электрод обладает энергией, достаточной для восстановления всех находящихся вблизи поверхностей ионов кадмия (2).

Рис.2. Полярограмма и её характеристики. Флуктуация тока (осцилляция) обусловлены периодическим ростом и падением капель ртути. 

Полярографический фон

     Полярографический  метод, предложенный Я. Гейровским, основан на изучении так называемых полярограмм, т.е. кривых зависимости силы тока от напряжения. Первоначально использовался только ртутно – капельный электрод, но позднее в ряде случаев стали применять другие электроды: ртутный струйчатый, с висящей ртутной каплей, вращающиеся твёрдые электроды (платиновый, графитовый и др.).

    Изучению  подвергаются как процессы восстановления, так и процессы окисления. Полярография  даёт возможность проводить качественный  и количественный анализ исследуемого  раствора электролита, а также позволяет изучать кинетику и механизм электродных процессов.

    При  прохождении тока через электролитическую  ячейку происходит поляризация  обоих электродов и наблюдается  омическое падение потенциала  ir между электродами; суммарная разность потенциалов будет равна

    В  полярографии один из электродов (тот, на котором изучают процесс,  например катод) очень мал,  а площадь второго электрода  в сотни раз больше площади первого; помимо того, через раствор пропускают токи порядка . Таким образом, плотность тока на большем электроде будет ничтожно малой и, следовательно, потенциал его – практически постоянным.

    Полярографические  измерения проводят в растворах с достаточно большой электропроводностью, вводя избыток индифферентного электролита (фона), ионы которого разряжаются при более отрицательных потенциалах, чем ионы исследуемых веществ. Благодаря достаточно большой электропроводности раствора величина омического падения потенциала ir будет ничтожно малой.

    Для  процессов протекающих на небольшой  поверхности ртутно – капельного  катода, уравнение  можно записать в виде:

Т.е. по показанием вольтметра можно практически судить о поляризации электрода, имеющего небольшую поверхность в данном случае – катода. 

Полярографические максимумы

    Ход  полярографических кривых может отклоняться от того, который отвечает строго уравнениям и

    Так,  на полярограммах в той части  кривых, которая соответствует началу  площадки предельного тока, часто  наблюдается значительное возрастание тока типа максимума (рис.3, 4). (Пунктирной линией изображены полярограммы в отсутствие максимумов).

Рис.3. Полярограмма с максимумом первого рода.

Рис.4. Полярограмма с максимумом второго рода. 

    Появление  максимумов, как показали специальные  исследования, - следствие перемешивания  раствора за счёт движения  поверхности ртутной капли. Последнее  вызвано, прежде всего, самим  процессом вытекания ртути из  капилляра. Взаимодействие заряжённой поверхности ртутной капли с электрическим полем также вызывает дополнительное движение поверхности ртути. Кроме того, распределение тока, а следовательно, и потенциала на поверхности ртутной капли происходит не вполне равномерно, что приводит к различным значениям пограничного напряжения на границе ртуть – раствор в разных точках поверхности и также вызывает перемещение поверхностных слоёв ртути и перемешивание прилегающих слоёв раствора.

    Все  эти причины, особенно последняя,  приводят к тому, что разряжающиеся частицы доставляются к электроду не только в результате диффузии, но и за счёт конвекции. Это приводит к тому, что наблюдаемый ток становится выше предельного, т.е. резко возрастает ток на кривой в области перехода к площадке предельного тока.

    Рассмотрим  явление возникновения максимума  несколько подробнее. При протекании  электрохимической реакции на  поверхности электрода в области  значений потенциала положительнее  значений потенциала нулевого  заряд ( ), т.е. значений, соответствующих положительной ветви электрокапиллярной кривой, перетекание ртутной поверхности направлено от верхних частей капли к нижним, поскольку нижние части капли ртути, на которых плотность больше (что обуславливает возникновение более отрицательного потенциала), имеют большее пограничное натяжение. Приток разряжающегося вещества, обусловленный перемешиванием раствора, осуществляется главным образом сверху, что уменьшает концентрационную поляризацию, сдвигает потенциал верхних частей капли в положительную сторону и ещё более увеличивает разность потенциалов, и разность пограничных натяжений между различными частями капли. Максимумы, вызванные такими явлениями, носят название положительных; по своей величине они значительны.

    При  потенциалах, отвечающих отрицательной ветви электрокапиллярной кривой, т.е. имеющих значение отрицательнее , электрохимическая реакция приводит к перетеканию поверхности ртути от нижних частей капли к верхним ее частям, ввиду того что более отрицательному потенциалу нижней части капли соответствует более низкое пограничное натяжение. Приток восстанавливаемого вещества осуществляется снизу, что не увеличивает разности потенциалов между верхней и нижней частями капли, а даже, наоборот, уменьшает её настолько, что движение поверхности приостанавливается. Такие явления дают максимумы, называемые отрицательными, которые обычно выражены слабее положительных. Оба вида описанных максимумов носят название максимумов 1 –го рода (рис.2).

    В  том случае, когда максимумы, появляющиеся на полярограммах, связаны с вытеканием ртути из капилляра, они носят название максимумов 2 – го рода (рис.3). Последние зависят от скорости вытекания ртути из капилляра, поскольку она влияет на скорость движения поверхности капли. Скорость вытекания ртути имеет наибольшую величину в ; при удалении от в ту или иную сторону скорость эта уменьшается, так как заряды, появляющиеся на поверхности ртути, тормозят движение последней.

    Введение  в раствор поверхностно – активных  веществ молекулярного типа срезает  на полярограммах максимумы 1 – го и в ряде случаев  2 – го рода; благодаря этому  добавки таких веществ широко  применяются в практике для  уничтожения максимумов.

    Поверхностно – активные молекулы могут подавлять максимумы электрокапиллярных кривых, т.е. выравнивать пограничное натяжение на границе ртуть – раствор на значительном участке потенциалов. Такое выравнивание пограничного натяжения приводит, в свою очередь, к устранению движений поверхности ртутной капли, вызываемых неравномерностью поляризации. Однако, как известно, некоторые поверхностно – активные молекулы не только подавляют полярографические максимумы, но, адсорбируясь на поверхности ртутного электрода, затрудняют разряд исследуемых катионов, смещая величину потенциала полуволны. Поэтому подобные поверхностно – активные вещества нельзя использовать для уничтожения максимумов. При проведении полярографических измерений чаще всего для подавления максимумов применяют желатину или метил – рот.

Влияние растворённого кислорода.

      При электролизе растворов электролитов необходимо учитывать возможность присутствия в них растворённого кислорода.

    Как  известно, растворённый в электролите  молекулярный кислород при электролизе восстанавливается на катоде. Такое явление наблюдается как в кислых, так и в щелочных средах.

    Исследования  показали, что потенциал восстановления  кислорода в области pH  от 2 до 8 является постоянным, а при больших значениях pH смещается к более отрицательным значениям.

    Процесс  восстанавливается кислорода идёт  по схеме:

т.е. в суммарной  реакции принимает участие 4 электрона; в качестве промежуточного продукта восстановления может образоваться перекись водорода.

    В результате того, что - термодинамически неустойчивое соединение и может накапливаться в процессе электролиза только вследствие замедленности его разложения, при одних условиях электролиза перекись водорода появляется, а вдругих не обнаруживается.

    Было  установлено, что в растворах  0,1 н. KCl или HCl при восстановлении молекулярного кислорода на ртутно – капельном катоде наблюдается поляризационная кривая, имеющая две волны, причём потенциал полуволны для первой стадии реакции равен -0,1 В, а для второй В. Первая волна соответствует образованию перекиси водорода.

    На  платиновом и серебряном электродах  восстановлению кислорода соответствует только одна волна.

    Практически  при полярографическом определении концентрации иона того или иного металла в растворе, содержащем кислород, поляризационная кривая будет отвечать не только процессу восстановления этого металла, но и параллельно протекающему на катоде процессу восстановления кислорода.

    При  рассмотрении такой полярограммы трудно качественно и количественно определить в растворе определяемое вещество.

    Необходимо  предварительно удалить из электролита  растворённый в нём кислород, что достигается продуванием  через раствор перед снятием  каждой полярограммы индифферентного газа (азота или водорода) в течение 20-30 минут. Существует также быстрый и простой способ удаления кислорода из щелочных растворов, вполне пригодный при ртутных работах с не слишком низкими концентрациями веществ. Если в щелочной раствор добавить избыток (в виде твёрдой соли или насыщенного раствора), то в результате реакции:

растворённый  кислород будет достаточно полно  удалён за 5-10 минут. 

Качественный  полярографический  анализ

    В основе качественного полярографического анализа лежит величина потенциала полуволны, характеризующая природу деполяризатора. Его числовое значение показывает, насколько легко восстанавливается на электроде данное вещество: чем менее отрицателен E , тем легче протекает восстановление. Потенциал полуволны непосредственно связан со стандартным потенциалом данной окислительно-восстановительной системы, поэтому E для одного и того же деполяризатора будет зависеть от состава фонового электролита. Это видно из данных табл.1, в которой приведены E для ряда важных в анализе почв элементов в различных фоновых электролитах.. Изменение E при переходе от одного фонового электролита к другому обусловлено изменением окислительно-восстановительных свойств деполяризатора за счёт образования комплексных соединений различной устойчивости. Наименее выраженной склонностью к комплексообразованию обладает ион таллия (1), поэтому потенциал полуволны таллия (1) практически не зависит от состава фонового электролита. 

Таблица 1 . Величина E

    Если  потенциалы полуволн достаточно  отличаются, то на полярограмме  раствора смеси нескольких деполяризаторов  можно наблюдать раздельные волны, соответствующие последовательному восстановлению компонентов смеси (рис.5).

Рис.5 Полярограмма смеси содержащей       Рис.6 Полярограмма смеси таллия (1)     

По 1*10 М Tl (1), Cd (2), Ni (2) и Zn(2)         и свинца (2) на фоне 0,1 М HNO (а)

на  фоне 1М NH +1М NH Cl                      и 1М KOH (б) 

 В условиях  классической полярографии чётко  выраженные раздельные волны  наблюдаются при разности потенциалов полуволн не менее 0,1 В при равных концентрациях деполяризатора.

    Влияние  комплексообразования на величину  потенциала полуволны можно использовать  для разделения волн с близкими  E при анализе смесей. Классическим является пример, приведенный на рис.6. На фоне 0,1 М раствора HNO потенциалы полуволн таллия (1) и свинца (2) практически не различимы (-0,46 В и -0,49 В), поэтому наблюдается одна волна, соответствующая суммарному восстановлению таллия (1) и свинца (2) (рис.6, а). Если в этот раствор прибавить твёрдый гидроксид калия до сильнощелочной среды, то свинец (2) образует гидроксокомплекс (Pb(OH) или Pb(OH) ), а ионное состояние таллия (1) не изменится. На полярограмме раствора на фоне KOH (рис. 6, б) наблюдается две чёткие раздельные волны, соответствующие последовательному восстановлению таллия (волна с E =-0.46 В) и свинца (волна с E =-0.81 В).  
 

Количественный  полярографический анализ

Прямая пропорциональная зависимость между диффузионным током (или высотой волны) и концентрацией  деполяризатора позволяет использовать полярографию для количественного  определения электроактивных веществ. Существует принципиальная возможность определения концентрации вещества (уравнение Ильковича (1)) по величине тока восстановления, найденного из полярограммы для анализируемого раствора. Но эта возможность реализуется крайне редко, так как для того, чтобы воспользоваться уравнением (1), кроме известных (n) или легко определяемых экспериментально (m, t) величин необходимо знать коэффициент диффузии восстанавливающегося иона в данном фоне. Однако табличных данных нет, а затраты времени на экспериментальное определение коэффициента диффузии лишают смысла заманчивую возможность использования уравнения Ильковича. Поэтому для количественного определения веществ в полярографии используют методы, не требующие знания коэффициента диффузии определяемого вещества.

    Существуют три способа количественного определения концентрации вещества: метод градуировочного графика, метод стандартов и метод добавок.

    Метод градуировочного графика. Для построения градуировочного графика готовят серию из 4 – 5  растворов определяемого вещества с известными концентрациями разбавлением более концентрированного исходного раствора, концентрация которого должна быть надёжно установлена предварительно. Для разбавления используют наиболее подходящий для определяемого элемента фоновый электролит. Для каждого из приготовленных растворов регистрируют полярограмму в одинаковых, строго контролируемых условиях эксперимента. Все полярограммы записывают при одной и той же чувствительности регистрирующего устройства полярографа, выбранной по раствору с максимальной концентрацией приготовленной серии. Работать не обходимо с одним и тем же капилляром, поддерживая постоянную высоту столба ртути над ним так, чтобы период жизни капли t и скорость вытекания ртути m не изменялись. Если произведение , называемое характеристикой капилляра, определить для нескольких капилляров, то величины токов, полученные с одним капилляром, можно пересчитывать для любого другого капилляра. Это особенно важно при порче капилляра, но всё – таки надёжнее проводить измерения с одним и тем же капилляром. При выполнении ответственных анализов желательно работать с термостатируемой ячейкой.

    По  полученным полярограммам строят  градуировочный график  в координатах  высота волны (или диффузионный  ток) – концентрация. При соблюдении постоянными указанных выше условий градуировочный график пригоден для работы в течение длительного времени. В идентичных условиях регистрируют полярограмму анализируемого раствора и, измерив высоту волны, по градуировочному графику находят искомую концентрацию.

    Метод  градуировочного графика прост,  но не лишён недостатков. Он  достаточно трудоёмок, но главный  его недостаток в том, что  при приготовлении растворов  для построения графика невозможно  учесть присутствующие в анализируемом  растворе примеси. Поэтому для сложных по составу объектов метод градуировочного графика не очень надёжен.

    Метод стандартов. При наличии пропорциональной зависимости между высотой волны и концентрацией определяемого вещества можно значительно сократить время анализа, не строя градуировочный график, а сравнивая высоты волн на полярограммах анализируемого и стандартного растворов, полученные в идентичных условиях. Этот способ определения концентрации называют методом стандартов.