Практикум по физико-химическим методам в биологии Учебно-методическое пособие
Скачать 0.85 Mb.
|
Виды потенциометрического метода анализа Различают два вида потенциометрических измерений: 1 Прямая потенциометрия – определение концентрации ионов, в частности [H+], с помощью уравнения Нернста по ЭДС гальванического элемента. Самое известное приложение этого вида потенциометрии – рН-метрия. Крупный вклад в теорию и практику рН-метрии внесли ученые: Б.П. Никольский, М.М. Шульц, Е.Н. Виноградова и др. 2 Потенциометрическое титрование основано на использовании измерений ЭП для нахождения точки эквивалентности в различных реакциях. Аппаратура для проведения прямой потенциометрии и потенциометрического титрования одна и та же. В схему потенциометрических измерений входят индикаторный электрод, электрод сравнения и потенциало-измеряющий прибор. В качестве последних используют различные рН-метры. Перед измерением рН проводят настройку приборов по буферным растворам. Потенциометрический анализ широко применяют для непосредственного определения активности ионов, находящихся в растворе (прямая потенциометрия, ионометрия), а также для индикации точки эквивалентности при титровании по изменению потенциала индикаторного электрода в ходе титрования (потенциометрическое титрование). При потенциометрическом титровании могут быть использованы следующие типы химических реакций, в ходе которых изменяется концентрация потенциалопределяющих ионов: реакции кислотно-основного взаимодействия, реакции окисления-восстановления, реакции осаждения и комплексообразования. Результаты определения методом потенциометрического титрования более точны, чем при использовании прямой потенциометрии, так как в этом случае вблизи точки эквивалентности небольшому изменению концентрации соответствует большое изменение потенциала индикаторного электрода. В ходе титрования измеряют и записывают ЭДС ячейки после добавления каждой порции титранта. В начале титрант добавляют небольшими порциями, при приближении к конечной точке (резкое изменение потенциала при добавлении небольшой порции реагента) порции уменьшают. Для определения конечной точки потенциометрического титрования можно использовать различные способы. Наиболее простой способ состоит в построении кривой титрования –графика зависимости потенциала электрода от объема титранта (рис. 6а). Другой способ состоит в расчете изменения потенциала на единицу изменения объема реагента ΔE/ΔV (рис. 6б). Кривая титрования, построенная с использованием этого параметра, зависящего от объема титранта, имеет острый максимум в точке эквивалентности. Кривые потенциометрического титрования представлены на рис 6. Рассмотренные способы основаны на предположении, что кривая титрования симметрична относительно точки эквивалентности и перегиб кривой соответствует этой точке. Это допущение справедливо при условии, что вещества взаимодействуют в эквимолекулярных соотношениях и что электродный процесс полностью обратим.  Рисунок 8 Кривые потенциометрического титрования: а) зависимость Е от V; б) зависимость ΔE/ΔV от V Главное преимущество потенциометрического метода по сравнению с другими методами анализа – быстрота и простота проведения измерений. Время установления равновесного потенциала индикаторных электродов мало, что удобно для изучения кинетики реакций и автоматического контроля технологических процессов. Используя микроэлектроды, можно проводить определения в пробах объемом до десятых долей, см3. Потенциометрический метод дает возможность проводить определения в мутных и окрашенных растворах, вязких пастах, при этом исключая операции фильтрации и перегонки. Потенциометрические измерения относят к группе неразрушающих способов контроля, и анализируемый раствор может быть использован для дальнейших исследований. Погрешность определения при прямом потенциометрическом измерении составляет 2 – 10 %, при проведении потенциометрического титрования – 0.5–1.0 %. Интервал определения содержания компонентов потенциометрическим методом в различных природных и промышленных объектах – в пределах от 0 до 14 рН для стеклянных электродов, и от 10 до 10–5(10–7) М определяемого иона для других типов ионоселективных электродов. Одним из достоинств метода потенциометрического титрования является возможность полной или частичной его автоматизации. Автоматизировать можно подачу титранта, запись кривой титрования, отключение подачи титранта в заданный момент титрования, соответствующий точке эквивалентности.
Электрогравиметрический метод – выделение веществ на электродах при действии постоянного тока, полученного от внешнего источника. По закону Фарадея масса вещества, выделяющегося при электролизе, пропорциональна силе тока, времени и химическому эквиваленту вещества. Для выделения одного моля эквивалента вещества требуется около 96500 кулонов электричества. Один кулон (1 Кл) – количество электричества, прошедшее через проводник в течение 1 с при силе тока в 1 А. Количество вещества, выделяемое одним кулоном электричества, называют электрохимическимэквивалентом (Ээ), оно равно молю эквивалента данного вещества, деленному на 96500 ( Ээ = М 96500 ,г/моль). Вследствие протекания побочных процессов масса вещества, выделяющегося при электролизе обычно меньше теоретически вычисленной по закону Фарадея, т.е. выход по току (η) чаще всего менее 100 %. Поэтому масса вещества, выделившегося на электроде: m = Ээ *I* t* η (13.1) или m = М 96500 nI t η, (13.2) где m – масса вещества, I – сила тока, А; t – время, с; Ээ – электрохимический эквивалент, г/моль; М –молярная масса вещества, выделившегося на электроде, г/моль; η – выход по току; n – число электронов, участвующих в электрохимическом процессе. Электрогравиметрия находится на стыке электрохимического и гравиметрического методов анализа. На электроде выделяют металл и взвешивают. Таким образом, определяют содержание металла в исследуемом растворе. Как выбирают напряжение для проведения электролиза? Это напряжение или разность потенциалов называют потенциалом разложения. Его определяют по кривой зависимости силы тока (I) от напряжения (Ε) (рис. 7).  Рисунок 9 Кривая зависимости I = f (E) По достижении Еразл. кривая резко возрастает. Для увеличения скорости электролиза напряжение тока в цепи всегда поддерживают немного выше Еразл. Это избыточное напряжение называют перенапряжением, необходимым для протекания нежелательных сложных физико-химических процессов, протекающих на поверхности электродов. Если исследуемый раствор содержит смесь различных компонентов, различающихся величинами Еразл., то их легко разделить, строго регулируя напряжение. При этом в первую очередь выделяется металл с меньшим значением Еразл. Известно два варианта электрогравиметрических методов анализа: 1 Наиболее распространенный, применяется при определении макроколичеств вещества. Выделение вещества происходит на электроде под действием источника постоянного тока. 2 Менее распространенный, применяется при определении микроколичеств вещества – метод внутреннего электролиза. В этом варианте постоянный ток возникает при погружении в раствор гальванической пары. Источник постоянного тока не требуется. Электрогравиметрический метод широко применяется в аналитической практике, особенно при определении цветных металлов и их сплавов. В качестве источника постоянного тока используют аккумуляторы и выпрямители. Разность потенциалов измеряют с помощью вольтметров, силу тока – при помощи амперметров. Электролиз ускоряется при нагревании и перемешивании растворов. При использовании электрогравиметрических методов обычно применяют платиновые электроды (сетчатый катод и свернутый в спираль – анод). Преимуществами метода являются: – простота, достаточная точность и экспрессность метода позволили применить этот метод к анализу цветных металлов и их сплавов; – метод исключает фильтрование осадка (в гравиметрии – самый длительный и утомительный процесс); – возможность анализа многокомпонентных смесей, путем подбора электролита или потенциала электрода. К ОСАДКАМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫМ В ЭЛЕКТРОГРАВИМЕТРИИ ПРЕДЪЯВЛЯЮТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ: Определяемый компонент должен выделяться на электроде количественно, получающийся осадок должен быть чистым, мелкозернистым и обладать хорошим сцеплением с поверхностью электрода с тем, чтобы последние операции – промывание, высушивание и взвешивание – не вызвали потери осадка. Для получения таких осадков необходимо: регулировать плотность тока, состав и температуру раствора, поверхность и материал электрода, скорость перемешивания. 3.5 Полярографический метод В настоящее время для изучения биологических процессов все чаще и шире применяются физические методы исследования. Одним из таких методов является метод полярографического анализа на твердых электродах (полярографический метод анализа предложен известным чешским ученым, лауреатом Нобелевской премии Я. Гейровским). Этот метод позволяет исследовать кинетику быстрых процессов на тканевых препаратах в условиях, близких к условиям in vito. Электрохимические методы анализа, основанные на изучении и использовании зависимости силы тока, протекающего через ячейку, при изменении внешнего наложенного напряжения называются вольтамперометрическими методами анализа. В качестве индикаторного электрода могут использоваться ртутный, платиновый, графитовый и другие электроды. При использовании ртутного капающего электрода (РКЭ) в качестве индикаторного электрода метод анализа называется полярографическим. Классический вариант полярографического метода анализа, предложенный в 1922 году Я.Гейровским, основан на изучении явлений поляризации при электрохимическом восстановлении (реже окислении) небольших количеств вещества (10-2 – 10-5 М) на ртутном капающем электроде. С помощью этого метода по одному аналитическому сигналу можно получить информацию о качественном и количественном составе анализируемого вещества. Несмотря на токсичность ртути, электроды, изготовленные из нее, имеют ряд преимуществ:
+0,4 В - 1,0 В - в кислой среде +0,15 В ч - 2,0 В - в щелочной среде +0,15 В ч - 2,5 В - в растворах солей R4N + В качестве электродов сравнения можно использовать донную ртуть, насыщенный каломельный или хлорсеребряный электрод. Преимущество отдается насыщенному каломельному электроду. При изучении процессов восстановления определяемого вещества на РКЭ, подаваемое напряжение Е должно расходоваться на поляризацию анода ЕА, поляризацию катода ЕК и на преодоление внутреннего сопротивления электролита iR: Е = ЕА – ЕК + iR (14) В полярографии электролиз проводят в специальных условиях: 1) индикаторный РКЭ по площади должен быть намного меньше электрода сравнения; 2) в электрохимической ячейке должен присутствовать довольно концентрированный (0.1-1.0 М) раствор индифферентного фонового электролита, катионы которого не восстанавливаются в изучаемой области потенциалов. Присутствие фонового раствора значительно уменьшает внутреннее сопротивление электролита; 3)концентрация определяемого вещества 10-3_10-5 М. При соблюдении этих условий на РКЭ создается достаточно большая плотность тока и все напряжение, подаваемое на ячейку, расходуется только на поляризацию РКЭ: Е = – ЕК Вещества, восстанавливающиеся на катоде, называются деполяризаторами. Схема установки приведена на рисунке 10. В начале процесса (рис. 10) при увеличении напряжения ток практически не меняется (остаточный ток), при достижении определенного значения потенциала (Е разложения) ток резко возрастает за счет диффузии деполяризатора из объема раствора к катоду (диффузионный ток) и катодной реакции. Скорость диффузии пропорциональна разности концентраций в приэлектродном слое и в остальной массе раствора. Когда скорость диффузии станет равной скорости разряда ионов, т.е. количество диффундирующих ионов будет равно количеству ионов, разряжающихся на электроде, ток перестанет меняться (предельный ток).  Рисунок 10 Схема полярографической установки (а): 1 – источник постоянного тока; 2 – резервуар с ртутью; 3 – капающий ртутный электрод (катод); 4 – насы-щенный каломель-ный электрод (анод); 5 – солевой мостик; 6 – ячейка; 7 – микро-амперметр; 8 – вольтметр. Типичная полярограмма (б) деполяризатора (I) и фона (II). Благодаря такому ходу электролиза вольтамперная кривая имеет S-образную форму и называется полярографической волной (полярограммой). Уравнение полярографической волны записывается следующим образом:  (15)где I - ток (мкА) в любой точке восходящего участка полярограммы; IПР - предельный диффузионный ток (мкА); Е1/2 - потенциал, отвечающий половине диффузионного тока, В.  (16)где  - стандартный потенциал полуреакции; DM и DMn+- коэффициенты диффузии атома металла в ртути и иона металла в растворе; fM и fMn+- коэффициенты активности атома металла в ртути и иона металла в растворе. Е1/2 характеризует природу деполяризатора, так как связана с данной окислительно-восстановительной системы и зависит от концентрации и состава фонового раствора. Е1/2 является постоянной величиной для данного деполяризатора, восстанавливающегося на определенном фоне. Потенциалы полуволн различных элементов на различных фонах сведены в таблицы. Сравнивая полученное значение Е1/2 с табличными, можно проводить качественный анализ. При наличии в растворе нескольких полярографически активных ионов получается вольтамперная кривая, состоящая из нескольких ступеней, каждая из которых соответствует определенному значению Е1/2 (полярогра-фический спектр). Основным уравнением в полярографии является уравнение Ильковича:  (17)где n - число электронов принимающих участие в реакции; D - коэффициент диффузии, см2/с; m - скорость вытекания ртути из капилляра, мг/с; τ - время капания, с; C - концентрация электроактивных ионов, ммоль/л. При постоянстве условий Iпр =К* С. Для проведения количественного анализа готовят серию стандартных растворов с различной концентрацией деполяризатора. Записывают полярограммы этих растворов, определяют значение предельных токов и строят градуировочный график I = f(C), который и используют для количественного определения деполяризатора в исследуемом интервале концентраций. Перед проведением полярографического анализа необходимо подобрать индифферентный фоновый электролит. Фон не должен разряжаться в исследуемой области потенциалов (рис. 10). Проведению полярографических измерений мешает растворенный кислород, который восстанавливается. Растворенный кислород удаляют из раствора пропусканием через него инертного газа (азот, аргон). Полярограмма может искажаться появлением максимумов (I и II рода) в области той части кривой, которая соответствует началу предельного тока. Устранить максимумы можно добавлением в раствор различных ПАВ, например желатины. Так как в полярографической лаборатории используются ртутные капающие электроды и электроды сравнения с большой поверхностью ртути, следует помнить, что пары ртути опасны для организма. При соблюдении правил техники безопасности возможность заражения воздуха парами ртути сводится к нулю. Поэтому, перед началом работы необходимо пройти инструктаж по технике безопасности и ознакомиться с работой прибора. Практическая часть. Общие указания к выполнению лабораторных работ по электрохимическим методам анализа 1 Включить прибор за 15-20 минут до начала измерений. 2 Отсчет по шкале прибора производить несколько раз, повторив все операции компенсации до получения воспроизводимых результатов, результат измерения сразу записать в рабочий журнал. 3 Химические стаканы, в которых предстоит произвести измерения, должны быть предварительно тщательно вымыты водой. 4 Перед помещением электродов в раствор и после измерения его необходимо тщательно обсушить снаружи фильтровальной бумагой. 5 При приготовлении растворов необходимо строго следовать предлагаемой методике. 6 При приготовлении анализируемого раствора в мерной колбе его объем необходимо доводить до метки дистиллированной водой и тщательно перемешать. 7 Объемы растворов можно измерять пипеткой, мерным цилиндром, используя для каждого раствора свою пипетку или цилиндр. 8 Работать в лабораторном халате во избежание попадания химических веществ на одежду. Работа № 14 Знакомство с устройством и работой приборов на примере pH метра рН-150 |
Похожие:
 | Учебно-методическое пособие тгту: 2014. 80 с А. Ю. Потлов, С. Г. Проскурин, С. В. Фролов, Методы автоматизированной обработки медико-биологических сигналов и данных. Компьютерный... | | Учебно-методическое пособие по самостоятельной работе Специальность... Большой практикум. Раздел «Свободнорадикальные процессы в биологических системах»: Учебно-методическое пособие по самостоятельной... |
| Практикум для студентов 1 курса чебоксары, 2009 Данное методическое пособие по биологии «Практикум для 1 курса» составлено в соответствии с действующей рабочей программой для средних... | | Учебно-методический материал по физико-химическим основам получения... |
| Учебно-методическое пособие Тольятти 2011 удк ббк ахметжанова Г.... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов магистров, обучающихся на педагогическом факультете тгу по направлению «Педагогика».... | | Учебно-методическое пособие по дисциплине «пропедевтика внутренних болезней» Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 3 курса медико-профилактического факультета кгму |
| Учебно-методическое пособие дисциплины «Введение в профессию» Учебно-методическое пособие одобрено (рассмотрено) на заседании кафедры «Финансы и кредит» | | Учебно-методическое пособие дисциплины «Введение в профессию» Учебно-методическое пособие одобрено (рассмотрено) на заседании кафедры «Финансы и кредит» |
| Учебно-методическое пособие по дисциплине «пропедевтика внутренних... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 2-3 курсов лечебного факультета кгму | | Учебно-методическое пособие дисциплины «Управление взаимоотношениями с клиентами» Учебно-методическое пособие разработано на основании гос впо по направлению 080200. 62 «Менеджмент» от 20. 05. 2010 №544 |
| Учебно-методическое пособие по дисциплине «формирование здорового образа жизни у детей» Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 1-3 курсов педиатрического факультета кгму | | Учебно-методическое пособие по дисциплине «пропедевтика внутренних... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов 2-3 курсов педиатрического факультета кгму |
| Учебно-методическое пособие Учебно-методическое пособие предназначено для студентов дневной, вечерней и заочной форм обучения | | Учебно-методическое пособие для студентов биологических и экологических специальностей Балашов П49 Полевые практики по биологии и экологии : учеб методич пособие для студентов фак-та экологии и биологии / М. А. Занина, С. В.... |
| Учебно-методический комплекс по «экономической теории» Часть3 «макроэкономика»... «Макроэкономика»: учебно методическое пособие. – Иркутск: Изд-во бгуэп, 2010. – с | | Учебно-методическое пособие по дисциплине «финансовые рынки» Учебно-методическое пособие содержит программу курса, методические указания по структуре и содержанию контрольной работы, список... |
