МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Кафедра сертификации и аналитического контроля

И. В. Муравьева, О. Л. Скорская

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ

Раздел: Потенциометрический метод контроля и анализа веществ

Учебное пособие

для бакалавров, обучающихся по направлениям «Металлургия», «Управление качеством», «Стандартизация и метрология», «Технологические машины и оборудование»,

«Технология художественной обработки металлов», «Техносферная безопасность»

Москва 2012

АННОТАЦИЯ

Изложены основы электрохимических потенциометрических методов анализа веществ и материалов. Дано описание используемых электродов, их классификация. Приведены примеры электродов, применяемых в потенциометрии при анализе материалов металлургического производства и объектов окружающей среды.

Пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям: «Металлургия», «Управление качеством», «Стандартизация и метрология», «Технологические машины и оборудование», «Технология художественной обработки металлов», «Техносферная безопасность».

Содержание

Стр.

1 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА……………………………………………4

2 ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА (ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ)…………..7

3 ЭЛЕКТРОДЫ В ПОТЕНЦИОМЕТРИИ ……………………………………………………10

3.1 Индикаторные электроды………………………………………………………...10

3.1.1 Электронообменные электроды……………………………………...............11

3.1.2 Ионоселективные электроды……………………………………………….. ..19

3.2 Электроды сравнения……………………………………………………………..26

3.3 Стеклянный, водородный, хингидронный электроды………………………..30

4 ИОНОМЕТРИЯ..……………………………………………………………………………….39

5 ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ..……………………………...…………….43

6 КОМПЕНСАЦИОННЫЙ И НЕКОМПЕНСАЦИОННЫЙ СПОСОБЫ

ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ТИТРОВАНИЯ…………………………………………..50

7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ……………………………………………………………......56

ГЛОССАРИЙ…………………………………………………..……………………..................57

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………………………..……..59

1 Электрохимические методы анализа

Электрохимические методы широко применяются для аналитического контроля веществ и материалов. Они основаны на изучении и использовании процессов, происходящих в исследуемой среде и на поверхности электродов (границе раздела фаз), которые находятся в контакте с растворами, и в приэлектродном пространстве. Аналитическим сигналом (АС), функционально связанным с составом вещества и концентрацией определяемого компонента может служить один из измеряемых параметров:

• потенциал Е, В

• сила тока I, A

• сопротивление R, Ом

• количество электричества Q, Кл

• масса m, г

• удельная электропроводность σ, Ом^-1.см^-1

В таблице 1 приведена классификация электрохимических методов анализа по измеряемому параметру.

Таблица 1 - Классификация электрохимических методов анализа

по измеряемому параметру электрохимической ячейки

	Измеряемый параметр	Условия измерения	Метод
1	Потенциал Е, В	I = 0	Потенциометрия
2	Ток I, мкА	I = f(E)	Вольтамперометрия
3	Количество электричества Q, Кл	I = const или E = const	Кулонометрия
4	Масса m, г	I = const или E = const	Электрогравиметрия
5	Удельная электропроводность σ, Ом-1.см-1	I ~ (1000 Гц)	Кондуктометрия

Различают прямые и косвенные электрохимические методы.

В прямых методах находят функциональную зависимость силы тока (потенциала или ЭДС, количества электричества и т.д.) от концентрации определяемого компонента (С_х): I, E, R = f(Cx).

В косвенных методах, как, например, в потенциометрическом титровании, резкое изменение потенциала свидетельствует о наступлении конца титрования определяемого компонента подходящим титрантом, т.е. используют функциональную зависимость измеряемого параметра (Е) от объема титранта: E = f(V_{титранта}). Характер изменения потенциала зависит от условий протекания реакций, используемых при титровании.

Для выполнения определений компонентов анализируемой пробы прямыми и косвенными методами необходима полная электрохимическая цепь, состоящая из электрохимической ячейки (электроды в анализируемой среде) и внешней цепи (металлические проводники и измерительные устройства).

Простейшая электрохимическая ячейка с разделенным пространством изображена на рисунке 1. Эта схема удобна для иллюстрации протекающих процессов. Электрохимическая ячейка состоит из пары электродов, погруженных в растворы электролитов. Электроды соединены внешним проводником, растворы - солевым мостиком. Таким образом, электроны, полученные электродом Э₁ от восстановителя (Red₁) перейдут по внешнему проводнику к электроду Э₂ и будут отданы им окислителю (Ox₂):

Э₁: Red₁ – ne →Ox₁ (1)

Э₂: Ox₂ + ne → Red₂ (2)

Течение тока в цепи описывается суммарным уравнением 3:

Red₁ + Ox₂ → Ox₁ + Red₂ (3)

В металлических проводниках ток определяется движением электронов (электронная проводимость), а в растворе - движением ионов (ионная проводимость). На поверхности электродов цепь замыкается за счет перехода от ионной проводимости к электронной в результате электрохимической реакции.

Ток, соответствующий полуреакции окисления на электроде Э₁ (1) называют анодным током I_а, а полуреакции восстановления на электроде Э₂ (2) - катодным током I_k.

Рисунок - 1 Схема электрохимической ячейки с разделенным пространством

Так как движение электронов осуществляется в противоположных направлениях, то обычно катодный ток считают положительным, а анодный – отрицательным. И анодный и катодный ток обусловлены процессом электролиза (электрохимическими реакциями), поэтому их называют фарадеевскими токами I_F.

Кроме рассмотренного случая, электроды так же могут быть помещены в один раствор.