Потенциометрические анализаторы

Потенциометрический метод основан на измерении электродных потенциалов, функционально связанных с концентрацией (активностью) определяемого вещества в растворе. Электроды представляют собой окислительно-восстановительные системы. Измеряемый потенциал отвечает равновесному состоянию, установившемуся на электроде между окисленной и восстановленной формой определяемого вещества, и в общем виде может быть определен по уравнению Нернста:

где Е — электродный потенциал, В; — стандартный электродный потенциал — потенциал электрода, измеренный в стандартных условиях (25 °С, 101,325 кПа, ), В; п — число электронов, обменивающихся между окисленной и восстановленной формами вещества; — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура, К; — постоянная Фарадея; — активность окисленной и восстановленной форм вещества соответственно, моль/л.

Абсолютное значение электродного потенциала непосредственно измерить нельзя, для его измерения применяют гальванический элемент, в котором один электрод является индикаторным (измерительным), а другой — электродом сравнения. Индикаторный электрод помещают в контролируемую жидкую среду. Потенциал индикаторного электрода определяется концентрацией (активностью) ионов в растворе. В качестве электрода сравнения используют стандартные электроды (например, каломельный электрод), имеющие постоянный потенциал . Потенциал электрода сравнения зависит от температуры, поэтому его располагают в контролируемой среде в непосредственной близости от индикаторного электрода.

ЭДС гальванической цепи, составленной из индикаторного электрода и электрода сравнения, помещенных в контролируемую жидкую среду, составит

Рисунок 7.5. Ионоселективные электроды:

а — стеклянный мембранный электрод; металлические электроды с напыленным слоем металла (б), проволочный (в), точечный (г); д — электрод с твердой мембраной

Потенциометрический метод применяется для измерения концентраций кислот, оснований, солей в водных и неводных средах, а также для контроля рН водных растворов прямым потенциометрическим измерением. Возможности потенциометрического метода расширились с появлением ионоселективных электродов (рис.7.5). В конструкцию такого электрода входит мембрана, проницаемая только для определяемого иона, тем самым обеспечивается избирательный анализ одних ионов в присутствии других. В стеклянном мембранном электроде ионообменной мембраной служит шарик из стекла определенного сорта, припаянного к стеклянной трубке. Трубка заполнена стандартным (внутренним) раствором с постоянной активностью ионов водорода, и в нее опушен проводник — серебряная проволока. Разность потенциалов между стеклянной ионообменной мембраной и внутренним полуэлементом (система проводник—внутренний раствор) составляет потенциал стеклянного электрода. В состав стеклянной ионообменной мембраны входят атомы натрия, способные к активному электрохимическому обмену с контролируемой средой при рН > 10. При рН > 12, вследствие интенсивного электрохимического обмена, электрод «выщелачивается».

Металлические индикаторные электроды с напыленным слоем металла на нейтральную поверхность (рис. 7.5, б), проволочный (рис. 7.5, в) или припаянный одним концом к нейтральной поверхности в виде капли — точечный (рис. 7.5, г) в контролируемой среде вступают в электрохимическое взаимодействие с ионами, присутствующими в этой среде. Наибольшей селективностью при потенциометрическом контроле многокомпонентных технологических сред обладают индикаторные электроды, изготовленные из благородных металлов (платина, золото, иридий и т. д.). На рис. 7.5, д представлен индикаторный ионоселективный электрод с разделительной твердой мембраной (кристалл, пленка, таблетка), выполняющий ту же функцию, что и стеклянный шарик в стеклянном мембранном электроде.

Автоматический потенциометрический контроль технологических водных низкоконцентрированных растворов и суспензий используется для управления процессами нейтрализации в технологических средах.