Электрохимические методы анализа
Покупка
Новинка
Авторы:
Горячева Валентина Николаевна, Березина Светлана Львовна, Медных Жанна Николаевна, Смирнов Александр Давыдович
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 52
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-5163-0
Артикул: 826583.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Изложены основные теоретические сведения о таких электрохимических методах количественного анализа, как кондуктометрия, электрогравиметрия, кулонометрия, потенциометрия, ионометрия, полярография. Показаны их возможности и области применения. Приведены контрольные вопросы и задания, а также задачи для самостоятельного решения.
Для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность» (профили «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Инженерная защита», «Безопасность в чрезвычайных ситуациях») и изучающих дисциплину «Аналитическая химия».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 20.03.01: Техносферная безопасность
- ВО - Магистратура
- 20.04.01: Техносферная безопасность
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Электрохимические методы анализа Учебно-методическое пособие Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
УДК 543.55 ББК 24.1 Э45 Э45 Электрохимические методы анализа : учебно-методическое по- собие / [В. Н. Горячева и др.]. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 46, [6] с. : ил. ISBN 978-5-7038-5163-0 Изложены основные теоретические сведения о таких электрохими- ческих методах количественного анализа, как кондуктометрия, электро- гравиметрия, кулонометрия, потенциометрия, ионометрия, полярография. Показаны их возможности и области применения. Приведены контрольные вопросы и задания, а также задачи для самостоятельного решения. Для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению подготовки « Техносферная безопасность» (профили «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Инженерная защита», «Безопасность в чрезвычайных ситуациях») и изучающих дисциплину «Аналитическая химия». УДК 543.55 ББК 24.1 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-5163-0 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 Издание доступно в электронном виде по адресу ebooks.bmstu.ru/catalog/111/book2072.html Факультет «Фундаментальные науки» Кафедра «Химия» Авторы: В.Н. Горячева, С.Л. Березина, Ж.Н. Медных, А.Д. Смирнов Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия
Предисловие Основой организации учебного процесса, в том числе выполнения контрольных работ, домашних заданий, проведения лабораторных и практических занятий, является освоение материала лекций и учебно-методических пособий по изучаемой дисциплине. В данном учебно-методическом пособии представлен раздел «Электрохимические методы анализа» дисциплины «Аналитическая химия». Пособие входит в комплекс учебно-методических материалов, подготовленных кафедрой химии МГТУ им. Н.Э. Бау мана, и включает материал по теоретическим основам электрохимических методов анализа и возможностям их практического применения. Учебный материал по дисциплине «Аналитическая химия» базируется на изучении курсов «Неорганическая химия» и «Органическая химия». Пособие предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность» (профили «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», « Инженерная защита», «Безопасность в черезвычайных ситуациях»). Электрохимические методы анализа наряду с классическими спектроскопическими и хроматографическими методами часто используются на практике. В пособии на основе общих электрохимических положений описаны методы кондуктометрии, электро- гравиметрии, кулонометрии, потенциометрии, ионометрии, полярографии, а также изложены возможности практического применения методов анализа в объеме, необходимом и достаточном для достижения результатов обучения в отведенный для изучения дисциплины период времени. Учебно-методическое пособие содержит шесть разделов, каждый из которых посвящен определенному методу анализа. Пособие включает средства визуализации материала в виде таблиц, формул, рисунков, графиков, что помогает восприятию информации. Для самоконтроля усвоения материала в пособие включены контрольные вопросы и задания, а также задачи для самостоятельного решения, которые способствуют развитию творческого мышления, требуют обоснования ответов и вариантов решения, поиска дополнительной информации в различных источниках. Для расширения объема знаний об изучаемом предмете в конце пособия приведен список источников.
Материал изложен в доступной и лаконичной форме, предназначен в помощь студентам при освоении и закреплении знаний в рамках учебной программы. Авторы ставили своей целью достижение уровня подготовки, сочетающего теоретические знания и практическое овладение методами электрохимического анализа, умение логически ориентироваться в их большом разнообразии. Пособие не является практическим руководством. Основы методов электрохимического анализа в нем раскрываются без описания устройства приборов, поскольку многие фирмы выпускают аналитические приборы разных конструкций. Для получения подробного описания методов анализа следует обращаться к соответствующим руководствам, а также к официально утвержденным методикам. Планируемыми результатами усвоения студентами учебного материала наряду с получением знаний в рамках рабочей программы являются развитие творческого мышления, формирование метакогнитивных навыков, позволяющих анализировать излагаемые методики и выбирать приемлемые методы анализа в зависимости от формы существования вещества в природе (анализ неподвижных растворов, детектирование вещества в потоке).
Введение Электрохимические методы анализа, применяемые в аналитической химии, постоянно развиваются и совершенствуются. На их основе создаются все новые модифицированные электроды для анализа разнообразных форм воздействия электрических сигналов на изучаемые объекты природы. В связи с этим усвоение студентами теоретического и практического материала в этой области знаний является важной и актуальной задачей, на решение которой направлены лекционные, семинарские и лабораторные занятия по дисциплине «Аналитическая химия». Область практического применения электрохимических методов анализа, особенно таких, как электрогравиметрия и по- тенциометрия, сформировалась довольно давно, но продолжает развиваться, при этом используются все более сложные формы воздействия на электрохимические системы и способы преобразования сигнала. Можно считать, что в настоящее время аналитическая химия и ее раздел «Электрохимические методы анализа» стали относиться к междисциплинарной области знаний. Особую значимость и актуальность электрохимические методы анализа приобрели в связи с применением их для решения экологических проблем, включая контроль объектов неорганической, органической и биологической природы.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА Погрешность физико-химических методов анализа превышает погрешность классических методов анализа и составляет в среднем 2...5 %, однако при небольшом содержании определяемого компонента (менее 10–3 %) классические методы химического анализа непригодны. Так, содержание фенола в водоемах бытового пользования не должно превышать 0,001 мг/л, но обнаружить его при столь малой концентрации можно только с помощью физико- химического анализа. Электрохимические методы анализа относятся к группе физико- химических методов, обладающих высокой чувствительностью: предел обнаружения анализируемого компонента может составлять 10–15...10–10 %, что отвечает требованиям ряда современных отраслей техники к чистоте используемых материалов. В частности, в полупроводниках (кремний, германий) содержание примесей не должно превышать 10–10 %. Известно, что свойства многих металлов, содержащих менее 10–5 % примесей, существенно изменяются: например, хром становится ковким, а вольфрам пластичным. Как правило, в физико-химическом анализе применяют два методических приема: прямые измерения (кондуктометрия, по- тенциометрия, ионометрия и др.) и косвенные измерения (метод титрования). Прямые методы основаны на обусловленности аналитического сигнала природой анализируемого компонента и его концентрацией. Аналитический сигнал — какая-либо характеристика соединения, зависящая от природы соединения и его содержания в анализируемом объекте. Например, в полярографии аналитический сигнал — потенциал полуволны, а количественной характеристикой является интенсивность аналитического сигнала (сила диффузионного тока). Зависимость аналитического сигнала от концентрации компонента выражается градуировочной харак- теристикой, которая может быть представлена в виде графика, расчетной формулы, таблицы. Интенсивность аналитического сигнала I часто связана с концентрацией С химического соединения линейным соотношением I = AC, где A — константа. К прямым методам относят методы калибровочного (градуировочного) графика и молярного свойства. Метод калибровочного гра-
фика предусматривает измерение интенсивности аналитического сигнала нескольких стандартных растворов (или образцов) и построение градуировочного графика I = f(C). Затем в тех же условиях измеряют интенсивность сигнала в анализируемой пробе и по графику находят концентрацию компонента. При использовании метода молярного свойства измеряют интенсивность аналитического сигнала нескольких стандартных растворов и рассчитывают молярное свойство А, т. е. интенсивность аналитического сигнала, пропорциональную 1 моль вещества: где Сст — стандартная концентрация. Затем в тех же условиях измеряют интенсивность аналитического сигнала I в анализируемой пробе и по соотношению С I A х = находят концентрацию анализируемого компонента Сх. Метод титрования состоит в том, что в ходе титрования измеряют интенсивность аналитического сигнала I и строят кривую титрования в координатах I–V, где V— объем добавленного титранта. Точку эквивалентности (ТЭ) находят по кривой титрования. Имеется довольно много разновидностей кривых титрования, так как значение I может быть связано с концентрацией определяемого соединения, титранта или продукта химической реакции. Таблица 1.1 Классификация электрохимических методов анализа Аналитический сигнал Условия измерения Метод Масса m, г Постоянный ток или постоянное напряжение Электрогра- виметрия Количество электричества Q, Кл Кулонометрия Удельная электрическая проводимость χ (или сопротивление R), См/см (или Ом) Переменный ток I (ν ≈1000 Гц) Кондукто- метрия Сила тока I, А Переменное напряжение U Вольтамперометрия или полярография Потенциал электрода ϕ (или ∆ϕ ), В I = 0 Потенцио- метрия А I C п ст = .
Электрохимические методы анализа основаны на протекании электродных реакций и переносе электричества через растворы. Классификация электрохимических методов анализа по виду аналитического сигнала приведена в табл. 1.1. В электрохимических методах анализа используют зависимость интенсивности аналитического сигнала от содержания определяемого компонента, участвующего в данном электрохимическом процессе. Далее электрохимические методы будут рассмотрены более детально. 2. КОНДУКТОМЕТРИЯ. КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ Метод кондуктометрии основан на измерении электрической проводимости анализируемого раствора. Электрическая проводимость растворов электролитов пропорциональна их концентрации. К преимуществам метода относят высокую чувствительность ( нижняя граница определяемых концентраций 10–5...10–4 моль/л), возможность исследования окрашенных и мутных растворов. Относительная погрешность метода составляет 0,1...2 %. Кондуктометрические измерения проводят при постоянном или переменном токе. Чаще используют переменный ток, чтобы исключить явления электролиза и поляризации электродов. На рис. 1.1 представлен фрагмент ячейки для измерения электрической проводимости. Платиновые электроды расположены параллельно и имеют одинаковую площадь поверхности. Ячейку включают в качестве одного плеча в компенсационную схему измерения сопротивления (мостик Рис. 2.1. Фрагмент ячейки для измерения электрической проводимости: 1 — платиновый электрод; 2 — клеммы
Уинстона). Электрическое сопротивление раствора электролита R (Ом) можно найти из закона Ома: R U I =, где U — напряжение, В; I — сила тока, А. Электрическая проводимость — величина, обратная сопротивлению: L R =1 . Электрическая проводимость растворов выражается в единицах удельной или молярной электрической проводимости. Удельная электрическая проводимость χ (См/м) — электрическая проводимость раствора объемом 1 м3, находящегося между параллельными электродами с площадью поверхности 1 м2 каждый при grad C = 1. Поскольку R l S =ρ , где ρ — удельное сопротивление, Ом · м; l — длина проводника, м; S – площадь поперечного сечения проводника, м2, можно записать: L l S l S = = 1 ρ χ , где χ – удельная электрическая проводимость, См/м. Отсюда χ =1 R l S , где l S K = – постоянная ячейки, м–1. Постоянную ячейки находят экспериментально с помощью градуировки. Для этого обычно используют растворы хлорида калия KCl, удельная электрическая проводимость которых при различных концентрациях известна с высокой точностью, например, при температуре 18 °С: С(KCl), моль/л.......... 1,0 ∙ 10–3 1,0 ∙ 10–2 0,1 1,0 χ, См/см.................... 1,271 ∙ 10–2 1,225 ∙ 10–1 1,112 8,922
Молярная электрическая проводимость λ м Ом моль 2 ⋅ раствора характеризует проводящую способность всех ионов, образующихся при диссоциации 1 моль электролита в растворе данной концентрации, помещенном между двумя параллельными электродами одинаковой формы и с одинаковой площадью поверхности, расстояние между которыми равно 1 м. Поскольку между электродами находится раствор объемом V (м3), соотношение между χ и λ имеет вид λ χ χ = = V C , где С – молярная концентрация. Если концентрация раствора выражена в моль на литр, то λ χ =10 3C . Молярная электрическая проводимость зависит от подвижности ионов. Ионы, обладающие различными размерами и зарядами, движутся в электрическом поле с разными скоростями. Характеристикой движения ионов в электрическом поле, не зависящей от напряженности, является подвижность u. Для раствора электролита произвольного состава значения χ и λ связаны с подвижностью ионов соотношениями χ = zCF(u+ + u–); λ χ = = + ( ) + − zC F u u . Здесь z — заряд иона; C — концентрация, моль/л; F — постоянная Фарадея; Fu+, Fu– — молярная электрическая проводимость соответствующих ионов. С уменьшением концентрации как сильных, так и слабых электролитов значение λ возрастает и стремится к предельному значению λ∞, которое отвечает электрической проводимости бесконечно разбавленного раствора, характеризующегося полной диссоциацией электролита и отсутствием сил электростатического взаимодействия между ионами: λ∞ = λ+∞ + λ–∞,
Доступ онлайн
В корзину