|
|
Курсовая ФХМА. Электрохимические методы определения состава водных растворов
МИНИСTЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М.Кирова» (СЛИ)
Кафедра химии
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Аналитическая химия и ФХМА»
на тему «Электрохимические методы определения состава водных растворов»
Направление подготовки: 18.03.01 «Химическая технология»
Направленность (профиль): «Технология и оборудование химической переработки древесины»
Программа подготовки: академический бакалавриат
Факультет лесного и сельского хозяйства
Кафедра: «Химическая технология и техносферная безопасность»
Форма обучения: заочная
Курс: 3
Год начала подготовки: 2020 г.
Выполнил: студент группы № АБ 3310
Северьянов М. М.__________________
(Ф. И. О.)
Проверил:
Белый В. А._______________________
(Ф. И. О.)
Оценка: _______ Подпись __________
Сыктывкар 2023 г
Содержание
Введение………………………………………………………………………………2
1 Общие понятия. Классификация электрохимических методов анализа………..3
2 Потенциометрические методы анализа…………………………………………...5
2.1 Принцип метода…………………………………………………………………..5
2.2 Прямая потенциометрия………………………………………………………..10
2.3 Потенциометрическое титрование……………………………………….…….12
3 Кондуктометрический метод анализа…………………………………………....14
3.1 Принцип метода. Основные понятия…………………………………………..14
3.2 Прямая кондуктометрия…………………………………………….…………..16
3.3 Кондуктометрическое титрование……………………………………………..18
4 Кондуктометрический анализ……………………………………………………19
4.1 Принцип метода…………………………………………………………………19
4.2 Количественный полярографический анализ…………………………………21
4.3 Применение полярографии………………………………………….………….23
5 Амперометрическое титрование…………………………………………………25
6 Кулонометрический анализ………………………………………………………28
6.1 Принцип метода…………………………………………………………………28
6.2 Прямая кулонометрия…………………………………………………………..29
6.3 Кулонометрическое титрование ……………………………………….………31
Заключение………………………………………………………………………….36
Список литературы…………………………………………………………………37
Введение
Электрохимические методы анализа — это совокупность методов качественного и количественного анализа, основанных на электрохимических явлениях, происходящих в исследуемой среде или на границе раздела фаз и связанных с изменением структуры, химического состава или концентрации анализируемого вещества.
Электрохимические методы анализа делятся на пять основных групп: потенциометрию, вольтамперометрию, кулонометрию, кондуктрометрию и амперометрию.
Применение данных методов в количественном анализе основано на зависимости величин измеряемых параметров при протекании электрохимического процесса от отделяемого вещества в анализируемом растворе, участвующем в данном электрохимическом процессе. К таким параметрам можно отнести разность электрических потенциалов, количество электричества. Электрохимические процессы — это процессы, которые одновременно сопровождаются протеканием химической реакции и изменением электрических свойств системы, которую в подобных случаях можно назвать электрохимической системой. В аналитической практике, электрохимическая система обычно содержит электрохимическую ячейку, включающую сосуд с электропроводящим анализируемым раствором, в который погружены электроды.
Различают прямые и косвенные электрохимические методы. В прямых методах используют зависимость силы тока (потенциала и тому подобное) от концентрации определяемого компонента. В косвенных методах силу тока (потенциал и тому подобное) измеряют с целью нахождения конечной точки титрования определяемого компонента подходящим титрантом, то есть используют зависимость измеряемого параметра от объема титранта.
1 Общие понятия. Классификация электрохимических методов анализа.
Электроаналитическая химия включает электрохимические методы анализа, основанные на электродных реакциях и на переносе электричества через растворы.
Применение электрохимических методов в количественном анализе базируется на использовании зависимостей величин измеряемых параметров электрохимических процессов (разность электрических потенциалов, ток, количество электричества) от содержания определяемого вещества в анализируемом растворе, участвующего в данном электрохимическом процессе. Электрохимические процессы - такие процессы, которые сопровождаются одновременным протеканием химических реакций и изменением электрических свойств системы, которую в подобных случаях можно назвать электрохимической системой. В аналитической практике электрохимическая система обычно содержит электрохимическую ячейку, включающую сосуд с электропроводящим анализируемым раствором, в который погружены электроды.
Классификация электрохимических методов анализа. Электрохимические методы анализа классифицируют по-разному. Классификация, основанная на учете природы источника электрической энергии в системе. Различают две группы методов:
Методы без наложения внешнего (постороннего) потенциала.
Источником электрической энергии служит сама электрохимическая система, представляющая собой гальванический элемент (гальваническую цепь). К таким методам относятся потенциометрические методы. Электродвижущая сила - ЭДС - и электродные потенциалы в такой системе зависят от содержания определяемого вещества в растворе.
Методы с наложением внешнего (постороннего) потенциала. К таким методам относятся:
кондуктометрический анализ - основан на измерении электрической проводимости растворов как* функции их концентрации;
вольтамперометрический анализ - основан на измерении тока как функции приложенной известной разности потенциалов и концентрации раствора;
кулонометрический анализ - основан на измерении количества электричества, прошедшего через раствор, как функции его концентрации;
электрогравиметрический анализ - основан на измерении массы продукта электрохимической реакции.
Классификация по способу применения электрохимических методов. Различают прямые и косвенные методы.
Прямые методы. Измеряют электрохимический параметр как известную функцию концентрации раствора и по показанию соответствующего измерительного прибора находят содержание определяемого вещества в растворе.
Косвенные методы - это методы титрования, в которых окончание титрования фиксируют на основании измерения электрических параметров системы.
В соответствии с данной классификацией различают, например, прямую кондуктометрию и кондуктометрическое титрование.
2 Потенциометрический метод анализа
2.1 Принцип метода
Потенциометрический анализ основан на измерении ЭДС и электродных потенциалов как функции концентрации анализируемого раствора.
Если в электрохимической системе - в гальваническом элементе -на электродах протекает реакция:
±ne
аА+bВ<>dD + еЕ
с переносом п электронов, то уравнение Нернста для ЭДС Е этой реакции имеет вид:
E꞊E˚- RTnFlnaDda Eea(A)a aBb
где, как обычно, Е° - стандартная ЭДС реакции (разность стандартных электродных потенциалов), R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, при которой протекает реакция, F - число Фарадея; а(А), a(В), a(D) и я(Е) - активности реагентов - участников реакции. Уравнение (10.1) справедливо для ЭДС обратимо работающего гальванического элемента.
Для комнатной температуры уравнение (10.1) можно представить в форме:
E꞊E˚- 0,059nlnaDda Eea(A)a aBb
В условиях, когда активности реагентов приблизительно равны их концентрации, уравнение (1) переходит в уравнение (3):
꞊E˚- RTnFlncDdc EecAa aBb
где с(А), с(В), с(Е), c(D) - концентрации реагентов. Для комнатной температуры это уравнение можно представить в виде:
꞊E˚- 0,059nlncDdc EecAa aBb
При потенциометрических измерениях в электрохимической ячейке используют два электрода: индикаторный электрод, потенциал которого зависит от концентрации определяемого (потенциалопределяющего) вещества в анализируемом растворе, и электрод сравнения, потенциал которого в условиях проведения анализа остается постоянным. Поэтому величину ЭДС, определяемую уравнениями (1)-(4), можно рассчитать, как разность реальных потенциалов этих двух электродов.
В потенциометрии используют электроды следующих типов: электроды первого, второго рода, окислительно-восстановительные, мембранные электроды.
Электроды первого рода — это электроды, обратимые по катиону, общему с материалом электрода. Различают три разновидности электродов первого рода.
а) Металл М, погруженный в раствор соли того же металла. На поверхности таких электродов протекает обратимая реакция:
Мn+ + пе = М
Реальный потенциал такого электрода первого рода зависит от активности a(Mn+) катионов металла и описывается уравнениями (5)-(8).
В общем случае для любой температуры:
꞊E˚+ RTnFln a(Mn+)
Для комнатной температуры:
꞊E˚+ 0,059nln a(Mn+)
При малых концентрациях c(Mn+), когда активность a(Mn+)катионов металла приблизительно равна их концентрации:
꞊E˚+ RTnFln c(Mn+)
Для комнатной температуры:
꞊E˚+ 0,059nln c(Mn+)
б) Газовые электроды, например, водородный электрод, в том числе и стандартный водородный электрод. Потенциал обратимо работающего газового водородного электрода определяется активностью ионов водорода, т.е. величиной рН раствора, и при комнатной температуре равен:
꞊E˚+ 0,059 lg а(Н30+) = 0,059 lg а(Н3О+ ) = -0,059рН
поскольку для водородного электрода стандартный потенциал принимается равным нулю (£° =0), а в соответствии с электродной реакцией:
Н++е = Н
число электронов, участвующих в этой реакции, равно единице: п = 1.
в) Амальгамные электроды, представляющие собой амальгаму металла, погруженную в раствор, содержащий катионы того же металла. Потенциал таких электродов первого рода зависит от активности a(Mn+) катионов металла в растворе и активности я(М) металла в амальгаме:
꞊E˚+ RTnFlna(Mn+)a(M)
Амальгамные электроды обладают высокой обратимостью.
Электроды второго рода обратимы по аниону. Различают следующие виды электродов второго рода.
а) Металл, поверхность которого покрыта малорастворимой солью этого же металла, погруженный в раствор, содержащий анионы, входящие в состав этой малорастворимой соли. Примером могут служить хлорсеребряный электрод Ag|AgCl, КС1 или каломельный электрод Hg|Hg2Cl2, КС1.
Хлорсеребряный электрод состоит из серебряной проволоки, покрытой малорастворимой в воде солью AgCI, погруженной в водный раствор хлорида калия. На хлорсеребряном электроде протекает обратимая реакция
Каломельный электрод состоит из металлической ртути, покрытой пастой малорастворимого хлорида ртути (1) Hg2Cl2 - каломели, контактирующей с водным раствором хлорида калия. На каломельном электроде протекает обратимая реакция:
Cl2 + 2е = 2Hg + 2СГ.
Реальный потенциал электродов второго рода зависит от активности анионов и для обратимо работающего электрода, на котором протекает реакция:
+ ne = М + Аn-
описывается уравнениями Нернста (9)-(12).
В общем случае при любой приемлемой температуре Т:
꞊E˚- RTnFln a(An-)
Для комнатной температуры:
꞊E˚- 0,059nln a(An-)
Для условий, в которых активность анионов приблизительно равна их концентрации с(А"):
E꞊E˚- RTnFln c(An-)
Для комнатной температуры:
꞊E˚- 0,059nln c(An-)
Так, например, реальные потенциалы Е1 и E2 соответственно хлор-серебряного и каломельного электродов при комнатной температуре можно представить в виде:
꞊E1˚- 0,0591g a(Cl-),꞊E2˚- 0,0591g a(Cl-).
Электроды второго рода обладают высокой обратимостью и стабильны в работе, поэтому их часто используют в качестве электродов сравнения, способных устойчиво поддерживать постоянное значение потенциала.
б) Газовые электроды второго рода, например, хлорный электрод Pt, Cl2 КС1. Газовые электроды второго рода в количественном потенциометрическом анализе применяются редко.
Окислительно-восстановительные электроды состоят из инертного материала (платина, золото, вольфрам, титан, графит и др.), погруженного в раствор, содержащий окисленную Ох и восстановленную Red формы данного вещества. Существуют две разновидности окислительно-восстановительных электродов:
а) электроды, потенциал которых не зависит от активности ионов водорода, например, Pt | FeCl3, FeCI2, Pt | K3[Fe(CN)6], K4[Fe(CN)6] и т.д.;
б) электроды, потенциал которых зависит от активности ионов водорода, например, хингидронный электрод.
На окислительно-восстановительном электроде, потенциал которого не зависит от активности ионов водорода, протекает обратимая реакция:
Ох + пе = Red
Реальный потенциал такого окислительно-восстановительного электрода зависит от активности окисленной и восстановленной форм данного вещества и для обратимо работающего электрода описывается, в зависимости от условий (по аналогии с вышерассмотренными потенциалами), уравнениями Нернста (13)-(16):
꞊E˚+ RTnFln a (Ox)a (Red)꞊E˚+ 0,059nlg a (Ox)a (Red)꞊E˚+ RTnFln c(Ox)c (Red)꞊E˚+ 0,059nlg c (Ox)c(Red)
Если в электродной реакции участвуют ионы водорода, то их активность (концентрацию) учитывают в соответствующих уравнениях Нернста для каждого конкретного случая.
Мембранные, или ион-селективные, электроды - электроды, обратимые по тем или иным ионам (катионам или анионам), сорбируемым твердой или жидкой мембраной. Реальный потенциал таких электродов зависит от активности тех ионов в растворе, которые сорбируются мембраной. Мембранные электроды с твердой мембраной содержат очень тонкую мембрану, по обе стороны которой находятся разные растворы, содержащие одни и те же определяемые ионы, но с неодинаковой концентрацией: раствор (стандартный) с точно известной концентрацией определяемых ионов и анализируемый раствор с неизвестной концентрацией определяемых ионов. Вследствие различной концентрации ионов в обоих растворах ионы на разных сторонах мембраны сорбируются в неодинаковых количествах, неодинаков и возникающий при сорбции ионов электрический заряд на разных сторонах мембраны. Как результат возникает мембранная разность потенциалов.
Как уже говорилось выше, при потенциометрических измерениях электрохимическая ячейка включает два электрода - индикаторный электрод и электрод сравнения. Величина ЭДС, генерируемой в ячейке, равна разности потенциалов этих двух электродов. Поскольку потенциал электрода сравнения в условиях проведения потенциометрического определения остается постоянным, то ЭДС зависит только от потенциала индикаторного электрода, т.е. от активностей (концентраций) тех или иных ионов в растворе. На этом и основано потенциометрическое определение концентрации данного вещества в анализируемом растворе.
Для потенциометрического определения концентрации вещества в растворе применяют как прямую потенциометрию, так и потенциометрическое титрование, хотя второй способ используется намного чаще первого.
2.2 Прямая потенциометрия
Определение концентрации вещества в прямой потенциометрии проводят обычно методом градуировочного графика или методом добавок стандарта.
а) Метод градуировочного графика. Готовят серию из 5-7 эталонных растворов с известным содержанием определяемого вещества. Концентрация определяемого вещества и ионная сила в эталонных растворах не должны сильно отличаться от концентрации и ионной силы анализируемого раствора: в этих условиях уменьшаются ошибки определения.
Ионную силу всех растворов поддерживают постоянной. Введением индифферентного электролита. Эталонные растворы последовательно вносят в электрохимическую (потенциометрическую) ячейку. Обычно эта ячейка представляет собой стеклянный химический стакан, в который помещают индикаторный электрод и электрод сравнения.
Измеряют ЭДС эталонных растворов, тщательно промывая дистиллированной водой электроды и стакан перед заполнением ячейки каждым эталонным раствором. По полученным данным строят градуировочный график в координатах ЭДС-lg с, где с - концентрация определяемого вещества в эталонном растворе. Обычно такой график представляет собой прямую линию. Затем в электрохимическую ячейку вносят (после промывания ячейки дистиллированной водой) анализируемый раствор и измеряют ЭДС ячейки. По градуировочному графику находят lg с(Х), где с(Х) - концентрация определяемого вещества в анализируемом растворе.
б) Метод добавок стандарта. В электрохимическую ячейку вносят известный объем V(X) анализируемого раствора с концентрацией с(Х) и измеряют ЭДС ячейки. Затем в тот же раствор прибавляют точно измеренный небольшой объем стандартного раствора V(ст) с известной, достаточно большой, концентрацией с(ст) определяемого вещества и снова определяют ЭДС ячейки.
Рассчитывают концентрацию с(Х) определяемого вещества в анализируемом растворе по формуле (10.17):
с(Х)= с(ст) V ( ст)V X+ V (ст)[10n△E0,059- V(X)VX+ V(ст)]
где △E - разность двух измеренных значений ЭДС, п - число электронов, участвующих в электродной реакции.
Применение прямой потенциометрии. Метод применяется для определения концентрации ионов водорода (рН растворов), анионов, ионов металлов (ионометрия).
Большую роль при использовании прямой потенциометрии играют выбор подходящего индикаторного электрода и точное измерение равновесного потенциала.
При определении рН растворов в качестве индикаторных используют электроды, потенциал которых зависит от концентрации ионов водорода: стеклянный, водородный, хингидронный и некоторые другие. Чаще применяют мембранный стеклянный электрод, обратимый по ионам водорода. Потенциал такого стеклянного электрода определяется концентрацией ионов водорода, поэтому ЭДС цепи, включающей стеклянный электрод в качестве индикаторного, описывается при комнатной температуре уравнением:
= K + 0,059рН,
где постоянная К зависит от материала мембраны, природы электрода сравнения. Стеклянный электрод позволяет определять рН в интервале рН = 0-10 (чаще - в диапазоне рН = 2-10) и обладает высокой обратимостью и стабильностью в работе.
Хингидронный электрод, часто применявшийся ранее, - это окислительно-восстановительный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов водорода. Он представляет собой платиновую проволоку, погруженную в раствор кислоты (обычно НС1), насыщенный хингидроном - эквимолекулярным соединением хинона с гидрохиноном состава С6Н402 • С6Н4(ОН)2 (темно-зеленый порошок, малорастворимый в воде). Схематическое обозначение хингидронного электрода: Pt | хингидрон, НС1.
На хингидронном электроде протекает окислительно-восстановительная реакция:
С6Н402 + 2Н+ + 2е = С6Н4(ОН)2
Потенциал хингидронного электрода при комнатной температуре описывается формулой
= E°-0,059рН.
Хингидронный электрод позволяет измерять рН растворов в интервале рН = 0-8,5. При рН < 0 хингидрон гидролитически расщепляется: при рН > 8,5 гидрохинон, являющийся слабой кислотой, вступает в реакцию нейтрализации, Хингидронный электрод нельзя применять в присутствии сильных окислителей и восстановителей.
К достоинствам прямой потенциометрии относятся простота и быстрота проведения измерений, для измерений требуются небольшие объемы растворов. |
|
|
Скачать 55.33 Kb.