способ электрохимического анализа

Формула изобретения

Способ электрохимического анализа, включающий титрование анализируемого раствора с добавлением титранта и определение объема титранта в конечной точке титрования, путем измерения силы тока двумя платиновыми электродами, отличающийся тем, что титрант добавляют однократно, а измерение силы тока производят одновременно с добавлением титранта, а для измерения силы тока используют платиновые электроды, площади поверхностей которых соотносятся как 1:2, и при измерении силы тока первоначально в качестве анода используют электрод с большей площадью поверхности, после чего меняют полярность и вторично проводят измерение силы тока, используя в качестве анода электрод с меньшей площадью поверхности, и по формуле (I) определяют объем титранта в конечной точке, где V - объем добавленного раствора титранта; S_a - площадь анода; S_к - площадь катода; i' - сила тока, когда в качестве анода используют электрод с большей площадью поверхности; i'' - сила тока, когда в качестве анода используют электрод с меньшей площадью поверхности; V_т.э - объем титранта в конечной точке титрования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для количественного определения веществ, являющихся компонентами обратимых окислительно-восстановительных систем.

Известен способ электрохимического анализа многокомпонентных растворов в широком диапазоне концентраций, включающий потенциостатическое концентрирование анализируемых элементов на рабочем электроде, последующее растворение осадка в гальваностатическом режиме, повторение циклов растворения и осаждения, между операциями растворения и осаждения изменяют направление тока, осуществляют контроль временных интервалов осаждения, расчет величины заряда и оценку концентрации определяемого компонента в пробе, при этом второе и последующие осаждения проводят в гальваностатическом режиме до значения потенциала, соответствующего началу растворения определяемого компонента [1].

К недостаткам следует отнести сложность проведения анализа.

Известен способ определения борной кислоты электрохимическим способом титрования, включающий титрование анализируемого раствора с добавлением титранта, определение конечной точки титрования с помощью двух электродов индикаторного электрода и сравнительного электрода [2].

Известен способ определения технеция электрохимическим способом титрования, который заключается в титровании предварительно окисленного технеция в растворе электролита и определении точки эквивалентности амперометрическим методом с двумя индикаторными электродами [3].

К недостаткам следует отнести ограниченность применения способа, а именно только для исследования раствора, содержащего технеций.

Наиболее близким по технической сущности является способ электрохимического анализа, включающий титрование раствора, содержащего определяемый ион, путем погружения в раствор двух одинаковых платиновых электродов и наложения на них постоянного напряжения, величина которого лежит в пределах 0,01-0,5 В. Ток, проходящий через ячейку, измеряют гальванометром; раствор во время титрования равномерно перемешивают. Из бюретки постепенно добавляют раствор титранта, фиксируя после добавления каждой порции титранта силу тока в цепи. Строят зависимость силы тока от объема добавленного титранта (кривую титрования) [4].

Кривая титрования для примеров табл.1 выглядит следующим образом (фиг.1).

В этом случае (см. фиг.1) вблизи конечной точки титрования наблюдается быстрое уменьшение силы тока. Определение конечной точки титрования проводится графически по построенной кривой титрования. Проводятся касательные к относительно линейным участкам кривой. Из точки их пересечения опускается перпендикуляр на ось объемов, находится конечная точка титрования V_т.э , рассчитывается неизвестная концентрация анализируемого вещества. Сила тока, проходящего через ячейку, согласно уравнению Делахея равна:

где n - число электронов, участвующих в обратимой окислительно-восстановительной реакции, Т - абсолютная температура, V - объем добавленного раствора титранта, V_т.э - объем титранта в конечной точке титрования ( - степень оттитрованности), С⁰ - исходная концентрация определяемого титруемого вещества, U_C - приложенное к электродам напряжение.

Уравнение выведено в предположении, что:

1) величина U_c достаточно мала;

2) титруемое вещество и возникший из него при реакции продукт являются обратимой парой;

3) коэффициент пропорциональности Р для анодного и катодного процессов равны.

Из уравнения следует, что при прочих равных условиях сила тока определяется объемом добавленного титранта.

К недостаткам известного способа следует отнести то, что многократное добавление равных порций раствора титранта и измерение величины силы тока, а также построение графика для определения конечной точки титрования требует достаточно много времени, а также не исключается графическая ошибка определения конечной точки титрования, связанная с построением кривой титрования. Также на процесс титрования расходуется достаточно большой объем титранта и требуется специальное оборудование для титрования, например, бюретки.

Изобретением решается задача расширения арсенала аналитических способов электрохимического анализа, уменьшающего продолжительность титрования и сокращающего время определения конечной точки титрования.

Техническим результатом является упрощение способа и повышение точности электрохимического анализа.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе электрохимического анализа, включающего титрование анализируемого раствора с добавлением титранта и определение объема титранта в конечной точке титрования, путем измерения силы тока анализируемого раствора двумя платиновыми электродами, согласно изобретению титрант добавляют однократно, а измерение силы тока производят одновременно с добавлением титранта, и для измерения силы тока используют платиновые электроды, площади поверхностей которых соотносятся как 1:2, и при измерении силы тока первоначально в качестве анода используют электрод с большей площадью поверхности, после чего меняют полярность и вторично проводят измерение силы тока, используя в качестве анода электрод с меньшей площадью поверхности, и по формуле (2) определяют объем титранта в конечной точке, где S_a - площадь анода; S_к - площадь катода; i' - сила тока при первоначальном измерении, когда в качестве анода используют электрод с большей площадью поверхности; i'' - сила тока при измерении полярности, когда в качестве анода используют электрод с меньшей площадью поверхности.

Способ осуществляется следующим образом: в ячейку для титрования помещается аликвотная часть (20-25 мл) титруемого раствора, содержащего определяемый ион. В раствор погружены платиновые проволочные электроды одинакового диаметра, но разной длины, с поверхностями S₁ и S₂ мм². На электроды наложено постоянное напряжение, величина которого лежит в пределах 0,01-0,5 В. Электрод с большей площадью поверхности подключается к положительному полюсу источника напряжения. С помощью шприца-дозатора добавляется V мл раствора титранта. Раствор перемешивается. С помощью гальванометра измеряется сила тока между электродами (i'). Меняется полярность электродов (платиновые проволоки меняются местами) и снова измеряется сила тока в цепи (i''). По уравнению (2) определяется объем титранта в конечной точке титрования.

Рассмотрим на примере (см. фиг. 2). При одном и том же объеме добавленного титранта V токи, измеренные при изменении полярности электродов, будут отличаться.

Когда электроды имеют разную площадь поверхности, то уравнение Делахея (1) можно записать в виде:

- в случае, когда электрод с большей площадью поверхности является анодом:

- в случае, когда электрод с большей площадью поверхности является катодом, а в качестве анода используют электрод с меньшей площадью поверхности (изменена полярность электродов):

Разделим уравнение (3) на (4) и получим:

Решим уравнение (5) относительно :

Зная , для нахождения конечной точки титрования можно воспользоваться уравнением (6): где V - объем добавленного раствора титранта.

В общем виде уравнение можно записать:

Для доказательства осуществимости данного способа было проведено определение воды в разных порциях хлороформа методом амперометрического титрования, согласно ГОСТ 14870-77 - Методы определения воды - и предлагаемым расчетным способом определения конечной точки титрования. Результаты определения приведены в таблице.

Аналогичным образом проведено титрование раствора, содержащего ион двухвалентного железа (см. табл.1), раствором перманганата калия. Проводилось определение обычным способом - с неоднократным добавлением титранта и построением кривой титрования, и предлагаемым методом. Результаты определения приведены в таблице.

[5]		[предлаг.]
Vт.э., мл			Vт.э., мл
12,00	0,0120	1,20	11,10	0,0111
		3,00	12,10	0,0121
		6,00	11,90	0,0119

- Из таблиц следует, что сопоставительные результаты, полученные по предлагаемому способу, с результатами определения по ГОСТу (прототип) идентичны. Но преимущество при расчетном способе определения конечной точки титрования состоят в том, что исключается операция титрования, т.е. многократное добавление равных порций раствора титранта и измерение величины силы тока.

- Исключается графическая ошибка определения конечной точки титрования, связанная с построением кривой титрования.

- Уменьшается время определения.

- Сокращается расход раствора титранта, необходимый для анализа.

- Происходит замена бюреток на более простые в использовании шприцы-дозаторы.

Источники информации

1. Патент РФ №2199734, G 01 N 27/48, 27.02.2003.

2. Патент РФ №2035041, G 01 N 31/16, 10.05.1995.

3. Патент РФ №2132552, G 01 N 27/48, 27.06.1999.

4. Делахей П. Новые приборы и методы в электрохимии. М.: Иностр. лит-ра, 1957.

5. Сонгина О.А., Захаров В.А. Амперометрическое титрование. М.: Химия, 1979.