Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Átírás

1 Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika Anyagvizsgálati módszerek Pannon Egyetem Mérnöki Kar Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 1/ 18

2 Potenciometria Potenciometria olyan analitikai eljárások tartoznak melyek során a koncentráció meghatározására szolgáló jel egyenáramú villamos potenciálkülönbség. A potenciálkülönbség mérése két elektródból képzett galvánelem kapocsfeszültségének, illetve elektromotoros erejének mérésén alapul. direkt potenciometria: közvetlen koncentráció meghatározás közvetett potenciometria: reakciók végpontjának jelzése Ha nem folyik áram a rendszeren: beállhat az elektrokémiai egyensúly, érvényesek az egyensúlyban lévő elektródokra vonatkozó összefüggések, a mérés alapja galvánelem elektromotoros ereje. Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 2/ 18

3 Elektród fajták Referencia/indikátor Referencia elektród potenciálját a mérési körülmények között állandónak tekintjük Indikátor elektród potenciálja változik a mérendő komponens koncentrációjának, vagy koncentrációváltozásának függvényében Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 3/ 18

4 Potencimetriás mérések kivitelezése Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 4/ 18

5 Elektród fajták Elsőfajú Elsőfajú elektród a fém saját ionjait tartalmazó elektrolit-oldatba merül Nernst egyenlet M M z+ + z e E = E 0 + R T z F ln c M z+ ahol E az elektródpotenciál, E 0 standard potenciál, R egyetemes gázállandó, T abszolut hőmérséklet, F Faraday állandó és c M z+ a fémion koncentrációja. Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 5/ 18

6 Elektród fajták Másodfajú Másodfajú elektród egy fém merül a saját, vízben rosszul oldódó sóját és ennek a sónak az anionját egy jól oldódó sóként tartalmazó oldatba. Pl. higany merül kalomelt (Hg 2 Cl 2 ) és KCl-t tartalmazó vizes oldatba, vagy ezüst merül ezüst-kloridot és KCl-t tartalmazó oldatba. Elektród potenciált a fémion oldhatósága szabja meg. Ez az anionkoncentráció függvénye. Kalomel elektród esetén pl.: E = E 0 + R T F ln c Hg 2+ = E 0 + R T 2 F ln K R T F ln c Cl ahol K a kalomel oldhatósági szorzata. Gyakran alkalmazott referencia elektródok. Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 6/ 18

7 Elektród fajták Ionszelektív Ionszelektív elektród Ioncsere elvén működnek és a potenciál meghatározó ionra (többé-kevésbé) szelektívek. Egy membrán két oldalán lévő ionok csak korlátozott mértékben képesek áthatolni. Ha az egyik ion számára a membrán átjárható, a másik számára pedig nem, akkor egyik koncentrációja sem egyenlítődik ki teljes mértékben a fellépő potenciál miatt. A kialakuló egyensúly a membrán egyensúly, az ezt jellemző potenciál pedig a Donnan-potenciál. üveg elektródok (H +, Li +, K + ), csapadékalapú elektródok (Ag +, CN, F, Cl, Br, I ), komplexometriás elektródok (Ca 2+ ), gázelektródok (CO 2, NH 3, HCN). Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 7/ 18

8 Direkt potenciometria ph mérés ph A ph (pondus hidrogenii, latinul potentia hydrogeni, hidrogénion-kitevő) dimenzió nélküli kémiai mennyiség, mely egy adott oldat kémhatását (savasságát vagy lúgosságát) jellemzi. Híg vizes oldatokban a ph egyenlő az oxóniumion-koncentráció negatív tízes alapú logaritmusával. vagy egyszerűbben: ph = log 10 [H 3 O + ] = lg[h 3 O + ] ph = log 10 [H + ] = lg [H + ] Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 8/ 18

9 Vizes oldatok ph-ja 0 < ph < 14 tiszta vízben és semleges kémhatású oldatokban: ph = 7 savas közegben megnő az oxónium ionok moláris koncentrációja: ph < 7 lúgos közegben lecsökken az oxónium ionok moláris koncentrációja: ph > 7 oldat ph oldat ph Akkumulátorsav 1 Kávé 5 Gyomorsav 1 1,5 Tej 6,5 Coca-Cola 2 3 Víz 6,0 8,5 Narancslé, almalé 3,5 Vér 7,4 Bor 4 Hipó 12,5 Sör 4,5 5 Vörösiszap >13 Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 9/ 18

10 ph mérés Közvetlen potenciometria Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 10/ 18

11 Kalibráció ph mérés előtt!! Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 11/ 18

12 Elektródok Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 12/ 18

13 Coulometria Coulometriás módszerek Olyan elektrokémiai eljárások tartoznak, amelyek a mérendő komponens meghatározását Faraday II. törvényére vezetik vissza. A meghatározandó komponens mennyiségét az elektródreakcióban felvett, vagy leadott elektromos töltés mérésére vezeti vissza. Faraday II. törvénye Adott elektromos töltésmennyiséggel (Q) elektrolizált anyag mennyisége arányos az anyag kémiai egyenértéksúlyával (M/z). m = Q F M z 1 mol egyszeres töltésű ion semlegesítéséhez C töltésre van szükség. Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 13/ 18

14 Ellenőrzött potenciálon végzett coulometria Olyan E potenciált választunk, amelyen a mérés alapját képező elektródfolyamat nagy hatásfokú (ideális esetben 100%). Az áramerősség az átalakuló komponens koncentráció csökkenése miatt a maradékáramig csökken. i(t) = z F A D c(t) δ Q = te 0 ( exp D A ) V δ t i(t)dt Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 14/ 18

15 Ellenőrzött potenciálon végzett coulometria Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 15/ 18

16 Állandó áramerősség mellett végzett coulometria Állandó áramerősség alkalmazása esetén a meghatározás során felhasznált töltés mennyiségének meghatározáshoz elég mérni az időt. Amperosztát segítségével végezzük. A meghatározás folyamán a potenciál folyamatosan változik. Megtörténhet, hogy megindul valamilyen zavaró elektródreakció áramhatásfok < 100%. i(t) = K Q = K t Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 16/ 18

17 Coulometriás készülék Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 17/ 18

18 SO 2 gáz folyamatos meghatározása a levegőből elnyelt SO 2 az anódon fejlődő Br 2 -vel reagál 2Br = Br 2 + 2e Br 2 + SO H 2 O = SO Br + 2H + SO 2 hiányába a Br 2 termelés és a meghatározás leáll A felhasznált Q = I t arányos az SO 2 -vel. Anyagvizsgálati módszerek Optikai módszerek 18/ 18