Elektroanaliza

Elektroanalizę można zdefiniować jako przecięcie chemii analitycznej i elektrochemii.

Elektrochemiczna analiza tym chemii elektro-analitycznej lub analizy elektrochemicznej zwany jest częścią dziedzinie chemii analitycznej i elektrochemiczne . Stosuje się metody elektrochemiczne, w szczególności pomiar prądów i / lub napięć . Ma to na celu osiągnięcie celu analitycznego, np. Na przykład można sformułować stwierdzenia dotyczące rodzaju składników w roztworze (analiza jakościowa) lub określić stężenie (analiza ilościowa). Niektóre metody elektroanalityczne mają duże znaczenie praktyczne i są rutynowo stosowane na całym świecie, na przykład do badań krwi w laboratoriach klinicznych (np. Do oznaczania Ca ²⁺ ). W badaniach elektrochemicznych stosuje się wiele innych metod elektroanalitycznych.

Mnogość metod elektroanalitycznych dzieli się na różne kategorie, w zależności od tego, jaki fizyczny rozmiar ogniwa elektrochemicznego jest kontrolowany i który jest mierzony. Główne kategorie to potencjometria , w której różnica potencjałów dwóch elektrod jest mierzona jako napięcie, amperometria , w której mierzony jest prąd, kulometria , w której określa się ładunek, oraz woltamperometria , w której mierzony jest prąd, zmieniając potencjał elektrody. Ponadto konduktometria i elektrograwimetria należą również do metod elektroanalitycznych.

Potencjometria

Potencjometria z elektrodami jonoselektywnymi

Pomiar wartości pH za pomocą elektrody szklanej, która jest stosowana w wielu laboratoriach, jest jedną z najbardziej znanych metod pomiarowych, w których stężenie (a dokładniej: aktywność ) określa się za pomocą napięcia elektrycznego. Napięcie elektrody szklanej mierzy się względem elektrody odniesienia ; jest to często wbudowane w elektrodę szklaną ( elektroda kombinowana ). Ze względu na pomiar napięcia jest to metoda potencjometryczna. Analogicznie, wszystkie pomiary z elektrodami jonoselektywnymi są potencjometrycznymi oznaczeniami stężeń lub aktywności. Za pomocą elektrod jonoselektywnych określa się stężenia ważnych z medycznego punktu widzenia jonów ( chlorek , H ⁺ oraz kationy sodu , potasu i wapnia ) we krwi i moczu . Dlatego potencjometria jest ważna również w analizie klinicznej, ale także w analizie wody i środowiska, np. B. z elektrodą z selektywnym fluorkiem .

W takich przypadkach pomiar potencjału odbywa się praktycznie bez prądu, dzięki czemu praktycznie nie zmienia się badanego rozwiązania. Odpowiednie urządzenia pomiarowe mogą również podawać wartość pH lub obliczone stężenie zamiast mierzonego napięcia.

Chronopotencjometria

Chronopotencjometria polega na pomiarze potencjału elektrody w funkcji czasu, przy stałym przepływie prądu do elektrody od początku pomiaru. W ten sposób można określić parametry dyfuzyjne składnika roztworu reagującego na elektrodzie, jak zaproponował Heinrich Friedrich Weber w 1879 roku . Ocena pomiarów chronopotencjometrycznych jest zwykle przeprowadzana za pomocą równania Sanda .

Kulometria

W kulometrii określony rodzaj jest przenoszony możliwie całkowicie z jednego stopnia utlenienia na inny za pomocą prądu. Określając całkowite obciążenie, można obliczyć całkowitą ilość. Aby to zrobić , prawa Faradaya służą do zamiany ładunku na ilość lub masę substancji. Jeśli używany jest prąd stały (kulometria galwanostatyczna), ładunek jest po prostu iloczynem prądu i czasu. Można również zastosować stały potencjał (kulometria potencjostatyczna), aby upewnić się, że reagują tylko określone gatunki. Prąd jest następnie całkowany w czasie, aby utrzymać ładunek.

Jednym z najważniejszych i najczęściej stosowanych oznaczeń kulometrycznych jest wariant kulometryczny metody Karla Fischera , który jest stosowany zawsze przy małych zawartościach wody, np. B. w rozpuszczalnikach lub lekach należy dokładnie określić.

Amperometria

Amperometria obejmuje procedury, w których mierzony jest prąd (jednostka: amper ). Po określeniu potencjału elektrody jest to kwestia amperometrii potencjostatycznej. W najprostszym przypadku prąd jest wtedy proporcjonalny do stężenia analitu. Jeśli ocenia się przebieg prądu w czasie, procedura nazywa się chronoamperometrią .

Amperometria potencjostatyczna ma duże znaczenie praktyczne, na przykład jest stosowana w Niemczech w każdym basenie publicznym do regulacji zawartości chloru w wodzie basenowej. Zawartość tlenu w wodzie, np. B. w biologicznym oczyszczaniu ścieków jest często monitorowany za pomocą amperometrycznych czujników tlenu , z. B. z tzw. Elektrodą Clarka .

Woltamperometria

W woltamperometrii - zwykle w ogniwie trójelektrodowym i przy pomocy potencjostatu - zmienia się potencjał elektrody i mierzony jest prąd wynikowy. Dla każdego utleniania lub redukcji występuje wtedy maksimum lub minimum prądu. Rodzaj analitu można wywnioskować z położenia piku, natomiast powierzchnia piku zależy od jego stężenia. Więc w prostych przypadkach dla. B. można zidentyfikować i oznaczyć obok siebie kilka różnych jonów metali. Jeśli potencjał elektrody zmienia się wystarczająco szybko, ilość substancji przekształcanej na małej elektrodzie pozostaje mała, tak że skład roztworu może pozostać praktycznie niezmieniony. Woltamperometria cykliczna jest woltamperometrii metoda pomiaru, który jest rzadko używany w analizie technicznej, ale to liczy się w elektrochemicznej badań podstawowych do głównego procesu rutynowych. Ponieważ mierzony jest prąd, woltamperometrię można również zaliczyć do metod amperometrycznych.

Polarografia

Polarografia jest metodą woltamperometrii wykorzystującą elektrodę rtęciową jako elektrodę roboczą . Ze względu na wysokie przepięcie wodoru w stosunku do rtęci można oznaczyć wiele jonów metali bez zakłócającego rozwoju wodoru.

Historyczny

Już w 1801 roku, zaraz po odkryciu elektrolizy, William Cruickshank zasugerował, że elektroliza może być również stosowana do wykrywania jonów metali, np. B. miedzi, można zastosować. Następnie elektroliza była stosowana jako pomoc w jakościowej analizie chemicznej. Jeśli w analizie pomocne było oddzielenie pewnych jonów metali, to te jony metali zostały zredukowane katodowo. Powstały metal został następnie rozpuszczony w kwasie azotowym i nadal wykrywany przy użyciu mokrej metody chemicznej. Od 1860 roku Oliver Wolcott Gibbs wprowadził elektrograwimetrię jako pierwszą ilościową metodę elektroanalityczną. W 1890 roku Edgar Fahs Smith opublikował pierwszy podręcznik dotyczący analizy elektrycznej; ten był wielokrotnie przedrukowywany (1894, 1902, 1907). Od 1921 roku Jaroslav Heyrovský rozwijał polarografię. Za to otrzymał w 1959 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii . Journal of Chemistry elektroanalityczne zostały opublikowane przez Elsevier od sierpnia 1959 roku, a od stycznia 1989 roku czasopismo Elektroanaliza przez John Wiley & Sons .

literatura

• Joseph Wang: Elektrochemia analityczna . 3. Wydanie. John Wiley & Sons, Chichester 2006, ISBN 978-0-471-67879-3 . 
• Hubert H. Girault: Elektrochemia analityczna i fizyczna . EPFL Press / Marcel Dekker, Inc, Lausanne 2004, ISBN 2-940222-03-7 ( ograniczony podgląd w wyszukiwarce książek Google). 
• Kenneth I. Ozomwna (red.): Ostatnie postępy w elektrochemii analitycznej 2007 . Wydanie 1. Transworld Research Network, 2007, ISBN 978-81-7895-274-1 . 
• Edouard Albert Marie Fernand Dahmen: Elektroanaliza . Teoria i zastosowania w wodnych i niewodnych mediach oraz w automatycznej kontroli chemicznej (=  Techniques and Instrumentation in Analytical Chemistry . Volume 7 ). Elsevier Science Publishing, Amsterdam / Oxford / New York / Tokyo 1986, ISBN 978-0-444-42534-8 ( ograniczony podgląd w wyszukiwarce książek Google). 

linki internetowe

• Stephan Steinmann: Electroanalytical Methods (PDF) 24 października 2006.

Indywidualne dowody

1. ↑ ^{a b} Branko N. Popov: Chronopotentiometry . W: Advanced Topics in Electrochemical Science & Corrosion Engineering ECHE 789b, Theory and Applications, jesień 2003 . 25 kwietnia 2002, rozdział 7 ( che.sc.edu [PDF; dostęp 31 grudnia 2015]). 
2. ↑ Heinrich Friedrich Weber : Badania dotyczące elementarnego prawa hydrodyfuzji . 25 listopada 1878 r. W: Gustav Heinrich Wiedemann (red.): Annals of Physics and Chemistry . taśma 243 , nie. 7 . Wydawca Johann Ambrosius Barth, Lipsk 1879, s. 469–487 , doi : 10.1002 / andp.18792430708 ( zs.thulb.uni-jena.de [PDF] online na stronach Gallica - Bibliothèque nationale de France ). 
3. ^ ^{A b c} Edgar Fahs Smith: Electro-Analysis . P. Blakiston's Son & Co., Filadelfia 1907, 4. Historyczne, s. 19–32 (dostępne online w witrynie Internet Archive [dostęp 2 stycznia 2016 r.]).