Politechnika Łódzka Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności

Ćwiczenie 1

Polarograficzna metoda oznaczania śladowych ilości Pb(II)

w obecności innych jonów metali w próbie badanej

1.Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z możliwościami użycia technik

woltamperometrycznych i polarograficznych do oznaczania wybranego składnika

tu - jony Pb2+

w próbie: wody, gleby lub materiału roślinnego w obecności innych metali.

2. Wstęp teoretyczny

Polarografia należy do metod woltamperometrycznych, które polegają na realizowaniu

i analizowaniu zależności natężenia prądu od napięcia przykładanego z zewnątrz do elektrod

znajdujących się w naczyńku elektrolitycznym. Jedna z elektrod wchodząca w skład układu

elektrolitycznego ulega polaryzacji (może to być katoda lub anoda). W metodzie tej

wykorzystuje się zjawisko elektrolizy, która nie zachodzi w całej objętości roztworu ale

jedynie w warstwie dyfuzyjnej bezpośrednio przy polaryzowanej elektrodzie. W związku z

tym stężenia składników roztworu w dostatecznie dużej odległości od elektrody pozostają nie

zmienione.

Polarografia jest szczególnym przypadkiem woltamperometrii z zastosowaniem elektrody

rtęciowej. W praktyce stosuje się kilka technik polarograficznych, należą do nich m.in.:

a) polarografia stałoprądowa, w której do kroplowej elektrody rtęciowej jest

przykładany potencjał zmieniający się liniowo w czasie,

b) polarografia zmiennoprądowa, w której liniowa zmiana potencjału elektrody

pracującej jest modulowana napięciem zmiennym (prostokątnym lub sigmoidalnym),

c) polarografia pulsowa, w której na potencjał elektrody pracującej nakładane są impulsy

napięcia prądu pulsującego,

d) oscylopolarografia, w której zmiany przykładanego do elektrod napięcia następują z

szybkością dochodzącą do kilkudziesięciu woltów na sekundę.

Techniki te umożliwiają realizację oznaczenia polarograficznego w wersji najbardziej

odpowiedniej dla danej substancji.

Twórcą metod polarografii był Jaroslav Heyrowski – profesor Uniwersytetu Karola w

Pradze, W 1959 r. otrzymał Nagrodę Nobla jako wynik uznania za odkrycie i

systematyczne ich rozwijanie. Najbardziej rozpowszechnioną w polarografii elektrodą

wskaźnikową (często nazywaną – roboczą) jest klasyczna kapiąca elektroda rtęciowa, ale

coraz częściej stosowana jest stacjonarna wisząca kroplowa elektroda rtęciowa. Mogą być

też zastosowane inne elektrody, np. z innych metali bądź z grafitu. Podstawowy schemat

zestawu do polarografii przedstawiono na rys.1. Jedną z elektrod jest rtęć, kapiąca

drobnymi kroplami z kapilary (1) a druga elektroda to warstwa rtęci (2) umieszczona na

dnie naczyńka o dużej powierzchni. Źródłem przykładanego napięcia jest bateria

akumulatorów (4), ujemny biegun baterii połączony jest ze zbiornikiem kroplowej

elektrody, która zwykle pracuje jako katoda (chociaż może też być anodą), napięcie

można w sposób ciągły regulować za pomocą opornicy suwakowej (3). Natężenie prądu

płynącego przez elektrolit mierzy się galwanometrem (5). Roztworu poddanego

elektrolizie w metodzie polarograficznej nie miesza się podczas wykonywania pomiaru.

Natomiast przed wykonaniem pomiaru układ odtlenia się. Ma to na celu usunięcie tlenu

występującego w elektrolicie gdyż bez tego mógłby wchodzić w reakcję elektrolityczną i

w sposób niekontrolowany zmieniać wynik reakcji. Usuwanie tlenu z elektrolitu

przeprowadza się poprzez przepuszczanie gazu obojętnego (argon, azot lub hel) w ściśle

określonym czasie z kontrolowaną szybkością.

Kroplowa elektroda rtęciowa (KER)

Zasadniczym elementem w zestawie do polarografii jest kroplowa elektroda rtęciowa

(KER). Składa się ona z grubościennej kapilary szklanej o długości kilkunastu

centymetrów i średnicy wewnętrznej 0,03-0,05 mm. Kapilara jest połączona za pomocą

węża polietylenowego ze szklanym zbiornikiem rtęci. Prędkość wypływu rtęci zależy od

położenia zbiorniczka (wysokości słupa) oraz długości i średnicy kapilary.

Kroplowa elektroda rtęciowa charakteryzuje się następującymi właściwościami:

- powierzchnia rtęci wypływającej systematycznie w postaci kropel jest stale

odnawiana,

a produkty reakcji elektrodowej są usuwane wraz z odrywającą się kroplą,

- każda narastająca świeża kropla rtęci styka się ze świeżym roztworem,

- mała powierzchnia kropli powoduje, że natężenie płynącego prądu jest bardzo małe,

wobec czego zużycie depolaryzatora jest minimalne w trakcie pomiaru

polarograficznego. Dzięki tym zaniedbywalnym zmianom stężenia możliwe jest

wielokrotne rejestrowanie krzywych dla tego samego roztworu, co ma istotne

znaczenie przy prowadzeniu oznaczeń ilościowych (kontrola powtarzalności

wykonania oznaczenia)

- duże nadnapięcie wodoru na rtęci pozwala na prowadzenie pomiarów w szerokim

zakresie potencjałów

- rtęć jako metal szlachetny nie reaguje chemicznie ze stosowanymi w polarografii

roztworami jako elektrolity podstawowe.

Kroplowa elektroda rtęciowa jest całkowicie polaryzowalna, tzn., że pod wpływem

zewnętrznej siły elektromotorycznej powstaje na KER potencjał, który powoduje

wytworzenie siły elektromotorycznej polaryzacji P skierowanej przeciw przyłożonemu

napięciu równemu co do wielkości. Polaryzacja dąży do zmniejszenia natężenia prądu:

R

PVI

gdzie: I - natężnie prądu

R- opór

P – polaryzacja

Iloczyn IR jest wielkością stałą mniejszą od 1mV, a wynika z tego, że natężenie prądu

jest bardzo małe, rzędu 10-6

A (1mikroamper) i opór R jest niewielki – rzędu 1000 .

W porównaniu z przyłożonym napięciem, które osiąga wartość jednego lub dwóch

woltów iloczyn IR jest więc bardzo mały i można go pominąć. Wówczas zgodnie z

równaniem polaryzacja jest prawie równa zewnętrznemu napięciu przyłożonemu do

elektrod. Dzięki zjawisku polaryzacji na elektrodzie (rys.2.) pojawia się dokładnie tyle

ładunków ile zostanie przyłożonych z zewnątrz, ale o znaku przeciwnym.

V P

Krzywa polarograficzna

Jeżeli w elektrolitycznym naczyńku znajduje się roztwór elektrolitu nie ulegający

reakcjom elektrochemicznym w zakresie stosowanego napięcia (np. podstawowe sole

sodu, litu lub potasu; np.: NaNO3, NaClO4, Na2SO4, KCl, LiCl i itp.), zawierający małą

ilość kationów zdolnych do reakcji elektrodowych, np.: Zn2+

, Cu2+

, Cd2+

, Pb2+

, Fe3+

, Fe2+

,

Se4+

a także i inne, wówczas zacznie się przykładać napięcie wzrastające w czasie oraz

będzie się mierzyć i rejestrować odpowiadające mu natężenie prądu, to otrzyma się

krzywą zależności I=f(E) rys.3. Na rysunku tym krzywa stanowiąca wykres zależności I

od E składa się z trzech części; AB, BC i CD. Odcinek AB jest prawie równoległy do osi

X i mimo wzrostu napięcia natężenie jest bardzo małe. Prąd ten nazywany jest prądem

szczątkowym, obejmuje on prąd pojemnościowy elektrolitu podstawowego i wszystkie

elektroaktywne zanieczyszczenia obecne w układzie. Ta część krzywej odpowiada

procesowi polaryzacji elektrody rtęciowej. Punkt B odpowiada potencjałowi wydzielania

depolaryzatora czyli w tym przypadku Pb2+

, od tego punktu następuje znaczny wzrost

natężenia prądu, krzywa zagina się. Ten punkt obrazuje początek procesu - normalnej

elektrolizy, jony cynku redukują się na kroplowej elektrodzie rtęciowej i w postaci

amalgamatu rozpuszczają się w rtęci. Ogólnie reakcję zachodzącą na elektrodzie możemy

zapisać następująco:

Mn+

+ ne- M

0(Hg)

Proces dyfuzji

Zredukowany na katodzie metal w postaci amalgamatu jest usuwany z roztworu razem

z odrywającą się kroplą rtęci. W wyniku tego procesu jony ołowiu ubywają z najbliższego

otoczenia elektrody, w rezultacie czego powstaje różnica stężeń jonów ołowiu między

cienką warstwą roztworu przy elektrodzie, a pozostałą częścią roztworu. W wyniku tej

różnicy stężeń następuje dyfuzja jonów ołowiu w kierunku powierzchni elektrody z głębi

roztworu. Płynie prąd zwany prądem dyfuzyjnym, którego wyrazem graficznym jest

stroma część krzywej polarograficznej (BC) zwana falą polarograficzną lub strefą

depolaryzacji elektrody. Dlatego też substancje, które wydzielają się na elektrodzie noszą

nazwę depolaryzatorów. Wolny wzrost napięcia powyżej potencjału wydzielania

powoduje więc wzrost natężenia prądu zgodnie z prawem Ohma, ze względu na to, że

zwiększa się ilość jonów ołowiu redukujących się na KER i zwiększa się w ten sposób

szybkość dyfuzji. Jednak liczba jonów doprowadzonych do powierzchni elektrody

uwarunkowana jest ich dyfuzją z wnętrza roztworu do powierzchni elektrody i nadchodzi

taki moment, że wszystkie jony, które dotrą do elektrody ulegną natychmiast redukcji.

Stężenie jonów ołowiu w warstwie katodowej praktycznie staje się równe zero i różnica

stężeń w warstwie katodowej i reszcie roztworu równa się stężeniu ołowiu w głębi

roztworu. W tych warunkach ustala się stała szybkość dyfuzji, przy czym prąd dyfuzyjny

osiąga wartość maksymalną, na którą nie ma wpływu dalsze zwiększanie napięcia

(odcinek CD). Ta ustalona wartość natężenia prądu nazywa się prądem granicznym.

Fala polarograficzna jest to część krzywej polarograficznej odpowiadająca

przebiegowi określonej reakcji elektrodowej. Potencjał, przy którym natężenie prądu

osiąga wartość równą połowie wartości granicznego prądu dyfuzyjnego nazywa się

potencjałem półfali i oznacza się symbolem E1/2.

Prąd dyfuzyjny – nazwa ta wskazuje, że natężenie prądu zależy wyłącznie od

szybkości dyfuzji depolaryzatora z głębi roztworu do powierzchni elektrody kroplowej.

Ponieważ szybkość ta zależy od stężenia oznaczanej substancji w roztworze, wartość

natężenia prądu dyfuzyjnego płynącego przez roztwór w czasie trwania kropli rtęci można

obliczyć na podstawie równania wyprowadzonego przez Ilkoviča (współpracownik

Heyrowskiego).

Id,l = 607.n

.c

.D

1/2 .m

2/3 .t1/6

gdzie: Id,l – średnie natężenie granicznego prądu dyfuzyjnego

607 – współczynnik obejmuje wielkości stałe w temp.25C

n - liczba elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej

c - stężenie substancji oznaczanej w głębi roztworu (mol/l)

D – współczynnik dyfuzji substancji ulegającej redukcji lub utlenieniu

m – wydajność kapilary, czyli masa rtęci wypływająca z kapilary w czasie 1s,

t - czas trwania kropli rtęci

W danych warunkach doświadczalnych wartości - n, D, m i t są wielkościami stałymi

więc równanie można przedstawić w formie uproszczonej

Id,l = k. c

gdzie: k – obejmuje wszystkie współczynniki ustalone w warunkach wykonania analizy.

Ta postać równania wskazuje na prostoliniowy przebieg zależności natężenia prądu

dyfuzyjnego od stężenia elektroaktywnej substancji i jest podstawą polarografii jako

metody analitycznej. Równanie fali polarograficznej (katodowej) zgodnie z równaniem

Nernsta dla roztworów rozcieńczonych przedstawia się następująco:

red

ox

c

c

nEE lg

059,0

Fala anodowa i anodowo-katodowa

Dotychczas była mowa o fali katodowej, która powstaje podczas redukcji zachodzącej

na kroplowej elektrodzie rtęciowej. Przykładem takim może być redukcja jonów Pb2+

,

które zgodnie z równaniem tworząc amalgamat rozpuszczają się w kropli rtęci:

Pb2+

+ 2e- Pb

0(Hg)

Wykres przebiegu tej reakcji przedstawiony jest na rys.4., jako krzywa . Proces ten można

odwrócić, zastępując czystą rtęć w kroplowej elektrodzie rtęciowej bardzo słabym

amalgamatem ołowiu i wkraplając amalgamat do roztworu elektrolitu pozbawionego

powietrza. Wtedy gdy do elektrod przyłożone jest duże ujemne napięcie (około - 1.0 V),

galwanometr wykazuje tylko przepływ prądu szczątkowego. W miarę stopniowego

przykładania bardziej dodatniego napięcia otrzymuje się położenie, w którym

galwanometr wskazuje szybki wzrost natężenia prądu, ale w przeciwnym kierunku do

natężenia otrzymanego przy redukcji jonów ołowiu na katodzie. Gdy przyłożone ujemne

napięcie dalej się zmniejsza, otrzymuje się natężenie stałe, niezależne od napięcia. Zostaje

więc otrzymany prąd dyfuzyjny, spowodowany rozpuszczeniem ołowiu z amalgamatu:

Pb(Hg) Pb2+

+ 2e-

Otrzymuje się wtedy falę anodową, jak na rys.4., krzywa 2. Jeżeli zaś krople amalgamatu

ołowiu spadają do roztworu elektrolitu zawierającego rozcieńczony roztwór soli ołowiu,

to otrzymuje się falę anodowo-katodową, rys.4., krzywa 3.

Na rys.5. przedstawiono przykład fal polarograficznych dla elektroredukcji dwóch

substancji elektroaktywnych obecnych w tej samej próbie badanej. Przedstawiono też

sposób wyznaczania wysokości fal polarograficznych dla obecnych tam depolaryzatorów.

Niektóre krzywe polarograficzne wykreślone jako fale są trudne do zinterpretowania na

skutek niedostatecznie rozdzielonych fal. Dokładne ustalenie potencjałów półfali jest

jednak możliwe. Na przykład jeżeli zastosuje się rejestrację krzywych polarograficznych

jako pochodne, czyli różniczki podstawowej zależności funkcji

f(E) = di/dE

Przykład takiego wykresu podano na rys.6.

Oznaczenie zawartości jonów Pb(II) w obecności jonów miedzi(II) i kadmu(II)

Oznaczenie kilku substancji obok siebie metodą polarograficzną jest możliwe

wówczas, gdyż potencjały półfali (depolaryzacji) tych pierwiastków różnią się

dostatecznie między sobą. Tylko w takim przypadku dla każdego z badanych składników

mieszaniny otrzymuje się dobrze wykształconą fale lub pik polarograficzny, który nie jest

zakłócony i/lub zniekształcony przez falę sąsiednią. Innym sposobem jest skorzystanie z

wykresu w postaci pochodnej funkcji podstawowej (jak na rys.6.).

Zasada oznaczenia polega na wykreśleniu krzywych zależności id =f(E) w układzie

KER, Pt i NEK (Nasycona Elektroda Kalomelowa) dla różnych stężeń jonów Pb2+

w

roztworze elektrolitu podstawowego. Wartość prądu id jest liniowo zależna od stężenia

jonów ołowiu w roztworze. Dla próby badanej na zawartość ołowiu wykreśla się w tych

samych warunkach pomiarowych wykres polarograficzny id =f(E) a dla otrzymanej

wartości id tej próby odczytuje się z krzywej kalibracyjnej (rys.7.) wartość stężenia

ołowiu. Ponadto w obliczeniach końcowego jego stężenia należy uwzględnić wszystkie

rozcieńczenia związane z przygotowaniem próby badanej do analizy polarograficznej.

I analogicznie kiedy wykreślamy nie fale a piki polarograficzne (rys.8a.) to dla max

wartości ich prądów i odpowiadających im wartości stężeń analitu (jony Pb2+

) w

roztworze wzorcowym wykreślamy krzywą wzorcową (rys.8b.) z której odczytujemy

wartości stężenia analitu dla próby badanej (na rys.8a i b - linia przerywana) i przeliczamy

odczytaną wartość dla uwzględnienia wszystkich operacji wykonanych na roztworze

badanym podczas przygotowania doświadczalnego zgodnie z procedurą analityczną.

Polarograficzne oznaczenie zawartości jonów Pb2+

w roztworze możemy dokonać

także metodą dodatku wzorca i z użyciem techniki ekstrapolacji. W metodzie tej dokonuje

się rejestracji co najmniej dwóch polarogramów (można też więcej, np.: 4-6). Najpierw

dokonuje się rejestracji polarogramu dla próby badanej (o znanej objętości V1 i

nieznanym stężeniu Cx) dla której odczytuje się wysokość piku h1 = max wartości prądu

tego piku. Następnie do roztworu dodaje się znaną objętość V2 roztworu o znanym

stężeniu C2 oznaczanego składnika – analitu, i wykonuję się drugą rejestrację

polarogramu dla próby badanej z dodatkiem roztworu wzorcowego, i dla niej odczytuje

się wysokość piku h2 = max wartości prądu tego drugiego piku. Stężenie substancji

badanej (jony Pb2+

) w próbie poddanej analizie polarograficznej, określone jako Cx

wyznacza się ze wzoru :

Cx = h1C2

h2−h1 V1V2+h2

Stosując tą metodę można dodać kolejne dodatki wzorca i wówczas jeszcze raz

zarejestrować polarogramy i analogicznie jak poprzednio i wyznaczyć wartość składnika

oznaczanego (wg. wzoru) oraz dokonać obliczenia wyznaczanej doświadczalnie

zawartości substancji oznaczanej. To postępowanie analityczne daje najlepsze wyniki

oznaczenia analitu wtedy kiedy wielkości dodatku wzorca do próby badanej są zbliżone

co do wielkości wartości substancji w niej oznaczanej.

Stosując metodę dodatku wzorca z zastosowaniem ekstrapolacji dokonuję się co najmniej

dwukrotnego dodatku roztworu substancji wzorcowej i rejestruje polarogramy dla próby

badanej bez i z dodatkami wzorca. Na uzyskanych polarogramach wyznacza się wartości

wysokości pików h0, h1, h2, i nanosi na wykres w funkcji ilości dodanego wzorca

(wielkości masy lub stężenia), np.: m0, m1, m2, a stężenie roztworu wzorcowego (Cw)

określone jest równaniem: m1 = Vw Cw , zaś m2 = 2m1, Wykres dla tego typu oznaczenia

przedstawiono na rys.9. Punkt przecięcia otrzymanej prostej z osią odciętych układu

współrzędnych wyznacza ilość substancji zawartej w próbie badanej, wartość tą należy

jeszcze skorelować z rozcieńczeniami zastosowanymi zgodnie z procedurą analityczną.

Zestawienie wyników i obliczeń:

Tabela 1., Zestawienie wyników pomocniczych z doświadczenia:

Dodatek wzorca Pb2+

[ μl ]

Cw – stęż.jonów Pb2+

*10-3

mol/l

Tabela 2, Zestawienie wyników pomiarowych i obliczonych dla prób badanych

Dodatek wzorca

[ μl ]

Stęż.jonów Pb2+

10-3 mol/l

Natężenie prądu piku

10-6 [A]

Potencjał piku

Ep [V]

Powierzchnia piku

10-7

WNIOSKI,

LITERATURA:

1) Z.Galus; Teoretyczne podstawy elektroanalizy chemicznej, PWN, Warszawa 1987,

2) A.Cygański; Metody elektroanalityczne, WNT, Warszawa 1991,

3) J.Heyrowski, P.Zuman; Wstęp do polarografii praktycznej, PWN, Warszawa, 1966,

4) Elektroanaliza w ochronie środowiska naturalnego, Praca zbiorowa pod red.

R.Kalwody, WNT Warszawa 1992,

5) W.Szczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej,PWN, Warszawa 2001.