Размещено на http://www.allbest.ru/

Потенциометрическое определение pH воды в промышленных стоках

1. Теоретические основы метода

Потенциометрический метод основан на зависимости потенциала электрода от состава раствора. При погружении металлической пластины в раствор на границе металл-раствор возникает электродный потенциал. Величина потенциала зависит от состава и концентрации (активности) раствора, от природы электрода, температуры и других факторов. Измерить потенциал одного электрода нельзя, но можно измерить электродвижущую силу гальванического элемента. На электродах гальванического элемента протекают полуреакции:

Me (тв.) Ме²⁺ +2е ^- на аноде

2Н⁺ + 2е ^- Н₂ (газ) на катоде

При постоянном потенциале одного электрода можно по значению

ЭДС установить относительное изменение потенциала другого электрода.

Электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов в растворе, называется индикаторным электродом.

Электрод, потенциал которого остается постоянным при измерении ЭДС, называется стандартным электродом или электродом сравнения.

Потенциометрический метод используют для определения концентрации ионов в растворе (прямая потенциометрия). С его помощью определяют концентрацию ионов водорода - рН-метрия, концентрации (активности) ионов К⁺, Na⁺, С1^- и др. - ионометрия.

При потенциометрическом определении pH чаще всего пользуются стеклянным электродом, представляющий собой тонкостенный шарик, изготовленный из специального сорта, стекла. При погружении такого шарика в раствор, содержащий ионы водорода, происходит обмен ионами методу раствором и поверхностью шарика: ионы натрия(лития) из стекла переходит в раствор, ионы водорода из раствора переходят в стекло. В зависимости от содержания водородных ионов в растворе обмен ионами происходит с различной скоростью, и на поверхности стеклянного шарика устанавливается потенциал. Его значение зависит от концентрации водородных ионов в растворе т.е. от значение pH раствора.

Для изменение потенциала, возникающего на поверхности стеклянного электрода, собирают цепь из стеклянного электрода, измерительного прибора и электрода сравнения. Шарик электрода припаян к стеклянной трубке. Внутри шарика находятся раствор с известным значением pH, и в него погружают для контакта платиновую проволку конец которой соединяют через измерительный прибор с электродом сравнения.

Стеклянный электрод изготовляется из специальный сортов стекла, обладающих некоторой электропроводностью, достаточной, чтобы тонкую пленку из такого стекла можно было бы включить в качестве составляющей электрической цепи. Для измерения pH используется стекло, электропроводность которого обусловлена перемещением в стекле ионов H+ (электропроводность любого стекла обусловлена способностью к перемещению катионов относительно неподвижного остова - полианиона полимерной кремниевой кислоты).

Собственно стеклянный электрод представляет собой стеклянную трубку с выдутым на ее конце шариком с очень тонкой стенкой, в которую залита суспензия AgCl в растворе HCl и погружена серебряная проволока. Таким образом, внутри трубки с шариком находится хлорсеребряный электрод. Для измерения pH стеклянный электрод погружают в испытуемый раствор (тем самым не внося в него никаких посторонних веществ). В этот же раствор напрямую или через электролитический ключ погружают электрод сравнения.

Таким образом, образуется гальванический элемент, состоящий из хлорсеребрянного электрода и электрода сравнения, но внутренняя электролитическая цепь этого элемента включает электропроводную стеклянную пленку, а также исследуемый раствор.

В полученной системе перенос электронов от хлорсеребрянного электрода к электроду сравнения, происходящий под действием непосредственно измеряемой разности потенциалов, неизбежно сопровождается переносом эквивалентного количества протонов из внутренней части стеклянного электрода в испытуемый раствор. Если считать концентрацию ионов H⁺ внутри стеклянного электрода постоянной, то измеряемая ЭДС является функцией только активности ионов водорода, т.е. pH исследуемого раствора.

Второе направление потенциометрического метода - потенциометрическое титрование. Конечную точку титрования (точку эквивалентности) устанавливают по резкому изменению потенциала индикаторного электрода вблизи точки эквивалентности. Зависимость величины электродного потенциала металла от концентрации ионов в растворе выражается уравнением Нернста:

_{= 0 +} ln (CMe+fMe _{= 0 +} ln,

где ₀ - стандартный электродный потенциал;

R - газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль-К);

Т - абсолютная температура;

n - число электронов, участвующих в реакции;

F - число Фарадея, равное 96 500 Кл;

- коэффициент активности;

- концентрация металла в растворе.

Метод потенциометрического титрования основан на определении точки эквивалентности по резкому изменению в ней ЭДС электрохимической цепи, содержащей индикаторный электрод.

Как следует из основного уравнения потенциометрии, при резком изменении концентрации иона в точке эквивалентности происходит и резкое изменение ЭДС.

Из этого следует, что индикаторный электрод должен быть селективным к одному из реагирующих ионов титруемой системы.

Кислотно-основное потенциометрическое титрование

В кислотно-основном титровании в качестве индикаторного обычно используют стеклянный электрод, как правило, входящий в комплект серийно выпускаемых промышленностью pH-метров. Потенциометрический метод позволяет провести количественное определение компонентов в смеси кислот, если константы диссоциации различаются не менее чем на три порядка. Например, при титровании смеси, содержащей хлороводородную (HCl) и уксусную кислоты, на кривой титрования обнаруживается два скачка. Первый свидетельствует об окончании титрования HCl, второй скачок наблюдается при оттитровывании уксусной кислоты. Также несколько скачков имеют кривые титрования многоосновных кислот, константы диссоциации которых существенно различаются (хромовая, фосфорная и др.).

Широкие возможности анализа многокомпонентных смесей без разделения открывает применение неводных растворителей. Например, определение содержания хлороводородной и монохлоруксусной кислот в смеси титрованием водного раствора является сложной задачей в связи с трудностью обнаружения двух скачков титрования. При титровании в ацетоне оба скачка выражены достаточно четко и содержание каждой кислоты в смеси может быть рассчитано.

Комплексонометрическое титрование потенциометрическим методом

Потенциометрическое титрование катионов комплексоном III (ЭДТА) можно проводить с использованием в качестве индикаторного электрода соответствующего металла: титрование солей меди с медным электродом, солей цинка с цинковым и т.д. или подходящего ионоселективного электрода. Однако, многие металлические индикаторные электроды необратимы, а число ионоселективных электродов невелико.

Для комплексонометрических титрований может быть использован универсальный электрод Hg|HgY^2- или Au(Hg)|HgY^{2 -} где Au(Hg) - амальгамированное золото; HgY^2- - комплекс ртути с анионом этилендиаминтетрауксусной кислоты. С помощью ртутного электрода этого типа могут быть оттитрованы любые ионы, которые образуют с Y^{4 -} комплексы с константой устойчивости, не превышающей константу устойчивости ртутного комплекса. Это, например, ионы магния (Mg²⁺), кальция (Ca²⁺), кобальта (Co²⁺), никеля (Ni²⁺), меди (Cu²⁺), цинка (Zn²⁺) и др.

Потенциометрическое титрование по методу осаждения

Индикаторными электродами в методах потенциометрического титрования, использующих реакции осаждения, служат металлические или мембранные электроды, чувствительные к определяемому иону или иону-осадителю. Практически по методу осаждения могут быть определены катионы серебра, ртути, цинка, свинца, анионы хлора, брома, иода и некоторые другие. Смесь галогенидов, например I^- и Cl^-, может быть оттитрована без разделения нитратом серебра. Серебряный электрод позволяет фиксировать два скачка в ходе такого титрования. Первый скачок свидетельствует об оттитровывании иодид-иона и может быть использован для расчета содержания этого иона, второй скачок относится к окончанию осаждения хлорид-иона. По второму скачку можно рассчитать суммарное содержание галогенидов или концентрацию хлорид-иона, если концентрация иодид-иона будет известна из данных по титрованию до первого скачка.

Окислительно-восстановительное потенциометрическое титрование

Кривые окислительно-восстановительного титрования могут быть построены в координатах или pM - V (титранта) или E - V (титранта), если pM=-lg[M] ([M] - концентрация участника реакции, E - потенциал системы, V (титранта) - объем титранта. Кривые титрования первого типа представляют практический интерес, когда имеется индикаторный электрод, чувствительный к M. Кривые второго типа имеют более общее значение, так как любое окислительно-восстановительное титрование может быть проведено по измерению E с использованием индикаторного электрода из благородного металла, чаще всего платины.

2. Принципиальная схема прибора рН - метра

1. Источник постоянного тока

2. Реохорд со скользящим контактом

3. Гальванометр

4. Электродная пара (электроды)

При изменении сигнала, поступающего с измерительного преобразователя, на входе усилителя возникает напряжение разбаланса постоянного тока, которое преобразуется в напряжение переменного тока и усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя РД, выходной вал которого будет вращаться в ту или иную сторону (в зависимости от знака сигнала разбаланса) до тех пор, пока напряжение, снимаемое с компенсационной схемы реохорда, не станет равным по величине подаваемого с ТЭПТ Е. Вращение выходного вала двигателя преобразуется в прямолинейное движение каретки, на которой закреплены указатель и устройство регистрации.

Двигатель РД будет перемещать движок реохорда, изменяя напряжение до тех пор, пока оно не уравновесит измеряемую Э.Д.С. В момент равновесия измерительной схемы положение указателя определяет значение измеряемого параметра. Таким образом, благодаря наличию электронного усилителя и реверсивного двигателя, приводящего систему в равновесие, осуществляется непрерывное автоматическое измерение величины этого параметра.

Данный метод измерения Э.Д.С. является одним из наиболее точных, т. к., во-первых, в момент измерения ток в измерительной цепи равен нулю, а следовательно, отсутствуют погрешности за счет дополнительного падения напряжения в подводящих проводах, и, во-вторых, само отсутствие тока в цепи может быть установлено с более высокой точностью, чем его конечное значение в определенном интервале измерения.

3. Определение pH воды в промышленных стоках потенциометрическим методом

Потенциометрический метод основан на зависимости потенциала электрода от состава раствора. В данном анализе используют стеклянный и хлорид - серебряный электроды.

Реактивы:

Дистиллированная вода

Фиксаналы буферных растворов

Калий хлористый

Кислота соляная х.ч.

Посуда и оборудования

pH-метр - 340Г1Г

стаканы на 50 - 100 мл

мерные колбы на 50 - 100 мл

Для выполнения измерения pH контролируемой воды необходимо открыть пробку вспомогательного электрода прибора и убедиться, что ручка переключатель диапазонов в положении -1+14pH.

Ознакомьтесь с инструкцией работы на рН-метре и приготовьте его к измерению рН исследуемой воды. Прибор должен быть включен не менее чем за 15-20 мин до измерений, стеклянный и хлорид - серебряный электроды погружены в дистиллированную воду. Стеклянный электрод предварительно следует прокалибровать по буферным растворам.

Включить прибор для прогрева. Промыть трижды электроды и термокомпенсатор, погружая их в стаканчик с контролируемой водой. Затем налить в стаканчик свежую порцию контролируемой воды и погрузить в него электроды и термокомпенсатор тока, чтобы они не касались стенок и дно стаканчика и были погружены на 40-45 мм.

Дождитесь, пока величина рН на табло рН-метра не станет постоянной, т.е. не установится равновесие на стеклянном электроде.

Установить переключатель диапазоне на значение pH соответствующее pH раствора, а переключатель «разах» в положение 3pH. По окончанию измерение промыть электроды ДH₂O из промывалки и погрузить их в стаканчик с ДH₂O и закрыть пробочку вспомогательного электрода.

В случае, если пробы мало, можно промывку испытуемой пробой заменить на промывку ДH₂O с последующим тщательным высушиванием электродов и термокомпенсатора фильтровальной бумагой.

Отсчет показаний производить согласно инструкции по эксплуатации прибора pH-340Г1Г. Результат измерения записывается в журнал в единицах pH.

Пример

Мною была отобрана контрольная проба сточной воды.

Результат

Вывод: Содержание pH в сточной воде в данной пробе соответствует ГОСТа.

Используемая литература

электрод хлорсеребрянный титрование потенциометрический

1. Гурвич Я.А. Химический анализ. - М.:Высш.шк, 1985.-295 с.

2. Фурмер И.Э. общая техническая технология / В.Н. Зайцева.-М.: Выс. шк., 1986.-231 с.

3. Воскресенский П.И. Техника лабораторных работ. - М.: Химия, 1973.-35 с.

4. Захаров Л.Н. Начало техники лабораторных работ. - Л.: Химия, 1981.-172 с.

5. Коростелев П.П. Лабораторная техника химического анализа.-М.: Химия, 1981. - 312 с.

6. Рачинский Ф.Ю. Техника лабораторных работ / М.Ф. Рачинская - Л.: Химия, 1982.-375 с.

7. Захаров Л.Н. Техника безопасности в химических лабораториях-Л.: Химия, 1991.-336 c.

Размещено на Allbest.ru