Voltametrické techniky

MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV CHEMIE

Voltametrické techniky v organické analýze

Bakalářská práce

Filip Smrčka

Vedoucí práce: doc. RNDr. Přemysl Lubal, Ph.D.

Brno 2014

Bibliografický záznam Autor:

Filip Smrčka Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Ústav chemie

Název práce:

Voltametrické techniky v organické analýze

Studijní program:

Chemie

Studijní obor:

Chemie

Vedoucí práce:

doc. RNDr. Přemysl Lubal, Ph.D.

Akademický rok:

2014

Počet stran:

39 + 3

Klíčová slova:

Elektrochemie,

polarografie,

cyklická

voltametrie,

organická analýza, optimalizace, EuIII komplexy, kyslina pikolinová, kyselina dipikolinová, kyselina askorbová

II

Bibliographic Entry Author:

Filip Smrčka Faculty of Science, Masaryk University Department of Chemistry

Title of Thesis:

Voltammetric techniques for organic analysis

Degree Programme:

Chemistry

Field of study:

Chemistry

Supervisor:

doc. RNDr. Přemysl Lubal, Ph.D.

Academic Year:

2014

Number of Pages

39 + 3

Keywords:

Electrochemistry, polarography, cyclic voltammetry, organic analysis, optimization, EuIII complexes, picolinic acid, dipicolinic acid, ascorbic acid

III

Abstrakt Tato práce se zabývá optimalizací experimentálních podmínek (pH, rychlost polarizace) pro vybrané analyty. Dále byla elektrochemicky studována komplexační a disociační reakce ternárních EuIII komplexů s kyselinou pikolinovou a dipikolinovou pro možné stanovení uhličitanů v roztocích. Závěrem práce byla vytvořena a sepsána nová úloha pro praktikum analytické chemie.

Abstract This work deals with optimization of exp. conditions for voltammetric determination of chosen analyts. In addition, the complexation and dissociation reaction of ternary Eu(III) complexes with dipicolinic and picolinic acids were followed in order to determine bicarbonate ions in solution. In conclusion, the work proposes a new task for laboratory exercise of analytical chemistry.

IV

Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval doc. RNDr. Přemyslovi Lubalovi, Ph.D. za ochotu a trpělivost při vedení mé práce a Mgr. Jakubovi Vaňkovi za cenné konzultace a rady. Dále děkuji Bc. Tomášovi Fialovi za pomoc při obsluze přístroje EcaFlow 150 GLP. V neposlední řadě děkuji všem kolegům z oddělení analytické chemie za vytvoření přátelského pracovního prostředí.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji bakalářskou práci vypracoval samostatně s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány.

V Brně, dne 31. května 2014

…………………….. Filip Smrčka

VI

OBSAH 1.

Seznam zkratek .................................................................................................... 1

2.

Úvod ..................................................................................................................... 2 2.1.

Cíl práce ................................................................................................................ 2 Teoretická část ...................................................................................................... 3

3. 3.1.

Elektroanalytické techniky.................................................................................... 3

3.2.

Popis metody ......................................................................................................... 3 3.2.1. Diferenční pulzní voltametrie (DPV) ...................................................... 5 3.2.2. Linear sweep voltametrie (LSV) a cyklická voltametrie (CV) ............... 6

3.3.

Instrumentace ........................................................................................................ 8 3.3.1. EcaFlow 150 GLP ................................................................................... 8 3.3.2. 910 PStat Mini ......................................................................................... 9 Praktická část ...................................................................................................... 12

4.

4.1.1. Chemikálie ............................................................................................. 12 4.2.

Analýza kyseliny askorbové ............................................................................... 12 4.2.1. Provedení - EcaFlow 150GLP ............................................................... 13 4.2.2. Provedení – Metrohm 910 Pstat mini .................................................... 14

4.3.

Analýza p-aminofenolu na 910 PStat mini ......................................................... 16 4.3.1. Provedení ............................................................................................... 16 4.3.2. Vyhodnocení.......................................................................................... 17

4.4.

Stanovení kyseliny dipikolinové ......................................................................... 19 4.4.1. Provedení ............................................................................................... 19

4.5.

Stanovení kyseliny pikolinové a využití voltametrie při multikomponentní

analýze ............................................................................................................................ 21 4.5.1. Provedení ............................................................................................... 21 VII

4.6.

Využití komplexačního senzoru při stanovení uhličitanu ................................... 24 4.6.1. Postup přípravy komplexu a analýza ..................................................... 25

5.

Závěr................................................................................................................... 30

6.

Literaura ............................................................................................................. 31

PŘÍLOHA – úloha pro praktikum analytické chemie ......................................32

VIII

1. SEZNAM ZKRATEK Diferenční pulzní voltametrie

DPV

„Linear sweep“ voltametrie

LSV

Cyklická voltametrie

CV

Tištěná elektroda

SPE

Referenční elektroda

RE

Pomocná elektroda

AE

Pracovní elektroda

WE

p-aminofenol

p-AP

Kyselina askorbová

AA

Kyselina pikolinová

PA

Kyselina dipikolinová

DPA

OH

NH

N

N

NH

O

DO2A

OH O

O HO

N

NH

DO3A OH

N

N

O OH O

1

2. ÚVOD Voltametrie je elektroanalytická metoda, která je založena na principu vkládání měnícího se napětí mezi dvojici elektrod a sledování odezvy měřením proudu. Polarizovatelná elektroda je indikační a nepolarizovatelná elektroda je srovnávací1. V obvyklejším, tříelektrodovém zapojení se do obvodu zařazuje také nepolarizovatelná pomocná elektroda, na níž je volen potenciál. Podnět pro elektrochemické studium reakčních mechanizmů nebo kvalitativní a kvantitativní analýzu přinesla konstrukce polarografu roku 1922 Jaroslavem Heyrovským2. Heyrovského polarograf funguje na principu elektrolýzy při použití rtuťové kapkové elektrody. Dalším mezníkem v teoretickém vývoji polarografie bylo odvození rovnice pro limitní difúzní proud D. Ilkovičem, rovnice polarografické vlny, rozpoznání rozdílů kinetických a adsorpčních proudů a studium významnosti půlvlnového potenciálu1,3. Na základě naměřených dat a experimentálních závislostí byla objevena polarografická metoda pro kvalitativní a kvantitativní analýzu. Metoda je časově málo náročná a díky tomu, že elektrolýza probíhá i ve velmi zředěných roztocích, je také ekonomická z hlediska použitých chemikálií3.

2.1. Cíl práce Cílem této bakalářské práce bylo vyzkoušet, zda je možné provádět voltametrické analytické stanovení na přístroji EcaFlow 150 GLP (Istran s.r.o. Bratislava), který je primárně určen pro analýzu průtokovou chronopotenciometrií s automatickým nanášením vzorků do průtokové cely. Převážná část práce je zaměřena na testování nového kompaktního přístroje 910 PStat Mini (Metrohm s.r.o., Švýcarsko) za použití tištěných elektrod. Byly vybrány elektroaktivní molekuly, které byly zkoumány na vybraných postupech.

2

3. TEORETICKÁ ČÁST 3.1. Elektroanalytické techniky Elektroanalytická chemie je ta část chemie, která využívá pro identifikaci a stanovení látek elektrochemických principů4. V tab. 1 je klasifikace významných elektroanalytických metod. Tab. 1: Rozdělení elektroanalytických technik4

Stacionární metody

Kontrolovaná veličina E E U I≈0 I E E I E nebo I I E

Nestacionární E+E(t) metody

E = Ei - vt

Měřená funkce I = f(E) I = f(V) I = f(V) E = f(V) U = f(V) ଵ Q = ‫׬‬଴ †– Q = f(c) Q=I·t m E = f(t) I = f(c) I(t) = f(E) I = f(E)

Název metody voltametrie za konstantního potenciálu amperometrické titrace biamperometrické titrace potenciometrické titrace bipotenciometrické titrace coulometrie za konst. potenciálu polarografická coulometrie coulometrie za konstantního proudu elektrogravimetrie chronopotenciometrie chronoamperometrie polarografie a voltametrie se střídavou složkou napětí voltametrie s lineárně se měnícím napětím

3.2. Popis metody Na obr. 1 je zobrazena polarografická aparatura. V nádobce je vrstva rtuti, která slouží jako nepolarizovatelná elektroda. Kapky rtuti vytékají z kapilárky, jež slouží jako měrná elektroda. Kapilára je spojena hadičkou k rezervoáru rtuti. Jeho výškou se reguluje rychlost odkapávání, přičemž optimální je přibližně 2 – 4 sekundy na kapku. Elektrody jsou spojeny Pt kontakty s vnějším okruhem, který je tvořen potenciometrickým drátem. Pomocí kontaktu je regulováno napětí a vzniklý proud je měřen galvanometrem3,5.

3

Obr. 1: Schéma polarografického obvodu5 Elektrodová reakce, která je vyvolána vložením vnějšího napětí, má za následek vznik proudu. Jelikož tento proud je menší než 0,1 mA a odpor článku vlivem přidaného elektrolytu klesne na jednotky, popř. desítky Ohmů, je hodnota ohmického příspěvku zanedbatelná. Platí aproximace Uv ≈ Up, kde Uv je hodnota vloženého a Up hodnota polarizovaného napětí6. Polarografie a voltametrie dnes nachází široké uplatnění při speciační analýze, tj. stanovení, v jaké formě je prvek ve zkoumaném vzorku přítomen, čehož se využívá pro studium biologické dostupnosti nebo toxických účinků. Lze také získat informace o průběhu komplexací nebo redoxních poměrech. Mimo jiné, dnešní polarografické techniky využívající visící rtuťové kapkové elektrody omezují nutnost manipulace s větším množstvím tohoto toxického kovu7. Voltametrie je založena na stejném principu jako polarografie, liší se však použitými elektrodami1. Záznam závislosti proudu na potenciálu pracovní elektrody se nazývá voltamogram a má tvar spojité křivky, někdy zvanou jako I – E křivka8. Voltamogram obsahuje informace o kinetice elektrodového děje (přenosu náboje, počet vyměněných elektronů během elektrochemické reakce, apod.). Jelikož elektrolýza probíhá v bezprostředním okolí elektrody, je možné provádět opakovaně analýzu jednoho roztoku9. 4

Ve voltametrii rozeznáváme tři elektrodové děje v roztoku. Děj vratný spočívá v redukci elektroaktivní látky charakterizovaný katodickým proudem a následnou oxidací do původního stavu. Typickým případem vratného děje jsou sloučeniny mědi1,8. Když však nedochází k zpětné oxidaci a analyt zůstane v redukované formě, na zpětné větvi není pozorována žádná odezva a jedná se o děj ireverzibilní. Při kvazireverzibilním ději dochází u obou větví k jinému elektrochemickému mechanismu reakce, což se projeví v rozdílném tvaru voltamogramu.

3.2.1. Diferenční pulzní voltametrie (DPV) DPV je voltametrická technika, která vznikla z polarografie a je založena na možnostech potlačení nabíjejícího proudu v důsledku zvětšování povrchu rtuťové kapky10. Na základě experimentování s impulsy se vedle DPV rozšiřovala i normální pulzní voltametrie,“square-wave“ nebo reverzní pulzní voltametrie. Při této metodě se na potenciál, který se lineárně mění s časem, vkládá napěťový puls o amplitudě 10 až 100 mV. Registruje se rozdíl proudu změřených těsně před vložením pulsu a na jeho konci. Graf závislosti potenciálu na čase u DPV je znázorněn na obr. 2. Závislost rozdílu proudu na potenciálu prochází maximem a má tvar píku. Poloha píku na potenciálové ose závisí na druhu analytu a jeho výška závisí na koncentraci. Kvantitativní údaj roste s rostoucí amplitudou vkládaného pulsu, ale zároveň se pík rozšiřuje, čímž se zhoršuje selektivita stanovení8.

Obr. 2: Časová závislost potenciálu pro metodu DPV10

5

3.2.2. Linear sweep voltametrie (LSV) a cyklická voltametrie (CV) LSV má pevně daný potenciálový rozsah a potenciál mezi pracovní a referenční elektrodou se lineárně zvyšuje (viz obr. 3)11. Dochází zde tedy jen k jednomu z redoxních dějů, a proto z LSV voltamogramu nelze vyčíst stejné informace, jako z grafu cyklické voltametrie.

Obr. 3: Časová závislost napětí pro metodu LSV CV je velmi podobná LSV. Zde se však hodnota napětí pohybuje mezi dvěma krajními hodnotami konstantní zvolenou rychlostí. Záznam časové závislosti napětí je znázorněn na obr. 4. Polarita elektrod se po dosáhnutí hodnoty napětí U2 obrátí a hodnota napětí se vrátí zpět do hodnoty U1 (anodická větev)11. Potenciálová hodnota určuje druh analytu a velikost proudu jeho množství. Popis cyklického voltamogramu je zobrazen na obr. 5.

Obr. 4: Závislost napětí na čase při cyklické voltametrii11

6

Obr. 5: Popis cyklického voltamogramu: ic kapacitní proud, if Faradayův proud, ikat katodický pík, ianod anodický pík, Epc potenciál katodického píku a Epa potenciál anodického píku Počet vyměněných elektronů je možné experimentálně zjistit odvozením z následující rovnice: ο‫ܧ‬௣ ൌ 

ଶǡଷ଴ଷோ் ௡ி

ൌ

ଶǡଷ଴ଷή଼ǡଷଵସήଶଽ଼ǡଵହ ୬൉ଽ଺ସ଼ହ

ൌ

଴ǡ଴ହଽଶ ௡

ܸǡ

ሺͳሻ

kde R je univerzální plynová konstanta (8,314 J·mol-1·K-1), T je termodynamická teplota, F je Faradayova konstanta (96485 C·mol-1). Počet vyměněných elektronů n při elektrodové reakci je tedy roven podílu Nernstovské funkce a rozdílů potenciálů katodického a anodického signálu Dalším důležitým kritériem je určení, zda elektrolýza probíhá procesem řízeným difuzí nebo elektrodovou reakcí. Difuzní mechanismus probíhá díky vzniku koncentračního gradientu úbytkem elektroaktivní látky1 a elektrodový mechanismus spočívá v migraci elektricky nabitých částic polem12. Z důvodu, kdy chceme znát především celkovou koncentraci analytu pro využití v kvantitativní analýze, upřednostňujeme difuzní proces, jak je patrné z Randlessovy – Ševčíkovy rovnice difuzně řízeného systému. Pro reverzibilní systém platí: ݅௣ ൌ ሺʹǡ͸ͻ ൉ ͳͲହ ሻ ൉ ξ݊ଷ ൉ ‫ ܣ‬൉ ܿ ൉ ξ‫ ܦ‬൉ ξ‫ݒ‬ൌ·…ǡ

ሺʹሻ 7

kde n je počet elektronů, A je aktivní plocha elektrody (v cm2), c koncentrace (v mol · dm-3), D difuzní koeficient (v cm2 · s-1) a v je rychlost polarizace (V · s-1) a pro ireverzibilní, ev. kvazi-reverzibilní systém platí12: ݅௣ ൌ ሺʹǡͻͻ ൉ ͳͲହ ሻ ൉ ݊ ൉ ඥߙ݊௔ ൉ ‫ ܣ‬൉ ܿ ൉ ξ‫ ܦ‬൉ ξ‫ ݒ‬ൌ ݇ ൉ ܿ

†‡α je koeficient přenosu a na je počet elektronů v procesu nabíjení12.

ሺ͵ሻ

V obou případech je zřejmé, že pro difuzně řízený mechanismus platí přímá

úměrnost výšky signálu na rychlosti polarizace, přičemž tento lineární průběh prochází počátkem osy x a y.

3.3. Instrumentace Měření bylo prováděno na dvou přístrojích – EcaFlow 150 GLP (Istran Bratislava, Slovensko) a PStat Mini 910 (Metrohm - Herisau, Švýcarsko).

3.3.1. EcaFlow 150 GLP Tento přístroj slouží ke stanovení stopových i vyšších koncentrací prvků. Na předním panelu je umístěn průtokový systém, který je řízen mikročipem. Elektrody jsou umístěny v cele. Používá se tříelektrodové zapojení, tzn. mezi pracovní a pomocnou elektrodou prochází takový proud, aby mezi pracovní a referenční elektrodou byl konstantní potenciálový rozdíl podle zadaného programu9. Součástí voltametru jsou také tři teflonové hadičky pro přívod vody, elektrolytu a analytu13. Prostřednictvím softwaru EcaStat lze volit parametry analýzy, jako například rozsah potenciálů, rychlost polarizace, opakování měření apod. Přístroj je zobrazen na obr. 7. Elektroda byla použita E53C z uhlíkového materiálu (obr. 6)

8

Obr. 6: Uhlíková elektroda E53C

Obr. 7: Přístroj EcaFlow 150 GLP

3.3.2. 910 PStat Mini Potenciostat od firmy Metrohm plní funkci jednoduchého přenosného analyzátoru, kde je analýza prováděna na tištěných elektrodách („Screen Printed Electrode“, SPE) s keramickým povrchem (o rozměrech 3,4 x 1,0 x 0,05 cm). Popis SPE je na obr. 8.

9

Obr. 8: Schéma grafitové tištěné elektrody od firmy Metrohm K experimentům na přístroji 910 PStat Mini byly používány 3 druhy SPEs zobrazené na obr. 9 (grafitová, platinová, zlatá), dodané firmou Metrohm, a grafitová pokrytá zlatými nanočásticemi na obr. 10 (DropSens, Španělsko). C - SPE

Pt - SPE

Au - SPE

Obr. 9: Uhlíková, platinová a zlatá SPE od firmy Metrohm

Obr. 10: Uhlíková DS elektroda se zlatými nanočásticemi Výhodou SPEs je jejich mobilita a cena. Značnou nevýhodou je však velmi krátká životnost. Přístroj je stejně jako EcaFlow řízen a napájen počítačem. Z hlediska mobility je významné to, že napájení je uskutečněno přes USB rozhraní, a proto je možné jako zdroj energie využívat notebook.

10

Sada je doplněna o software, který má snadné uživatelské rozhraní. Úvodní nabídka poskytne výběr šesti voltametrických módů: „linear sweep“, cyklická, „square wave“, diferenční pulzní, amperometrická a amperometrická pulzní. Celá aparatura je zobrazena na obr. 11 a 12. Vzhledem k tomu, že měřicí nádobka má kapacitu 10 cm3, byla velká spotřeba analytů a elektrolytu omezena prováděním analýzy v plastových kyvetách.

Obr. 11: Aparatura k 910 Pstat Mini

Obr. 12: Detail aparatury 910 PStat Mini 11

5. ZÁVĚR Hlavním cílem této práce bylo testování nového přístroje Metrohm 910 PStat mini. Část je také věnován na prověření funkčnosti přístroje EcaFlow 150 GLP, který se však pro neprůtokovou analýzu prokázal jako nevhodný kvůli elektrodám stavěným pro průtokový systém. Bylo ověřeno, že přístroj 910 PStat mini je kvalitní přístroj, který umožňuje je levnější a je méně časově náročnou analýzu. Z důvodu mobility je možné provádět stanovení i v terénu. Největší slabinou přístroje jsou tištěné elektrody, které mají poměrně krátkou životnost, a neexistuje metoda, jež by prověřila, zda jsou elektrody stále plně funkční. Řešením je použít pro každé měření použít zcela novou elektrodu, což zvyšuje finanční náročnost analýzy. Vícesložková analýza při použití analyzátoru je vhodná jen v případě, kdy stanovujeme vedle sebe látky s významným rozdílem půlvlnových potenciálů. Když se stanovovala PA + DPA, docházelo nejprve k překrytí a následně zvětšování jednoho píku, který měl širší základnu, než pík původní. Dále bylo zjištěno, že je s přístrojem možné provádět elektrochemickou analýzu uhličitanů. Zde se využívá rozpad komplexu Eu(DO2A)(DPA) za vzniku komplexu stabilnějšího, což vede ke snižování signálu na voltamogramu.

30

6. LITERAURA (1)

Sommer, L. Základy analytické chemie II; VUTIUM: Brno, 2000.

(2)

Kvítek, M.; Řízek, T.; Chocholoušová, R.; Kunová, R.; Volhejnová, V.; Šmerda, O.; Zahradníček, O. Průkopníci vědy a techniky v českých zemích; Fragment: Havlíčkův Brod, 1994.

(3)

Zuman, P. Organická polarografie: Metodika a použití; SNTL: Praha; 1987.

(4)

Barek, J.; Opekar, F.; Štulík, K.; Univerzita Karlova Elektroanalytická chemie; Karolinum: Praha, 2005.

(5)

Heyrovský, J.; Kůta, J. Základy polarografie; Vol. 1962.

(6)

Vláčil, F. Příklady z chemické a instrumentální analýzy: Příručka pro vys. šk. chemickotechnologické; Informatorium: Praha, 1991.

(7)

Barek, J.: Postavení polarografie a voltametrie na rtuťových kapkových elektrodách v moderní analytické chemii. Chem Listy 1997, 1997.

(8)

Štulík, K.; Barek, J. Elektrochemické analytické metody; Státní pedagogické nakladatelství; Vol. 1984.

(9)

Cyklická voltametrie - Cyklicka voltametrie.pdf (staženo 8. března 2014).

(10) Bard, A. J. Electrochemical methods: fundamentals and applications; 2nd ed.; Wiley: New York, 2001. (11) Electrochemistry Group Linear Sweep / Cyclic Voltammetry. Univ. Camb. (staženo 6. dubna 2014). (12) Wang, J. Analytical electrochemistry; 3rd ed.; Wiley-VCH: Hoboken, N.J, 2006. (13) Farková, M.; Masarykova univerzita; Přírodovědecká fakulta. Instrumentální analytická chemie - praktikum; Masarykova univerzita: Brno, 2011. (14) Aurelia Magdalena Pisoschi, A. F. D. J.: Ascorbic Acid determination in commercial fruit juice samples by cyclic voltammetry. Autom. Methods Amp Manag. Chem. 2008, 2008, 937651. (15) Ferraro, S.; Passamonti, P.; Bartocci, V.; Pucciarelli, F. J: Electrochemical characterization of pyridine-2,6-dicarboxylicacid. Chem. Soc. Faraday Trans. 1997, 93, 289–294. (16) Internetový portál bezpečnosti potravin - Antimikrobiální aktivita pikolinové kyseliny a jejích solí http://www.bezpecnostpotravin.cz/antimikrobialni-aktivita-pikolinovekyseliny-a-jejich-soli.aspx (staženo 18. května 2014). (17) Corredor, M. C.; Rodrıg ́ uez Mellado, J. M.: On the electroreduction mechanism of 2pyridinecarboxylic (picolinic) acid on mercury electrodes. Electrochimica Acta 2004, 49, 1843–1850. (18) Vaněk, J.; Lubal, P.; Hermann, P.; Pilařová, I.; Trnková, L.: Dual sensor for determination of biologically significant anions. 15th Czech - Slovak Spectroscopic Conference: Praha, 2014 31