Potenciometrie 1.Definice Rovnovážná potenciometrie je analytickou metodou, při níž se analyt stanovuje ze změřeného napětí elektrochemického článku, tvořeného indikační elektrodou ponořenou do analyzovaného roztoku a elektrodou referentní spojenou s analyzovaným roztokem solným můstkem. Měření se provádí za podmínek, kdy elektrochemickým článkem neprochází elektrický proud, tj.chemické složení se nemění v objemu roztoku, ani na rozhraní indikační elektroda/roztok. Z napětí článku, ∆E, který je roven rozdílu potenciálů indikační a referentní elektrody lze (pokud je to zapotřebí) vypočítat potenciál indikační elektrody: ∆E = EIND - EREF, EIND = ∆E + EREF. Potenciometrie, jako valná většina instrumentálních metod, je komparativní metodou. Stanovení je tudíž založeno na porovnání napětí článku změřeného v analyzovaném roztoku s napětím téhož článku změřeného za stejných experimentálních podmínek (teplota, míchání) v roztoku o známé koncentraci analytu, tj. na základě kalibrační závislosti. Pro jednoduchost bude dále pro potenciál indikační elektrody, EIND, používán pouze symbol E.
Obr.1 Schema základního uspořádání elektrochemické cely pro potenciometrická měření
V praxi se využívají dvě varianty rovnovážné potenciometrie:
1
a) při přímé potenciometrii se analyt stanovuje přímo z hodnot změřeného napětí b) při potenciometrických titracích se ze závislosti napětí článku na množství přidaného odměrného roztoku zjišťuje konečný bod titrace a analyt je stanoven ze spotřeby odměrného roztoku.
2.Typy elektrod používané v potenciometrii 2.1.Elektrody I. druhu jsou tvořeny kovem, X, (plíšek, drátek) ponořeným v roztoku svých iontů Xn+. Na tomto fázovém rozhraní kov/roztok probíhá děj, kdy některé neutrální atomy opouštějí krystalovou mříž kovu odevzdávají elektrony a přecházejí do roztoku jako ionty, zatímco ionty z roztoku naopak přijímají elektrony a zabudovávají se ve formě neutráních atomů do struktury kovu. Celý děj lze popsat rovnicí: X + ne ⇔ Xn+ Na elektrodě vzniká elektrodový potenciál, který je popsán Nernstovou rovnicí: E = E 0 (X n + ) +
0,059 log a (X n + ) , n
kde E0(Xn+) je konstanta nazývaná standardní redoxní potenciál, n počet elektronů účastnících se elektrodové reakce a a(Xn+) je aktivita sledovaného iontu. Příkladem je stříbrná elektroda tvořená stříbrným drátkem ponořeným do roztoku stříbrné soli: Ag+(aq) + e ⇔ Ag(s) je-li aktivita Ag+ iontů v roztoku 0,1 je potenciál stříbrné elektrody: E = E 0 (Ag + ) +
0,059 log a (Ag + ) = 0,799 − 0,059 = 0,740 1
V praxi bývá stříbrná elektroda využívána nejčastěji k zjištění bodu ekvivalence při argentometrických titracích, viz. Odměrná analýza. Mezi elektrody I. druhu se řadí i elektrody plynové tvořené plynem v kontaktu se svými ionty v roztoku; rovnovážnou reakci mezi plynem a příslušnými ionty zprostředkovává a katalyzuje platina, sama se však redoxní reakce přímo neúčastní. Nejdůležitější plynovou elektrodou je vodíková elektroda, elektrodový děj probíhající na vodíkové elektrodě lze popsat rovnicí: 2H+(aq) + 2e ⇔ H2 Standardní redoxní potenciál vodíkové elektrody byl definitoricky položen roven nule při všech teplotách. Vodíková elektroda o složení (tlak vodíku 0,1 MPa, aktivita vodíkových iontů rovna jedné), je tzv. standardní vodíková elektroda (SHE ). Elektrodový potenciál
2
libovolné elektrody je pak definován jako rovnovážné napětí článku tvořeného měřenou elektrodou jako katodou a SHE jako anodou.
2.2.Elektrody II. druhu jsou tvořeny kovem, X, pokrytým vrstvou své málo rozpustné soli, XYn, v roztoku obsahujícím anion této soli, Y-: XYn + ne ⇔ X + nYE = E 0 (XYn ) −
0,059 log a (Y - ) n n
Nejběžnějšími elektrodami II.druhu jsou a) argentchloridová elektroda tvořená stříbrným drátkem pokrytým vrstvou AgCl ponořený do nasyceného roztoku KCl: AgCl + e ⇔ Ag + ClE = E 0 (AgCl) − 0,059 log a (Cl − ) = 0,222 − 0,059 log a (Cl − ) b) kalomelová elektroda tvořená rtutí s vrstvou kalomelu Hg2Cl2 ponořenou v nasyceném roztoku KCl: Hg2Cl2 + 2e ⇔ 2Hg + 2ClE = E 0 (Hg 2 Cl 2 ) −
0,059 log a (Cl − ) 2 = 0,268 − 0,059 log a (Cl − ) 2
Argentchloridová a kalomelová elektroda jsou při praktických měřeních používány jako elektrody referentní, protože je u nich možno zajistit konstantní hodnotu elektrodového potenciálu. Nasycený roztok KCl tvořící vnitřní prostředí elektrody je uzavřen ve skleněné baňce a vodivé spojení referentní elektrody s analyzovaným roztokem je zprostředkováno prostřednictvím solného můstku. Jedná se o skleněnou trubičku naplněnou elektrolytem, která je na koncích uzavřená fritou. Frita brání vzájemnému mísení vnitřního roztoku referentní elektrody s analyzovaným roztokem a zároveň umožňuje přestup náboje mezi oběma prostředími. Jako elektrolyt solného můstku bývá nejčastěji používán nasycený roztok KNO3 nebo KCl.
2.3.Elektrody redoxní jsou realizovány inertním kovem (Pt, Au, Hg), případně uhlíkem, ponořeným v roztoku obsahujícím oxidovanou i redukovanou formu téže látky (inertní kov či uhlík zprostředkovává výměnu elektronů mezi oběma redoxními formami): Ox + ne ⇔ Red Potenciál redoxní elektrody je popsán Petersovou rovnicí: E = E 0 (Red/Ox ) −
0,059 a (Red ) log . n a (Ox) 3
Příkladem může být Fe2+/Fe3+ elektroda: Fe3+ + e ⇔ Fe2+ E = E 0 (Fe 2+ / Fe 3+ ) − 0,059 log
a (Fe 2+ ) = 0,771 + 0,059 = 0,83 . a (Fe 3+ )
Obr.2 Příklady realizace některých referentních elektrod. A-vodíková elektroda (má pro praktickou elektroanalytickou chemii pouze teoretický význam), B-nasycená kalomelová elektroda, C-nasycená argentchloridová elektroda.
2.4.Membránové elektrody jsou tvořeny membránou či přepážkou z určitého materiálu (M, či lépe Mn-Xn+), která zcela odděluje dva roztoky, 1 a 2, obsahující ionty, které se mohou účastnit rovnovážné výměnné reakce s ionty v membráně. Po ustavení rovnováhy mezi ionty (zde Xn+) v roztoku a v membráně, nabyde každá strana membrány vůči roztoku určitého potenciálu, E1, E2, závislého na aktivitě iontů v tom roztoku s nímž je příslušná strana membrány v kontaktu; rozdíl těchto potenciálů je membránový potenciál EM, viz obr.3. Mn-Xn+ ⇔ Mn- + Xn+
4
EM 1
2
REF2 roztok 2
[Xn+]
Xn+ Mn-
2
membrána
roztok 1
Mn- Xn+
Mn- Xn+
Mn-
Xn+
REF1 [Xn+] 1
Xn+
MnMn- Zn+
Xn+
Mn-
Mn- Xn+
E2
E1
REF2
[Xn+]2 membrána
membránová elektroda (ISE)
[Xn+]1
REF1
analyzovaný vnější referentní roztok elektroda
Obr.3. Princip potenciometrického měření s membránovou elektrodou (znázorněna je situace, kdy [Xn+] 1> [Xn+] 2, takže E1>E2) a schematické znázorněni článku s membránovou elektrodou. Pro membránový potenciál EM platí: E M = E1 − E 2 =
a ( X n + )1 0,059 log . n a (X n+ ) 2
Membránové elektrody se od ostatních diskutovaných typů elektrod zásadně liší v tom, že jejich potenciál není určován redoxní reakcí, ale pouze reakcí výměnnou. Z toho důvodu rovnice pro membránový potenciál není rovnicí Nernstovou, byť je jí formálně podobná. Membránové elektrody jsou součástí hojně prakticky využívaných iontově selektivních elektrod ISE. V ISE je jedna strana membrány v kontaktu s referentním (či vnitřním) roztokem o konstantní koncentraci (např. roztok 2 na obr.) a výraz pro membránový potenciál se zjednodušší EM = K +
0,059 log a (X n + )1 ; n
5
Nejčastějším typem membrán jsou membrány skleněné, tvořené trojdimensionální sítí SiO44- skupin, v nichž každý křemík je vázán na čtyři kyslíkové atomy, přičemž každý kyslíkový atom je sdílen dvěma atomy křemíku. Náboj SiO44- skupin je kompenzován volně pohyblivými kationty sodnými, draselnými, lithnými, vápenatými a dalšími, které se mohou z povrchu skla vyměňovat za jiné ionty v roztoku a zajišťují i pro měření potřebnou iontovou vodivost skla. Selektivity vůči příslušným iontům je dosahováno změnou složení skla. Použití speciálně obohacených skleněných membrán je využíváno k měření aktivity Na+ a K+ iontů v krevním séru. Ovšem nejvíce využívanou membránovou elektrodou je skleněná elektroda pro měření pH.
2.4.1.Měření pH pH je definováno jako záporně vzatý dekadický logaritmus aktivity vodíkových kationtů H+. pH = − log a ( H 3 O + ) K praktickému měření pH vodných roztoků se používá ISE se skleněnou membránou. Mezi skleněnou membránou a ionty v analyzovaném roztoku probíhá iontová výměna, při které sodné ionty ze skla přecházejí do roztoku a vodíkové ionty z roztoku jsou zabudovávány do struktury skla a naopak. Tento děj je možné popsat rovnicí: Na+(sklo) + H+(aq) ⇔ H+(sklo) + Na+(aq). Je-li vnitřní strana skleněné membrány vystavena působení roztoku o neměnné hodnotě pH, lze změny membránového potenciálu přisoudit pouze změně aktivity H+ iontů na vnější straně membrány obrácené do analyzovaného roztoku. Vnitřní náplň skleněné elektrody tvoří 0,1M HCl nebo vhodný tlumivý roztok o pH=4-8. Pro membránový potenciál skleněné elektrody pak platí: E M = K + 0,059 log a (H + ) = K − 0,059 pH Hodnota konstanty K se explicitně nezjišťuje, ale skleněné elektroda se před vlastním měření kalibruje pomocí pufrů o známém pH. Schéma skleněné elektrody pro měření pH je uvedeno na obr.4.
6
plnicí otvor
vnější refeferentní elektroda
stínění – přívod k vnější ref.elektrodě
vnitřní vodič – přívod k vnitřní ref.elektrodě
solný můstek (keramická frita) skleněná membrána
vnitřní referentní elektroda
Obr.4 Schema skleněné elektrody pro měření pH
2.4.2.Plynové detektory založené na principu skleněné elektrody Skleněná elektroda vyvinutá původně pro měření pH je využitelná po drobných modifikacích i pro stanovení některých plynů. Skleněná elektroda je u těchto detektorů ponořena do roztoku o vhodném složení a od analyzovaného prostředí je oddělena permeabilní membránou, která zajistí, aby se do roztoku s elektrodou dostaly pouze plynné složky. Plyn permeuje membránou z analyzovaného prostředí do roztoku elektrolytu, který je volen tak, aby se v přítomnosti plynu měnilo jeho složení na něž reaguje elektroda změnou potenciálu. Tímto sensorem jsou stanovovány plyny, které se ve vodném roztoku účastní protolytických rovnováh spojených se změnou pH (CO2, NH3, NO2 a SO2). U sensoru na sledování CO2 plyn permeuje membránou z analyzovaného prostředí (vzduch, krev), kde je jeho tlak p(CO2) do filmu vnitřního roztoku NaHCO3 a dochází k reakcím CO2(g) + H2O ⇔ H2CO3 H2CO3 ⇔ HCO3- + H+ jak je patrno průnikem CO2 se vnitřní roztok okyseluje a změna pH detekovaná skleněnou elektrodou je přímo úměrná obsahu CO2 v analyzovaném prostředí: pH = K – log p(CO2)
7
pH-metr skleněná elektroda
referentní elektroda skleněná elektroda
tělo sensoru
CO2 +H 2 O HCO3- +H+ film elytu
vnitřní elektrolyt
permeabilní membrána
CO2 (g) analyzované
permeabilní membrána
prostředí analyzované prostředí
Obr.5 Detailní schema potenciometrického senzoru pro měření obsahu CO2 ve vzduchu nebo v krvi.
2.4.3.Skleněná elektroda potažená membránou jako základ biosenzorů Skleněnou elektrodu potaženou membránou lze použít jako základ mnoha biosensorů. V tomto případě je na té straně membrány detektoru, která je v kontaktu s analyzovaným prostředím, imobilizována vrstva vhodného enzymu, katalyzující takovou reakci analytu – substrátu, při níž vzniká plynný produkt. Ten je plynovým detektorem stanoven. Např. detektorem s imobilizovanou ureázou je možno stanovit močovinu; reakčními produkty jejího rozkladu katalyzovaného tímto enzymem jsou oxid uhličitý a amoniak CO(NH2)2 + H2O ⇔ CO2 + 2NH3, takže ke stanovení močoviny je v tomto případě možno použít plynového detektoru CO2 nebo NH3.
3.Kyslíkové amperometrické čidlo Jinou elektroanalytickou metodou často používanou v praxi je ampérometrie. Na rozdíl od potenciometrie, kde se měří napětí elektrochemického článku v bezproudovém stavu, se v amperometrii měří elektrický proud tekoucí článkem tvořeným indikační, zde nazývanou polarizovatelná elektroda, a elektrodou referentní. Jako polarizovatelná elektroda se volí nejčastěji platinová elektroda, na kterou je vkládán konstantní potenciál o takové hodnotě, aby stanovovaná elektroaktivní látka podléhala elektrodové reakci. Velikost proudu
8
tekoucí takovým článkem je pak přímo úměrná koncentraci látky reagující na elektrodě. Touto metodou se stanovují látky, které lze na elektrodě oxidovat nebo redukovat. Vhodným analytem pro amperometrické stanovení je kyslík O2, který podléhá elektrochemické reakci ve dvou krocích O2 + 2H+ + 2e ⇔ H2O2 H2O2 + 2H+ + 2e ⇔ 2H2O Obě reakce lze využít k měření obsahu O2 pomocí amperometrie. Obsah kyslíku v biologických matricích např.v krvi bývá stanovován tzv.Clarkovým sensorem. Jedná se o elektrochemický článek tvořený indikační platinovou elektrodou a referentní argenchloridovou. Mezi elektrodami je z vnějšího zdroje udržováno napětí asi 1,5V a je měřen proud tekoucí obvodem. Aby nedocházelo k nežádoucí adsorbci látek na povrch platinové elektrody je sensor oddělen od analyzovaného prostředí permeabilní membránou, přes kterou kyslík difunduje. Kyslíkové čidlo je za určitých okolností možno též využít k měření hladiny glukózy v krvi. Glukóza se oxiduje kyslíkem za katalýzy glukosooxidázou dle rovnice: β-D-glukosa + O2 + H2O ⇔ glukosolakton + H2O2 Obsah glukózy je tedy přímo úměrný množství vzniklého peroxidu, který je měřen kyslíkovým čidlem. Enzym glukosoxidáza je imobilizován přímo na permeabilní membráně Clarkova čidla.
9
Doporučená literatura: J.Urban: Lékařská chemie, Univerzita Karlova, Praha 1995 Z.Bardoděj, E.Samcová, J.Urban: Praktikum z lékařské chemie a biochemie, Univerzita Karlova, Praha 1994 L.Hrušková: Semináře z lékařské chemie, Univerzita Karlova L.Čermáková, L.Feltl, I.Němcová, I.Němec, V.Pacáková, K.Štulík: Analytická chemie 1, SNTL, Praha 1980 L.Čermáková, L.Feltl, I.Němcová, I.Němec, V.Pacáková, K.Štulík: Analytická chemie 2 – Instrumentální analýza, SNTL, Praha 1980 A.Berka, L.Feltl, I.Němec: Příručka k praktiku z kvantitativní analytické chemie, SNTL, Praha 1985
10
