Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Σχολή Επιστημών Υγείας Τμήμα Βιολογικών Εφαρμογών και Τεχνολογιών

1. Πανεπιστήμιο ΙωαννίνωνΣχολή Επιστημών ΥγείαςΤμήμα Βιολογικών Εφαρμογών και Τεχνολογιών «Αναλυτική Χημεία – Ενόργανη Ανάλυση» Οξειδοαναγωγή - Ποτενσιομετρία Δρ. Δημήτριος Στεργίου Διδάσκων Π.Δ. 407/80

2. Βασικές Αρχές Ηλεκτροχημείας • Ηλεκτροχημεία: ασχολείται με χημικά φαινόμενα, τα οποία συνοδεύονται από μεταφορά φορτίου – αγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτή μπορεί να διεξάγεται είτε ομοιογενώς εντός διαλυμάτων είτε στην επιφάνεια διαφόρων ηλεκτροδίων. • Οξειδοαναγωγική αντίδραση: περιλαμβάνει τη μεταφορά ηλεκτρονίων (e-) από μία ουσία σε μία άλλη. • Οξείδωση: η αποβολή e-. • Αναγωγή: η πρόσληψη e-. • Οξειδωτικό αντιδραστήριο: προκαλεί οξείδωση και το ίδιο ανάγεται. • Αναγωγικό αντιδραστήριο: προκαλεί αναγωγή και το ίδιο οξειδώνεται. π.χ.Fe3+ + V2+ Fe2+ + V3+ Οξειδωτικό Αναγωγικό

3. Βασικές Αρχές Ηλεκτροχημείας • Κάθε οξειδοαναγωγική αντίδραση αποτελείται από δύο επιμέρους αντιδράσεις, που ονομάζονται ημιαντιδράσεις. Ag+ + e-⇋ Ag Zn2+ + 2e-⇋ Zn 2Ag+ + Zn ⇋ 2Ag + Zn2+ • Ο συνδυασμός δύο ημιαντιδράσεων δημιουργεί ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο, τα οποία διακρίνονται σε γαλβανικά και ηλεκτρολυτικά. • Γαλβανικό στοιχείο: σε αυτό διεξάγεται μία αυθόρμητη χημική αντίδραση και το αποτέλεσμα είναι η εμφάνιση μία διαφοράς δυναμικού, που ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη (Η.Ε.Δ.), (π.χ. οι μπαταρίες). • Ηλεκτρολυτικό στοιχείο: σε αυτό η χημική αντίδραση δεν διεξάγεται αυθόρμητα και για να συμβεί αυτό εφαρμόζεται εξωτερικά μία διαφορά δυναμικού ίση ή μεγαλύτερη της Η.Ε.Δ., (π.χ. ηλεκτρόλυση του Η2Ο).

4. Γαλβανικά Στοιχεία • Έστω το ακόλουθο γαλβανικό στοιχείο: 2Ag+(aq) + 2e-⇋ 2Ag(s)Κάθοδος(+): αναγωγή Cd(s)⇋ Cd2+(aq) + 2e-Άνοδος(-): οξείδωση Cd(s) + 2Ag+(aq)⇋Cd2+(aq) + 2Ag(s) • Διαγραμματικός συμβολισμός: Cd(s) | Cd2+(aq) || Ag+(s) | Ag(s) Αριστερά αναγράφεται πάντα η άνοδος και δεξιά πάντα η κάθοδος. | = διαχωρισμός φάσεων || = γέφυρα άλατος ή ηλεκτρολυτικός σύνδεσμος

5. Γαλβανικά Στοιχεία • Η γέφυρα άλατος ή ηλεκτρολυτικός σύνδεσμος αποτελείται από μία γέλη εμποτισμένη με έναν αδρανή ηλεκτρολύτη (π.χ. KNO3, KCl) σε μεγάλη συγκέντρωση, ο οποίος δεν επηρεάζει την αντίδραση του στοιχείου. • Με τη χρήση της αποφεύγεται η ανάμιξη των διαλυμάτων, εξασφαλίζεται όμως η διάχυση των ιόντων άρα και η αποκατάσταση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του κυκλώματος. • Όλες οι ημιαντιδράσεις αναγράφονται ως αναγωγές. • Κάθε ημιαντίδραση έχει το δικό της κανονικό δυναμικό αναγωγής (Ε0). • Όλες οι τιμές Ε0 αναφέρονται ως προς το Κανονικό Ηλεκτρόδιο Υδρογόνου, του οποίου κατά σύμβαση το Ε0 = 0. • Όσο πιο μικρή είναι η αλγεβρική τιμή του Ε0, τόσο πιο εύκολα οξειδώνεται το σωματίδιο. • Όσο πιο μεγάλη είναι η αλγεβρική τιμή του Ε0, τόσο πιο εύκολα ανάγεται το σωματίδιο. • Εστοιχείου = Εκαθόδου - Εανόδου

6. Δυναμικό – Εξίσωση Nernst • Η εξίσωση Nernst παρέχει το δυναμικό ενός ημιστοιχείου ως προς τις ενεργότητες των σωματιδίων. Για την τυχαία ημιαντίδραση αΑ + ne-⇋ bB : Ε0= το κανονικό δυναμικό αναγωγής R = η σταθερά των αερίων (8,314 J K-1mol-1 = 8,314 V C K-1mol-1) T = η θερμοκρασία (Κ) n = ο αριθμός των ηλεκτρονίων F = η σταθερά Faraday (9,649 × 104 C mol-1) α = η ενεργότητα • Ο πολλαπλασιασμός μίας ημιαντίδρασης με έναν αριθμό δεν αλλάζει ούτε το Ε ούτε το Ε0. Ag+ + e-⇋ Ag(s) 2Ag+ + 2e-⇋ 2Ag(s)

7. Δυναμικό – Εξίσωση Nernst • Η εξίσωση Nernst για το δυναμικό του στοιχείου: 2Ag+(aq) + 2e-⇋ 2Ag(s)Κάθοδος(+): αναγωγή Ε0+= + 0,799 V Cd(s) ⇋ Cd2+(aq) + 2e-Άνοδος(-): οξείδωση E0-= − 0,402 V Cd(s) + 2Ag+(aq)⇋Cd2+(aq) + 2Ag(s) • Εστοιχείου = Ε+− Ε- • Άρα Εστοιχείου = Ε+− Ε- = 0,781 – (− 0,461) = + 1,242 V • Το ότι το δυναμικό του στοιχείου είναι θετικό σημαίνει ότι η αντίδραση είναι αυθόρμητη όπως είναι γραμμένη.

8. E0 και Σταθερά ισορροπίας Κ • Η εξίσωση Nernst για το δυναμικό του στοιχείου: aA + ne-⇋ cC Κάθοδος(+): αναγωγή Ε0+ dD + ne-⇋ bBΆνοδος(-): οξείδωση E0- aA + bB ⇋cC + dD • Στην κατάσταση της ισορροπίας είναι Ε = 0 και Q = K, οπότε ισχύουν: • Αν ληφθούν υπόψη και οι συντελεστές ενεργότητας τότε το Ε0 μετασχηματίζεται σε Ε0΄ και ονομάζεται τυπικό δυναμικό.

9. Ποτενσιομετρία • Μέτρηση της Η.Ε.Δ. ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου υπό συνθήκες μηδενικού ρεύματος. • Δυναμικό ενδεικτικού ηλεκτροδίου = συνάρτηση της ενεργότητας του υπό προσδιορισμού αναλύτη.

10. Ηλεκτρόδια Αναφοράς • Όλα τα δυναμικά των στοιχείων αναφέρονται ως προς ένα άλλο ημιστοιχείο-ηλεκτρόδιο του οποίου το δυναμικό παραμένει σταθερό και ονομάζεται ηλεκτρόδιο αναφοράς. • Ορισμός: ηλεκτρόδιο του οποίου το δυναμικό παραμένει σταθερό με το χρόνο, τη θερμοκρασία, τη διέλευση ρεύματος και τη σύσταση του διαλύματος. • Κανονικό Ηλεκτρόδιο Υδρογόνου (Standard Hydrogen Electrode, S.H.E.). • Κορεσμένο Ηλεκτρόδιο Καλομέλανος(Saturated Calomel Electrode, S.C.E.). • Ηλεκτρόδιο αργύρου-χλωριούχου αργύρου (Ag/AgCl).

11. Ηλεκτρόδια Αναφοράς • Κανονικό Ηλεκτρόδιο Υδρογόνου (Standard Hydrogen Electrode, S.H.E.).

12. Ηλεκτρόδια Αναφοράς • Κορεσμένο Ηλεκτρόδιο Καλομέλανος (Saturated Calomel Electrode, S.C.E.). • Κανονικό Ηλεκτρόδιο Καλομέλανος (1,0 Μ KCl). • Κορεσμένο Ηλεκτρόδιο Καλομέλανος (4,1 Μ KCl). • Σταθερό και επαναλήψιμο δυναμικό. • Ασταθές σε θερμοκρασίες >80°C. • Τοξικότητα του Hg.

13. Ηλεκτρόδια Αναφοράς • Ηλεκτρόδιο αργύρου-χλωριούχου αργύρου (Ag/AgCl). • Ευρύτατα χρησιμοποιούμενο. • Εύκολο στην κατασκευή και τη χρήση. • Σταθερό σε υψηλές θερμοκρασίες.

14. Ενδεικτικά Ηλεκτρόδια • Μεταλλικά ηλεκτρόδια, που διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες: • 1ου είδους: ηλεκτρόδιο Μ αποκρίνεται στα Μn+ • 2ου είδους: ηλεκτρόδιο Μ αποκρίνεται στα Μn+ και Xm- • 3ου είδους: ηλεκτρόδιο Μ αποκρίνεται στα Μn+ και Xm- και ιόντα Μ΄ • Ηλεκτρόδια οξειδοαναγωγής:αναπτύσσουν δυναμικό ως αποτέλεσμα μίας οξειδοαναγωγικής αντίδρασης που λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια του μετάλλου. Ο ρόλος του μετάλλου είναι απλά να μεταφέρει τα ηλεκτρόνια από και προς το διάλυμα. • Ηλεκτρόδια Μεμβράνης (Ε.Η.Ι., ηλεκτρόδιο υάλου): • Δεν έχουμε φαινόμενα μεταφοράς ηλεκτρονίων. • Η λειτουργία τους βασίζεται στην ανάπτυξη δυναμικού μεμβράνης. • Η τιμή του δυναμικού εξαρτάται από τις ενεργότητες των ιόντων στα δύο διαλύματα. • Το δυναμικό μεμβράνης οφείλεται σε φαινόμενα ιονανταλλαγής και διάχυσης.

15. Ηλεκτρόδιο Υάλου • Το πιο συνηθισμένο Ε.Η.Ι. είναι το ηλεκτρόδιο υάλου, που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του pH. • Αποτελείται από σύρμα Ag σε άμεση επαφή με AgCl (εσωτερικό ηλεκτρόδιο αναφοράς), εμβαπτισμένο σε διάλυμα HCl 0,1 M εξασφαλίζοντας την ηλεκτρική επαφή με την εσωτερική επιφάνεια της μεβράνης. • Το αναπτυσσόμενο δυναμικό οφείλεται σε μηχανισμό ιονανταλλαγής στις επιφάνειες υάλου – διαλυμάτων και στο δυναμικό διαχύσεως επί της μεμβράνης.

16. Ηλεκτρόδιο Υάλου • Αποτελείται από λεπτή υάλινη μεμβράνη, η οποία παρουσιάζει εκλεκτικότητα ως προς τα Η+. • Χαρακτηρίζεται από χαμηλό όριο ανίχνευσης που είναι 10-14 Μ.

17. Ηλεκτρόδιο Υάλου • Συμβολίζεται ως ακολούθως: Ag(s)|AgCl(s)|Cl-(aq)||H+(aq,έξω)|μεμβράνη υάλου|Η+(aq,μέσα), Cl-(aq)|AgCl(s)|Ag(s) • Συνήθως βρίσκεται σε μορφή συνδυασμένου ηλεκτροδίου υάλου – καλομέλανος και παριστάνεται ως εξής: Ag|AgCl, HCl (0,1 M) |Μεμβράνη υάλου | μετρούμενο δ/μα || KCl (κορ.), Hg2Cl2|Hg • Το δυναμικό του ως συνάρτηση του pH δίνεται από την εξίσωση: Ε = ΕΚΗΚ – [k+S × log(αH+)] = (ΕΚΗΚ – k)-S × log(αH+) = Ε΄ +S × pH Όπου: k = σταθερά που εξαρτάται από τη σύσταση της υάλου, τη θερμοκρασία, τη φύση του εσωτερικού ηλεκτροδίου αναφοράς και την αH+ στο εσωτερικό διάλυμα αναφοράς.

18. Ηλεκτρόδιο Υάλου • Ανάλογα με τη σύσταση της υάλου είναι δυνατόν να παρουσιάζεται εκλεκτικότητα και ως προς άλλα κατιόντα. • Πριν τη χρήση του βαθμονομείται με δύο πρότυπα ρυθμιστικά διαλύματα γνωστού pH (συνήθως 4,0 και 7,0). • Πρέπει να αποφεύγεται η αφυδάτωση της μεμβράνης. Κατά τη φύλαξη πρέπει να είναι πάντα εμβαπτισμένο σε υδατικό διάλυμα KCl, παρόμοιο με εκείνο του εσωτερικού διαλύματος.

19. Σφάλματα κατά τη χρήση του Ηλεκτροδίου Υάλου • Αλκαλικό σφάλμα: Οι πειραματικά μετρούμενες τιμές είναι κατά πολύμικρότερες από τις θεωρητικά προβλεπόμενες, διότι το ηλεκτρόδιο αποκρίνεται και στα ιόντα των αλκαλίων όπως το Να+, η συνεισφορά του οποίου σε ισχυρώς αλκαλικά διαλύματα (pH>12) είναι μεγάλη. Η ελαχιστοποίησή του γίνεται με τη χρήση ειδικής υάλου που περιέχει λίθιο αντί για νάτριο και επιτρέπει μετρήσεις μέχρι pH 13. • Όξινο σφάλμα: Σε ισχυρά όξινα διαλύματα (pH<0,5) οι πειραματικά μετρούμενες τιμές είναι κατά πολύμεγαλύτερες από τις θεωρητικά προβλεπόμενες. Αυτό αποδίδεται σε πιθανή διείσδυση των ανιόντων των οξέων στην φάση των ένυδρων πυριτικών αλάτων και σε πιθανή αλλαγή της ενεργότητας του ύδατος στην αυτή φάση, με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται και η ενεργότητα των Η+.

20. Τύποι Μετρητικών Διατάξεων pH

21. Ε.Η.Ι. Στερεάς Κατάστασης • Η λειτουργία τους βασίζεται σε φαινόμενα ιονανταλλαγής διαμέσου ενός κρυστάλλου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το ηλεκτρόδιο φθοριούχων.

22. Ε.Η.Ι. Υγρής Μεμβράνης • Η λειτουργία τους βασίζεται σε φαινόμενα ιονανταλλαγής διαμέσου μίας υδρόφοβης μεμβράνης, η οποία είναι εμποτισμένη με έναν υδρόφοβο ιονανταλλάκτη (ιοντοφόρο), ο οποίος είναι εκλεκτικός ως προς τα ιόντα του αναλύτη.

23. Άλλοι Τύποι Ε.Η.Ι. • Ηλεκτρόδια αερίων: τα αέρια διέρχονται από μία υδρόφοβη μεμβράνη του ηλεκτροδίου και εισερχόμενα σε λεπτή στιβάδα ηλεκτρολύτη μεταβάλλουν τη σύστασή του. Η μεταβολή αυτή ανιχνεύεται από ένα εκλεκτικό ηλεκτρόδιο και το δυναμικό του ηλεκτροδίου συσχετίζεται με τη μερική πίεση ή τη συγκέντρωση του αερίου στο μετρούμενο διάλυμα. • Ηλεκτρόδια ενζύμου-υποστρώματος: είναι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες, όπου το Ε.Η.Ι είναι επικαλυμμένο με κάποιο ένζυμο, που καταλύει μία αντίδραση οργανικής ή ανόργανης ουσίας (υπόστρωμα), όποτε παράγεται προϊόν στο οποίο το ηλεκτρόδιο αποκρίνεται εκλεκτικά.

24. Χαρακτηριστικά Ποιότητας Ε.Η.Ι. • Καμπύλη αναφοράς. • Όριο ανίχνευσης. • Απόκριση κατά Nernst. • Εκλεκτικότητα. • Χρόνος απόκρισης. • Σταθερότητα και επαναληψιμότητα κατά τη χρήση και αποθήκευση.

25. Πλεονεκτήματα Ε.Η.Ι. • 1) Επιτυγχάνονται μη καταστρεπτικές και μη παραμορφωτικές μετρήσεις επί των δειγμάτων. • 2) Παρέχουν τη δυνατότητα κατασκευής συστοιχίας ηλεκτροδίων για ταυτόχρονες αναλύσεις διαφόρων σημαντικών παραμέτρων σε συνεχή ροή (π.χ. βιολογικά υγρά). • 3) Δεν απαιτούνται πολύπλοκες και δαπανηρές μετρητικές διατάξεις. • 4) Μεγάλη ευκολία στην κατασκευή και το χειρισμό των μετρητικών διατάξεων. • 5) Παρέχουν τη δυνατότητα για μετρήσεις ανοιχτού πεδίου (π.χ. φυσικά ύδατα, απόβλητα, περιβαλλοντικές μετρήσεις, pH, pCO2, pNH3, pO2, pNOx). • 6) Έχουν υψηλή ευαισθησία, μεγάλη περιοχή γραμμικής απόκρισης και χαμηλά όρια ανίχνευσης. • 7) Οι λίγες παρεμποδιστικές δράσεις που υφίστανται, αναιρούνται εύκολα με τη χρήση του κατάλληλου ρυθμιστικού διαλύματος (TISAB, Total Ionic Strength Adjustment Buffer), με αποτέλεσμα να αποφεύγονται επίπονοι διαχωρισμοί. • 8) Δυνατότητα άμεσης μέτρησης σε έγχρωμα και θολά δείγματα, γαλακτώματα και εναιωρήματα (π.χ. γάλα, γιαούρτι, μέλι, καλλυντικά, φάρμακα, βιολογικά υγρά), όπου άλλες αναλυτικές τεχνικές (π.χ. φασματοφωτομετρία, χρωματογραφία) αδυνατούν να κάνουν απευθείας μετρήσεις ή απαιτούν επίπονες προκατεργασίες και διαχωρισμούς. • 9) Αποκλειστική δυνατότητα για in-vivo μετρήσεις του εξωκυττάριου και ενδοκυττάριου περιβάλλοντος με τη χρήση μικροηλεκτροδίων.