UVOD U POLAROGRAFIJU I VOLTAMETRIJU

1. Instrumentalna analiza , Profesor Hemije UVOD U POLAROGRAFIJU I VOLTAMETRIJU Dr D. Manojlović, Hemijski fakultet Beograd

2. Voltammetry = Volt-Am(pero)-Metry Polarografija i voltametrija su analitičke metode koje se zasnivaju na merenju zavisnostistruja- potencijal u elektrohemijskim ćelijama Analitički signal kod voltametrije je struja (faradejska) koja protiče kroz ćeliju u toku reakcija analita na radnoj elektrodi male površine. Analit može biti anjon, katjon ili molekul

3. Po IUPAC-u polarografija se odnosi na merenja u kojima se koristi tečna radna ektrodačija se površina obnavlja periodično ili kontinualno (npr. kapima) (DME i SMDE) Voltametrija obuhvata sve metode gde sekoriste stacionarne ili fiksne radne elektrode(HMDE, TMFE, GCE, CPE, Pt, Ag, Au i dr.)

4. TERMINOLOGIJA Elektrode: DME - (dropping mercury electrode) – kapajuća živina elektroda SMDE- (static mercury electrode) - elekroda sa stacionarnom živinom kapi HMDE - (hanging mercury drop electrode) - viseća živina kap

5. TMFE- (thin mercury film electrode) -elektroda od tankog živinog filma GCE - (glassy carbon electrodes) - elektroda od staklastog ugljenika CPE - (carbon paste electrodes)- elektroda od ugljenične paste RDE-rotating disc electrode – rotaciona disk elektroda (Pt, Au, Ag, GC,DBD itd.)

6. Tehnike: DCP- (direct current methods)- polarografija sa jednosmernom strujom SWP- (square-wave polarography) - polarografija sa pravougaonim impulsima NPP- (normal pulse polarografy) - normalna pulsna polarografija DPP - (differential pulse polarography)- diferencijalna pulsna polarografija

7. ACP-(alternating current polarography) - polarografija naizmeničnom strujom ASV- (anodic stripping voltamety)- anodna striping voltametrija CSV- (cathodic stripping voltametry) - katodna striping voltametrija

8. AdSV - (adsorptive strippig voltametry)- adsorpciona striping voltametrija SCP - (stripping chronopotentiometry) - striping hronopotenciometria CV – (cyclic voltammetry)-ciklična voltametrija(CV)

9. Blok shema uređaja za voltametrijska ispitivanja

10. Generator signala/ potenciostat polarografskaćelija

11. Instrumenti u voltametriji

12. METODE SA JEDNOSMERNOM STRUJOM Potencijal vreme U najprostijem slučaju princip polarografskog merenja zasniva se na registrovanju struje koja protiče krozDME, kao radnu elektrodu, u toku linearne(jednosmerne)promene potencijala (klasična polarografija sa jednosmernom strujom, DCP).

13. Kod elektrohemijskih ćelija starijeg tipa koristimo radnu i referentnu elektrodu (kalomelovu, srebro-hloridnu, živu sa dna suda). Kog novijih aparata koristi se troelektrodna ćelija kod koje se uvodi kontra elektroda (pomoćna elektroda) koja ima veliku površinu u odnosu na radnu elektrodu i ne podleže polarizaciji (obično se koristi platinska žica, GCE – staklasti ugljenik).

14. Koncentracija vrsta koje se mogu odrediti klasičnom polarografijom je do 10-5. Hayrovsky je 1922. god. objavio prvu studiju o elektrolizi na kapajućoj živinoj elektrodi, a 1959. god. je dobio Nobelovu nagradu.

15. Elektrohemijske ćelije sa dve i tri elektrode.

16. Odnos između faradejske iF i kapacitivne (kondenzatorske), iC struje u polarografiji sa jednosmernom strujom ; iD je granična difuziona struja. Posmatranje struje koja teče kroz radnu elektrodu pokazuje da se ona sastoji od dve komponente, faradejske struje iF i kapacitivne ili kondenzatorske struje iC .

17. Faradejska struja iF potiče od redukcije ili oksidacije analita.

18. Kapacitivna ili kondenzatorska struje iC potiče od pražnjenja elektrohemijskog dvostrukog sloja na površini radne elektrode. Za najveći broj polarografskih određivanja faradejska struja daje merni signal (korisni signal), dok kapacitativna struja daje neželjene ometajuće komponente (ometajući signal, šum). Pri praktičnim uslovima rada, kapacitativna struja zavisi od potencijala i može da ima vrednost do 10-7 A i tada ulazi u opseg faradejske granične difuzione struje iD koju daje rastvor analita koncentracije 10-5 mol/l.

19. Ako iC ima istu vrednost kao iF(iF / iC = 1), onda se korisni signal ne može dalje odvojiti od smetajućeg signala tj. granice detekcije određivanja sa DCP ograničena su odnosom korisnog i smetajućeg signala (takođe poznatim pod imenom odnos signal / šum). Granična difuziona struja iD je maksimalna vrednost iF koja se dobija kada su sve čestice analita transportovane difuzijom do površine Hg kapi, pretvorene tj. redukovane ili oksidovane (reakcije prenosa naelektrisanja).

20. Odnos između granične difuzione struje i koncentracije analita dat je Ilkovičevom jednačinom: ID = 0,607 · n · D1/2· m2/3 · td1/6 · Ca I=k·C iD – granična difuziona struja n – broj izmenjenih elektrona u reakciji prenosa naelektrisanja D – difuzioni koeficijent analita m – brzina isticanja Hg td – vreme kapanja Hg Ca – koncentracija analita

21. KVANTITATIVNA I KVALITATIVNA POLAROGRAFSKA ANALIZA Intenzitet difuzione struje direktno je proporcijonalan koncentraciji analita. Polutalasni potencijal se koristi za kvalitativna određivanja.

22. Kvantitativna informacija Kvalitativna informacija Kvantitativna i kvalitativna informacija kod DC polarografije

23. Kvantitativna polarografska analiza (kalibraciona kriva i standardni dodatak)

24. Određivanje polutalasnih potencijala (kvalitativna analiza) Metoda po Toma{-u Metoda po Tomaš-u

25. Efekat kompleksirajućih sredstava na polutalasni potencijal na kapajućoj živinoj elektrodi (DME)

26. SMETNJEPRI POLAROGRAFSKIM ODREĐIVANJIMA Migraciona struja Da bi se odredila koncentracije elektroaktivne vrste, neophodno je poznavati vrednost difuzione struje. Do ove vrednosti se dolazi kada se od granične vrednosti struje oduzme vrednost rezidualne struje pošto je eliminisana migraciona struja. Vrednost rezidualne struje sa uočava odmah u toku sinmanja I-E krive, pa se može odmah oduzeti od granične vrednosti struje.

27. Kad nastupi maksimalna polarizacija elektrode, joni koji dospevaju na njenu površinu neće doći samo difuzijom već i elektrostatičkim privlačenjem između negativne katode i pozitivnih jona dok će negativni joni biti privučeni anodom. Udeo katjona u prenošenju struje naziva se prenosnim brojem katjonai obeležava se sa Nk, dok se udeo anjona u ukupnom prenosu struje naziva prenosnim brojem anjona i označava se sa Na. Nk + Na= 1

28. Migraciona struja takođe, doprinosi vrednosti difuzione struje. Da bi se dobila samo vrednost struje koja potiče od difuzije (difuziona struja), potrebno je eliminisati migracionu struju. Migraciona struja se uklanja pomoću pomoćnog elektrolita (osnovnog elektrolita) koji se koristi oko 1000 puta koncentrovaniji u odnosu za određivanu vrstu. Primenom osnovnog elektrolita ne samo da se uklanja migraciona struja nego se i smanjuje pad napona –IR zbog smanjenja omskog otpora.

29. Uloga osnovnog elektrolita Povećava provodljivost i smanjuje omski otpor Uklanja migracionu struju Korišćenjem kiselina, baza ili pufera kao osnovnog elektrolita može se podesiti pogodna pH vrednost za odgovarajuću elektrodnu reakciju Osnovni elektrolit može kompleksirati ispitivane komponente gradeći komplekse različitog elektrohemijskog ponašanja U zavisnosti od stabilnosti nagrađenih kompleksa dolazi do boljeg razdvajanja susednih signala

30. Ulogaosnovnog elektrolita u razdvajanju signala

31. živa igla čekić kapilara Hg kap

32. DME -Kapajućaživina elektroda (Metrohm) GC Au Ag Pt SMDE DME HMDE Rotacione diskelektrode (Metrohm)

34. Referentna elektroda Ag/AgCl/KCl 3 mol/L Pomoćne elektrode Platinum (Pt)- Platinska Glassy Carbon (GC)-staklasti ugljenik

35. DME SMDE HMDE igla čekić kapilara Hg kap nova kap stalna površina jedna kap ! život kapi

36. Osetljivost elektroda DME SMDE HMDE & RDE Tragovi ppb ppt ppm niski ppm

37. Prednosti DME elektrode Kapi se reproduktivno formiraju pa je struja uprkos varijacijama koje su posledica rasta i otkidanja kapi od kapilare reproduktivna. U elektrolitu je uvek prisutna sveža površina elektrode. Veliki nadnapon i mala brzina izdvajanja vodonika na živi.

38. Idealno se polarizibilno ponaša pri polarizacijama od 0 do -1,8 V. Nedostatci: Usled anodnog rastvaranja žive ne može se koristiti na potencijalima iznad + 0,35 V. Kiseonik se redukuje na elektrodi u dvostepenoj reakciji i daje dva talasa. Toksičnost.

39. Potencijali primene elektroda

40. Maksimalno mogući radni potencijal pojedinih elektroda Oksidacija elektrode Hg GC Au Pt Potenc.

41. Oscilacije struje Formiranje i otkidanje živinekapi od živinog stuba vezano je za pojavu oscilacije struje. Za vreme koje protekne od otkidanja jedne kapi pa do početka formiranja nove kapi struja ne protiče kroz rastvor. Za vreme formiranja kapi, zbog porasta površine elektrode i pri nepromenjenoj gustini struje, doći će do porasta same struje sve dok se kap ne otkine.

42. Struja I Život kapi vreme Za merenje jačine struje koriste se osetljivi ali inertni instrumenti (10-10 A/m skale),što znači da se vraćanje skale galvanometra u početni položaj mora obaviti u dužem vremenskom periodu od kapanja.

43. Oscilacije struje zbog otkidanja kapi mogu se dobrim delom kompenzovatipostavljanjem pogodno vezanog kondenzatora kapaciteta nekoliko hiljada F. I max. I sred. Polutalasni potencijal Difuziona struja Primenjeni potencijal prema ZKE

44. Kondenzatorska struja Elektrokapilarnost žive je pojava da njen površinski napon, zavisi od potencijala koji joj je saopšten. Kad se metalna živa nalazi u dodiru sa rastvorom, na dodirnoj površini faza metal/rastvor obrazovaće se električni dvosloj pozitivnih živinih jona koji su prešli u rastvor i elektrona koji su zaostali na metalnoj fazi. Uspostavlja se ravnotežni potencijal.

45. Saopštavanjem potencijala koji su negativniji od ravnotežnog, na živinoj elektrodi, doći će do povlačenja pozitivnih jona, sa površine u unutrašnjost, dakle do kontrakcije kapi, odnosno povećanja površinskog napona. Dalje povećanje negativnog potencijala metalne žive imaće za posledicu dešaržiranje živinih jona iz rastvora i njihovog ugrađivanja u tečni metal, zbog čega zapremina kapi raste, odnosno površinski napon opada.

46. Na osnovu izloženog jasno je da se kapi žive ponašaju kao kondenzatorkoji se puni odgovarajućom strujom. Kondenzatorska struja zavisi od potencijala elektrode. Kondenzatorska struja, koja takođe utiče naoscilacije galvanometra, ima najmanju vrednost pri potencijalu koji odgovara elektrokapilarnoj nuli za dati ratvor i koncentraciju.

47. Aparatura za odrerđivane elektrokapilarnog maksimuma žive i elektrokapilarna kriva Elektrokapilarna kriva žive

48. Adsorpciona struja Pojava struje koja je prouzrokaovana adsorpcijom bilo elektroaktivne jonske vrste, bilo samog produkta reakcije na kapljućoj živinoj elektrodi otkrio je Brdička. Broj adsorbovanih čestica zavisi od površine kapi i on će se povećavati sve do jedne granice, kada se cela površina kapi prekrijemonomolekulskim filmom adsorbovanih čestica. Vrednos adsorpcione struje kod kapajuće živine ektrode ne zavisi od koncentracije čestica već samo od površine živine kapi koja zavisi od visine živinog stuba.

49. Polarografski maksimumi Vrlo često se dešava da se pridepolarizacionom potencijalu ispitivane vrste opaze izuzetno visoke vrdenosti difuzione struje, koja zatim naglo opada na vrednosti struje koje odgovarajukoncentraciji depolarizatora. Ova pojava ometa sigurno čitnje visine difuzione struje a naročito otežava očitavanje polutalasnih potencijala koji su vezani za identifikaciju elektroaktivne jonske vrste.

50. Strujni maksimumi se mogu ukloniti dodatkom depresora maksimuma, koji su kapilarno aktivne supstance i moraju biti kapilarno aktivniji od depolarizatora (želatin, triton X-100). Struja Potencijal Polarografski maksimumi prve i druge vrste