ΑΜΕΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΙΟΝΤΩΝ Κ + ΣΤΟ ΠΟΣΙΜΟ ΝΕΡΟ ΜΕ ΕΠΙΛΕΚΤΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟ 1.Εισαγωγή Χημικοί αισθητήρες είναι όργανα τα οποία μπορούν να παρακολουθούν την ενεργότητα φορτισμένων ή μη ουσιών σε υγρή ή αέρια φάση. Κύριο χαρακτηριστικό ενός χημικού αισθητήρα είναι η επιλεκτικότητα του ως προς την ανιχνεύσιμη ουσία, παράμετρος που καθορίζεται τόσο από την ουσία όσο και από την ειδική χημική αντίδραση που απαιτείται για την μοριακή ή ιονική αναγνώριση. Άλλα χαρακτηριστικά είναι η σταθερότητα, η επαναληπτικότητα, ο χρόνος απόκρισης, το όριο ανίχνευσης και ο χρόνος ζωής. Οι χημικοί αισθητήρες υποδιαιρούνται σε: α) Ηλεκτροχημικούς, β) Οπτικούς, γ) Θερμικούς, δ) Μάζας. Οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες είναι οι πλέον διαδεδομένοι στη χημική ανάλυση. Αυτό συμβαίνει λόγω της δυνατότητας μετατροπής της χημικής πληροφορίας σε ηλεκτρικό σήμα σε ένα μόνο στάδιο. Η μέτρηση του δυναμικού ηλεκτροδίων (με την ροή αμελητέας ποσότητας ηλεκτρικού ρεύματος 10-12 Α) για την εύρεση ή παρακολούθηση της χημικής ενεργότητας φορτισμένων ουσιών, ονομάζεται ποτενσιομετρία. Στη κατηγορία αυτή των ηλεκτοχημικών αισθητήρων ανήκουν τα ποτενσιομετρικά επιλεκτικά ηλεκτρόδια ιόντων. 2.Επιλεκτικά ηλεκτρόδια ιόντων(εηι) Τα ΕΗΙ είναι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες που προσδιορίζουν την ενεργότητα φορτισμένων στοιχείων (ιόντων) με συγκεκριμένη επιλεκτικότητα παρουσία άλλων ιόντων στο διάλυμα. 2.1 Κατηγορίες (ΕΗΙ): α) Ανάλογα με το είδος του ιονομεταφορέα i)εηι για κατιόντα (κατιονανταλλάκτες, ουδέτεροι ιονομεταφορείς κατιόντων)
ii)εηι για ανιόντα (κ λασσικοί ανιονανταλλάκτες, ουδέτεροι ιονομεταφορείς, ενώσεις υποκατάστασης) β) Ανάλογα με το υπόστρωμα που συγκρατεί τον ιονομεταφορέα i) ΕΗΙ στερεής κατάστασης (άνθρακα, υάλου, pellet) ii)εηι υγρής μεμβράνης (υγρή πολυμερική μεμβράνη, PVC/πλαστικοποιητή, silicon rubber, υγρή μεμβράνη διαχωρισμένη απο το δείγμα ανάλυσης με μικροπορώδη λιπόφιλη μεμβράνη.) 2.2 Αρχή λειτουργίας των ΕΗΙ: Τα ΕΗΙ είναι ένα ημιστοιχείο του οποίου το δυναμικό είναι ανάλογο της ενεργότητας των ιόντων μέσα στο οποίο βρίσκεται. Το επιλεκτικό ηλεκτρόδιο μεμβράνης (ενδεικτικό ηλεκτρόδιο) αποτελείται από την επιλεκτική σε ιόντα μεμβράνη, ένα εσωτερικό αναφορικό διάλυμα και ένα εσωτερικό αναφορικό ηλεκτρόδιο. Για την ολοκλήρωση του γαλβανικού στοιχείου χρησιμοποιείται ένα αναφορικό ηλεκτρόδιο, συνήθως Ag/AgCl.. Το δεύτερο ημιστοιχείο (ηλεκτρόδιο αναφοράς) αποτελείται απο μία γέφυρα άλατος και ένα αναφορικό ηλεκτρόδιο σε διάλυμα ηλεκτρολύτη με σταθερή και γνωστή ενεργότητα. Η ηλεκτρική επαφή μεταξύ των δύο ημιστοιχείων επιτυγχάνεται διαμέσου γέφυρας άλατος, η οποία τοποθετείται στο σύστημα του ηλεκτροδίου αναφοράς. Η μέτρηση του δυναμικού γίνεται με συνθήκες ελάχιστης ποσότητας ρεύματος για την αποφυγή διατάραξης της χημικής ισορροπίας του γαλβανικού στοιχείου. Η συνολική διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων του στοιχείου συμπεριλαμβάνει ενα αριθμό τοπικών διαφορών δυναμικού που δημιουργούνται μεταξύ στερεών-στερεών, στερεών-υγρών, και υγρώνυγρών διεπιφανειών. Το άθροισμα όλων αυτών των όρων αποτελεί το δυναμικό του στοιχείου. Ε: διαφορά δυναμικού στοιχείου Ε= Ε 0 +Ε J +E M όπου, Ε 0 : αναφορικό δυναμικό που περιλαμβάνει όλα τα επιμέρους δυναμικά που αναπτύσσονται στο σύστημα των αναφορικών ηλεκτροδίων του συστήματος. Ε J : δυναμικό γέφυρας Ε Μ : δυναμικό μεμβράνης
Παράδειγμα στοιχείου ΕΗΙ σύμφωνα με τους κανόνες της IUPAC : Ag/AgCl (κορ. NaCl) δείγμα / μεμβράνη /εσωτερικό διάλυμα (0.1 M KCl)/AgCl/Ag Σύστημα Ηλεκτροδίου Επιλεκτικό Ηλεκτρόδιο Ιόντων Αναφοράς (Ενδεικτικό Ηλεκτρόδιο) Σχηματική παράσταση επιλεκτικού ηλεκτροδίου ιόντων 2.3 Επιλεκτικό Ηλεκτρόδιο Καλίου: Το επιλεκτικό ηλεκτρόδιο καλίου βασίζεται στην μεγάλη ιονική επιλεκτικότητα αναγνώρισης του ιόντος αυτού από το αντιβιοτικό Valinomycin (Βλέπε Πίνακα 1). Ο χημικός αισθητήρας που κατασκευάζεται με τον ιονομεταφορέα αυτόν έχει επίσης την δυνατότητα μέτρησης της ενεργότητας των ιόντων του Καλίου σε πολύ χαμηλά επίπεδα (0.03 ppm), χαμηλότερα από αυτά της υγρής χρωματογραφίας.
Τα άριστα αυτά αναλυτικά χαρακτηριστικά καθώς επίσης και το πολύ χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης αυτού του οργάνου έχουν κάνει την χρήση του ευρέως διαδεδομένη τόσο στην ανάλυση τροφίμων και ποτών όσο και στην ανάλυση αίματος. Οι κλινικοί αναλυτές των νοσοκομείων βασίζονται σε αισθητήρες ίδιους με αυτούς που θα χρησιμοποιήσετε σε αυτή την άσκηση. Πίνακας 1.: Συντελεστές επιλεκτικότητας ηλεκτροδίου K + logk KH -4.4 logk Kli -4.3 logk Kna -4.0 logk Kmg -4.3 logk Kca -4.2 3.Πείραμα 3.1 Παρασκευή μεμβρανών: Πίνακας 2. Σύσταση μεμβράνης α) 2.00 wt % Potassium Ionophore I ( Valinomycin) β) 0.50 wt % Potassium tetrakis (4-chlorophenyl) borate γ) 64.7 wt % Bis(2-ethylhexyl) sebacate (DOS) δ) 32.80 wt % Poly(vinyl chloride) (PVC) ε) 2.00 ml Tetrahydrofuran (THF)
valinomycin Προσοχή : Ολα τα γυαλικά που χρησιμοποιούνται πλένονται πολύ καλά με απορρυπαντικό, ακετόνη και τέλος με THF. Η παραμικρή ακαθαρσία ή λάθος στην ζύγιση των παρακάτω ποσοτήτων θα οδηγήσουν σε λανθασμένα αποτελέσματα.
Ζυγίζονται συνολικά 100 mg απο τα συστατικά της μεμβράνης (βλέπε Πίνακα 2) και φέρονται σε μικρό φιαλίδιο όπου διαλύονται με περίπου 2ml THF. Το όλο μίγμα φέρεται σε γυάλινο δακτύλιο που είναι τοποθετημένος σε γυάλινη πλάκα και αφήνεται να εξατμιστεί αργά ο διαλύτης σε μέρος μακριά απο ρεύματα και σκόνες. Οι μεμβράνες σχηματίζονται μετά απο την πλήρη εξάτμιση του διαλύτη και έχουν πάχος περίπου 200 μm Στη συνέχεια κόβονται σε κυκλικά κομμάτια και τοποθετούνται σε σώμα του ειδικού ηλεκτροδίου. (Οι μεμβράνες για τα ηλεκτρόδια σας θα είναι προπαρασκευασμένες.) 3.2 Συσκευή μέτρησης 1) Ενδεικτικό ηλεκτρόδιο: Ηλεκτρόδιο μεμβράνης με εσωτερικό αναφορικό διάλυμα 0.1Μ ΚCl 2) Αναφορικό ηλεκτρόδιο: Ηλεκτρόδιο Ag/AgCl κορεσμένο με NaCl. 3) mv μετρο
3.3 Παρασκευή διαλυμάτων 1) Παρασκευή 100ml 10-3 M KCl (ακρίβεια ζύγισης 4δεκαδικά) 2) Παρασκευή 1 Lt 10-3 Μ NaCl 3.4 Καμπύλη αναφοράς 1) Η καμπύλη αναφοράς θα γίνει με μέτρηση 5 διαφορετικών συγκεντρώσεων KCl ( 10-4 M, 3x10-5 M, 10-5 M, 3x10-6 M, 10-6 M) που θα προκύψουν από διαδοχικές αραιώσεις από το αρχικό διάλυμα 10-3 Μ σε τελικούς όγκους 100ml και σε ποτήρια ζέσεως. 2)Προσοχή. Όλα τα παραπάνω διαλύματα θα πρέπει να περιέχουν περίπου 10-3 Μ NaCl για μείωση αντίστασης και ηλεκτρικών θορύβων. 3) Πριν τη μέτρηση απαιτείται καλή ανάδευση των διαλυμάτων 4) Η καμπύλη που θα πάρετε είναι 2 ου βαθμού της παρακάτω μορφής - 8 0-1 0 0-1 2 0 m V - 1 4 0-1 6 0-1 8 0-6,5-6,0-5,5-5,0-4,5-4,0 lo g C 5) Τα άγνωστα διαλύματα θα προσδιοριστούν από την εξίσωση που θα προκύψει με τη βοήθεια του Origin. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: 1) «Ποσοτική χημική ανάλυση» Τόμος Α Daniel C. Harris, κεφ.15-4, 15-1