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 /roztok. Z napětí článku, E, který je roven rozdílu potenciálů indikační a referentní elektrody lze (pokud je to zapotřebí) vypočítat potenciál indikační elektrody: E = E IND - E REF, E IND = E + E REF. 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, E IND, 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 X. 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 X Na elektrodě vzniká elektrodový potenciál, který je popsán Nernstovou rovnicí: 0,059 0 n E = E (X ) + log a(x + ), n kde E 0 (X ) je konstanta nazývaná standardní redoxní potenciál, n počet elektronů účastnících se elektrodové reakce a a(x ) je aktivita sledovaného iontu. Příkladem je stříbrná 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 1 + ) = 0,799 0,059 = 0,740 V praxi bývá stříbrná 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, elektrodový děj probíhající na vodíkové elektrodě lze popsat rovnicí: 2H + (aq) + 2e H 2 Standardní redoxní potenciál vodíkové elektrody byl definitoricky položen roven nule při všech teplotách. Vodíková o složení (tlak vodíku 0,1 MPa, aktivita vodíkových iontů rovna jedné), je tzv. standardní vodíková (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, XY n, v roztoku obsahujícím anion této soli, Y - : XY n + ne X + ny - 0,059 n 0 - n E = E ( XYn ) log a(y ) Nejběžnějšími mi II.druhu jsou a) argentchloridová tvořená stříbrným drátkem pokrytým vrstvou AgCl ponořený do nasyceného roztoku KCl: E AgCl + e Ag + Cl - 0 = E ( AgCl) 0,059 log a( Cl ) = 0,222 0,059 loga( Cl ) b) kalomelová tvořená rtutí s vrstvou kalomelu Hg 2 Cl 2 ponořenou v nasyceném roztoku KCl: Hg 2 Cl 2 + 2e 2Hg + 2Cl - 0,059 2 E = E ( Hg 2Cl2 ) log a( Cl ) = 0,268 0,059 log a( Cl 2 0 Argentchloridová a kalomelová 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 KNO 3 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: 0,059 a( Red) E = E 0 ( Red/Ox) log. n a(ox) 3
Příkladem může být Fe 2+ /Fe 3+ : Fe 3+ + e Fe 2+ 2+ 0 2+ 3+ a( Fe ) E = E ( Fe / Fe ) 0,059 log = 0,771+ 0,059 = 0,83. 3+ a( Fe ) Obr.2 Příklady realizace některých referentních elektrod. A-vodíková (má pro praktickou elektroanalytickou chemii pouze teoretický význam), B-nasycená kalomelová, C-nasycená argentchloridová. 2.4.Membránové elektrody jsou tvořeny membránou či přepážkou z určitého materiálu (M, či lépe M n- X ), 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 X ) v roztoku a v membráně, nabyde každá strana membrány vůči roztoku určitého potenciálu, E 1, E 2, závislého na aktivitě iontů v tom roztoku s nímž je příslušná strana membrány v kontaktu; rozdíl těchto potenciálů je membránový potenciál E M, viz obr.3. M n- X M n- + X 4
REF2 E 2 1 M REF1 roztok 2 membrána roztok 1 [X ] 2 [X X M n- M n- X ] 1 M n- X M n- M n- X X M n- Z X M n- M n- X E 2 E 1 2 1 REF2 [X ] membrána [X ] REF1 membránová (ISE) analyzovaný roztok vnější referentní Obr.3. Princip potenciometrického měření s membránovou elektrodou (znázorněna je situace, kdy [X ] 1 > [X ] 2, takže E 1 >E 2 ) a schematické znázorněni článku s membránovou elektrodou. Pro membránový potenciál E M platí: E 0,059 a( X 1 M = E1 E 2 = log. n a( X ) 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 0,059 M = K + log a(x ) 1 E ; n 5
Nejčastějším typem membrán jsou membrány skleněné, tvořené trojdimensionální sítí SiO 4-4 skupin, v nichž každý křemík je vázán na čtyři kyslíkové atomy, přičemž každý kyslíkový atom je sdílen dvěma atomy křemíku. Náboj SiO 4-4 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 pro měření ph. 2.4.1.Měření ph ph je definováno jako záporně vzatý dekadický logaritmus aktivity vodíkových kationtů H +. ph = log a( H 3O + ) 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 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 stínění přívod k vnější ref.elektrodě vnitřní vodič přívod k vnitřní ref.elektrodě solný můstek (keramická frita) skleněná membrána vnitřní referentní Obr.4 Schema skleněné elektrody pro měření ph 2.4.2.Plynové detektory založené na principu skleněné elektrody Skleněná vyvinutá původně pro měření ph je využitelná po drobných modifikacích i pro stanovení některých plynů. Skleněná 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 změnou potenciálu. Tímto sensorem jsou stanovovány plyny, které se ve vodném roztoku účastní protolytických rovnováh spojených se změnou ph (CO 2, NH 3, NO 2 a SO 2 ). U sensoru na sledování CO 2 plyn permeuje membránou z analyzovaného prostředí (vzduch, krev), kde je jeho tlak p(co 2 ) do filmu vnitřního roztoku NaHCO 3 a dochází k reakcím CO 2 (g) + H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 HCO - 3 + H + jak je patrno průnikem CO 2 se vnitřní roztok okyseluje a změna ph detekovaná skleněnou elektrodou je přímo úměrná obsahu CO 2 v analyzovaném prostředí: ph = K log p(co 2 ) 7
tělo sensoru vnitřní elektrolyt skleněná ph-metr referentní skleněná CO 2+H 2O HCO 3 - +H+ film elytu permeabilní membrána permeabilní membrána analyzované prostředí CO 2 (g) analyzované prostředí Obr.5 Detailní schema potenciometrického senzoru pro měření obsahu CO 2 ve vzduchu nebo v krvi. 2.4.3.Skleněná 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(NH 2 ) 2 + H 2 O CO 2 + 2NH 3, takže ke stanovení močoviny je v tomto případě možno použít plynového detektoru CO 2 nebo NH 3. 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, a elektrodou referentní. Jako polarizovatelná se volí nejčastěji platinová, 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 O 2, který podléhá elektrochemické reakci ve dvou krocích O 2 + 2H + + 2e H 2 O 2 H 2 O 2 + 2H + + 2e 2H 2 O Obě reakce lze využít k měření obsahu O 2 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 mi 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 + O 2 + H 2 O glukosolakton + H 2 O 2 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