Klasická DC polarografie Klinická a toxikologická analýza Chemie životního prostředí Geologické obory Úkol: Naměřte polarogramy dle pracovního postupu a poté vypracujte přiložený výsledkový list! Poznámka: U každého bodu pracovního postupu je uvedené doporučené nastavení přístroje. Jeho schéma je mezi materiály, které máte k dispozici. Naměřené křivky okamžitě popisujte dle vzorových záznamů (potenciál osa x, proudový rozsah osa y, typ vzorku) Při výměně roztoků vždy důkladně propláchněte nádobku, zbylý roztok v můstku vedoucímu k referentní elektrodě vyfoukněte pomocí připraveného balónku a propláchněte vodou ze střičky. Všechnu použitou rtuť shromažďujte v nádobce s překvapivým označením Použitá rtuť. Pro vypracování úlohy se předpokládají základní znalosti o polarografii (v rozsahu odpovídajícím skriptům Základní analytická chemie (Opekar, Jelínek, Rychlovský, Plzák): Co je to polarografie, jaké přístrojové vybavení používá, jaké děje při ní probíhají a jak vypadá výstupní záznam) a schopnost vyhodnotit data získaná metodou standardního přídavku. Pracovní postup: 1. Vliv kyslíku na polarogram základního elektrolytu Polarografická nádobka se řádně vymyje a odměří se do ní 10,0 ml 1.10 3 M KCl (roztok se připravuje z 1 M roztoku naředěním na 100 ml). Zaznamená se DC polarogram. Pokud roztok neobsahuje žádné povrchově aktivní látky, lze na křivce pozorovat vedle vln kyslíku (a případně úniku základního elektrolytu) dobře vyvinuté maximum. Je-li analyzovaný roztok znečištěn povrchově aktivními látkami a maximum je deformované nebo již zcela potlačené, je nutné nádobku znovu vymýt a připravit nový roztok. Dále se k roztoku přidá 5 kapek 0,5% roztoku želatiny a po důkladném promíchání se záznam opakuje. Roztok se probublá 20 vteřin dusíkem a opět se zaznamená křivka (nedokonalé odstranění kyslíku). Po dalších pěti minutách bublání se získá křivka základního elektrolytu, z něhož je kyslík zcela odstraněn. (Celá úloha 1. = 4 polarogramy). Nastavení přístroje: rychlost papíru 8 cm za minutu, měřítko osy x (potenciál) 0,1 V na cm (=VOLT PER CM CHART PAPER), citlivost (=CURRENT SENSITIVITY) 25 μa, měříme v rozsahu +0,1-2,5 V. 2. Polarografické spektrum Po těchto pokusech se nahradí obsah polarografické nádobky 10,0 ml roztoku 1 M HCl, přidá se želatina (5 kapek) a odstraní se kyslík probubláním dusíkem (5 min). Po nastavení nových parametrů se provede záznam a postupně se přidá 0,2 ml 1.10-2 M Cd 2+, Tl + a Bi 3+. Po každém přídavku se po krátkém probublání vždy zaznamená DC polarogram. (Celá úloha 2. = 4 polarogramy). Nastavení přístroje: rychlost papíru 8 cm per minute, 0,05 V na cm, měříme v rozsahu 0,0 V až počínající rozklad základního elektrolytu, viz vzorové záznamy. Citlivost 10 μa.
3. Ověření linearity kalibrační závislosti pro ionty Cd 2+ Po těchto pokusech se opět nahradí obsah polarografické nádobky 10,0 ml roztoku 1 M HCl, přidá se želatina (5 kapek) a odstraní se kyslík probubláním dusíkem (5 min). Z předcházejících záznamů se určí vhodná citlivost, aby ji nebylo nutno v průběhu měření měnit a pro nejvyšší koncentrace byla dobře využita celá plocha papíru. Po provedení záznamu se postupně přidává do roztoku standard kademnatých iontů (0,2 ml, c = 0,01 M). Další křivky se registrují jen v takovém potenciálovém rozmezí, v němž se projevuje vlna kadmia. Po každém přídavku je nutno roztok promíchat krátkým bubláním dusíkem. Koncentrační závislost se proměří v rozmezí cca 10-4 až 10-3 M (6 polarogramů včetně polarogramu základního elektrolytu). Při výpočtu koncentrací si uvědomte, že s každým přídavkem roste objem analyzovaného roztoku. Nastavení přístroje: rychlost papíru 8 cm per minute, 0,05 V na cm, potenciálový rozsah volíme tak, aby se snadno vyhodnocovala vlna kadmia, citlivost určíme po odhadu výšky vlny pro roztok o maximální koncentraci 1.10-3 M. 4. Stanovení koncentrace Cd 2+ ve vzorku metodou standardního přídavku Připraví se roztoky č. 1 až č. 6 do 25 ml odměrek: 2,5 ml roztoku vzorku + 5 kapek želatiny + 10 ml 1 M HCl, do baněk č. 2, 4 a 6 se navíc přidá 0,2 ml 0,01 M Cd 2+ (standardní přídavek). Všechny baňky se doplní destilovanou vodou po rysku. Přípravě roztoků je třeba věnovat velkou péči, protože nepřesné pipetování může výrazně ovlivnit výsledek. Po promíchání připravených roztoků se do polarografické nádobky odpipetuje 10 ml roztoku č. 6 a provede se polarografický záznam. Stejným způsobem se proměří i ostatní roztoky v pořadí č. 5, 4, 3, 2, 1. Zvýšení proudu odpovídající standardnímu přídavku se vyhodnocuje mezi dvojicemi roztoků č. 6 a 5, č. 4 a 3, č. 2 a 1. Z naměřených polarogramů se odečte výška limitního difúzního proudu a vypočte se koncentrace kademnatých iontů ve vzorku Nastavení přístroje: rychlost papíru 8 cm per minute, 0,05 V na cm, potenciálový rozsah volíme tak, aby se snadno vyhodnocovala vlna kadmia, citlivost nastavíme tak, aby pro roztok s přídavkem byla využita celá plocha papíru.
Literatura: Heyrovský, J., Kůta, J.: Základy polarografie. Nakladatelství ČSAV, Praha 1962. Zýka,J.: Nové směry v analytické chemii. Svazek I. SNTL, Praha 1983. Štulík, K., Barek, J.: Elektrochemické analytické metody. SPN, Praha 1984. Zýka, J.: Analytická příručka. Díl I. SNTL, ALFA, Praha 1988. Postup při provádění záznamu mu polarografu PO4: 0. Vypnout bublání roztoku (zavádět dusík nad roztok) 1. Připojit referentní elektrodu (otočit spojovací kohout na Kalouskově nádobce) 2. Spustit pero na papír (zkontrolovat zachycení na drátku) 3. Nastavit potenciálový start (posunout papír, pero na linku) 4. Nastavit proudovou nulu (SET ZERO) 5. Nastavit počáteční potenciál (velké kolečko se stupnicí) 6. Připojit elektrodový systém (CELL) 7. Spustit posun papíru (CHART FEED ON) 8. Zaznamenat křivku 9. Zvednout pero (zkontrolovat zachycení na drátku) 10. Odpojit elektrodový systém (ZERO) 11. Zastavit posun papíru (CHART FEED OFF) 12. Odpojit referentní elektrodu (otočit spojovací kohout na Kalouskově nádobce)
Vyhodnocování polarogramů Na polarogramu se v důsledku odkapávání rtuti objevují oscilace. Pro další zpracování se uvažuje zjednodušená varianta - křivka proložená buď vrcholy, nebo středem oscilací (Obr. 1). Obr. 1 - Zjednodušení tvaru polarografické křivky Zjištění limitního proudu a půlvlnového potenciálu Polarografickou křivku proložíme jednou pomocnou přímkou v oblasti lineárního úseku před vzestupem vlny, druhou v lineární části difúzního proudu. V ideálním případě jsou přímky rovnoběžné, v realitě většinou nikoliv. Půlvlnový potenciál najdeme na průsečíku osy této dvojice přímek s polarografickou vlnou (Obr. 3). Hodnota limitního difúzního proudu se odečte jako vzdálenost obou přímek na rovnoběžce s osou proudu (Obr. 2a). Nejsou-li přímky rovnoběžné, změří se jejich vzdálenost v místě půlvlnového potenciálu (Obr. 2b,c) tento postup lze doporučit obecně, neboť je jednodušší než testování rovnoběžnosti. U špatně vyvinutých vln se proloží pomocná přímka pouze oblastí lineárního úseku před vzestupem vlny,a proud se měří při zvoleném potenciálu. (Obr. 2d). Obr. 2 - Způsoby měření výšek polarografických vln Při stanovení koncentrace nezáleží příliš na konkrétním způsobu vyhodnocení proudu, ale spíše na tom, aby byly všechny záznamy vyhodnocovány stejně.
Logaritmická analýza Při logaritmické analýze se zajímáme o část křivky v okolí půlvlnového potenciálu, v oblasti lineárního nárůstu vlny. Pro několik zvolených hodnot potenciálu E odečteme okamžitý proud I jako vzdálenost mezi křivkou a spodní pomocnou přímkou (Obr. 3). Obr. 3 Odečítání hodnot z polarografické křivky (červeně jsou znázorněné hodnoty potřebné pro logaritmickou analýzu) Počet vyměňovaných elektronů n vyplývá z Heyrovského-Ilkovičovy rovnice E 0,059 E1 2 log n I = lim d I I I a lze jej odvodit ze směrnice závislosti E na log (její možný vzhled vidíme na obr. 4) lim I I d -460-480 E (mv) -500 Směrnice (mv) Počet elektronů -59,0 1-29,5 2-19,7 3-520 y = -29.5x - 499.5-540 -1.2-0.6 0 0.6 1.2 log I lim d I I Obr. 4 Grafické znázornění Heyrovského-Ilkovičovy rovnice pro analyt vyměňující dva elektrony
VÝSLEDKOVÝ LIST Klasická DC polarografie Příjmení, jméno: Úloha vypracována dne: Turnus číslo: Studijní obor: Přepracovat a doplnit (+ datum): Datum odevzdání protokolu: V pořádku dne: (1) Zapište chemickou rovnicí či popište slovně děje, které limitují potenciálové okno elektrody: a) Základní elektrolyt 1.10 3 mol l 1 KCl (úloha 1) Při potenciálu kladnějším než probíhá tento anodický děj: Při potenciálu zápornějším než probíhá tento katodický děj (rovnice): b) Základní elektrolyt 1 mol l 1 HCl (od úlohy 2) Při potenciálu kladnějším než probíhá tento anodický děj: Při potenciálu zápornějším než probíhá tento katodický děj (rovnice): (2) Zapište chemickou rovnicí elektrodové děje, které probíhají při redukci kyslíku a) první vlna b) druhá vlna
(3) Odečtěte z Vašich záznamů E 1/2 thalia, bismutu a kadmia a určete E 1/2 bismutu a kadmia, je-li E 1/2 thalia užit jako standard (E 1/2 (Tl) = 0,455 V vs. SCE). Tl Bi Cd E 1/2 (mv) E 1/2 (mv) dle standardu (4) a) Zapište vždy všechny elektrodové děje, které probíhají na rtuťové kapkové elektrodě po přídavku Cd 2+, Tl + a Bi 3+ při potenciálu: a 1 ) 0.0 V a 2 ) 0.3 V a 3 ) 0.5 V a 4 ) 0.9 V a 5 ) 1.4 V b) Zapište Ilkovičovu rovnici a vysvětlete význam jednotlivých symbolů v rovnici. c) Proč se liší výška vln (hodnota limitního difúzního proudu) pro thalium, kadmium a bismut?
(5) Zaznamenejte do tabulky hodnoty limitního difúzního proudu pro různé koncentrace Cd 2+. K výsledkovému listu přiložte graf kalibrační závislosti. Zjistěte korelační koeficient této závislosti jako ukazatel linearity. c (Cd 2+ ) (mol l 1 ) Limitní difúzní proud (μa) Korelační koeficient: (6) Do tabulky zaznamenejte naměřené hodnoty limitního difúzního proudu pro roztoky č. 1-6. Určete koncentraci Cd 2+ roztocích 1, 3 a 5 pro použitou metodu standardního přídavku: a) výpočtem (postup výpočtu zaznamenejte níže) b) graficky (grafické řešení problému přiložte) Výsledky získané oběma postupy přepočítejte na koncentraci Cd 2+ ve Vašem vzorku a shrňte do tabulky. Roztok Limitní difúzní proud (μa) 6 5 4 3 2 1 Koncentrace Cd 2+ (mol l 1 ) (numericky) Koncentrace Cd 2+ (mol l 1 ) (graficky)
(7) Výsledky numerického řešení statisticky zpracujte a zaznamenejte do tabulky včetně jednotky (α = 0,05). Postup výpočtů zaznamenejte. Medián Směrodatná odchylka s Relativní směrodatná odchylka sr Interval spolehlivosti - spodní mez L1 Interval spolehlivosti - horní mez L2 Postup výpočtů: ZÁVĚR: Vzorek obsahuje ( ± ) mol l 1 (sr =, n = ) iontů Cd 2+.