background image

 
 
 

ELEKTRODY JONOSELEKTYWNE. WYZNACZANIE STĘŻENIA 

JONÓW CHLORKOWYCH METODAMI DODATKU WZORCA. 

 
 

Elektrody jonoselektywne są to elektrochemiczne półogniwa, które selektywnie reagują na dany 

jon  lub  molekułę  w  obecności  innych  jonów  zawartych  w  roztworze.  Zasadniczą  częścią  elektrody 
jonoselektywnej  jest  membrana  (np.  trudno  rozpuszczalna  sól,  szkło,  półprzewodnik,  wymieniacz 
jonowy  itp.),  która  z  jednej  strony  kontaktuje  się  z  roztworem  wewnętrznym  membrany  lub 
bezpośrednio  z przewodnikiem wyprowadzającym, natomiast z drugiej strony z roztworem badanym. 
Na  granicy  faz  membrana-roztwór  badany  wytwarza  się  różnica  potencjałów  zależna  od  aktywności 
określonego jonu, który występuje w fazie roztworu i w fazie membrany, mogąc łatwo przechodzić z 
jednej fazy do drugiej. 

Elektrody jonoselektywne, ze względu na typ membrany, można podzielić na trzy grupy: 
1) elektrody jonoselektywne z membranami stałymi
a)  elektrody  z  membranami  homogenicznymi;  elektrody  szklane,  monokrystaliczne  (LaF

3

Ag

2

S,  CuS,  CuSe),  elektrody  z  membranami  wykonanymi  ze  stopionych  lub  sproszkowanych,  a 

następnie sprasowanych soli (CuS, Cu

2

S, AgCl, AgBr, AgI), 

b)  elektrody  z  membranami  heterogenicznymi;  polikrystaliczne  (Ag

2

S  w  mieszaninie  z  CuSe, 

CuS, CdS, PbS, AgCl, AgBr, AgI, AgSCN, AgCN), substancje krystaliczne wbudowane w polimerową 
matrycę np. polichlorku winylu, 

2) elektrody jonoselektywne z membranami ciekłymi
a) membranoaktywną warstwę stanowi duży anion, np. kwasu alkilofosforowego(V) lub anion 

tetra-n-chlorofenyloboranowy,  rozpuszczony  w  rozpuszczalniku  organicznym,  niemieszającym  się  z 
wodą. Elektrody takie nadają się do oznaczeń kationów (Ca

2+

 i Ba

2+

), 

b)  membranę  stanowią  duże  kationy  np.  kationy  czwartorzędowej  soli  amoniowej,  sole 

kompleksowe metali przejściowych; są to elektrody czułe na aniony (ClO

4

, BF

4

, NO

3

, Br-, Cl- itp.), 

c)  membrany  zbudowane  na  bazie  neutralnych  ligandów  (antybiotyki,  cykliczne  i  acykliczne 

molekuły), np. elektroda do oznaczania jonów 

K  zbudowana jest na bazie walinomycyny, 

3)  trzecia  grupa  to  elektrody,  których  specyficzna  budowa  i  zasada  działania  nie  pozwala  na 

zaliczenie ich do wcześniej wymienionych grup. Należą tu: 

a)  elektrody  czułe  na  gazy,  w  których  wykorzystuje  się  przepuszczającą  gaz  membranę  i 

odpowiednią elektrodę wskaźnikową (elektrody do oznaczania CO

2

, SO

2

 i NH

3

), 

b)  elektrody  enzymatyczne,  reagujące  na  jony  powstałe  w  wyniku  rozkładu  substancji 

organicznych (np. mocznika, L- i D- aminokwasów, amygdaliny itp.) przez określone enzymy. 

Potencjał elektrody jonoselektywnej opisuje równanie Nikolskiego 

B

A

z

z

B

B

A

A

o

a

K

a

zF

RT

E

E

ln

 

 

 

 

 

 

 

(1) 

gdzie: 

E

o

  –  potencjał  standardowy  elektrody  jonoselektywnej,  zależny  od  rodzaju  membrany  i 

konstrukcji elektrody, 

a

A

 – aktywność jonu oznaczanego, 

a

B

 – aktywność jonu zakłócającego (interferującego), 

background image

R – stała gazowa, 
T – temperatura w K, 
z – liczba elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej, 
F – stała Faradaya, 

z

A

z

B

 – wartościowość jonu oznaczanego i zakłócającego, 

K

A B

 – współczynnik selektywności: jon oznaczany – jon zakłócający. 

 

Przez  potencjał  elektrody  rozumiemy  siłę  elektromotoryczną  ogniwa  zbudowanego  z  danej 

elektrody i elektrody wodorowej o jednostkowej aktywności jonów wodorowych i prężności parcjalnej 
wodoru  równej  1.013 

.

  10

5

  Pa.  W  pomiarach  potencjałów  elektrod,  zamiast  niewygodnej  w  użyciu  i 

czułej na różne czynniki elektrody wodorowej, stosuje się inne elektrody odniesienia, charakteryzujące 
się stałym potencjałem, niezależnym od składu roztworu badanego. Obecnie najczęściej stosowanymi 
elektrodami odniesienia są elektroda chlorosrebrowa (Ag | AgCl | Cl

) i kalomelowa (Hg | Hg

2

Cl

| Cl

(patrz  ćwiczenie:  „Wyznaczanie  entalpii  swobodnej  (ΔG),  Entalpii  (

H)  i  entropii  (

S)  reakcji 

zachodzącej w ogniwie Clarka”). 

Jak  wynika  z  równania  Nikolskiego,  jednym  z  istotniejszych  parametrów  charakteryzujących 

praktyczną przydatność elektrody jonoselektywnej jest współczynnik selektywności. Im mniejsza jest 
od jedności wartość współczynnika selektywności tym większa jest specyficzność elektrody w stosunku 
do jonu oznaczanego w obecności jonu zakłócającego. 

W  przypadku  elektrod  z  membranami  krystalicznymi  współczynnik  selektywności  związany 

jest  z  reakcjami  tworzenia  nowych  trudno  rozpuszczalnych  związków,  np.  dla  elektrody  chlorkowej, 
której  membranę  stanowi  sprasowany  pod  wysokim  ciśnieniem  trudno  rozpuszczalny  AgCl, 
współczynnik  selektywności  tej  elektrody  w  stosunku  do  jonów  bromkowych  jest  równy  stosunkowi 
iloczynów rozpuszczalności chlorku i bromku srebra 
 

 

300

10

4

10

1

.

1

13

10

,

,

AgBr

r

AgCl

r

Br

Cl

I

I

K

 

 

 

 

 

 

 

(2) 

 
Taka  wartość  współczynnika  selektywności  oznacza,  że  trzystukrotnie  mniejsze  stężenie  jonów 
bromkowych  w  porównaniu  z  jonami  chlorkowymi  będzie  wnosić  taki  sam  udział  w  potencjał 
elektrody jak jony chlorkowe. 
 

W  przypadku  elektrod  z  membranami  ciekłymi  współczynnik  selektywności  zależy  od 

ruchliwości  jonów  badanych  i  zakłócających  lub  ich  asocjatów  z  substancją  jonowymienną  w  fazie 
organicznej  membrany  oraz  od  współczynników  podziału  obu  jonów  pomiędzy  fazę  wodną  i 
organiczną i stałych asocjacji w fazie membrany . 

Innym  parametrem  charakteryzującym  elektrody  jonoselektywne  jest  nachylenie  krzywej 

kalibracji.  Krzywą  kalibracji  elektrody  nazywamy  wykres  zależności  potencjału  tej  elektrody  od 
logarytmu  z  aktywności  (krzywa  aktywnościowa)  lub  stężenia  (krzywa  stężeniowa)  danego  jonu. 
Idealna elektroda powinna mieć tzw. "nernstowskie" nachylenie, równe RT/z

A

F. Często jednak zdarzają 

się  odchylenia  od  tej  wartości  (najczęściej  w  kierunku  wartości  niższych),  wynikające  głównie  z 
właściwości membrany i sposobu jej przygotowania. 

Każda  elektroda  jonoselektywna  charakteryzuje  się  ściśle  określoną  granicą  oznaczalności

związaną  z  najniższym  stężeniem  jonu  jakie  można  oznaczać  w  danym  układzie.  Jako  granicę 
oznaczalności  przyjmuje  się  stężenie  oznaczanych  jonów,  przy  którym  odchylenie  punktów 
pomiarowych  od  prostoliniowego  przebiegu  krzywej  kalibracji  wynosi  18/z

A

  mV.  Granice 

background image

oznaczalności dla danej elektrody w znacznym stopniu zależą od typu jej membrany i obecności jonów 
zakłócających. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 

Należy również pamiętać, że elektrody jonoselektywne różnią się tzw. czasem odpowiedzi. Jest 

to  czas  potrzebny  do  osiągnięcia  potencjału  równowagowego  przy  przeniesieniu  elektrody  z  jednego 
roztworu do drugiego, różniących się aktywnościami jonów potencjałotwórczych. 

Podstawą  wszystkich  metod  analitycznych  z  zastosowaniem  elektrod  jonoselektywnych  jest 

empiryczna postać równania Nernsta 

E

E

S

a

o

log

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3) 

gdzie:  E – SEM pomiarowego ogniwa elektrodowego, 

E

o

  –  SEM  pomiarowego  ogniwa  elektrodowego  w  temperaturze  298  K,  przy  prężności 

parcjalnej substancji gazowych równej 1013 hPa i aktywności jonów mierzonych w roztworze 
równej jedeności, 
±S  -  nachylenie  charakterystyki  elektrody;  (+)  dla  kationów,  (-)  dla  anionów  (dla  roztworów 
wodnych w temperaturze 25

o

C teoretyczna  wartość S jest równa 59.16 mV/z

A

). 

 
Można wyróżnić kilka metod analitycznych z zastosowaniem elektrod jonoselektywnych takich 

jak:  metoda  krzywych  wzorcowych, metoda miareczkowania potencjometrycznego i   metoda dodatku 
wzorca. 
 
Metoda krzywych wzorcowych 
 

Sporządza się serię roztworów oznaczanego jonu o różnych stężeniach lub aktywnościach, dla 

których  mierzy  się  potencjał  elektrody  jonoselektywnej  względem  elektrody  odniesienia    (elektroda 
chlorosrebrowa, kalomelowa itp.). Nanosząc na wykresie zmierzone wartości potencjałów w zależności 
od  logarytmu  ze  stężenia  lub  aktywności  otrzymamy  krzywą  wzorcową  (rys.  1).  Stężeniowa  krzywa 

Rys. 1. Stężeniowa krzywa kalibracji elektrody 

 

SEM

0 

18/z [mV] 

pM

E

S

 

pM

 

E

 

SEM 
[mV] 

pM (-log c

M

background image

wzorcowa  w  zakresie  wysokich  stężeń  wykazuje  odchylenie  od  liniowogo  przebiegu  związane  ze 
zmniejszaniem  się  współczynnika  aktywności  badanego  jonu  ze  wzrostem  siły  jonowej  roztworu 

(

I

C

I

aB

I

z

A

f

i

i

1

log

2

)

(

 gdzie: 

)

(

i

f

 – współczynnik aktywności i-tego kationu lub anionu, A,B 

C stałe, z

i

 – ładunek jonu, a – efektywny promień jonu, I – siła jonowa roztworu: 

2

2

/

1

i

i

z

c

I

). 

Mierząc  SEM  ogniwa  pomiarowego  w  roztworze  badanym  i  porównując  uzyskaną  wartość  z  krzywą 
wzorcową znajdujemy stężenie lub aktywność jonu oznaczanego w roztworze. W metodzie tej należy 
szczególną uwagę zwrócić na to,  aby skład roztworów wzorcowych był zbliżony (najlepiej taki sam) 
jak matryca roztworu badanego. 

Do pomiaru SEM można używać każdego miernika potencjału, którego opór wejściowy jest co 

najmniej trzy rzędy wielkości większy od oporu wewnętrznego układu pomiarowego (multimetr, pH-
metr,  jonometr).  Obecnie  produkowane  są  jonometry,    które  w  sposób  bezpośredni  pozwalają  na 
oznaczenie  aktywności  jonów  przy  pomocy  elektrod  jonoselektywnych.  Pomiar  jest  analogiczny  do 
pomiarów pH.  
 
Metoda miareczkowania potencjometrycznego 
 

Dokładność metody miareczkowej zależy od: a) dokładnego ustalenia miana titranta, b) stałej i 

dokładnie znanej stechiometrii reakcji, c) od dokładności ustalenia punktu końcowego miareczkowania. 
Elektrody  jonoselektywne  dają  możliwość  najbardziej  obiektywnego  rozpoznania  punktu  końcowego 
miareczkowania.  Na  krzywej  miareczkowania  tj.  zależności  SEM  ogniwa  od  objętości  dodanego 
titranta, występuje skok potencjału związany z punktem końcowym miareczkowania (punkt końcowy 
leży w punkcie przegięcia krzywej). Dokładną wartość punktu końcowego można uzyskać z pierwszej 
lub drugiej pochodnej krzywej miareczkowania. 

metodach 

miareczkowania 

potencjometrycznego 

zastosowaniem 

elektrod 

jonoselektywnych  można  wyróżnić  trzy  typy  miareczkowań:  miareczkowanie  kwasowo-zasadowe, 
strąceniowe i kompleksometryczne. 
 
Metoda wykorzystująca ogniwa stężeniowe 
 

W  technice  tej  konstruuje  się  ogniwo  stężeniowe  z  dwóch  jednakowych  elektrod 

jonoselektywnych. Zasada metody polega na tym, że w ogniwie stężeniowym SEM ogniwa równa się 
zeru,  gdy  aktywność  oznaczanych  jonów  przy  obu  elektrodach  jest  jednakowa.  Jeżeli  będziemy 
dodawać  do  jednego  z  półogniw  znane  objętości  roztworu  wzorcowego  lub  rozcieńczać  jedno  z 
półogniw wodą destylowaną, możemy doprowadzić SEM ogniwa stężeniowego do zera i ze znajomości 
dodanej objętości obliczyć aktywność jonów w roztworze mierzonym. 
 
Metody dodatku wzorca 
 

Należą  do  nich  metody  jednokrotnego,  dwukrotnego  i  wielokrotnego  dodatku  wzorca  oraz 

metoda dodatku wzorca i rozcieńczenia. 

Metodę  jednokrotnego  dodatku  wzorca  można  stosować  wtedy,  gdy  znamy  nachylenie 

charakterystyki  elektrody  S.  Podstawą  tej  metody  jest  wnioskowanie  o  początkowym  stężeniu 
oznaczanego  jonu  w  odmierzonej  ilości  roztworu  próbki  na  podstawie  zmian  SEM  po  dodaniu 

background image

dokładnie  odmierzonej  ilości  roztworu  wzorcowego  tego  jonu.  Zmiana  SEM  ogniwa  (

E)  związana 

jest ze stężeniem próbki (

x

) i wzorca (

w

) następującym równaniem: 

1

1

10



S

E

p

w

w

x

V

V

c

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4) 

a uwzględniając efekt rozcieńczenia otrzymujemy: 

1

10





w

p

p

S

E

w

p

w

w

x

V

V

V

V

V

V

c

c

 

 

 

 

 

 

 

(5) 

gdzie:  V

p

 – objętość próbki, 

V

w

 – objętość dodanego wzorca. 

Można  zastosować  metodę  odwrotną  do  opisanej  poprzednio,  tzn.  do  znanej  objętości  roztworu 
wzorcowego dodaje się określoną objętość próbki. Wówczas 



p

w

S

E

p

p

w

w

x

V

V

V

V

V

c

c

10

 

 

 

 

 

 

 

 

(6) 

Metodę  dwukrotnego  dodatku  wzorca  stosuje  się  wtedy,  gdy  nie  znamy  nachylenia 

charakterystyki  elektrody  (S).  Istotą  tej  metody  jest  pomiar  SEM  ogniwa  złożonego  z  elektrody 
jonoselektywnej  i  elektrody odniesienia w roztworze badanym i po dwukrotnym dodaniu takiej samej 
objętości  roztworu  wzorcowego.  Zmiany  potencjału  elektrody  po  każdym  dodaniu  wzorca  będą 
wynosiły odpowiednio: 

E

E

E

S

c

c

c

x

x

2

2

1

log

 

 

 

 

 

 

 

 

(7) 

E

E

E

S

c

c

c

x

x

3

3

1

2

log

 

 

 

 

 

 

 

 

(8) 

Dzieląc powyższe równania stronami, otrzymujemy 









x

x

x

x

c

c

c

c

c

c

E

E

Z

log

:

2

log

2

3

   

 

 

 

 

 

(9) 

Ponieważ  rozwiązanie  tego  równania  względem  c

x

  jest  skomplikowane,  w  załączonej  tabeli  podano 

niektóre wartości Z z odpowiadającymi im stosunkami stężeń c

x

c

Do  wyznaczania  stężenia  oznaczanego  jonu  metodą  wielokrotnego  dodatku  wzorca  stosuje 

się metodę Grana, która polega na linearyzacji krzywej dodatku wzorca. W tym celu przekształcamy 
równanie: 

)

c

(c

S

E

E

w

p

log

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(10) 

do postaci: 

 

w

w

/S

E

p

/S

E

w

p

/S

E

E/S

Bc

A

c

c

)

c

(c

0

0

0

10

10

10

10

   

 

 

(11) 

Z  powyższego  równania  wynika  liniowa  zależność  wyrażenia 

E/S

10

od  stężenia  wzorca 

w

c

Ekstrapolacja prostej do zerowej wartości 

S

/

10

 daje nam stężenie badanej substancji w próbce. 

Jeżeli liczba moli substancji badanej w próbce wynosi 

p

p

c

V

 a dodanego wzorca 

w

w

c

V

 to stężenie 

całkowite w roztworze po dodaniu wzorca będzie równe 

w

p

w

w

p

p

V

V

c

V

c

V

  i  wówczas  równanie (10) 

przyjmie postać: 

background image

 



w

p

w

w

p

p

S

E

S

E

V

V

c

V

c

V

/

/

0

10

10

 

 

 

 

 

 

 

(12) 

a dalej 

 

w

w

w

S

E

p

p

S

E

S

E

w

p

V

B

A

c

V

c

V

V

V

'

'

/

/

/

0

0

10

10

10

)

(

 

 

 

(13) 

 
Kreśląc  zależność  (V

+  V

w

)  10

E/S

  od  objętości  dodanego  roztworu  wzorcowego,  otrzymamy  linię 

prostą, która ekstrapolowana do zerowych wartości (V

p

  +V

w

)  10

E/S

  da nam wartość objętości wzorca, 

odpowiadającej objętości próbki o takim samym stężeniu jak wzorzec.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Metodę  Grana  stosuje  się  także  do  wyznaczania  punktu  końcowego  miareczkowania 
potencjometrycznego. 
 
 

V

x,w

= - V

c

p

 / c

w 

c

c

V

10

E/S 

(V

p

+V

w

)10

E/S 

Rys 2. Metoda Grana