Nr sprawozdania 8	Data wykonania ćwiczenia	Termin oddania sprawozdania	Data oddania sprawozdania
Temat ćwiczenia Potencjometria bezpośrednia. Oznaczenie jonów sodowych w syntetycznym moczu	Imię i nazwisko studenta
Uwagi:	Poprawa	Oceniający sprawozdanie
	Ocena

1. Wstęp teoretyczny:

Metody potencjometryczne wykorzystują zależność między stężeniem (a ściślej aktywnością) oznaczanego jonu w roztworze i potencjałem elektrycznym odpowiedniej elektrody. Potencjału elektrody nie można zmierzyć wprost, dlatego też wykonuje się pomiar siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa zbudowanego z dwóch elektrod (półogniw) zanurzonych w badanym roztworze. Jednym półogniwem jest elektroda wskaźnikowa, której potencjał zależy od stężenia oznaczanego jonu, a drugim – elektroda porównawcza, której potencjał jest stały w warunkach prowadzenia pomiaru. Mierzona wartość SEM zależy więc od stężenia (aktywności) oznaczanego składnika w roztworze.

Ogólnie, potencjometrię można podzielić na dwie grupy metod:

1. metody potencjometryczne bezpośrednie,

2. metody potencjometryczne pośrednie (czyli miareczkowanie potencjometryczne).

Metody w potencjometrii bezpośredniej polegają na wyznaczaniu stężenia oznaczanego składnika na podstawie wartości SEM ogniwa, którego kalibracji dokonano za pomocą roztworów wzorcowych (roztworów zawierających oznaczany składnik w ściśle znanych i określonych stężeniach). Należą tu pomiary pH roztworów za pomocą elektrody szklanej czułej na jony wodorowe oraz oznaczenia jonów za pomocą innych elektrod jonoselektywnych.

Przykładem elektrody czułej na jony może być zespolona elektroda jonoselektywna sodowa. Podobnie jak w przypadku elektrody szklanej czułej na jony wodorowe,
w elektrodzie jonoselektywnej sodowej zasadniczym elementem półogniwa wskaźnikowego jest kulista membrana wykonana ze szkła jonoczułego, w tym przypadku czułego na jony sodowe. Membrana napełniona jest wewnętrznym roztworem elektrodowym (roztworem NaCl), w którym zanurzone jest półogniwo chlorosrebrowe (Ag/AgCl), odprowadzające potencjał membrany do żyły centralnej ekranowanego przewodu. Elektrodę odniesienia stanowi półogniwo Ag/AgCl zanurzone w roztworze odniesienia (0,1M NH₄Cl + 4,0M NH₄NO₃). Elektroda odniesienia podłączona jest do ekranującego oplotu przewodu. Roztwór odniesienia pozostaje w kontakcie z roztworem badanym (lub wzorcowym) przenikając na zewnątrz poprzez trzy ceramiczne łączniki ceramiczne (diafragmy). Na potencjał jonoselektywnej elektrody sodowej silnie zakłócający wpływ mają jony wodorowe, a także jony srebrowe. Aby zmiany potencjału elektrody przebiegały zgodnie z prawem Nernsta, należy ustabilizować na jednakowym poziomie siłę jonową oraz podwyższyć wartość pH roztworów wzorcowych i badanych. Podwyższenie pH ma na celu wyeliminowanie wpływu jonów wodorowych. Powyższe warunki można spełnić poprzez wprowadzenie do roztworów identycznych porcji amoniaku lub amin alifatycznych (np. etylenodiaminy).

Charakterystyka elektrody jest to zależność potencjału elektrody (SEM odpowiedniego ogniwa) od stężenia (aktywności) oznaczanego jonu M, na który ta elektroda jest czuła, wyrażonego w postaci logarytmicznej (-log aM lub pM).

W przypadku jonoselektywnej elektrody sodowej, wyznaczenie jej charakterystyki polega na określeniu dla niej zależności SEM od pM, czyli od szeregu wzorcowych roztworów zawierających na określonych poziomach stężeń jony sodowe. Dla jonoselektywnej elektrody sodowej ERNa-11 prostoliniowość charakterystyki występuje
w zakresie stężeń od 10-6 do 1M jonów Na⁺ .

1. Cel:

Oznaczenie jonów sodowych w próbce syntetycznego moczu metodą potencjometrii bezpośredniej, z użyciem szklanej elektrody jonoselektywnej czułej na jony sodowe.

1. Część doświadczalna:

1. Wykaz odczynników chemicznych:

• roboczy roztwór wzorcowy jonów sodowych (1 mg Na+ /mL)

• roztwór etylenodiaminy (1:1, v/v)

• roztwór stabilizujący

• woda destylowana

1. Wykaz aparatury i sprzętu laboratoryjnego:

• pH-metr (stosowany w trybie miliwoltomierza),

• zespolona (kombinowana) jonoselektywna elektroda sodowa,

• łapa do umocowania elektrody na statywie,

• mieszadło magnetyczne,

• magnetyczny element mieszający (5 szt.),

• tryskawka,

• kolby miarowe o poj. 50 mL (4 szt.),

• kolba miarowa o poj. 250 mL,

• pipeta miarowa o wyznaczonej pojemności (25 mL),

• pipeta automatyczna o pojemności w zakresie 1 – 5 mL,

• pipeta automatyczna o pojemności w zakresie 1-10 mL,

• zlewki (wysokie) o poj. 25 mL (5 szt.),

• zlewka (150 mL) lub krystalizator,

• sitko do płukania mieszalników magnetycznych.

1. Wykonanie ćwiczenia:

1. Przygotowanie roztworów wzorcowych jonów sodowych

Roztwory wzorcowe do kalibracji elektrody jonoselektywnej czułej na jony sodowe wykonano metodą kolejnych rozcieńczeń, w następujący sposób:

• roboczy roztwór wzorcowy jonów sodu (1 mg w 1 mL roztworu) rozcieńczono dwukrotnie poprzez odmierzenie porcji pipetą (25 mL) i przeniesienie do kolby miarowej na 50 mL, kolbę dopełniono wodą destylowaną do kreski i dokładnie wymieszano (roztwór wzorcowy nr 2)

• tak przygotowany roztwór rozcieńczono 5-krotnie poprzez odmierzenie pipetą automatyczną 10 mL i przeniesienie do drugiej kolby na 50 mL, kolbę dopełniono wodą do kreski i dokładnie wymieszano (roztwór wzorcowy nr 3),

• kolejny roztwór wzorcowy uzyskano poprzez 10-krotne rozcieńczenie roztworu wzorcowego nr 3, pobierając 5 mL pipetą automatyczną do kolby miarowej (50 mL)
i dopełniając kolbę wodą do kreski, a następnie dokładnie mieszając roztwór w kolbie (roztwór wzorcowy nr 4),

• analogicznie jak roztwór wzorcowy nr 4, sporządzono roztwór wzorcowy nr 5 poprzez 10- krotnie rozcieńczenie roztworu wzorcowego nr 4, tj. odmierzając 5 mL za pomocą pipety automatycznej i rozcieńczając w kolbie miarowej na 50 mL, zawartość kolby dokładnie wymieszano (roztwór wzorcowy nr 5).

Do każdego z przygotowanych roztworów, przed wykonaniem pomiarów, dodano 0,5ml roztworu stabilizującego.

1. Wyznaczenie charakterystyki elektrody

Przygotowano zestaw pomiarowy, składający się z zespolonej elektrody jonoselektywnej czułej na jony sodowe (umocowanej do statywu za pomocą łapy), miliwoltomierza oraz mieszadła magnetycznego. Elektrodę podłączono do odpowiedniego gniazda
w miliwoltomierzu. Do ponumerowanych pięciu zlewek (poj. 25 mL) przeniesiono przygotowane roztwory wzorcowe sodu. Do każdego roztworu zakraplaczem dodano 5 kropli (0,25 mL) roztworu etylenodiaminy. We wszystkich zlewkach umieszczono (delikatnie zsuwając po ściance) magnetyczny element mieszający. Pomiary SEM ogniwa rozpoczęto od roztworu o najniższym stężeniu jonów sodu. W tym celu odpowiednią zlewkę umieszczono na mieszadle magnetycznym i zanurzono w roztworze elektrodę. Włączono mieszadło i po ustaleniu się równowagi odczytano oraz zanotowano wartość SEM dla badanego ogniwa. Wyjęto elektrodę z roztworu, ponownie zanurzono, ustabilizowano wskazanie miernika
i zanotowano wartość SEM ogniwa. Czynność powtórzono dwukrotnie. Następne pomiary SEM ogniw z kolejnymi roztworami wzorcowymi wykonywano analogicznie w tych samych warunkach (nie zmieniając obrotów mieszadła), zachowując kolejność pomiarów od najniższego do najwyższego stężenia analitu w roztworze.

1. Oznaczenie sodu w badanej syntetycznej próbce moczu

Otrzymaną próbkę moczu przeniesiono ilościowo do kolby miarowej o poj. 250 mL, dopełniono wodą destylowaną do kreski i dokładnie wymieszano. Następnie pobrano 25 mL badanego roztworu do zlewki (25 mL), dodano 5 kropli roztworu etylenodiaminy, umieszczono w zlewce element mieszający, postawiono zlewkę na mieszadle magnetycznym i uruchomiono mieszanie. W roztworze zanurzono elektrodę i w warunkach identycznych, jak w przypadku wyznaczania charakterystyki elektrody, dokonano 3-krotnego pomiaru SEM tak utworzonego ogniwa.

1. Opracowanie wyników

Tabela 1 Przygotowanie roztworów wzorcowych

Nr roztworu	Sposób przygotowania roztworu	Pipetowana objętość roztworu [ml]	Stężenie Na^+ w roztworze [mg/ml]
1	Gotowy roztwór roboczy	-	1
2	2-krotne rozcieńczenie roztworu 1.	25	0,5
3	5-krotne rozcieńczenie roztworu nr 2.	10	0,1
4	10-krotne rozcieńczenie roztworu nr 3.	5	0,01
5	10-krotne rozcieńczenie roztworu nr 4.	5	0,001

Tabela 2 Sporządzenie charakterystyki elektrody

Lp.	Stężenie Na^+ w roztworze [mg/ml]	SEM [mV]
		I pomiar
1	0,001	-187,5
2	0,01	-129,4
3	0,1	-70,3
4	0,5	-27,7
5	1	-8,7

Tabela 3 Wyznaczenie SEM próbki syntetycznego moczu

SEM [mV]
I pomiar
-55,4

Na podstawie tabeli 2 wykreślono charakterystykę elektrody. Dopasowując linię trendu uzyskano zależność kalibracją w postaci równania y = -59,719x - 9,4479

Na podstawie uzyskanej zależności kalibracyjnej y = -59,719x - 9,4479 obliczono stężenie jonów Na⁺ w próbce, podstawiając za y = -55,2 mV i zamieniając –log(Na⁺) na stężenie.

C_Na+ = 0,171296 mg/ml

Stężenie to przeliczono na masę Na⁺ w próbce ze wzoru:

$$m_{\text{Na}^{+}} = \frac{C_{\text{Na}^{+}} \bullet 250}{1000} = \frac{0,171296 \bullet 250}{1000} = 0,0428\ g$$

Masę tą przeliczono na stężenie Na⁺ w otrzymanej próbce moczu syntetycznego

m_Na+ = 0,0428 g

M_Na+ = 23 g/mol

n=$\frac{0,0428}{23} = 1,86 \bullet \ 10^{- 3}\ \text{mol} = 1,86\ \text{mmol}$

V= 25ml = 0,025 L

$C = \ \frac{n_{\text{Na} +}}{V} = \ \frac{1,86}{\bullet 0,025\ } = 74,43\ \frac{\text{mmol}}{L}$

1. Podsumowanie:

Celem ćwiczenia było oznaczenie sodu w próbce syntetycznego moczu. Zastosowano metodę potencjometryczną. Najpierw przygotowano serię roztworów zawierających jony sodu w znanym stężeniu i zmierzono ich potencjał za pomocą jonoselektywnej elektrody sodowej. Na podstawie pomiarów sporządzono charakterystykę elektrody (wykres zależności potencjału elektrody od ujemnego logarytmu ze stężenia jonów Na⁺ w roztworze(pM)). Następnie zmierzono potencjał badanej próbki. Na podstawie równania dopasowanego do charakterystyki elektrody obliczono pM próbki które następnie przeliczono na stężenie Na⁺ w próbce. Stężenie to przeliczono na zawartość masową która wyniosła 0, 0428 g. Ostatecznie zawartość sodu w otrzymanej próbce moczu syntetycznego wynosiła $74,43\ \frac{\text{mmol}}{L}$.