ILOŚCIOWE OZNACZENIE ZAWARTOŚCI WITAMINY C METODĄ WOLTAMPEROMETRII CYKLICZNEJ

Polarografia i woltamperometria to metody obejmujące metody elektroanalityczne oparte na zjawiskach zachodzących w układzie elektrod, gdzie jedna ulega polaryzacji. Zalicza się je również do tych metod elektrochemicznych, w których badane jest natężenie prądu elektrycznego płynącego przez komórkę pomiarową, w zależności od przyłożonego do elektrod napięcia. Zależność tę przedstawia krzywa polarograficzną (woltamperometryczną) I=f(E). Różnice pomiędzy wyżej wymienionymi metodami przedstawiają się następująco:

1. polarografię stosujemy, gdy elektrodą pracującą jest elektroda ciekła (Hg), z powierzchnią odnawiającą się w sposób ciągły lub okresowy.

2. Woltamperometrię stosujemy, gdy elektrodami pracującymi są elektrody stacjonarne.

Metoda woltamperometrii cyklicznej stosowana jest do badania mechanizmów procesów elektrodowych (badania procesów utleniania i redukcji) wielu związków organicznych. W skład układu wchodzą trzy elektrody:

• pracująca – elektroda stacjonarna o stałej powierzchni (z węgla szklistego lub metali szlachetnych – platyna złoto, często modyfikowanych)

• pomocnicza – stanowi najczęściej platyna w formie drutu lub blaszki

• odniesienia – powinna wykazywać stały potencjał i powinna być elektrodą niepolaryzowalną (elektroda chlorosrebrowa lub nasycona elektroda kalomelowa).

W metodzie tej prąd płynie przez elektrodę pracującą i pomocniczą, przy czym nie ma przepływu prądu przez elektrodę odniesienia, ze względu na jej wysoką impedancję.

Prąd piku charakteryzuje redukowaną lub utlenianą substancję w sposób ilościowy. Wartość prądu piku reakcji elektrodowej, która przebiega w warunkach dyfuzji, w przypadku reakcji odwracalnej przedstawia równanie Randelsa-Sevicka.

$$i_{p} = - 2,687n^{\frac{3}{2}}AD^{\frac{1}{2}}\nu^{\frac{1}{2}}c$$

Polaryzacja elektrody zachodzi, gdy przez elektrodę przepływa prąd, który powoduje zmianę potencjału w stosunku do stanu równowagowego. Wyróżniamy:

1. Elektrody doskonale odwracalne – nie przepływa przez nie prąd mimo że połączone są z innymi elektrodami lub zewnętrznymi źródłami napięcia; przyjmują potencjał określony przez zewnętrzne źródło.

2. Elektrody doskonałe odwracalne – elektrody nieznacznie zmieniają swój potencjał pod wpływem zewnętrznego napięcia, a przepływ prądu zapobiega gromadzeniu się ładunku na powierzchni elektrody.

W roztworach elektrolitów możemy określić podstawowe rodzaje transportu:

• Dyfuzja – transport uwarunkowany różnymi wartościami potencjału chemicznego wewnątrz układu, jak i między układem a otoczeniem

• Migracja – przewodzenie prądu elektrycznego; transport naładowanych cząsteczek w polu elektrycznym

• Konwekcja – transport pod wpływem zewnętrznych sił mechanicznych (np. mieszanie)

• Przewodzenie ciepła – transport pod wpływem wystąpienia gradientu temperatury.

Mierzony prąd to suma natężeń prądów składowych, czyli prądu dyfuzyjnego, prądu migracyjnego , prądu wywołanego konwekcją oraz prądu szczątkowego.

Prąd dyfuzyjny wykorzystywany jest w ilościowej analizie polarograficznej. Ze względu na brak migracji, eliminowanej przez elektrolit podstawowy, oraz konwekcji (brak mieszania) – dyfuzja jest jedyną drogą transportu depolaryzatora do powierzchni elektrody.

Elektrolit podstawowy to inaczej elektrolit obojętny, którego kationy i aniony nie ulegają zmianom elektrolitycznym w badanym przedziale potencjału. W jego skład wchodzą:

• elektrolit przewodzący prąd (sole mocnych kwasów i zasad)

• substancje powierzchniowo czynne, tłumiące maksima

• roztwory buforowe i związki kompeksotwórcze, które pozwalają na rozdzielenie fal, znajdujących się blisko siebie oraz maskowanie przeszkadzających kationów.

Obecność elektrolitu podstawowego sprawia, że prąd graniczny jest równy prądowi dyfuzyjnemu. Natomiast duże jego stężenie powoduje, że składowa migracyjna spada do zera.

1. Tok przeprowadzenia ćwiczenia:

• Odważamy 0,0175 g kwasu askorbinowego oraz ilościowe przenosimy go do kolbki miarowej o pojemności 25 cm³. Dodajemy do kolby miarowej 2,5 cm³ buforu octowego 1M i uzupełniamy wodą destylowaną do kreski.

• Włączamy analizatora. Do naczynka pomiarowego wlewamy elektrolit podstawowy (0,1 M bufor octowy). Za pomocą układu pomiarowego przeprowadzamy pomiar natężenia prądu.

• Do naczynka pomiarowego dodajemy 2,5 cm³ badanego soku. Mierzymy natężenie prądu.

• Dodajemy 1 cm³ roztworu kwasu askorbinowego (roztwór wzorcowy), mierzymy natężenie prądu. Czynność tę powtarzamy jeszcze dwukrotnie.

1. Opracowanie wyników

	E [V]	I [µA]
Elektrolit podstawowy	0,4346	4,1263
elektrolit podstawowy + badany sok	0,4346	9,1719
elektrolit podstawowy + badany sok + 1cm^3 r-ru wit. C	0,4295	12,3553
elektrolit podstawowy + badany sok + 2cm^3 r-ru wit. C	0,4346	14,4922
elektrolit podstawowy + badany sok + 3cm^3 r-ru wit. C	0,4497	16,7910

• Obliczamy stężenie witaminy C w roztworze wzorcowym

m = 0, 0175g

$M = 176,13\frac{g}{\text{mol}}$

$$c = \frac{n}{V} = \frac{m}{\text{MV}} = \frac{0,0175g}{176,13\frac{g}{\text{mol}} \bullet 0,025dm^{3}} = \mathbf{3,997 \bullet}\mathbf{10}^{\mathbf{- 3}}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$$

• Obliczamy stężenie witaminy C w badanym soku metodą dodatku wzorca. Korzystamy z zależności:

$$c_{x} = \frac{c_{w}I_{\text{px}}V_{w}}{I_{\text{px}}\left( V_{x} + V_{w} \right) - I_{\text{px}}V_{x}}$$

c_x – stężenie witaminy C w roztworze badanego soku

c_w – stężenie witaminy C w roztworze wzorcowym

I_px – natężenie prądu wyznaczone z woltagramu próbki

I_w – natężenie prądu wyznaczone z woltagramu próbki z wzorcem

V_x – objętość próbki

V_w – objętość dodanego roztworu wzorcowego

I_px = 9, 1719 − 4, 1263 = 5, 0456 μA

I_pw = 12, 3553 − 4, 1263 = 8, 2290 μA

V_x = 2, 5 cm³

V_w = 1 cm³

$$c_{x} = \frac{3,997 \bullet 10^{- 3}\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \bullet 5,0456\mu A \bullet 1\text{cm}^{3}}{8,2290\mu A \bullet \left( 2,5\text{cm}^{3} + {1cm}^{3} \right) - 5,0456\mu A \bullet 2,5\text{cm}^{3}} = \mathbf{1,67 \bullet}\mathbf{10}^{\mathbf{- 3}}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$$

• Obliczamy ile g witaminy C znajduje się w badanym soku

$$c = \frac{n}{V} = \frac{m}{\text{MV}}\ \rightarrow m = cMV = 7,312 \bullet 10^{- 4}g = \mathbf{0,7353\ mg}$$

100 ml soku zawiera 29,412 mg witaminy C.

• Obliczamy stężenie witaminy C w badanym soku metodą wielokrotnego dodatku wzorca

$$M_{\text{kwasu\ askorbinowego}} = 176,13\frac{g}{\text{mol}}$$

$$c = \frac{n}{V} = \frac{m}{\text{MV}}\ \rightarrow m = cMV$$

np. $m_{1} = 3,997 \bullet 10^{- 3}\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \bullet 176,13\frac{g}{\text{mol}}\ \bullet 0,001\text{dm}^{3} = 7 \bullet 10^{- 4}g = 0,7mg$

$c = \frac{7 \bullet 10^{- 4}}{175,13 \bullet 0,0035} = 1,14\frac{\text{mmol}}{dm^{3}}$

Objętość wzorca [dm^3]	Masa wzorca [mg]	Stężenie roztworu wzorcowego $\left\lbrack \frac{\text{mmol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$	Prąd piku [µA]
0	0	0	5,0456
0,001	0, 7	1, 13	8,2290
0,002	1, 4	1, 78	10,3659
0,003	2, 1	2, 24	12,6647

• odczytane z wykresu stężenie witaminy C w badanym soku wynosi

$$c_{x} = 1,45\frac{\text{mmol}}{dm^{3}} = \mathbf{1,}\mathbf{45}\mathbf{\bullet 1}\mathbf{0}^{\mathbf{- 3}}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$$

• Ostatni pomiar odbiega od pozostałych, dlatego stwierdzamy, że może być obarczony błędem pomiarowym – odrzucamy go. Otrzymujemy poniższy wykres:

W tym przypadku stężenie witaminy C odczytane z wykresu wynosi

$$\backslash n{c_{x} = 1,68\frac{\text{mmol}}{dm^{3}} = \mathbf{1,}\mathbf{68}\mathbf{\bullet 1}\mathbf{0}^{\mathbf{- 3}}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}}$$

Porównując otrzymany wynik do wartości obliczonej na podstawie metody jednokrotnego dodatku wzorca stwierdzamy, że otrzymany wynik po odrzuceniu ostatniego pomiaru jest niemalże jednakowy. Z tego powodu wnioskujemy, że nasze założenie okazało się słuszne.

• Obliczamy ile g witaminy C znajduje się w badanym soku

$$c = \frac{n}{V} = \frac{m}{\text{MV}}\ \rightarrow m = cMV = 1,68 \bullet 10^{- 3} \bullet 176,13 \bullet 0,0025 = 7,397\ \bullet 10^{- 4\ }g = \mathbf{0,}\mathbf{74}\mathbf{\text{\ mg}}$$

100 ml soku zawiera 29,6 mg witaminy C.

1. Wnioski

Celem wykonanego przez nas doświadczenia było ilościowe oznaczenie witaminy C w badanym soku, a także zapoznanie się z metodą woltamperometrii cyklicznej.

Oznaczenia wykonane zostały przez nas dwiema metodami: jednokrotnego dodatku wzorca oraz wielokrotnego dodatku wzorca. W przypadku pierwszej metody, obliczone stężenie wyniosło 1, 67 • 10⁻³ mol/dm^3,, zawartość witaminy C w 100ml soku to 29,412 mg. Natomiast z metody wielokrotnego dodatku wzorca, stężenie wyniosło 1, 68 • 10⁻³ mol/dm³ , a zawartość w 100ml soku to 29,6 mg witaminy C.

Po wykreśleniu krzywej na podstawie otrzymanych wyników zauważyłyśmy, że jeden pomiar odbiega znacznie od pozostałych. Po odczytaniu stężeniu witaminy C z tego wykresu otrzymałyśmy $1,45 \bullet 10^{- 3}\frac{\text{mol}}{dm^{3}}$. Wartość ta różni się od obliczonej metodą jednokrotnego dodatku wzorca. Postanowiłyśmy więc odrzucić ostatni pomiar i obliczyć ponownie stężenie witaminy C, które wyniosło $\ 1,68 \bullet 10^{- 3}\frac{\text{mol}}{dm^{3}}$. Jak widać, otrzymany wynik jest niemalże taki sam, jak obliczony ze wzoru. Z tego powodu przyjmujemy założenie za poprawne.

1. Literatura

Walenty Szczepaniak „Metody instrumentalne w analizie chemicznej”, PWN 2012