Ilościowe oznaczanie zawartości witaminy C metodą woltamperometrii cyklicznej

Terminy polarografia i woltamperometria obejmują wiele metod elektroanalitycznych opartych na zjawiskach zachodzących w układzie elektrod, z których jedna ulega polaryzacji. Polarografia i woltamperometria należą do tych metod elektrochemicznych, w których bada się natężenie prądu elektrycznego płynącego przez komórkę pomiarową w zależności od przyłożonego do elektrod napięcia. Zależność natężenia od przyłożonego napięcia I=f(E) nazywa się krzywą polarograficzną (woltamperometryczną).

Woltamperometrią nazywamy szereg metod elektrochemicznych polegających na pomiarze natężenia prądu płynącego przez stacjonarną elektrodę wskaźnikową w funkcji przyłożonego napięcia (potencjału elektrody). Istotnym jest, aby pomiar prowadzony był w tak dobranych warunkach, by mierzony prąd obrazował przebieg interesującego procesu, a nie procesów przeszkadzających. Pojęcie elektrody stacjonarnej obejmuje elektrody o stałej niezmiennej powierzchni, np. elektrody: platynową, złotą czy grafitową. Do elektrod tego typu zalicza się również elektrody rtęciowe w postaci wiszącej kropli lub cienkiej warstewki osadzonej na przewodzącym podłożu (tzw. elektrody błonkowe). W typowych pomiarach woltamperometrycznych naczyńko składa się z trzech elektrod: pracującej, odniesienia oraz pomocniczej. Elektroda pracująca powinna charakteryzować się stosunkowo małą powierzchnią oraz dużą polaryzowalnością. Niewielka powierzchnia zapewnia, iż mierzone wartości prądów są małe, natomiast gęstości prądów duże, co skutkuje, iż ilości analitu biorącego udział w reakcji redoks, mimo wielokrotnego powtarzania pomiaru, nie ulegają znacznemu zmniejszeniu. Polaryzowalność elektrody pracującej oznacza, że w nieobecności depolaryzatora (substancji oznaczanej) nie przebiegają istotne reakcje i przyjmuje ona potencjał zewnętrznego źródła napięcia. Druga elektroda – odniesienia, to odwracalna i niepolaryzowalna elektroda o stałym potencjale. Zadaniem elektrody pomocniczej jest zamknięcie obwodu elektrycznego, a prąd przepływa pomiędzy elektrodą pracującą i pomocniczą.

Ważną rolę w pomiarach woltamperometrycznych odgrywa elektrolit podstawowy, którego stężenie powinno być zdecydowanie większe od stężenia depolaryzatora (stężenie badanego jonu wynosi zwykle mniej niż 1% stężenia elektrolitu podstawowego). Rola elektrolitu podstawowego powinna być ograniczona do transferu ładunku przez roztwór, nie może on natomiast uczestniczyć w reakcjach elektrodowych, powinien również umożliwić oznaczenie analitu w szerokim zakresie potencjałów, zapewnić stałą siłę jonową roztworu, nie może tworzyć z substancją oznaczaną nierozpuszczalnych soli, występuje w jasno zdefiniowanej i jednorodnej formie oraz nie powoduje kontaminacji badanej próbki.

Opracowano wiele różnych technik woltamperometrycznych, różniących się przebiegiem zmian potencjału elektrody pracującej. Najbardziej popularne to:

- hydromechaniczna,

- różnicowa,

- różniczkowa,

- z liniową zmiana potencjału (LSV),

- cykliczna (CV)

- inwersyjna (stripingowa).

Woltamperometria cykliczna to jedna z metod, która znalazła szczególne zastosowanie przy pomiarach termodynamicznych potencjałów redoks.

W podstawowej formie woltamperometria cykliczna opiera się na przykładaniu trójkątnego napięcia do dwóch elektrod zanurzonych w roztworze zawierającym badany analit oraz elektrolit podstawowy. Warto zastrzec, iż pomimo cykliczności obu reakcji redoks i ich bezpośrednim przechodzeniu jedna w drugą, zwykle warunki końcowe różnią się od początkowych – kolejne krzywe woltamerometryczne nieznacznie różnią się od siebie. Związane jest to faktem, że produkt może ulegać dalszym przekształceniom chemicznym lub elektrochemicznym, czy też elektroaktywnością produktów ubocznych.

Duża część reakcji elektrodowych nie jest natychmiast i całkowicie odwracalna – miarą odwracalności procesu jest różnica między potencjałem piku anodowego a potencjałem piku katodowego. Dla układu całkowicie odwracalnego, w temperaturze 25˚C, różnica ta powinna wynosić:

$$E_{\text{pa}} - E_{\text{pk\ }} = \frac{0,058}{n}\ \lbrack V\rbrack\ $$

n - liczba elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej.

Z powyższego równania wynika, że różnica ta maleje wraz ze wzrostem liczby elektronów przenoszonych na rozważanym etapie reakcji elektrodowej.

Dla procesów odwracalnych maksymalne natężenie prądu można wyrazić równaniem Randlesa - Ševčika:

$$i_{p} = - 2,687x10^{5}n^{\frac{3}{2}}AD^{\frac{1}{2}}V^{\frac{1}{2}}C$$

Gdzie:

i_p - prąd piku

n – ilość elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej,

A – pole powierzchni elektrody pracującej [cm2],

D – współczynnik dyfuzji depolaryzatora [cm2/s],

c – stężenie depolaryzatora [mol/cm3],

v – szybkość zmian potencjału[V/s]

1. Aparatura i odczynniki:

1. wielofunkcyjny analizator elektrochemiczny Pine,

2. bufor octanowy o stężeniu 1M i 0.1 M,

3. soki firmowe (np.wieloowocowy)

Schemat analizatora woltamperometrycznego:

El.P – elektroda pracująca

El.R – elektroda referencyjna

El.W – elektroda wspomagająca

1. Sposób wykonania ćwiczenia:

• Sporządzono roztwory buforowe: 100 cm³ 0.1M oraz 100cm³ 1M buforu octanowego;

• Sporządzono roztwór wzorcowy witaminy C, w tym celu odważono 0,0175 g kwasu askorbinowego, przeniesiono do kolbki 25 cm³, dodano 2.5 cm³ 1M roztworu buforowego i uzupełniono do kreski wodą destylowaną. Obliczono stężenie otrzymanego roztworu;

• Uruchomiono analizator woltamperometryczny, do naczyńka pomiarowego wlano 25cm³ odtlenionego roztworu elektrolitu podstawowego, wrzucono mieszadełko i podłączono elektordy: referencyjna ( R)– chlorosrebrowa, odniesienia (C ) – platynowa, pracująca (W) – węglowa;

• Przed każdym pomiarem dokładnie czyszczono elektrodę węglową przy użyciu pasty z mikrokrystalicznym tlenkiem glinu;

• Uruchomiono program AfterMatch i zarejestrowano krzywą woltamperometryczną dla elektrolitu podstawowego. Następnie do roztworu dodano 2,5 cm³ badanego soku, zamieszano i zarejestrowano cyklowoltamogram. Odczytano wartość natężenia prądu dla piku. Następnie do tego samego roztworu dodawano 3 razy po 1 cm³ wzorcowego roztworu witaminy C, za każdym razem rejestrując cyklowoltamogram. Odczytywano wartość natężenia prądu dla piku;

1. Wyniki pomiarów:

Na podstawie cyklowoltamogramów wykonanych przez progam komputerowy zanotowano następujące wartości natężenia prądu dla pików:

	E [V]	I [µA]
Elektrolit podstawowy	0,3959	0,2091
Badany sok + elektrolit podstawowy	0,4008	0,8759
+ 1 cm^3 r-ru wzorcowego	0,3858	2,2813
+ 2 cm^3 r-ru wzorcowego	0,4008	3,5082
+ 3 cm^3 r-ru wzorcowego	0,3959	4,8338

1. Opracowanie wyników:

- Kwas askorbinowy (witamina C) można elektrochemicznie utleniać do kwasu dehydroaskorbinowego:

Elektrolitem podstawowym jest 0.1M bufor octanowy o pH = 4.7, ze względu na stosunkowo wolno zachodzące utlenianie witaminy C tlenem cząsteczkowym w tym roztworze.

- Stężenie witaminy C w roztworze wzorcowym:

Kwas askorbinowy – M=176,13 g/mol

n=$\frac{m}{M} = \frac{0,0176g}{176,13g/mol\ } = 9,9926x10^{- 5}\text{\ mol}$

C=$\frac{n}{V} = \frac{9,9926x10^{- 5}\text{\ mol}}{0,025\ \text{dm}^{3}} = 3,9970x10^{- 3}\ mol/\text{dm}^{3}$

- Obliczenie stężenia witaminy C w badanym soku na podstawie metody dodatku wzorca. Korzystamy z poniższej zależności:

gdzie:

C_x – stężenie witaminy C w badanym roztworze soku,

C_w – stężenie witaminy C w roztworze wzorcowym,

I_px – natężenie prądu wyznaczone z woltamogramu próbki,

I_pw - natężenie prądu wyznaczone z woltamogramu próbki z wzorcem,

V_x – objętość próbki,

V_w – objętość dodanego roztworu wzorcowego.

C_w= 3,9970x10^-3 mol/dm³

I_px= 0,8759 µA – 0,2091 µA = 0,6668 µA = 0,6668x10^-6 A

I_pw = 2,2813 µA – 0,2091 µA = 2,0722 µA = 2,0722x10^-6 A

V_x=2,5 cm³ = 0,0025 dm³

V_w= 1 cm³=0,001 dm³

C_x= $\frac{3,9970x10 - 3\text{\ \ } \times \ 0,6668x10 - 6\ \ \times \ 0,001\ }{2,0722x10 - 6\ \times \left( 0,0025 + 0,001 \right) - \ 0,6668x10 - 6\ \times 0,0025}$= 4,77x10^-4 [mol/dm³]

- Według etykiety, w badanym soku znajduje się 9 mg witaminy C w 100 cm³ soku. Obliczamy jaka ilość witaminy C znajduje się w badanym soku na podstawie wyliczonego stężenia.

4,77x10^-4 - 1000 cm³

X - 100 cm³

X= 4,77x10^-5 mol

m=n x M = 4,77x10^-5 mol x 176,13 g/mol = 8,40x10^-3 g = 8,4 mg

Zatem w 100 cm³ badanego soku znajduje się 8,40 mg witaminy C, a więc wartość ta jest zbliżona do wartości podanej na etykiecie soku.

- Obliczenie stężenia witaminy C metodą wielokrotnego dodatku wzorca.

Obliczamy masę substancji wzorcowej jaka znajduje się w każdej porcji wzorca:

m_wzorca =M x C_w x V_w

m_wzorca = 176,13 x 3,997x10^-3 x 0,001 = 7,04x10^-4 = 0,704 mg

Vwzorca [cm^3]	mwzorca [mg]	Ipwzorca [µA]
1	0,7	2,2813 – 0,8759 = 1,4054
2	1,4	3,5082 – 0,8759 = 2,6323
3	2,1	4,8338 – 0,8759 = 3,9579

- Sporządzamy wykres zależności natężenia w funkcji masy wzorca I=f(m_wzorca). Na otrzymanym wykresie odczytujemy masę analizowanej substancji – witaminy C w badanej próbce o objętości 2,5 cm³ , jako punkt przecięcia z osią odciętych (oś Y).

Odczytana masa wynosi 0,07 mg = 7x10^-5g.

0,07 mg - 2,5 cm³

x - 100 cm³

x = 2,8 mg

Zatem stężenie witamy C wynosi:

C_x=$\frac{m}{M \times V} = \frac{7x10 - 5}{176,13 \times 0,0025\text{dm}^{3}}$= 1,59x10^-4 mol/dm³

Wyliczone stężenie metodą wielokrotnego dodatku wzorca znacznie różni się od stężenia podanego na etykiecie i wyliczonego metodą jednokrotnego dodatku wzorca.

1. Wnioski:

Woltamperometria cykliczna jest jedną z metod elektrochemicznych (obok polarografii), pozwalającej: zbadać mechanizm reakcji elektrodowych, określić skład jakościowy, jak i ilościowy badanej próbki. Stąd metoda ta często jest wykorzystywana w elektrochemii, jak również w chemii analitycznej. Celem powyższego ćwiczenia było zapoznanie się z techniką woltamperometrii cyklicznej oraz ilościowe oznaczenie witamy C w badanym soku. Oznaczenie zawartości witaminy C wykonano na 2 sposoby:

- metoda jednokrotnego dodatku wzorca – 8,4 mg/100 ml soku

- metoda wielokrotnego dodatku wzorca - 2,8 mg/100 ml soku,

Przy czym wartość podana na etykiecie wynosi 9 mg/100 ml soku. Zatem dokładniejszym wynikiem jest wynik otrzymany metodą jednokrotnego dodatku wzorca. Natomiast wynik otrzymany metodą wielokrotnego dodatku do wzorca znacznie odbiega od wartości podanej przez producenta soku. Prawdopodobnie wynika to z błędów pomiarowych takich jak nieprecyzyjne przygotowanie roztworów czy też trudności w odczytaniu wartości natężenia prądu dla piku.