Aneta Jurkiewicz

Temat: Pomiar stężenia fizjologicznie aktywnych jonów za pomocą elektrod jonoselektywnych (potencjometria)

1. Pojęcie pH i roztworów buforowych:

pH jest to ujemny logarytm dziesiętny aktywności jonów hydroniowych wyrażonych w [mol/dm ³].

pH= -log [H₃O⁺]

Stała równowagi dysocjacji wody stanowi podstawę skali pH. Dysocjacja wody zachodzi wg równania: H2O↔H⁺+OH^-

Stała szybkości tej reakcji wyraża się równaniem:

K_HOH=[H⁺][OH^-]/[HOH]

Iloczynu jonowego wody to iloczyn stężeń molowych [H⁺][OH^-] i wynosi 10^-14 mol/l w temperaturze 25^OC.

Roztwory buforowe to roztwory, które cechują się tym, że wartość pH po dodaniu niewielkich ilości mocnych kwasów albo zasad oraz po rozcieńczeniu wodą prawie się nie zmienia. Są to roztwory słabo dysocjującego kwasu lub zasady oraz silnie dysocjujące sole tych kwasów lub zasad.

Równaniem wiążącym wartość pH z mocą kwasu (pKa) jest równanie Hendersona - Hasselbalcha. Pomaga ono oszacować pH buforu oraz odnajdywać pH równowagi reakcji chemicznych. Ponadto jest wykorzystywane do obliczania punktu izoelektrycznego białek. Równanie to ma postać:

pH=pK_HA + log[BA]/[HA]

HA- słaby kwas

BA-sól słabego kwasu

2. Pomiar stężenia jonów używając elektrod jonoselektywnych:

Potencjometria jest nauką wykorzystującą zależność pomiędzy stężeniem oznaczanego jonu znajdującego się w roztworze, a potencjałem elektrycznym elektrod. Pomiar ten polega na oznaczeniu siły elektromotorycznej ogniwa (SEM), czyli różnicy potencjałów dwóch ogniw. Źródłem SEM są reakcje zachodzące na elektrodach. Podstawą tej metody jest zasada, że pewne substancje wchodzą w reakcje fizykochemiczne z określonymi jonami prowadząc do powstania potencjału elektrycznego. SEM mierzy się woltomierzem. Wartość potencjału określa wzór Nernsta:

V=(V₀+RT ln[C])/zF [mV]

V₀- potencjał w warunkach standardowych, R- stała gazowa, T- temperatura,

z- wartościowość, F- stała Faraday'a, C- stężenie jonu, ln- logarytm naturalny

Jeśli ∆V będzie różnicą potencjałów zależną od stężenia oznaczanego jonu, to dla jonu jednowartościowego wzór ten przyjmie postać:

∆V= 58 logC1/C2

W układzie pomiarowym jednym półogniwem jest elektroda wskaźnikowa → jonoselektywna (jej potencjał zależy od stężenia oznaczanego jonu), a drugim elektroda porównawcza → odniesienia (jej potencjał jest stały). Półogniwa należy połączyć wzmacniaczami o dużym oporze wejściowym np.: pH-metrem.

Parametrami charakteryzującymi daną elektrodę jonoselektywną są: zakres działania, czułość, która określa, o ile mV zmieni się potencjał elektrody przy 10-krotnej zmianie stężenia jonu lub nachylenie charakterystyki oraz współczynnik selektywności. Idealnie selektywna elektroda powinna mieć współczynnik selektywności równy 0.

2. Wykonanie ćwiczenia:

Z wyjściowego roztworu KCl 1 M (drogą kolejnych rozcieńczeń) należy sporządzić po ok. 50 ml roztworów kalibracyjnych 0,1 : 0,01 : 0,001 : 0,0001 M KCl. Należy więc pobrać 5 ml roztworu wyjściowego i dodać 45ml wody destylowanej. Roztwór ten o stężeniu 0,1 M trzeba bardzo dokładnie wymieszać, następnie dodać 5 ml tego roztworu do 45 ml wody destylowanej, uzyskując roztwór 0,01M. Kolejne roztwory o podanych stężeniach można uzyskać postępując analogicznie.

Elektrody K⁺ i Cl^- selektywne należy zanurzyć na ok. 10 minut przed pomiarem w 0,1 M KCl.

• Pomiar pH

- Należy podłączyć elektrodę pH do gniazda, a następnie ją skalibrować zanurzając elektrodę w rozworze buforowym o pH równym 7 na głębokość minimum 1 cm.

- Następnie należy ustawić typ odczytu na pH, potencjał tła na wartość mniejszą lub równą wartości pH roztworu buforowego, a zakres na „2.8+C” (skala górna). Pokrętłem „AP” ustawić wskazówkę tak, by suma tła i wskazania pH wynosiła tyle, co wartość pH roztworu buforowego. Opłukać elektrodę i osuszyć ligniną.

- Zanurzyć elektrodę po kolei w: soku jabłkowym, wodzie wodociągowej i wodzie z akwarium. Dokonać zgrubnego odczytu (zakres ustawić na 14) ze skali dolnej. Następnie należy odczytać wartość pH dokładnie zmieniając potencjał tła na wartość równą lub mniejszą wartości ze skali dolnej, a zakres przełączyć na „2.8+C”. Odczytu dokonać ze skali górnej. Wynik to suma tła i odczytu ze skali górnej.

Pomiar powtórzyć dwukrotnie.

Odczyty:

Sok jabłkowy → pH = 3,34; 3,32

Woda z akwarium → pH = 8,14; 8,14

Woda z kranu → pH = 7,78; 7,84

• Pomiar pCl wybranych roztworów

- Należy opłukać wodą destylowaną kalomelową elektrodę odniesienia i Cl^- selektywną, następnie wytrzeć ligniną i podłączyć do pH-metru.

- Zanurzyć elektrody w zlewce w roztworze 0,0001 M KCl. Przełącznik typ odczytu ustawić na „mV”, zakres na „14”, a następnie dokonać zgrubnego odczytu na dolnej skali. Potem ustawić tło na wartość mniejszą niż odczyt, ustawić zakres na „2,8+C” i dokonać dokładnego odczytu. Wartość potencjału elektrycznego równa się sumie tła i dokładnego odczytu pomnożonej przez 100. Po odczycie zakres ustawić na 0, opłukać elektrody i delikatnie wysuszyć.

- Czynności te powtórzyć dla pozostałych roztworów KCl oraz dla soku z jabłka, wody wodociągowej i wody z akwarium.

Odczyty:

0,1M KCl - 7,32 → 732 mV

0,01M KCl - 7,9 → 790 mV

0,001M KCl - 8,43 → 843 mV

0,0001M KCl - 8,60 → 860 mV

Sok jabłkowy - 8,36 → 836 mV

Woda wodociągowa - 8,22 → 822 mV

Woda z akwarium - 8,36 → 836 mV

• Pomiar pK wybranych roztworów

- Należy wykonać te same czynności, jak przy elektrodzie Cl^- posługując się elektrodą K^+.

Odczyty:

0,1M KCl - 11,6 → 1160 mV

0,01M KCl - 11,06 → 1106 mV

0,001M KCl - 10,51 → 1051 mV

0,0001M KCl - 10 → 1000 mV

Sok jabłkowy - 11,35 → 1135 mV

Woda z akwarium - 10,14 → 1014 mV

Woda wodociągowa - 10,29 → 1029 mV

• Wykresy kalibracyjne:

pC=-log₁₀[Cl^-] pC=-log₁₀[K⁺]

0,1 M KCl pC=1 0,1 M KCl pC=1

0,01 M KCl pC=2 0,01 M KCl pC=2

0,001 M KCl pC=3 0,001 M KCl pC=3

0,0001 M KCl pC=4 0,0001 M KCl pC=4

Funkcja rosnąca, czułość elektrod ok. 50 mV Funkcja malejąca, czułość elektrod ok. 50 mV

pCl soku jabłkowego =2,85

pCl wody z kranu = 2,85

pCl wody z akwarium = 2,55

pK soku jabłkowego = 1,45

pK wody z kranu = 3,40

pK wody z akwarium = 3,70

• Stężenie jonów [H+] [Cl-] i [K+] w roztworach [M]:

sok jabłkowy:

[Cl^-]= 10^-pC= 1,58*10^-3

[K⁺]= 10^-pK= 4*10^-2

[H⁺]= 10^-pH= 4,7*10^-4

woda wodociągowa:

[Cl^-]= 10^-pC= 1,6*10^-3

[K⁺]= 10^-pK= 3,6*10^-4

[H⁺]= 10^-pH= 1,5*10^-8

woda z akwarium:

[Cl^-]= 10^-pC= 2,5*10^-3

[K⁺]= 10^-pK= 2*10^-4

[H⁺]= 10^-pH= 7,2*10^-9

Roztwór	pH	[H^+] [M]	pK	[K^+] [M]	pCl	[Cl^-] [M]
Sok jabłkowy	3,34	4,6*10^-4	1,35	4*10^-2	2,8	1,58*10^-3
Woda wodociągowa	7,78	1,7*10^-8	3,45	3,6*10^-4	2,8	1,6*10^-3
Woda z akwarium	8,14	7,2*10^-9	3,7	2*10^-4	2,6	2,5*10^-3

---