-
1
IV. METODE ELECTROCHIMICE DE ANALIZ
Bibliografie suplimentar: Capitolul de metode electrochimice de
analiz din cartea Muntean D.L., Imre S.: Analiza medicamentului
ghid practic, Editura University Press Targu-Mures, 2007.
IV.1. NOIUNI GENERALE
Metodele electrochimice sunt metode de analiz care au la baz
fenomene ce implic ioni i electroni, fenomenele avnd loc la nivelul
unor electrozi ntr-o celul electrochimic.
Definiii: - Electrolitul este o substan care prin dizolvare
ntr-un solvent potrivit
disociaz n ioni, producnd o soluie conductoare de electricitate.
- Un electrod este un conductor electric, prin intermediul cruia
curentul
electric intr sau iese dintr-un electrolit. Electrodul la
nivelul cruia electronii ies din electrolit, producndu-se oxidarea
(electrolitul cedeaz electronii pe electrod), se numete anod, iar
cel la nivelul cruia electronii intr n soluie, producndu-se
reducerea (electrolitul accept electronii cedai de electrod) se
numete catod.
- Celula electrochimic reprezint un ansamblu de doi electrozi i
un electrolit (figura 1).
a b
Figura 1. Tipuri de celule electrochimice a) celul galvanic
reacia chimic din interiorul celulei produce curent electric n
exterior; b) celul electrolitic curentul electric exterior produce
o reacie chimic n celul (electroliz).
http://www.public.asu.edu/~laserweb/woodbury/classes/chm341/lecture_set10/lecture10.html:
-
2
n timpul proceselor electrochimice, pot avea loc urmtoarele
fenomene (Figura 2):
- Transformarea energiei electrice n energie chimic (producerea
unei reacii chimice ca urmare a furnizrii de energie electric) sau
de transport de ioni;
- Transformarea energiei chimice n energie electric (producerea
curentului electric n urma unei reacii chimice, ex. funcionarea
bateriilor electrice).
Energie electric Reacie redox
Figura 2. Interconversia de energie n cadrul metodelor
electrochimice de analiz
Reaciile chimice implicate n procesele electrochimice se numesc
reacii
redox. Reacia redox este reacia n care un reactant se oxideaz
concomitent cu reducerea celuilalt reactant (Figura 2):
- oxidare - pierdere de electroni ceea ce duce la o cretere a
strii de oxidare; exemplu: Fe0 2e- Fe2+
- reducere acceptare de electroni ceea ce duce la o scdere a
strii de oxidare; exemplu: Fe2+ + 2e- Fe0
Clasificarea metodelor electrochimice: 1) Metode electrochimice
la curent 0 sau fr curent net:
a) Poteniometria se msoar tensiunea dintre doi electrozi n
funcie de concentraia speciilor ionice prezente n soluie;
b) Conductometria se msoar capacitatea de conducere a curentului
electric de ctre ionii soluiei de analizat.
2) Metode electrochimice la curent finit: a) Coulometria se
msoar cantitatea de curent consumat sau produs n
urma unei reacii chimice redox; de exemplu, electroliza; b)
Voltamperometria se msoar cantitate de curent produs de o
reacie
chimic redox la diferite tensiuni de curent aplicate (tensiunea
= diferena de potenial); de exemplu, polarografia.
-
3
IV.2. POTENIOMETRIA
Poteniometria este o metod electrochimic de analiz prin care
cantitatea de substan (electrolit) dintr-o soluie se msoar innd
cont de diferena de potenial pe care o produce ntre doi electrozi,
un electrod indicator i un electrod de referin:
- Electrodul indicator electrod al crui potenial electric se
schimb n funcie de concentraia unei anumite specii ionice din
soluia n care este introdus; exemplu: electrodul de sticl indicator
de pH (ioni de H+), electrodul indicator de ioni de Ca2+, oxigen,
clor Cl-;
- Electrodul de referin electrod cu un potenial electric
constant i cunoscut; exemplu, electrodul de Ag/AgCl, electrodul de
calomel Hg/Hg2Cl2, electrodul de hidrogen.
Cea mai des ntlnit tehnic poteniometric este pH-metria msurarea
pH-ului, iar aparatul cu care se msoar pH-ul se numete pH-metru ale
crui componente principale sunt prezentate n figura 3.
Figura 3. pHmetru
(http://www.made-in-china.com/showroom/bkinstrument/product-
detaillqembzAOgQUM/China-Laboratory-PH-Meter.html)
Electrod combinat de pH
Senzor de temperatur
Punte de msur electronic
-
4
a) b)
Figura 4. Electrod de sticl: a) schema de ansamblu
http://www.ktf-split.hr/glossary/en_o.php?def=glass%20electrode; b)
detaliu
http://www.flickr.com/photos/mitopencourseware/3215171485/
Componenta central a unui pH-metru o reprezint electrodul de
sticl (Figura 4) format dintr-o membran de sticl, de regul sub
forma unui bulb, i un electrod de referin intern (un fir de Ag pe
care este depus AgCl) imersat ntr-o soluie intern cu concentraia
constant de ioni H+. Electrodul combinat de pH conine n acelai bloc
electrodul de sticl i electrodul de referin extern care este, de
regul, electrodul de Ag/AgCl. La introducerea electrodului n soluia
de cercetat, membrana de sticl se umecteaz, iar ionii H+ din soluia
de cercetat ptrund n membran, deplasnd ionii de Na+ (membrana de
sticl este format din SiO2, Na2O, CaO etc.). n urma acestui schimb
de ioni, potenialul de la interfaa membran soluie se modific.
Puntea electronic msoar diferena de potenial dintre electrodul de
referin i electrodul de sticl i o traduce direct n uniti de pH
(reamintim faptul c pH = -log [H+]). Diferena de potenial dintre
electrozii pH-metrului i, implicit, pH-ul depind de temperatur i de
aceea pHmetrele au ncorporate un senzor de temperatur, n acest fel
puntea electronic de msur poate s corecteze valoarea pH-ului la cea
corespunztoare unei temperaturi de referin de 25 C.
Efectuarea msurtorii de pH presupune parcurgerea mai multor
etape: - conectarea aparatului la reeaua electric i pornirea
acestuia; - verificarea instalrii electrodului de pH i a
compensatorului de
temperatur (n cazul electrozilor noi, acetia trebuie meninui
cel
-
5
puin 8 ore ntr-o soluie tampon cu pH 7); cele dou dispozitive
trebuie imersate mpreun n soluia de analizat;
- calibrarea pH-metrului - se poate face ntr-un punct, dou sau
trei puncte, n funcie de domeniul de pH pe care se lucreaz, cu
ajutorul unor soluii tampon cu pH bine definit; indiferent de
numrul de puncte de calibrare care vor fi realizate, se ncepe
ntotdeauna cu soluia tampon cu pH 7;
- electrodul i compensatorul de temperatur trebuie cltii cu ap
distilat dup scoaterea din soluia prob i apoi cu soluia ce urmeaz a
fi msurat;
- msurarea pH-ului probei; - la ncheierea msurtorilor,
electrodul i compensatorul de
temperatur trebuie cltii cu ap distilat i uscai cu ajutorul unei
hrtii de filtru; electrodul se pstreaz ntr-o soluie soluie tampon
cu pH 7 sau soluie saturat de KCl 2-3 M;
- oprirea i deconectarea aparatului. Pentru msurarea
concentraiei altor specii dintr-o soluie prob se utilizeaz
echipamente similare, avnd electrozi indicatori specifici.
-
6
IV.3. CONDUCTOMETRIA Conductometria reunete metodele
electroanalitice care se bazeaz pe determinarea capacitii unor
soluii de electrolii de a conduce curentul electric
(conductibilitate electric). Conductibilitatea electric a
corpurilor este legat de deplasarea sarcinilor electrice sub
aciunea unei diferene de potenial. n cazul conductorilor metalici
se deplaseaz electronii, iar n soluie de electrolii sau topituri,
cauza conductibilitii electrice o reprezint deplasarea ionilor.
Aparatul cu care se msoar capacitatea de conducere a curentului
electric se numete conductometru ale crui componente principale
sunt prezentate n figura 5.
a)
b) Figura 5. Conductometru: a) schema de principiu; b) model
comercial
Punte de msur
Electrod
-
7
Celula conductometric este format din electrozi de platin ntre
care se msoar conductana ionilor soluiei.
n conductometrie se lucreaz cu urmtoarele noiuni:
Conductibilitatea electric sau conductana, q proprietatea unui corp
de
a conduce curentul electric (se msoar n Siemens, S, sau ohm-1,
-1) Rezistena electric, R inversul conductanei electrice (1 =
rezistena
unui conductor care permite trecerea unui curent de 1 A sub
diferena de potenial de 1 V):
S
lR =
R
1q =
unde - rezistivitate (depinde de natura conductorului), [.cm-1],
l lungimea conductorului, [cm], S seciunea conductorului [cm2].
Mrimile l i S sunt caracteristicile geometrice ale conductorului
electric.
Conductibilitatea specific (conductivitate), , reprezint
conductibilitatea unui conductor de 1 cm lungime i 1 cm2 seciune, [
Scm-1]:
1 =
innd cont de definiiile anterioare:
l
Sq =
Dup cum se observ, q depinde de geometria conductorului, iar nu.
Factori care influeneaz conductibilitatea specific: - natura probei
(mobilitatea i valena ionilor, vscozitatea solventului); -
concentraia ionilor; - temperatura; - presiunea; - frecvena
curentului conductometrului. Conductometrele moderne msoar direct .
Efectuarea msurtorii de
conductivitate presupune parcurgerea mai multor etape: -
conectarea aparatului la reeaua electric i pornirea acestuia; -
verificarea instalrii electrodului de conductivitate; - electrodul
trebuie cltit cu ap distilat din abunden i apoi cu soluia
ce urmeaz a fi msurat; - msurarea probei; - la ncheierea
msurtorilor, electrodul trebuie cltit cu ap distilat i
uscat cu ajutorul unei hrtii de filtru; electrodul se pstreaz ca
atare sau n ap distilat;
- oprirea i deconectarea aparatului.
-
8
IV.4. ELECTROFOREZA CAPILAR
Principiu
Electroforeza este o metod de analiz care presupune separarea
compuilor unei probe i se bazeaz pe migrarea speciilor purttoare de
sarcini electrice globale din proba aflat n soluie sub efectul unui
cmp electric printr-un suport corespunztor. Electroforeza capilar
corespunde unei adaptri particulare a metodei generale de
electroforez.
n tehnica clasic de electroforez, larg utilizat n domeniul
bioanalitic, se utilizeaz benzi din material plastic acoperite cu o
substan poroas impregnat cu un electrolit (Figura 6). Capetele sunt
imersate n dou rezervoare independente, coninnd acelai electrolit i
cuplate la electrozii unui generator de tensiune continu.
Proba este depus sub forma unui strat subire transversal pe
band, eventual presat ntre dou plci izolante. Speciile hidratate
prezente migreaz ntr-un timp variabil cuprins ntre cteva secunde pn
la cteva ore spre una din extremitile benzii. Fiecare compus se
difereniaz prin mobilitatea sa, dar absena unui front de solvent
msurabil ne oblig s utilizm un standard intern. Detecia speciilor
prezente dup migrare se efectueaz n general prin transferul
acestora printr-un procedeu prin contact pe o membran unde sunt
revelate cu ajutorul unor reactivi specifici obinndu-se
electroforegrama.
Figura 6. Electroforeza de zon: principiul unei instalaii (sus)
i electroforegrama (jos)
n electroforeza capilar (figura 7) suportul plan din tehnica
clasic este
nlocuit de un tub capilar deschis la ambele capete, din sticl de
siliciu cu
-
9
diametrul variind ntre 15 i 150 m. Acest capilar cu lungimea L =
20-80 cm este umplut cu un electrolit tampon.
Diferena de potenial aplicat la capetele capilarului poate
atinge 600 V/cm, dar intensitatea curentului nu poate depi 100 A
astfel c puterea disipat rmne inferioar valorii de 3 W. Pentru
evitarea nclzirii capilarului este preferabil plasarea lui ntr-un
recipient termostatat.
Figura 7. Schema unei instalaii de electroforez capilar
Figura 8. Electroforegram
Semnalul obinut de la un detector plasat la distana l de
extremitatea
superioar a capilarului, n apropierea catodului, st la baza
obinerii electroforegramei (Figura 8) care conine informaiile
despre compoziia probei cercetate. Sunt detectate numai speciile
care se orienteaz spre catod. Moduri de detecie utilizate:
a) Detecia UV / VIS se msoar intensitatea luminii care
traverseaz capilarul ntr-o zon unde acoperirea total a fost
eliminat, utiliznd o lungime de und 200 -230 nm. Msurtorile sunt
dificile datorit matricelor care sunt n general absorbante. Pentru
ionii anorganici care absorb puin se alege un electrolit care
conine cromat sau ftalat ce determin creterea absorbanei. n aceste
condiii cnd un ion din prob ajunge la
-
10
nivelul detectorului se produce o diminuare a absorbiei,
obinndu-se picuri negative (detecie invers).
b) Detecia prin fluorescen este foarte sensibil i utilizeaz o
surs laser foarte intens, fiind adesea asociat cu un procedeu de
pre- sau post-derivare a analiilor pentru a deveni fluoresceni.
c) Cuplarea cu un spectrometru de mas este un procedeu de
detecie larg utilizat. Debitul slab din capilar permite ionizarea
la presiune atmosferic ceea ce face posibil studiul componenilor
biologici.
d) Detectare electrochimic const n introducerea unor
microelectrozi n capilar. Se poate lucra poteniometric sau
conductometric. Electroforegrama este similar cromatogramei din
tehnica HPLC, iar
interpretarea ei se face identic (vezi capitolul V de curs).
Electroforegrama este format dintr-o sum de picuri electroforetice,
fiecare pic corespunznd unui singur compus, iar aria lui este
direct proporional cu concentraia.