Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан химического факультета
Белгосуниверситета
Д.В.Свиридов
(подпись)
(дата утверждения)
Регистрационный № УД-/раб.
ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ
ЭЛЕКТРОДОВ
Учебная программа для специальности 1-31 05 01 Химия (по направлениям) Направления специальности:1-31 05 01-01 Химия (научно-производственная деятельность) Факультет химический Кафедра аналитической химии Курс (курсы) четвертый Семестр (семестры) Лекции 26 (часов) Зачет 7 семестр Практические (семинарские) занятия 10 (часов) Лабораторные занятия 30 (часов) КСР 8 (часов) Всего аудиторных часов по дисциплине Всего часов Форма получения высшего по дисциплине 145 образования очная Составитель: В.В.Егоров, доктор химических наук, профессор 2012 г.
Рассмотрена и рекомендована к утверждению на заседании кафедры аналитической химии (название кафедры) _протокол № (дата, номер протокола) Заведующий кафедрой Е.М.Рахманько (подпись) Одобрена и рекомендована к утверждению учебно-методической комиссией химического факультета Белгосуниверситета _протокол №_ (дата, номер протокола) Председатель Е.И.Василевская (подпись) Составлена на основе базовой программы «Потенциометрия. Принципы работы ионоселективных электродов», рег. № УД – 6058/баз от 06.12.2011, утверждена 28.05.2012.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Специальный курс нацелен на углубленное изучение теории и практики потенциометрического метода анализа с использованием ионоселективных электродов. Целесообразность настоящего курса обусловлена тем, что в последнее время наметилась отчетливая тенденция к возрастанию роли сенсоров в решении самых разнообразных задач химического анализа. Эти миниатюрные устройства, способные реагировать на изменение концентрации аналита в анализируемом объекте соответствующим изменением аналитического сигнала, отличаются сравнительной простотой и исключительно низкой стоимостью и являются в ряде случаев конкурентоспособными с самым совершенным дорогостоящим аналитическим оборудованием не только в плане стоимости анализа, но и по метрологическим характеристикам. Ионоселективные электроды представляют собой один из наиболее многочисленных классов электрохимических сенсоров и позволяют определять концентрацию (активность) ионов в растворах. Благодаря ряду неоспоримых достоинств (простота и низкая стоимость оборудования, простота пробоподготовки, возможность работы в мутных и окрашенных средах, высокая селективность, чувствительность, экспрессность, широкий концентрационный диапазон функционирования, возможность осуществления неразрушающего контроля, мониторинга, легкость автоматизации и др.) потенциометрический метод анализа нашел широчайшее применение в самых различных областях:биохимии, экологии, агрохимии, почвоведении, геохимии, химической технологии, в научных химических и биохимических исследованиях. В то же время работа с ионоселективными электродами требует определенных практических навыков, а в ряде случаев – и глубокого понимания механизмов генерирования аналитического сигнала и факторов, ответственных за рабочие характеристики электродов.
Курс предназначен для химиков-аналитиков и базируется на знании студентами основ физической, аналитической, органической химии и физико-химических методов анализа.
Цели настоящего курса:
• дать студентам минимально достаточную базу знаний, позволяющую ориентироваться в вопросах применения электродов различных типов в химическом анализе и выбирать приемлемые варианты методик;
• привить студентам практические навыки работы с ионоселективными электродами.
Задачи курса:
• формирование у студентов четкого представления о круге задач, решаемых с использованием потенциометрического метода анализа, в частности, с помощью ионоселективных электродов, о возможностях и ограничениях потенциометрического метода анализа;
• познакомить будущих химиков-аналитиков с имеющимся ассортиментом ионоселективных электродов и арсеналом разработанных методов их использования в вариантах как прямой потенциометрии, так и потенциометрического титрования.
В результате изучения дисциплины обучаемый должен знать:
• устройство и принцип действия ионоселективных электродов различных типов;
• характер практических и научных задач, решаемых с помощью ионоселективных электродов;
• основные варианты использования ионоселективных электродов в • факторы, ответственные за основные рабочие характеристики электродов.
• обращаться с ионоселективными электродами и потенциометрическим оборудованием;
• выбирать оптимальные варианты применения электродов, в зависимости от решаемой практической задачи;
• определять важнейшие аналитические характеристики электродов;
• находить и устранять типичные неисправности;
• проводить обработку и интерпретацию первичных экспериментальных Преподавание курса предусматривает проведение лекций, семинарских и лабораторно-практических занятий, которые должны быть обеспечены техническими средствами обучения, наглядными материалами, соответствующим лабораторным оборудованием и реактивами.
Лабораторные занятия предусматривают практическое ознакомление с пластифицированными полимерными мембранами – и освоение типичных методик их применения для прямого и косвенного определения веществ в вариантах прямой потенциометрии и потенциометрического титрования. Ряд работ содержит элементы научного поиска, конечной задачей которого является обоснование оптимального варианта методики или оптимальных условий выполнения анализа.
Учебный курс рассчитан на 74 часа аудиторной работы – лекционных, 10 семинарских, 8 КСР и 30 лабораторно-практических.
ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Наименование разделов, тем потенциометрии.электродов, используемых в потенциометрии: устройство и принципы функционирования.
принципы функционирования.
4.2 растворимых кристаллических 4. ионообменников.
4. ных переносчиков.
ным комплексам металлов, как 4. альтернатива катион-селективным электродам.
электродов и факторы, их определяющие.
5. ческой селективности.
5.2 ционирования и другие важнейшие характеристики ИСЭ.
ионоселективных электродов.
электродами.
7.1 работы с ионоселективными электродами.
стей при работе с ионоселективными электродами и пути их устранения.
Номер раздела, темы, занятия 3. Достоинства и ограничения потенциометрического метода, его место среди других используемых в потенциометрии: устройство и принципы функционирования.
1. Ионно-металлические электроды первого 2. Металл-амальгамные электроды. Элемент 3. Металл-солевые электроды второго рода.
Хлорид-серебряный электрод. Металлоксидные электроды второго рода. Ртутнооксидный и сурьмяно-оксидный электроды.
4. Газовые электроды первого рода, обратимые по катионам и анионам. Водородный 5. Окислительно-восстановительные (ред-окси) 6. Электроды сравнения – хлорид-серебряный и каломельный. Конструктивные особенности.
потенциала в рамках теории Нернста-Планка.
8. Методы элиминирования диффузионного потенциала. Электроды сравнения с двойным устройство и принципы функционирования.
Основные требования к свойствам стекла.
2. Роль модификатора. Стекла с водородной функцией. Потенциалопределяющая реакция.
3. Щелочная ошибка стеклянного электрода.
Никольского. Кислотная ошибка стеклянного 4. Влияние подвижностей ионов в мембране на потенциал. Вывод уравнения ЭйзенманаНикольского.
селективность. Стекла с расширенным 6. Влияние второго стеклообразователя. Стекла с функциями катионов щелочных металлов.
7. Ограничения простой теории Никольского.
8. Стеклянные электроды с ред-окси функцией, их преимущества перед ред-окси электродами 9. Твердоконтактные стеклянные электроды (без 10. Электроды на основе халькогенидных стекол кристаллических осадков.
1. История создания. Общие требования к 2. Моно- и поликристаллические гомофазные 3. Лантан-фторидный электрод.
4. Галогенид-серебряные электроды.
5. Сульфид-серебряный электрод.
7. Потенциалопределяющая реакция. Факторы, определяющие нижний предел обнаружения 8. Механизмы влияния посторонних катионов и Взаимосвязь селективности с произведением растворимости. Ряд анионной селективности.
10. Реальные коэффициенты селективности.
Теория Хуланицкого-Левенстама.
Конструктивные особенности.
материалам. Важнейшие ионообменники и Потенциал распределения как функция стандартных свободных энергий переноса катиона и аниона. Роль ионообменника.
Гофмейстера. Характерные примеры влияния природы растворителя (пластификатора) на 5. Вывод уравнения потенциала ИСЭ для сильно ассоциированных мембран. Влияние природы ионообменника на селективность (важнейшие примеры). Взаимосвязь между ионообменной и потенциометрической селективностью.
липофильной диссоциирующей добавки.
7. Важнейшие электроды на основе жидких 2. Потенциалопределяющая реакция (модель Кедем-Перри-Блоха). Роль ионообменника.
потенциометрической селективности ИСЭ на основе нейтральных переносчиков.
5. Важнейшие нейтральные переносчики для определения неорганических катионов и селективным электродам.
1. Фторидные, хлоридные, бромидные, иодидные, 2. Влияние природы лиганда, катиона центрального атома, и количества лигандов в электродноактивном комплексе, а также константы устойчивости комплекса на селективность.
3. Важнейшие представители электродов такого типа: дицианоауратный, дицианоаргентатный, тетрафторборатный, тетрароданоцинкатный.
4. Принципы выбора оптимальной концентрации 5. Лигандные функции ИСЭ, обратимых к анионным комплексам металлов: механизм возникновения и практическое использование.
ионоселективных электродов и факторы, их определения. Метод смешанных растворов.
Метод отдельных растворов (варианты равных концентраций и равных потенциалов).
2. Зависимость экспериментально определяемых коэффициентов селективности от условий 3. Метод подогнанных потенциалов (Matched 4. Фундаментальные проблемы экспериментального определения коэффициентов уравнения Эйзенмана-Никольского применительно к ионам, различающимся величиной растворов. Предельные (термодинамически обусловленные) коэффициенты селективности.
другие важнейшие характеристики ИСЭ.
1. Нижний предел обнаружения и факторы, его приэлектродный слой исследуемого раствора;
влияние посторонних ионов (приближения трансмембранный перенос определяемых ионов из внутреннего раствора сравнения.
3. Верхний предел обнаружения им факторы, его 4. Влияние ко-ионов на вид электродной переносчиков: механизм возникновения и 6. Время отклика и время жизни ИСЭ и факторы, Сложные устройства на основе ионоселективных 1. Газовые селективные электроды: устройство, механизм функционирования, важнейшие измерений, важнейшие представители.
3. Бактериальные, тканевые, гормональные и иммуно-ферментные электроды.
4. Ионоселективные полевые транзисторы.
Метод стандартного раствора (градуировка по одной точке). Методы добавок (анализируемого раствора к стандартному или стандартного к анализируемому). Метод вычитания. Метод добавки с последующим разбавлением. Метод 2. Работа с несколькими электродами в условиях недостаточной селективности. Мультисенсорные устройства типа «электронный язык».
3. Потенциометрическое титрование. Основные приемы косвенного определения катионов и анионов при отсутствии соответствующих ИСЭ и пути их устранения.
1. Влияние ионной силы раствора.
2. Влияние посторонних ионов.
3. Приборная ошибка измерения потенциала.
4. Влияние температуры.
5. Временной дрейф потенциала.
6. Погрешность приготовления градуировочных 7. Влияние электрода сравнения.
8. Эффект памяти измерительного электрода.
электрода (эффект Хуланицкого).
9. Влияние перемешивания.
10. Влияние времени выполнения измерений.
11. Реальная точность измерений при работе с ИСЭ в вариантах прямой потенциометрии и потенциометрического титрования.
обслуживания и хранения электродов.
13. Поиск и устранение неисправностей при Основная:
1. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа. 1984.
2. Морф В. Принципы работы ионоселективных электродов и мембранный транспорт.
М.: Мир. 1985.
3. Никольский Б.П., Шульц М.М., Белюстин А.А. Стеклянный электрод и химическое строение стекол. М.: Знание. 1971.
4. Никольский Б.П., Матерова Е.А. Ионоселективные электроды. Л.: Химия. 1980.
5. Камман К. Работа с ионоселективными электродами. М.: Мир. 1980.
6. Демина Л.А., Краснова Л.Б., Юрцева Б.С., Чупахин М.С. Ионометрия в неорганическом анализе. М.: Химия. 1991.
7. Мидгли А., Торренс Б. Потенциометрический анализ вод. М.:Мир. 1980.
Дополнительная:
8. Шаталов А.Я. Введение в электрохимическую термодинамику.. М.: Высшая школа.
1984.
9. Корыта И. Ионы, электроды, мембраны. М.: Мир. 1983.
10. Корыта И., Штулик К. Ионоселективные электроды. М.: Мир. 1989.
11. Лакшминараянайах Н. Мембранные электроды. Л.: Химия. 1979.
12. Бейтс Р.Г. Определение рН. Теория и практика. Л.: Химия. 1972.
13. Хаваш Е. Ионно- и молекулярно-селективные электроды в биохимических системах.
М.: Мир. 1988.
14. Ионоселективные электроды/ Под ред. Р.Дарста. – М.: Мир. 1972.
План согласования рабочей программы с другими дисциплинами Название дисциплины, с Название кафедры Предложения об Решение, принятое к учебной программе по изучаемой учебной дисциплине на 2013/ Учебная программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры аналитической химии (протокол № от 200_ г.) Заведующий кафедрой Внесенные изменения Утверждаю Декан химического факультета