UVOD U ELEKTROKEMIJSKE METODE Sveučilišni studij: Biomedicinsko laboratorijske tehnologije INSTRUMENTALNE MJERNE TEHNIKE I FIZIKALNE METODE U BIOMEDICINSKOJ ANALITICI UVOD U ELEKTROKEMIJSKE METODE Milan Sak-Bosnar Odjel za kemiju Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Franje Kuhača 20 31000 Osijek Tel. 031/ 495 530 E-mail: msbosnar@kemija.unios.hr www.kemija.unios.hr Odjel za kemiju

Literatura: D.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler, Osnove analitičke kemije, Školska knjiga, Zagreb, 1999. G.D. Christian, Analytical Chemistry, 6th Edition, John Wiley & Sons Inc., New York, 2003. P.M.S. Monk, Fundamentals of Electroanalytical Chemistry, John Wiley & Sons Inc., New York, 2005. B.R. Eggins, Chemical Sensors and Biosensors, John Wiley & Sons Inc., New York, 2005. Odjel za kemiju

1. Elektrokemijske/elektroanalitičke metode: Definicija Skupina analitičkih postupaka kod kojih podatak o određivanoj molekulskoj vrsti (npr. koncentracija, aktivitet) dobivamo na temelju međusobno razmjernih električnih veličina, tj. s pomoću električnog napona, električne struje, električnog otpora ili električnog naboja. Odjel za kemiju

1.1. Elektrokemijski članci Elektrokemijski članak: dva elektronska vodiča (metal ili grafit) uronjena u elektrolit (ionski vodič) koji može biti otopina, tekućina ili krutina elektroda elektrolit Odjel za kemiju

Osnovni tipovi elektrokemijskih članaka: elektrolitički članak (elektrolitska ćelija): uređaj koji se sastoji od dviju elektroda uronjenih u elektrolit, a na elektrodama koje su priključene na izvor istosmjerne struje dolazi do reakcije oksidacije i redukcije – elektrolize (kemijske reakcije su prisilne) galvanski članak: uređaj u kojem se energija kemijske reakcije (redoks-reakcije) pretvara u električnu energiju (članak koji služi kao izvor napona), a kemijske reakcije su spontane. Odjel za kemiju

1.2. Elektrodni potencijal (Electrode potential) Elektroni, koji su negativno nabijeni, teže putovati prema područjima pozitivnog električnog potencijala i zato putuju od jedne elektrode prema drugoj u galvanskom članku. Između metala i otopine postoji polje određenog potencijala – električni potencijal, ali je problem što se razlika potencijala na jednoj graničnoj površini metal - otopina ne može mjeriti. Mjeriti se može razlika potencijala (∆V) između dviju elektroda (dvaju polučlanaka). Ona je jednaka elektromotornoj sili ili skraćeno EMS (EMF). Svaka elektroda članka doprinosi ukupnom potencijalu članka, Nije moguće mjeriti potencijal svake elektrode pojedinačno, nego razliku njihovih potencijala, Odjel za kemiju

U tu svrhu odabrana je standardna vodikova elektroda (SHE). Moguće je jednoj od elektroda proizvoljno dodijeliti vrijednost nultog potencijala, pa se tako može odrediti potencijal druge elektrode, U tu svrhu odabrana je standardna vodikova elektroda (SHE). Standardni elektrodni potencijal (E0) se određuje mjerenjem razlike elektrodnog potencijala galvanskog članka u kojem je jedan polučlanak elektroda mjernog redoks sustava, a drugi polučlanak standardna vodikova elektroda (referentna elektroda). Standardna vodikova elektroda ima dogovorom elektrodni potencijal nula uz [H+]=1 mol dm-3. galvanski članak se sastoji od određene/aktualne elektrode kao katode i standardne vodikove elektrode kao anode, sa sljedećim polureakcijama: Cu2+ + 2e- ⇋ Cu H2 (g) ⇋ 2H+(aq) + 2e- Odjel za kemiju

Pt(s)|H2 (g) |H+ (aq)||Cu2+(aq)|Cu(s) redukcija se uvijek odvija na katodi a oksidacija na anodi prema IUPAC-ovoj konvenciji (The International Union of Pure and Applied Chemistry) elektrodni potencijal (točnije relativni elektrodni potencijal) namijenjen je isključivo za polureakcije napisane kao redukcije prema konvenciji spomenuti članak označava se tako da se oksidirani oblik uvijek piše prvi: Pt(s)|H2 (g) |H+ (aq)||Cu2+(aq)|Cu(s) E = ER – EL Odjel za kemiju

elektrodna reakcija: H2(g) ⇋ 2H+(aq) + 2e- - elektrolitni most (salt bridge) prema konvenciji: E2H+/H2 = 0.000 V (na svim temperaturama) pa je E = ER – EL = E Cu2+/Cu – E 2H+/H2 = E Cu2+/Cu Odjel za kemiju

1.3. Standardne (referentne) elektrode potencijal im je stalan tijekom elektroanalitičkog postupka, pa služe kao standard prema kojem mjerimo potencijal druge elektrode (radne ili indikatorske) primjena referentnih elektroda: mjerenje pH mjerenje s ion-selektivnim elektrodama potenciometrijske titracije voltametrija Odjel za kemiju

AgCl + e-  Ag0 + Cl- E0 = 0.222V Test electroda Srebrna žica zasićeni Ag/AgCl referentna elektroda (silver/silver(I) chloride reference electrode) mV Test electroda Srebrna žica zasićeni KCl + AgNO3 Tekuća membrana AgCl + e-  Ag0 + Cl- E0 = 0.222V Odjel za kemiju

Zasićena kalomelove elektroda (saturated calomel electrode, SCE) mV Test elektroda Kalomel pasta (Hg0/Hg2Cl2) zasićeni KCl Tekuća membrana Hg2Cl2 + 2e-  2Hg0 + 2Cl- E0 = 0.268V Odjel za kemiju

1.4. Ion-selektivne elektrode (Ion-selective electrodes, ISE) elektrokemijski senzori čiji potencijal (u sprezi s odgovarajućom referentnom elektrodom) ovisi o logaritmu aktiviteta ispitivanog iona u otopini za reakciju Ox +  ne- ⇋ Red vrijedi Nernstova jednadžba: za slučaj: Cu2+ + 2e- ⇋ Cu Nernstova jednadžba glasi: R = univerzalna plinska konstanta T = Termodinamička temperatura F = Faradayeva konstanta Odjel za kemiju

općenito za kation Mn+: Kako je aktivitet čvrstih specija po konvenciji = 1 (a = 1), to u našem slučaju pa imamo: općenito za kation Mn+: ako zamijenimo gdje = nagib (slope) dobiva se analogno za anion An- : odnosno, nakon sređivanja: tj. Odjel za kemiju

Dakle, koristeći Nernstovu jednadžbu, mjerenjem elektrodnog potencijala može se izračunati aktivitet/koncentracija nekog iona-analita u otopini. Slika: Mjerni sustav za rad s ion-selektivnom elektrodom Odjel za kemiju

Ecell  EISM Ecell = ERef(1)– ERef(2) Ref 1 Ref 2 Ion-selective mV Ecell  EISM Ref 1 Ref 2 + Ion-selective membrane Odjel za kemiju

Staklena pH elektroda (Glass electrode) prva i najčešće korištena ISE !!!! Od ranije iz Nernstove jednadžbe: Isto vrijedi i za i kako je n = 1: Kako je (od prije): ili ispravnije pa je Odjel za kemiju

elektrode slijede Nernstovski nagib, zato se uvodi S (slope): kalibracija: najmanje 2 pufera koji pokrivaju očekivano područje pH vrijednosti elektrode slijede Nernstovski nagib, zato se uvodi S (slope): E0 i S se izračunaju mjerenjem EMF u dvije otopine poznate pH vrijednosti, S je nagib pravca na grafu E – pH Odjel za kemiju

Primjer kalibracije elektrode: potencijal je mjeren u 2 različita pufera na pH 4.01 i 11,00 izmjeren je potencijal nepoznatog uzorka čiji pH tražimo pufer 1 (pH=4,01) pufer 2 (pH=11,00) E1 = 181,9 mV E2 = -220,6 mV Ex = 124,89 mV Odjel za kemiju

Odjel za kemiju

Shema staklene elektrode Odjel za kemiju

pH-metar / milivoltmetar (ionometar) Instrumentacija pH-metar / milivoltmetar (ionometar) Odjel za kemiju

Kinhidronova elektroda (Quinhydrone electrode) Kinhidronova elektroda sastoji se od platine uronjene u otopinu zasićenu kinhidronom. Kinhidron (HQ) je slabo topljiva supstanca koja nastaje kombinacijom jednog mola kinona (Q) i jednog mola hidrokinona (H2Q):

(5) Elektrodna reakcija je: (4) Quinone (Q) Hydroquinone (H2Q) Kinon je oksidans a hidrokinon je reducens u toj reakciji. Ova elektroda se lako priprema i jednostavna je za primjenu. Čisti kruti hidrokinon otopi se u ispitivanoj otopini dok otopina ne postane zasićena i doda se malo u suvišku. Platinska žica se uroni u tu otopinu. Elektrodni potencijal definiran je sljedećom relacijom: (5)

Kinon (Q) i hidrokinon (H2Q) nastaju otapanjem kinhidrona u otopini, otuda je aH2Q=aQ. Koristeći sljedeću supstituciju (6) Jednadžba (5) je u obliku (7) Standardni potencijal kinhidronove elektrode dan je (8) gdje je t temperatura u 0C.

Za potenciometrijska mjerenja kinhidronova elektroda kombinira se s odgovarajućom referentnom elektrodom da se formira elektrokemijska ćelija. Ako se koristi zasićena kalomelova elektroda (SCE) kao referentna elektroda, shema ćelije prikazuje se: Hg/Hg2Cl2/KCl(satur.solution)/H2 Q,Q,H+(measur.solution)/Pt Elektromotorna sila ćelije definirana je sljedećim izrazom: (9) gdje je EQ/H2Q potencijal kinhidronove elektrode, Ekal potencijal SCE.

Konačno, iz jedn. (7) i (9), dobije se pH ispitivane otopine: Kinhidronova elektroda ne može se koristiti u otopinama koje reagiraju s kinonom ili hidrokinonom. Hidrokinon je slaba kiselina pa se elektroda ne može koristiti iznad pH 8.5 kada disocijacija hidrokinona postaje značajna. Drugi je nedostatak što se kinon oksidira na zraku u jako alkalnoj sredini. Usprkos svemu navedenome, kinhidronova elektroda često se koristi pri titraciji kiselina bazama, jer je završna točka titracije u većini slučajeva ispod pH 8.

1.5. Kolorimetrijsko određivanje pH (Colorimetric pH determination) Kiselo-bazni indikatori (pH indikatori) su slabe organske kiseline ili slabe organske baze koje mijenjaju boju kao posljedicu njihovog ionizacijskog stanja. Otopina koja sadrži fenolftalein u kiseloj sredini Otopina koja sadrži fenolftalein u alkalnoj sredini Odjel za kemiju

Fenolftalein bezbojno crveno

Indikatori kiselog tipa: Indikatori baznog tipa: In = indikator Pri promjeni pH vrijednosti gornje ravnoteže se pomiču izazivajući promjenu boje. Npr. Metil oranž HIn + H2O ⇋ H3O+ + In- kisela boja bazna boja Npr. Fenolftalein In + H2O ⇋ OH- + InH+ bazna boja kisela boja Odjel za kemiju

Konstante ravnoteže za prethodne disocijacije su: (2). Preuređenjem jedn. (1): (3). Ljudsko oko nije osjetljivo na razlike u boji otopina koje sadrže smjesu In- i HIn, posebno kad je odnos 0.1 > In- /HIn >10 ! Indikator HIn imat će čistu kiselu boju za prosječno oko kad je: a baznu boju kad je:

Odjel za kemiju

1.6. Potenciometrija metoda u kojoj se mjeri razlika potencijala između elektroda elektrokemijske ćelije uz ravnotežne uvjete napon ćelije mjerimo tako da kroz ćeliju ne teče struja odnosno teče tako mala struja da ona ne utječe na mjerljivo stanje ravnoteže na elektrodama koncentracijsko područje za potenciometrijska mjerenja iznosi od 10-5 – 10-1 M mjerni uređaji za mjerenje razlike potencijala: potenciometri voltmetri s velikom ulaznom impedancijom: pH - metri pIon - metri

Potenciometrijska mjerenja provode se uz upotrebu dviju elektroda: referentna potencijal je konstantan univerzalna referentna elektroda: standardna vodikova elektroda sekundarne referentne elektrode: kalomelova elektroda Hg/Hg2Cl2 elektroda srebro/srebrov klorid Ag/AgCl indikatorska potencijal ovisi o aktivitetu (koncentraciji) jedne ili više ionskih vrsta u ćeliji uglavnom ima visoko selektivan odziv na ispitivane ione Odjel za kemiju

u čaši s homogenom otopinom uzorka su dvije elektrode koje su spojene na milivoltmetar  ovo je jedan elektrokemijski članak potencijal ovog elektrokemijskog članka (Ec) iznosi: EC = EIE - ERE EC = EMJERENI Odjel za kemiju

ax = fx ·[X] ax = aktivitet iona potencijal indikatorske elektrode određen je Nernstovim izrazom: u Nernstovom izrazu koristi se aktivitet, a ne koncentracija iona: ax = fx ·[X] ax = aktivitet iona [X] = molarna koncentracija iona fx = koeficijent aktiviteta Odjel za kemiju

mjerni uređaji za mjerenje razlike potencijala: potenciometri koncentracijsko područje za potenciometrijska mjerenja iznosi od 10-5 – 10-1 M mjerni uređaji za mjerenje razlike potencijala: potenciometri voltmetri s velikom ulaznom impedancijom: pH - metri pIon - metri Odjel za kemiju

1.7. Analitička primjena potenciometrije a) direktna potenciometrija b) potenciometrijska titracija a) Direktna potenciometrija (Direct potentiometry) priredi se serija otopina različitih koncentracija (aktiviteta) ispitivanog iona: a1, a2, a3, ….. an, izmjere se pripadajuće vrijednosti za E: E1, E2, E3, ….. En, konstruira se baždarni dijagram E = f(log a), za određivanje aktiviteta koristi se linearni dio dijagrama Odjel za kemiju

pH-metar / milivoltmetar (ionometar) Instrumentacija pH-metar / milivoltmetar (ionometar) komercijalne ISE često u svojoj konstrukciji imaju ugrađenu i referentnu elektrodu – tada je to kombinirana ISE Odjel za kemiju

Primjer iz prakse: Odjel za kemiju

b) Potenciometrijska titracija (Potentiometric titration) titracija u kojoj se za detekciju završne točke koristi ISE kao detektor u elektrokemijsku ćeliju se dodaje titrans koji s određivanom tvari u ćeliji kemijski reagira rezultat: promjena aktiviteta analita, a time i potencijala indikatorske elektrode titracijska krivulja: grafički prikaz tijeka titracije u obliku E = f(V) ili pH = f(V). Odjel za kemiju

Detekcija završne točke titracije brojne metode, najčešće računanjem 1. ili 2. derivacije (ΔpH/ΔV, ΔE/ΔV), npr. 1. derivacija: pH/V = (pH)2-(pH)1/ (V2-V1) kao indikatorske elektrode najčešće se koriste staklena (pH) elektroda, ISE ili platinska (redox) elektroda kao referentne elektrode najčešće se koriste kalomelova ili srebro/srebrov klorid elektroda Odjel za kemiju

Primjer određivanja završne točke titracije iz krivulje odredimo područje s najvećom promjenom potencijala V(TPB)/mL E/mV 5,1 -62,0 5,2 -86,4 5,3 -141,2 5,4 -173,9 5,5 -204,2 5,6 -227,1 Odjel za kemiju

Odjel za kemiju

Odjel za kemiju

Pregled elektroanalitičkih metoda Odjel za kemiju

Odjel za kemiju

Odjel za kemiju

Odjel za kemiju

Odjel za kemiju