Кулонометрическое титрование представляет собой метод количественного анализа, основанный на измерении количества электричества, необходимого для полной электрохимической реакции определяемого вещества. Метод относится к прямым электроаналитическим способам и позволяет определять вещества с высокой точностью и воспроизводимостью.
Электрохимическая реакция при кулонометрическом титровании описывается уравнением:
nF = Q
где n — количество электронов, участвующих в реакции на один молекулу вещества, F — постоянная Фарадея (96485 Кл/моль), Q — электрический заряд, пройденный через систему.
Ключевым преимуществом метода является связь между количеством вещества и величиной электрического тока, что позволяет обходиться без стандартного раствора титранта. Кулонометрия обеспечивает высокую точность анализа для малых количеств вещества, что делает её особенно ценной в аналитической химии.
1. Кулонометрия при контролируемом токе (галваностатическая) Процесс протекает при постоянном токе, величина которого выбирается исходя из кинетики реакции и ёмкости электрода. Время прохождения тока фиксируется, что позволяет вычислить количество вещества по формуле:
$$ m = \frac{ItM}{nF} $$
где I — ток, t — время, M — молярная масса вещества, n — число электронов на молекулу.
Галваностатическая кулонометрия применяется при титровании веществ, скорость реакции которых высока и хорошо контролируется.
2. Кулонометрия при контролируемом потенциале (амперостатическая) В этом случае потенциал рабочего электрода поддерживается постоянным, а величина тока изменяется в зависимости от концентрации реагента. Метод позволяет проводить реакции с узким диапазоном потенциалов, минимизируя побочные реакции.
Выбор электродов и конструкции ячейки критически важен для точности титрования.
Ячейки делятся на двухэлектродные и трёхэлектродные, с разделением пространства на катодную и анодную зоны для исключения паразитных реакций.
Процесс титрования состоит из трёх этапов:
Для повышения точности учитываются факторы: сопротивление раствора, поляризация электродов, скорость перемешивания, влияние побочных реакций.
Кулонометрия широко используется для анализа малых количеств металлов, окислителей и восстановителей, органических соединений и редких элементов. Метод эффективен при контроле чистоты веществ в фармацевтике, микроаналитических исследованиях и промышленной химии.
Особое значение имеет способность метода работать без стандартного раствора, что особенно важно при анализе высокочистых веществ и при определении следовых концентраций.
Преимущества:
Ограничения:
Кулонометрическое титрование занимает важное место в арсенале методов аналитической химии, обеспечивая надежное количественное определение веществ в самых различных областях науки и промышленности.