Потенциометрия представляет собой раздел аналитической химии, основанный на измерении электрического потенциала электродов, находящихся в контакте с исследуемым раствором. Основная цель потенциометрии — количественное определение концентрации ионов в растворе через измерение электродного потенциала и применение законов электрохимии.
Электродный потенциал E определяется как разность потенциалов между измерительным и сравнительным электродами. Для одновалентного иона потенциал подчиняется уравнению Нернста:
$$ E = E^0 + \frac{RT}{zF} \ln a $$
где E0 — стандартный электродный потенциал, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, z — заряд иона, F — постоянная Фарадея, a — активность иона в растворе.
Индикаторные электроды. Они изменяют свой потенциал в зависимости от концентрации целевого иона. К ним относятся:
Сравнительные электроды. Обеспечивают постоянный известный потенциал, не зависящий от состава анализируемого раствора. Наиболее часто применяются:
Совокупность индикаторного и сравнительного электродов формирует потенциометрическую ячейку, способную измерять потенциал раствора без значительного тока.
Потенциометрическое измерение основано на законе Нернста, который связывает электродный потенциал с активностью ионов. Изменение потенциала при титровании позволяет определить точку эквивалентности и вычислить концентрацию анализируемого вещества.
Факторы, влияющие на потенциал:
Чувствительность и точность измерений зависят от качества электродов, степени термостабильности раствора и минимизации протекания тока через измерительную цепь.
Применение потенциометрии охватывает широкий спектр аналитических задач:
Преимущества метода: высокая чувствительность, возможность автоматизации, отсутствие необходимости применения индикаторов, которые могут вступать в побочные реакции.
Ограничения метода включают зависимость от температуры, ионной силы и состояния поверхности электрода, необходимость калибровки и соблюдения правил хранения электродов.
Стеклянные электроды состоят из стеклянной мембраны, чувствительной к водородным ионам. Изменение pH вызывает потенциальный сдвиг, который фиксируется измерительной системой.
Ионселективные электроды для других катионов и анионов основаны на полимерных мембранах с включением ионных носителей, специфичных для определённого иона.
Редокс-электроды (платиновые, графитовые) регистрируют потенциал системы в результате окислительно-восстановительных процессов. Потенциал зависит от соотношения концентраций восстановленной и окисленной форм вещества:
$$ E = E^0 + \frac{RT}{nF} \ln \frac{[Ox]}{[Red]} $$
где [Ox] и [Red] — концентрации окисленной и восстановленной формы.
Для точного потенциометрического анализа требуется:
Потенциометрические методы нашли широкое применение в непрерывном мониторинге процессов, в экспресс-анализе и лабораторных исследованиях, позволяя получать точные количественные данные при минимальной химической интервенции в систему.