Elektrokemiska analysmetoder är baserade på studier och användning av processer som sker på elektrodytan eller i elektrodnära utrymmet. Varje elektrisk parameter (potential, strömstyrka, resistans, etc.) som är funktionellt relaterad till koncentrationen av den analyserade lösningen och kan mätas korrekt kan fungera som en analytisk signal.
Det finns direkta och indirekta elektrokemiska metoder. I direkta metoder används beroendet av strömstyrkan (potential etc.) på koncentrationen av analyten. I indirekta metoder mäts strömstyrkan (potential etc.) för att hitta koncentrationen.
Potentiometri, konduktometri och voltammetri har funnit tillämpningar inom livsmedelsanalys.
Potentiometrisk analysmetod
Den potentiometriska metoden bygger på att mäta de elektromotoriska krafterna hos reversibla galvaniska celler och används för att bestämma koncentrationen av joner i en lösning. Denna metod använder aktivt Nernst-ekvationen:
E \u003d E ° + R * T / (n * F) ln (en oxid / en återställning)
Där E° är standardpotentialen för redoxsystemet; R är den universella gaskonstanten; T är den absoluta temperaturen; F är Faradays konstant; n är antalet elektroner som deltar i elektrodreaktionen; och oxid och reduktion är aktiviteterna för de oxiderade respektive reducerade formerna av redoxsystemet.
De främsta fördelarna med den potentiometriska metoden är dess höga noggrannhet, höga känslighet och förmågan att utföra titrering i mer utspädda lösningar än vad visuella indikatormetoder tillåter. Det bör också noteras att denna metod kan användas för att bestämma flera ämnen i en lösning utan preliminär separation och titrering i grumliga och färgade medier.
Denna metod gör det möjligt att analysera livsmedelsprodukter för:
förekomsten av nitriter och nitrater i köttprodukter;
· bestämning av surhetsgraden i mejeriprodukter, öl, korn och andra spannmålsgrödor;
mätning av pH i sirap;
bestämning av kalium i mjölk;
Bestämning av stärkelse i korv.
Konduktometrisk analysmetod
Den konduktometriska metoden är baserad på förändringen i den elektriska ledningsförmågan hos lösningar beroende på koncentrationen av laddade partiklar som finns.
Syftet med en sådan analys är elektrolytlösningar.
De viktigaste fördelarna med konduktometri:
hög känslighet (nedre gränsen för bestämda koncentrationer ~ 10 -4 -10 -5 M), ganska hög noggrannhet (relativt bestämningsfel 0,1-2%), enkelhet av metoder, tillgång på utrustning, möjligheten att studera färgade och grumliga lösningar, och samt analysautomatisering.
Den konduktometriska analysmetoden gör det möjligt att bestämma:
sulfater i lösning
bestämning av citronsyra i frukt- och bärråvaror;
aska i socker och melass.
Amperometrisk analysmetod (voltammetri)
Voltammetri är en grupp metoder baserade på processerna för elektrokemisk oxidation eller reduktion av analyten som sker på mikroelektroden och orsakar uppkomsten av en diffus ström. Metoderna är baserade på studiet av ström-spänningskurvor, som speglar strömstyrkans beroende av den pålagda spänningen. Voltamperogram gör det möjligt att samtidigt få information om den kvalitativa och kvantitativa sammansättningen av den analyserade lösningen, såväl som om elektrodprocessens natur.
För att utföra ström-spänningsanalys appliceras en spänning från en extern källa på elektrodsystemet. Genom att ändra spänningen studeras beroendet av styrkan hos diffusionsströmmen på den applicerade potentialskillnaden, vilket beskrivs med ett voltammogram.
Grafen har en vågform och består av 3 sektioner. Avsnitt I - från början av registreringen av den analytiska signalen till början av den elektrokemiska reaktionen passerar en ström genom cellen. Avsnitt II - en kraftig ökning av strömmen på grund av en elektrokemisk reaktion. Avsnitt III - diffusionsströmmen, efter att ha nått gränsvärdet, förblir praktiskt taget konstant, den elektrokemiska reaktionen är avslutad.
Med denna metod kan följande livsmedelsanalyser utföras, vilket kommer att avgöra:
amylos i stärkelse
tungmetaller i mejeriprodukter;
askorbinsyra i drycker och juicer.
2. ELEKTROKEMISKA ANALYSMETODER
Elektrokemiska metoder för analys och forskning baseras på studier och användning av processer som sker på elektrodytan eller i elektrodnära utrymmet. Varje elektrisk parameter (potential, strömstyrka, resistans, etc.) som är funktionellt relaterad till koncentrationen av den analyserade lösningen och kan mätas korrekt kan fungera som en analytisk signal.
Skilja på direkta och indirekta elektrokemiska metoder. I direkta metoder används beroendet av strömstyrkan (potential etc.) på koncentrationen av analyten. I indirekta metoder mäts strömstyrkan (potential etc.) för att hitta slutpunkten för titreringen av komponenten som ska bestämmas med en lämplig titrering, d.v.s. använd beroendet av den uppmätta parametern på volymen av titranten.
För alla typer av elektrokemiska mätningar krävs en elektrokemisk krets eller en elektrokemisk cell, vars komponent är den analyserade lösningen.
2.1. Potentiometrisk analysmetod
2.1.1. Grundläggande lagar och formler
Potentiometriska metoder bygger på att mäta potentialskillnaden mellan indikatorelektroden och referenselektroden, eller mer exakt, elektromotoriska krafter(EMF) för olika kretsar, eftersom det är EMF, som är potentialskillnaden, som mäts experimentellt.
Jämviktspotential för indikatorelektroden associerad med aktiviteten och koncentrationen av ämnen som är involverade i elektrodprocessen, Nernsts ekvation:
E = E°+ R T /(n F ) ln (och oxid/och återställa)
E = E°+ R T /(n F ) ln ([ oxid] ү oxid /( [ Återställ] ү återställa)),
R - universell gaskonstant, lika med 8,31 J / (mol. K); T är den absoluta temperaturen; F - Faradays konstant (96500 C/mol); n - antalet elektroner som deltar i elektrodreaktionen; och oxid, och återställa- aktiviteter av redoxsystemets oxiderade respektive reducerade former;[ oxid] och[ Återställ] - deras molära koncentrationer; ү oxid, ү restore - aktivitetskoefficienter; E ° är standardpotentialen för redoxsystemet.
Ersätter T= 298,15 K och de numeriska värdena för konstanterna i ekvationen får vi:
E = E ° + (0,059 / n) lg (och oxid/och återställa)
E = E ° + (0,059 / n) lg ([ oxid] ү oxid / ([ Återställ] ү återställa))
Direkta Potentiometrimetoder baseras på tillämpningen av Nernst-ekvationen för att hitta aktiviteten eller koncentrationen av elektrodreaktionsdeltagaren från den experimentellt uppmätta EMF i kretsen eller elektrodpotentialen. Den mest utbredda bland direkta potentiometriska metoder är metoden för att bestämma pH, men den senaste utvecklingen av tillförlitligt fungerande jonselektiva elektroder har avsevärt utökat de praktiska möjligheterna för direkta metoder. pH-värdet mäts också genom potentiometrisk titrering.
En glaselektrod används oftast för att bestämma pH. De främsta fördelarna med glaselektroden är enkel användning, snabb jämvikt och förmågan att bestämma pH i redoxsystem. Nackdelarna inkluderar elektrodmaterialets bräcklighet och komplexiteten i arbetet vid övergången till starkt alkaliska och starkt sura lösningar.
Förutom koncentrationen av vätejoner kan innehållet av flera tiotal olika joner bestämmas genom den direkta potentiometriska metoden med jonselektiva elektroder.
Potentiometrisk titrering baserat på bestämningen av ekvivalenspunkten från resultaten av potentiometriska mätningar. Nära ekvivalenspunkten sker en skarp förändring (hopp) i potentialen för indikatorelektroden. Precis som i andra titrimetrisk metoder måste potentiometriska titreringsreaktioner fortgå strikt stökiometriskt, ha hög fart och gå till slutet.
För potentiometrisk titrering sätts en krets samman från en indikatorelektrod i den analyserade lösningen och en referenselektrod. Kalomel- eller silverkloridelektroder används oftast som referenselektroder.
Vilken typ av indikatorelektrod som används vid potentiometrisk titrering beror på egenskaperna titrimetrisk blandning och dess interaktion med elektroden. Vid syra-bastitrering används en glaselektrod, vid redoxtitrering, en inert (platina) elektrod eller en elektrod som är reversibel med avseende på en av jonerna i titrimetrisk blandningar; i nederbörden - en silverelektrod; i komplexometrisk- en metallelektrod som är reversibel till den titrerbara metalljonen.
För att hitta ekvivalenspunkten konstrueras ofta en differentialkurva i koordinater D E/ D V-V . Ekvivalenspunkten indikeras av den erhållna kurvans maximum, och avläsningen längs abskissan som motsvarar detta maximum ger volymen titrant, tillbringade för titrering till ekvivalenspunkten. Att bestämma ekvivalenspunkten till en differentialkurva är mycket mer exakt än att använda ett enkelt förhållande E - V.
De främsta fördelarna med den potentiometriska titreringsmetoden är hög noggrannhet och förmågan att utföra bestämningar i utspädda lösningar, i grumliga och färgade medier, och även att bestämma flera ämnen i en lösning utan preliminär separation. Området för praktisk tillämpning av potentiometrisk titrering med användning av icke-vattenhaltiga lösningsmedel expanderar avsevärt. De gör det möjligt att analysera flerkomponentsystem som inte går att bestämma i en vattenlösning, att analysera ämnen som är olösliga eller sönderfallande i vatten etc. Potentiometrisk titrering kan enkelt automatiseras. Industrin tillverkar flera typer av autotitratorer som använder potentiometriska sensorer.
Nackdelarna med potentiometrisk titrering inkluderar inte alltid snabb etablering av potentialen efter tillsatsen av titreringen och behovet av att i många fall utföra ett stort antal avläsningar under titreringen.
I potentiometrisk analys är olika typer av potentiometrar de viktigaste mätinstrumenten. De är utformade för att mäta elektrodsystemets EMF. Eftersom EMF beror på aktiviteten hos motsvarande joner i lösningen, låter många potentiometrar dig också direkt mäta pX-värdet - den negativa logaritmen för aktiviteten hos X-jonen. Sådana potentiometrar, kompletta med motsvarande jonselektiva elektrod, kallas jonomerer. Om potentiometern och elektrodsystemet är konstruerade för att mäta aktiviteten av endast vätejoner kallas instrumentet för en pH-mätare.A.A. Vikharev, S.A. Zuykova, N.A. Chemeris, N.G. Domina
