Применение методов ионометрии в анализе

Ионоселективное определение примесей различных ионов в природной и питьевой воде

А) Определение хлорид-ионов

Ионометрический анализ природной и питьевой воды на содержание ионов основан на измерении величины равновесного потенциала ионоселективного мембранного электрода, погруженного в раствор анализируемого иона. Потенциал измеряют относительно электрода сравнения, снабженного солевым мостиком, заполненным 1 М раствором нитрата калия, с помощью мономера (см. рис. 12.1).

При потенциометрических измерениях, проводимых для определения концентраций отдельных веществ методом прямой потенциометрии или методом потенциометрического титрования, монтируют ячейку, состоящую из индикаторного электрода и электрода сравнения. Как правило, она представляет собой обычный химический стакан. Раствор в ячейке перемешивают при помощи механической или магнитной мешалки.

Концентрацию анализируемого иона находят по калибровочному графику. График строят в координатах «Е — (-lgC)».

Оборудование и реагенты

Иономер.

Ионоселективный электрод на ион С1 .

Хлоридсеребряный электрод сравнения.

Пипетки мерные на 10 мл.

Стаканы стеклянные на 100, 250 мл.

Бумага фильтровальная.

Хлорид калия.

Нитрат калия, 1 М раствор.

По точной навеске готовят серию стандартных растворов хлорида калия (10 '—10 'М) с постоянной ионной силой, создаваемой 1 М раствором нитрата калия. Снимают зависимость потенциала ионоселективного электрода от концентрации хлорида калия и строят калибровочный график. Измерения проводят в порядке возрастания концентрации растворов. После каждого измерения электроды промывают дистиллированной водой и осушают фильтровальной бумагой. По результатам измерений строят калибровочный график.

Измеряют значения равновесных потенциалов анализируемых растворов. Определяют концентрацию С_х(моль/л) хлорид-ионов в питьевой и природной воде, пользуясь построенным калибровочным графиком.

Концентрацию хлорид-ионов (г/л) вычисляют в граммах по формуле.

Результаты измерений заносят в форму табл. 12.8.

Таблица 12.8

Результаты ионометрического определения ионов хлора в воде.

Б) Определение фторид-ионов

При анализе природных и производственных объектов следует помнить, что ион F в кислых растворах или в присутствии ионов Fe³⁺ и Л1³⁺ находится в виде слабодиссоциирующей кислоты HF и фторидных комплексов указанных металлов. Поэтому в растворе доводят pH до значения 5—7, а также добавляют цитрат натрия, который образует с ионами железа и алюминия более прочные комплексы.

Оборудование и реагенты

Мономер.

Индикаторный электрод — ионоселективный электрод на ион F. Перед работой выдерживают электрод в 0,001 М NaF в течение суток. Перед измерением промывают и оставляют на 10—20 мин в дистиллированной воде, затем высушивают фильтровальной бумагой.

Электрод сравнения, хлоридсеребряный.

Стаканы полиэтиленовые емкостью от 50 мл.

Колбы мерные, на 100 мл 6 шт., на 1000 мл 1 шт.

Цилиндры емкостью 50, 100, 1000 мл.

Пипетки мерные на 10 и 25 мл.

Стандартный раствор — 0,1 М раствор фторида натрия (навеску 4,200 г растворяют в мерной колбе емкостью 1000 мл).

Фоновый раствор — 1 М раствор сульфат натрия (навеску 142 г Na₂S0₄ или 322 г Na₂S0₄? ЮН₂0 растворяют в мерной колбе емкостью 1000 мл).

Азотная кислота, 0,01 М раствор.

Аммиак, 0,01 М водный раствор.

Описание определения

При подготовке растворов к измерениям в стандартные и анализируемые растворы вводят одинаковый избыток фонового электролита. В этом случае можно полагать, что во всех растворах ионная сила постоянна.

Из основного стандартного раствора с концентрацией фторид-иона 10 'М готовят последовательным разбавлением его раствором 1 М Na₂S0₄ шесть растворов с концентрациями NaF (М): 10 ', 10'², 10 ³, 10 10 ⁵, 10 ⁶. Для этого отбирают пипеткой 10 мл 10 'М раствора NaF в мерную колбу на 100 мл и доводят фоновым раствором (1М Na₂S0₄) объем до метки. Из полученного раствора 10 ²М NaF последовательным разбавлением фоновым раствором по аналогичной методике готовят остальные растворы. Начиная с раствора с наименьшей концентрацией последовательно во всех стандартных растворах измеряют потенциал фторселективного электрода и результаты измерений записывают в форму таблицы, аналогичной табл. 9.8. По результатам измерений строят калибровочный график.

При определении концентрации фторид-иона в анализируемом растворе необходимо приготовить раствор с той же ионной силой. Для этого 5 мл исследуемого раствора разводят 1 М Na₂S0₄ в колбе на 50 мл. Индикаторной бумагой проверяют pH и доводят его 0,01 М HNO_:j или NH₄OH до значения 5,0—5,5.

Измеряют потенциал фторселективного электрода в этом растворе. По калибровочному графику определяют значение рХ = -lg[F ]. Результаты записывают в форму таблицы.

Следует определить содержание фторид-иона в контрольных задачах, проверить ответ у преподавателя и вычислить относительную погрешность измерений.

В) Определение нитрат-ионов

Ионометрический анализ природной и питьевой воды на содержание нитрат-ионов основан на измерении величины равновесного потенциала ионоселективного мембранного электрода, погруженного в раствор анализируемого иона. В состав мембраны входит жидкий ионообменник с четвертичными аммониевыми солями. Потенциал измеряют на мономере относительно хлоридсеребряного электрода, заполненного насыщенным раствором хлорида калия.

Оборудование и реагенты

Иономер.

Ионоселективный электрод на ион NQ.,-hoh.

Хлоридсеребряный электрод сравнения.

Пипетки на 10 мл.

Стаканы стеклянные на 100 и 250 мл.

Хлорид калия.

Нитрат калия, 10 'М раствор.

Сульфат калия, 1 М раствор.

1. Определение нитрат-ионов по методу калибровочного графика.

По точной навеске готовят стандартный раствор нитрата калия 10 'М. Последовательным разбавлением исходного стандартного раствора готовят растворы 10 ²—10 ⁵М с постоянной ионной силой, создаваемой 1 М раствором сульфата калия (фон Л). Снимают зависимость потенциала ионоселективного электрода от концентрации нитрата калия. Результаты измерений вносят в форму таблицы, аналогичной табл. 9.8. Строят калибровочный график. Измерения проводят в порядке возрастания концентрации растворов. После каждого измерения электроды промывают дистиллированной водой и осушают фильтровальной бумагой.

Измеряют значения равновесных потенциалов анализируемых растворов. Определяют концентрацию С_х (моль/л) нитратов в питьевой и природной воде, пользуясь построенным калибровочным графиком. Результаты вносят в форму таблицы.

Концентрацию нитрат-ионов в г/л вычисляют по формуле.

где М (N0₃) — молярная масса иона, равная 62,01 г/моль.

2. Определение нитрат-ионов по методу добавок.

По точной навеске готовят стандартный 10 'М раствор нитрата калия. Последовательным разбавлением исходного стандартного раствора готовят растворы с концентрациями 10 ²—10 ^JM с постоянной ионной силой, создаваемой 1 М раствором сульфата калия (фон А). Снимают зависимость потенциала ионоселективного электрода от концентрации нитрата калия и строят калибровочный график. Измерения проводят в порядке возрастания концентрации раствора. После каждого измерения электроды промывают дистиллированной водой и осушают фильтровальной бумагой. Результаты измерений оформляют в форме табл. 12.9.

Таблица 12.9

Результаты измерения потенциала в зависимости от pNO_:, для построения калибровочного графика.

Значение ионной силы рассчитывают для каждого раствора по формуле.

Чем больше ионная сила раствора, тем меньше коэффициент активности каждого иона и меньше его активная концентрация.

Коэффициент активности находят по табличным данным (табл. 12.10) или по формуле Дебая — Гюккеля.

Значения коэффициентов активности.

Строят график зависимости «Е — pN0₃» и определяют крутизну (5) электродной функции (в милливольтах). Полученное значение крутизны используют в расчетной формуле в методе добавок. Следует отметить, как оно отличается от теоретического значения (0,0591/и при 25°С).

Значение pN0₃ вычисляют как отрицательный логарифм активности нитрат-иона:

Для определения концентрации нитрит-иона в анализируемой пробе необходимо измерить потенциал (/;) до и после добавок стандартного раствора KNO_;j. Для этого аликвотную часть 20,00 мл анализируемого раствора помещают в сухой стакан, опускают в него электроды и измеряют потенциал (?,). Затем добавляют по 2—3 капли стандартного раствора KN0₃, пользуясь микропипеткой на 1—2 мл. После каждой добавки перемешивают раствор магнитной мешалкой. Затем измеряют потенциал (?₂) и определяют его изменение по отношению к анализируемому раствору (ДЕ = Е., — ?,). Добиваются изменения АЕ не менее чем на 30 мВ, вводя 2—3 добавки к одной порции образца.

Рассчитывают результат определения по нескольким добавкам, зная объем Р_ст добавленного раствора с концентрацией С_ст, объем анализируемого раствора V_r (20 мл) и пренебрегая разбавлением, по формуле.

где АЕ — наблюдаемое изменение потенциала после добавки, мВ; 5 — крутизна электродной функции, установленная по графику, мВ. Содержание нитрат-ионов (в г/л) в анализируемом растворе вычисляют по формуле.

где M (N0₃) — молярная масса иона, равная 62,01 г/моль.