Instrumentalne metody analizy

Ćwiczenie: Woltamperometria cz.II

Imię i nazwisko	Numer grupy	Data	Ocena
Justyna Kwiatkowska	3	Wykonania	Oddania
		9.06.2014	13.06.2014

1. Cel ćwiczenia:

Celem zajęć laboratoryjnych było zapoznać się z technikami woltamperometrii oraz oznaczyć zawartość metali ciężkiej w wodzie bidestylowanej.

1. Wykonanie ćwiczenia:

   1. Aparatura pomiarowa

• Analizator elektrochemiczny M – 161

• Statyw elektrodowy M164

• Mieszadło magnetyczne

• Sterowanie z przepływem argonu : 2 wężyki doprowadzające gaz

• Elektroda pracująca : wisząca elektroda rtęciowa

• Elektroda odniesienia : chlorosrebrowa

• Elektroda pomocnicza : platynowa

• Pipety automatyczne

  1. Odczynniki

• 3M azotanu potasu (ultra-czysty)

• woda bidestylowana

• wzorzec cynku o stężeniu 10^-4M

• wzorzec ołowiu o stężeniu 10ppm

• argon o czystości 99,999 %

  1. Przygotowanie do pomiarów

W celu przygotowania roztworu początkowo przepłukujemy naczyńko wodą bidestylowaną. Następnie dodajemy ok 10 ml wody bidestylowanej a następnie 200μl ultra-czystego 3M azotanu potasu. Po prostych obliczeniach wnioskujemy że rozcieńczenie było 50-krotne. Następnie obliczamy stężenie :

$c = \frac{3}{50} = 0,06$ [mol/l]

Następnie przeprowadzono fizyczny sposób na odtlenianie tak przygotowanego roztworu a mianowicie użyto do tego celu argonu o wysokiej klasie czystości. Odtlenianie przeprowadzono kilkukrotnie w różnych odstępach czasowych, do momentu w którym ilość tlenu nie zakłócałaby pomiaru. Następnie przystąpiliśmy do pomiarów właściwych.

1. Parametry prowadzenia pomiaru

Pomiar właściwy przy użyciu techniki schodkowej:

-wielkość schodka: 3 [mV]

-zakres potencjału : +100 [mV] do -1000 [mV]

-czas wyczekiwania: 20 [ms]

-czas próbkowania: 20 [ms]

Pomiar przy użyciu techniki impulsowej różnicowej:

-zakres potencjału : -100 [mV] do -1000 [mV]

- prąd : 200nA

Pomiar przy użyciu techniki anodowej woltamperometrii stripingowej:

-zakres potencjału: +100 [mV] do  -1100 [mV]

-czas zatężania: 30 [s]

-potencjał przerwy: -1100 [mV]

-mieszadło wyłączono 3 s przed rozpoczęciem pomiarów

Do roztworu dodano 2,5 μl wzorca cynku o stężeniu 10^-4 M oraz 2,5 μl wzorca ołowiu o stężeniu 10 ppm (10µg/l) a następnie zwiększono czas zatężania do 60 s.

1. Opracowanie wyników

   1. Oznaczenie jonów cynku w badanym roztworze

W celu obliczenia stężenia roztworu po dodaniu wzorca korzystamy z zależności:

C₁v₁ = C₂v₂

gdzie:

C₁ - stężenie roztworu wzorcowego [mol/l]

v₁ – objętość roztworu wzorcowego [l]

C₂ - stężenie badanego roztworu po dodaniu roztworu wzorcowego [mol/l]

v₂ – objętość roztworu po dodaniu roztworu wzorcowego [l]

Po przekształceniu otrzymujemy:

C₂ = $\frac{C_{1} \bullet v_{1}}{v_{2}}$

C₂ = $\frac{10^{- 4} \bullet 2,5 \bullet 10^{- 6}}{10 \bullet 10^{- 3} + 200 \bullet 10^{- 6} + 2,5 \bullet 10^{- 6}}$ = 2,45∙10^-8 $\lbrack\frac{\text{mol}}{l}$]

W celu wyznaczenia początkowego stężenia jonów Zn²⁺ korzystamy z metody dodatku wzorca i obliczamy z zależności:

H_o = a∙C_o => a = $\frac{Y_{o}}{C_{o}}$

H₁ = a (C_o + C₁)

H₁ = $\frac{H_{o}}{C_{o}}$ ∙ (C_o + C₁)

H_1∙C_o = H_o∙C_o + H_o∙C₁

C_o = $\frac{H_{o}C_{1}}{H_{1} - \ H_{0}}$

Gdzie:

H₀ – wysokość piku przed dodaniem wzorca [mm]

H₁ – wysokość piku po dodaniu wzorca [mm]

C₁ – stężenie jonów po dodaniu wzorca

C_o – stężenie jonów przed dodaniem wzorca

a- współczynnik proporcjonalności.

$$c_{\text{Zn}^{2 +}} = \frac{92 \bullet 2,45 \bullet 10^{- 8}}{118 - 91} = 0,0825\left\lbrack \frac{\text{μmol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack\ $$

1. Oznaczenie jonów ołowiu w badanym roztworze

Wszystkie obliczenia wykonujemy w sposób analogiczny co dla cynku, w celu obliczenia stężenia roztworu po dodaniu wzorca korzystamy z zależności:

C₂ = $\frac{C_{1} \bullet v_{1}}{v_{2}}$

C₂ = $\frac{10 \bullet 2,5 \bullet 10^{- 3}}{10 + 200 \bullet 10^{- 3} + 2,5 \bullet 10^{- 3}}$ = 2,45∙10^-3 $\lbrack\frac{\text{μg}}{l}\rbrack$

W celu wyznaczenia początkowego stężenia jonów Pb²⁺ korzystamy z metody dodatku wzorca i obliczamy z zależności:

C_o = $\frac{H_{o}C_{1}}{H_{1} - \ H_{0}}$

$$c_{\text{Pb}^{2*}} = \frac{4 \bullet 2,45 \bullet 10^{- 3}}{12 - 4} = 1,225 \bullet 10^{- 3}\left\lbrack \frac{\text{μg}}{\text{ml}} \right\rbrack$$

1. Wnioski

Celem zajęć było zapoznanie się z różnymi rodzajami technik woltamperometrycznych. Technika schodkowa jest najmniej czuła o bezwględnej wartości prądu w zakresie + 100 do - 1000 mV. W celu zwiększenia czułości pomiaru stosujemy metodę impulsowo różnicową w celu orientacyjnego określenia jakie jony mogą znajdować się w roztworze. Próbkowanie prądu dla tej metody jest podwójne. Pojawia się zarys piku dla potencjału – 900 mV więc można wywnioskować że jest to cynk ( pomimo tego że woda jest redestylowana to nie da się pozbyć całkowicie jonów cynku). Drugi pik obserwujemy przy potencjalne - 340 mV. Podczas pomiaru zwiększono czas zatężania do 60 s co spowodowało wzrost wysokości związany z faktem że metal ciężki tworzy amalgamaty. Nasze pomiary jednak okazały się być błędne ponieważ można przypuszczać, że mogło dojść do zanieczyszczeń np. wcześniej aparatura mogła być używana do pomiarów związków organicznych i dlatego matryca organiczna zaburzała prawidłowe pomiary. Aby uniknąć tego rodzaju błędu należałoby próbkę zmineralizować. Błędy związane z obliczonym stężeniem mogą być spowodowane z błędnym pomiarem wysokości piku za pomocą linijki, jak również każda pipeta automatyczna odmierza z pewnym błędem, dodatkowo woda bidestylowana była nalewana do naczyńka „na oko” aż do kreski znacznika na naczyńku więc też mogło dojść do niedokładnego odmierzenia. Ze względu na wysoką czułość, stosunkowo tanią aparaturą pomiarową i szerokim zakresem możliwości doboru elektrod woltamprometrię możemy wykorzystywać do oznaczeń bardzo małych stężeń ( śladowych zawartości).