ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico...

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ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA

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Page 1: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ANALISI STRUMENTALEPOTENZIOMETRIA

POTENZIOMETRIA

Misura dellrsquoattivitagrave di una specie ionica X (aX = gX[X]) in funzione del potenziale elettrodico prodotto dallo stesso ione sulla superficie

di un elettrodo

I metodi potenziometrici si basano sulla misura del potenziale delle celle elettrochimiche in assenza di passaggio di corrente

Tali metodi semplici e non costosi possono essere utilizzate per misurare

pH (industrie cittagrave)

gas nel sangue (clinica)

CO2 (oceanografia)

costanti di equilibrio KA KB Kps Kf (chimica)

EQUILIBRI CHIMICI ALLrsquoINTERFACCIA

In un sistema solido-liquido rappresentato per esempio da un metallo immerso in una soluzione di un elettrolita la superficie delle due fasi egravesede di importanti fenomeni di natura elettrochimica

Detti fenomeni dipendono essenzialmente dalla diversa elettroaffinitagravedelle fasi a contatto il che comporta una tendenza al trasferimento di elettroni dalla fase meno elettronegativa allrsquoaltra

Ciograve comporta lo stabilirsi di una differenza di potenziale tra metallo e soluzione e il metallo si comporta da elettrodo positivo se cede elettroni o da elettronegativo se li acquista

Abbiamo giagrave dimostrato che il potenziale di un elettrodo egrave determinato dalla concentrazione (asymp attivitagrave) di una o piugrave specie contenute nella soluzione in cui egrave immerso

Da un punto di vista analitico egrave interessante seguire la variazione della forza elettromotrice della cella che diventeragrave notevole intorno al punto di equivalenza

POTENZIALE ELETTRICO

Si misura in Volt

Egrave lrsquoenergia (in joule) per portare un Coulomb di carica positivo dallrsquoinfinito a quel punto

Pertanto la differenza di potenziale tra due punti egrave lrsquoenergia richiesta per trasportare un Coulomb di carica positiva dal punto negativo a quello positivo

Metodi elettroanalitici

Potenziometria

Voltammetria

Polarografia

Misura il potenziale elettrico

Osserva la relazione tra corrente e voltaggiodurante una reazione elettrochimica

Misura la corrente che circola in una cella elettrochimica in funzione del potenziale

applicato

Ecella = Eind - Erif + Ej

POTENZIOMETRIA

Se cationi e anioni hanno la stessa mobilitagrave egrave circa

pari a 0

Elettrodo il cui potenziale variaal variare della concentrazione

dellrsquoanalitasecondo una legge nota

Semicella con un potenziale noto

costante ed indipendente

dalla composizione

della soluzione da analizzare

Le misure potenziometriche sono applicabili a tutti i tipi di reazioni chimiche

Vantaggi

Egrave possibile lavorare in presenza di soluzione colorate o opalescenti che potrebbero mascherare il viraggio degli indicatori

Elimina lrsquointerpretazione soggettiva dellrsquooperatore nellrsquoindividuare il viraggio cromatico

Consente una elevata accuratezza

Le analisi possono essere automatizzate

Svantaggi

Tempi di impiego superioririspetto ad una analisi volumetrica

Necessitagrave di una apposita attrezzatura strumentale

POTENZIOMETRIA

Egrave la misura dellrsquoattivitagrave ionica dal potenziale elettrico prodotto dallo ione alla superficie di un elettrodo

Elettrodo indicatore Elettrodo impiegato per la determinazione della concentrazione dellrsquoanalita

Elettrodo di riferimentoPotenziale indipendente dalla concentrazione dellrsquoanalita eo da quella di altri ioni presenti nella soluzione in esame

Eind = Ecella - Erif

E = potenziale dellrsquoelettrodo indicatore che risponde allo ione xz versuslrsquoelettrodo di riferimento

Ea = analogo a Edeg egrave una costante del sistema impiegato e varia a seconda dellrsquoelettrodo

z = carica (segno) dello ione x che ha attivitagrave axz

E = Ea - 2303RT

zF log ax

z

POTENZIOMETRIA

PRINCIPIO DEL POTENZIOMETRO

La misura di una differenza di potenziale puograve essere effettuata utilizzando un voltametro a corrente continua

Nel caso delle misure potenziometriche non egrave possibile utilizzare questo tipo di apparecchio percheacute occorre evitare due fenomeni

Modificazione della forza elettromotrice della cella dovuta allrsquoassorbimento (per il proprio funzionamento) di una certa quantitagrave di corrente

Produzione di fenomeni elettrolitici (rendono inesatte le misure) per assorbimento di quella stessa corrente

NB Misure in condizioni di corrente zero o in condizioni di circuito aperto

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Lrsquoelettrodo di riferimento ideale deve

Avere un potenziale noto costante del tutto insensibile alla composizione della soluzione contenente lrsquoanalita

Essere robusto e facile da assemblare

Mantenere un potenziale costante anche a seguito di piccoli passaggi di corrente attraverso al cella

Elettrodo a calomelano

Hg | Hg2Cl2 (saturo) KCl (xM) ||

Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Elettrodo a argentoargentocloruro

Ag | AgCl (saturo) KCl (xM) ||

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

(xM) = [KCl]

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 2: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

POTENZIOMETRIA

Misura dellrsquoattivitagrave di una specie ionica X (aX = gX[X]) in funzione del potenziale elettrodico prodotto dallo stesso ione sulla superficie

di un elettrodo

I metodi potenziometrici si basano sulla misura del potenziale delle celle elettrochimiche in assenza di passaggio di corrente

Tali metodi semplici e non costosi possono essere utilizzate per misurare

pH (industrie cittagrave)

gas nel sangue (clinica)

CO2 (oceanografia)

costanti di equilibrio KA KB Kps Kf (chimica)

EQUILIBRI CHIMICI ALLrsquoINTERFACCIA

In un sistema solido-liquido rappresentato per esempio da un metallo immerso in una soluzione di un elettrolita la superficie delle due fasi egravesede di importanti fenomeni di natura elettrochimica

Detti fenomeni dipendono essenzialmente dalla diversa elettroaffinitagravedelle fasi a contatto il che comporta una tendenza al trasferimento di elettroni dalla fase meno elettronegativa allrsquoaltra

Ciograve comporta lo stabilirsi di una differenza di potenziale tra metallo e soluzione e il metallo si comporta da elettrodo positivo se cede elettroni o da elettronegativo se li acquista

Abbiamo giagrave dimostrato che il potenziale di un elettrodo egrave determinato dalla concentrazione (asymp attivitagrave) di una o piugrave specie contenute nella soluzione in cui egrave immerso

Da un punto di vista analitico egrave interessante seguire la variazione della forza elettromotrice della cella che diventeragrave notevole intorno al punto di equivalenza

POTENZIALE ELETTRICO

Si misura in Volt

Egrave lrsquoenergia (in joule) per portare un Coulomb di carica positivo dallrsquoinfinito a quel punto

Pertanto la differenza di potenziale tra due punti egrave lrsquoenergia richiesta per trasportare un Coulomb di carica positiva dal punto negativo a quello positivo

Metodi elettroanalitici

Potenziometria

Voltammetria

Polarografia

Misura il potenziale elettrico

Osserva la relazione tra corrente e voltaggiodurante una reazione elettrochimica

Misura la corrente che circola in una cella elettrochimica in funzione del potenziale

applicato

Ecella = Eind - Erif + Ej

POTENZIOMETRIA

Se cationi e anioni hanno la stessa mobilitagrave egrave circa

pari a 0

Elettrodo il cui potenziale variaal variare della concentrazione

dellrsquoanalitasecondo una legge nota

Semicella con un potenziale noto

costante ed indipendente

dalla composizione

della soluzione da analizzare

Le misure potenziometriche sono applicabili a tutti i tipi di reazioni chimiche

Vantaggi

Egrave possibile lavorare in presenza di soluzione colorate o opalescenti che potrebbero mascherare il viraggio degli indicatori

Elimina lrsquointerpretazione soggettiva dellrsquooperatore nellrsquoindividuare il viraggio cromatico

Consente una elevata accuratezza

Le analisi possono essere automatizzate

Svantaggi

Tempi di impiego superioririspetto ad una analisi volumetrica

Necessitagrave di una apposita attrezzatura strumentale

POTENZIOMETRIA

Egrave la misura dellrsquoattivitagrave ionica dal potenziale elettrico prodotto dallo ione alla superficie di un elettrodo

Elettrodo indicatore Elettrodo impiegato per la determinazione della concentrazione dellrsquoanalita

Elettrodo di riferimentoPotenziale indipendente dalla concentrazione dellrsquoanalita eo da quella di altri ioni presenti nella soluzione in esame

Eind = Ecella - Erif

E = potenziale dellrsquoelettrodo indicatore che risponde allo ione xz versuslrsquoelettrodo di riferimento

Ea = analogo a Edeg egrave una costante del sistema impiegato e varia a seconda dellrsquoelettrodo

z = carica (segno) dello ione x che ha attivitagrave axz

E = Ea - 2303RT

zF log ax

z

POTENZIOMETRIA

PRINCIPIO DEL POTENZIOMETRO

La misura di una differenza di potenziale puograve essere effettuata utilizzando un voltametro a corrente continua

Nel caso delle misure potenziometriche non egrave possibile utilizzare questo tipo di apparecchio percheacute occorre evitare due fenomeni

Modificazione della forza elettromotrice della cella dovuta allrsquoassorbimento (per il proprio funzionamento) di una certa quantitagrave di corrente

Produzione di fenomeni elettrolitici (rendono inesatte le misure) per assorbimento di quella stessa corrente

NB Misure in condizioni di corrente zero o in condizioni di circuito aperto

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Lrsquoelettrodo di riferimento ideale deve

Avere un potenziale noto costante del tutto insensibile alla composizione della soluzione contenente lrsquoanalita

Essere robusto e facile da assemblare

Mantenere un potenziale costante anche a seguito di piccoli passaggi di corrente attraverso al cella

Elettrodo a calomelano

Hg | Hg2Cl2 (saturo) KCl (xM) ||

Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Elettrodo a argentoargentocloruro

Ag | AgCl (saturo) KCl (xM) ||

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

(xM) = [KCl]

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 3: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

EQUILIBRI CHIMICI ALLrsquoINTERFACCIA

In un sistema solido-liquido rappresentato per esempio da un metallo immerso in una soluzione di un elettrolita la superficie delle due fasi egravesede di importanti fenomeni di natura elettrochimica

Detti fenomeni dipendono essenzialmente dalla diversa elettroaffinitagravedelle fasi a contatto il che comporta una tendenza al trasferimento di elettroni dalla fase meno elettronegativa allrsquoaltra

Ciograve comporta lo stabilirsi di una differenza di potenziale tra metallo e soluzione e il metallo si comporta da elettrodo positivo se cede elettroni o da elettronegativo se li acquista

Abbiamo giagrave dimostrato che il potenziale di un elettrodo egrave determinato dalla concentrazione (asymp attivitagrave) di una o piugrave specie contenute nella soluzione in cui egrave immerso

Da un punto di vista analitico egrave interessante seguire la variazione della forza elettromotrice della cella che diventeragrave notevole intorno al punto di equivalenza

POTENZIALE ELETTRICO

Si misura in Volt

Egrave lrsquoenergia (in joule) per portare un Coulomb di carica positivo dallrsquoinfinito a quel punto

Pertanto la differenza di potenziale tra due punti egrave lrsquoenergia richiesta per trasportare un Coulomb di carica positiva dal punto negativo a quello positivo

Metodi elettroanalitici

Potenziometria

Voltammetria

Polarografia

Misura il potenziale elettrico

Osserva la relazione tra corrente e voltaggiodurante una reazione elettrochimica

Misura la corrente che circola in una cella elettrochimica in funzione del potenziale

applicato

Ecella = Eind - Erif + Ej

POTENZIOMETRIA

Se cationi e anioni hanno la stessa mobilitagrave egrave circa

pari a 0

Elettrodo il cui potenziale variaal variare della concentrazione

dellrsquoanalitasecondo una legge nota

Semicella con un potenziale noto

costante ed indipendente

dalla composizione

della soluzione da analizzare

Le misure potenziometriche sono applicabili a tutti i tipi di reazioni chimiche

Vantaggi

Egrave possibile lavorare in presenza di soluzione colorate o opalescenti che potrebbero mascherare il viraggio degli indicatori

Elimina lrsquointerpretazione soggettiva dellrsquooperatore nellrsquoindividuare il viraggio cromatico

Consente una elevata accuratezza

Le analisi possono essere automatizzate

Svantaggi

Tempi di impiego superioririspetto ad una analisi volumetrica

Necessitagrave di una apposita attrezzatura strumentale

POTENZIOMETRIA

Egrave la misura dellrsquoattivitagrave ionica dal potenziale elettrico prodotto dallo ione alla superficie di un elettrodo

Elettrodo indicatore Elettrodo impiegato per la determinazione della concentrazione dellrsquoanalita

Elettrodo di riferimentoPotenziale indipendente dalla concentrazione dellrsquoanalita eo da quella di altri ioni presenti nella soluzione in esame

Eind = Ecella - Erif

E = potenziale dellrsquoelettrodo indicatore che risponde allo ione xz versuslrsquoelettrodo di riferimento

Ea = analogo a Edeg egrave una costante del sistema impiegato e varia a seconda dellrsquoelettrodo

z = carica (segno) dello ione x che ha attivitagrave axz

E = Ea - 2303RT

zF log ax

z

POTENZIOMETRIA

PRINCIPIO DEL POTENZIOMETRO

La misura di una differenza di potenziale puograve essere effettuata utilizzando un voltametro a corrente continua

Nel caso delle misure potenziometriche non egrave possibile utilizzare questo tipo di apparecchio percheacute occorre evitare due fenomeni

Modificazione della forza elettromotrice della cella dovuta allrsquoassorbimento (per il proprio funzionamento) di una certa quantitagrave di corrente

Produzione di fenomeni elettrolitici (rendono inesatte le misure) per assorbimento di quella stessa corrente

NB Misure in condizioni di corrente zero o in condizioni di circuito aperto

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Lrsquoelettrodo di riferimento ideale deve

Avere un potenziale noto costante del tutto insensibile alla composizione della soluzione contenente lrsquoanalita

Essere robusto e facile da assemblare

Mantenere un potenziale costante anche a seguito di piccoli passaggi di corrente attraverso al cella

Elettrodo a calomelano

Hg | Hg2Cl2 (saturo) KCl (xM) ||

Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Elettrodo a argentoargentocloruro

Ag | AgCl (saturo) KCl (xM) ||

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

(xM) = [KCl]

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 4: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

POTENZIALE ELETTRICO

Si misura in Volt

Egrave lrsquoenergia (in joule) per portare un Coulomb di carica positivo dallrsquoinfinito a quel punto

Pertanto la differenza di potenziale tra due punti egrave lrsquoenergia richiesta per trasportare un Coulomb di carica positiva dal punto negativo a quello positivo

Metodi elettroanalitici

Potenziometria

Voltammetria

Polarografia

Misura il potenziale elettrico

Osserva la relazione tra corrente e voltaggiodurante una reazione elettrochimica

Misura la corrente che circola in una cella elettrochimica in funzione del potenziale

applicato

Ecella = Eind - Erif + Ej

POTENZIOMETRIA

Se cationi e anioni hanno la stessa mobilitagrave egrave circa

pari a 0

Elettrodo il cui potenziale variaal variare della concentrazione

dellrsquoanalitasecondo una legge nota

Semicella con un potenziale noto

costante ed indipendente

dalla composizione

della soluzione da analizzare

Le misure potenziometriche sono applicabili a tutti i tipi di reazioni chimiche

Vantaggi

Egrave possibile lavorare in presenza di soluzione colorate o opalescenti che potrebbero mascherare il viraggio degli indicatori

Elimina lrsquointerpretazione soggettiva dellrsquooperatore nellrsquoindividuare il viraggio cromatico

Consente una elevata accuratezza

Le analisi possono essere automatizzate

Svantaggi

Tempi di impiego superioririspetto ad una analisi volumetrica

Necessitagrave di una apposita attrezzatura strumentale

POTENZIOMETRIA

Egrave la misura dellrsquoattivitagrave ionica dal potenziale elettrico prodotto dallo ione alla superficie di un elettrodo

Elettrodo indicatore Elettrodo impiegato per la determinazione della concentrazione dellrsquoanalita

Elettrodo di riferimentoPotenziale indipendente dalla concentrazione dellrsquoanalita eo da quella di altri ioni presenti nella soluzione in esame

Eind = Ecella - Erif

E = potenziale dellrsquoelettrodo indicatore che risponde allo ione xz versuslrsquoelettrodo di riferimento

Ea = analogo a Edeg egrave una costante del sistema impiegato e varia a seconda dellrsquoelettrodo

z = carica (segno) dello ione x che ha attivitagrave axz

E = Ea - 2303RT

zF log ax

z

POTENZIOMETRIA

PRINCIPIO DEL POTENZIOMETRO

La misura di una differenza di potenziale puograve essere effettuata utilizzando un voltametro a corrente continua

Nel caso delle misure potenziometriche non egrave possibile utilizzare questo tipo di apparecchio percheacute occorre evitare due fenomeni

Modificazione della forza elettromotrice della cella dovuta allrsquoassorbimento (per il proprio funzionamento) di una certa quantitagrave di corrente

Produzione di fenomeni elettrolitici (rendono inesatte le misure) per assorbimento di quella stessa corrente

NB Misure in condizioni di corrente zero o in condizioni di circuito aperto

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Lrsquoelettrodo di riferimento ideale deve

Avere un potenziale noto costante del tutto insensibile alla composizione della soluzione contenente lrsquoanalita

Essere robusto e facile da assemblare

Mantenere un potenziale costante anche a seguito di piccoli passaggi di corrente attraverso al cella

Elettrodo a calomelano

Hg | Hg2Cl2 (saturo) KCl (xM) ||

Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Elettrodo a argentoargentocloruro

Ag | AgCl (saturo) KCl (xM) ||

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

(xM) = [KCl]

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 5: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Ecella = Eind - Erif + Ej

POTENZIOMETRIA

Se cationi e anioni hanno la stessa mobilitagrave egrave circa

pari a 0

Elettrodo il cui potenziale variaal variare della concentrazione

dellrsquoanalitasecondo una legge nota

Semicella con un potenziale noto

costante ed indipendente

dalla composizione

della soluzione da analizzare

Le misure potenziometriche sono applicabili a tutti i tipi di reazioni chimiche

Vantaggi

Egrave possibile lavorare in presenza di soluzione colorate o opalescenti che potrebbero mascherare il viraggio degli indicatori

Elimina lrsquointerpretazione soggettiva dellrsquooperatore nellrsquoindividuare il viraggio cromatico

Consente una elevata accuratezza

Le analisi possono essere automatizzate

Svantaggi

Tempi di impiego superioririspetto ad una analisi volumetrica

Necessitagrave di una apposita attrezzatura strumentale

POTENZIOMETRIA

Egrave la misura dellrsquoattivitagrave ionica dal potenziale elettrico prodotto dallo ione alla superficie di un elettrodo

Elettrodo indicatore Elettrodo impiegato per la determinazione della concentrazione dellrsquoanalita

Elettrodo di riferimentoPotenziale indipendente dalla concentrazione dellrsquoanalita eo da quella di altri ioni presenti nella soluzione in esame

Eind = Ecella - Erif

E = potenziale dellrsquoelettrodo indicatore che risponde allo ione xz versuslrsquoelettrodo di riferimento

Ea = analogo a Edeg egrave una costante del sistema impiegato e varia a seconda dellrsquoelettrodo

z = carica (segno) dello ione x che ha attivitagrave axz

E = Ea - 2303RT

zF log ax

z

POTENZIOMETRIA

PRINCIPIO DEL POTENZIOMETRO

La misura di una differenza di potenziale puograve essere effettuata utilizzando un voltametro a corrente continua

Nel caso delle misure potenziometriche non egrave possibile utilizzare questo tipo di apparecchio percheacute occorre evitare due fenomeni

Modificazione della forza elettromotrice della cella dovuta allrsquoassorbimento (per il proprio funzionamento) di una certa quantitagrave di corrente

Produzione di fenomeni elettrolitici (rendono inesatte le misure) per assorbimento di quella stessa corrente

NB Misure in condizioni di corrente zero o in condizioni di circuito aperto

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Lrsquoelettrodo di riferimento ideale deve

Avere un potenziale noto costante del tutto insensibile alla composizione della soluzione contenente lrsquoanalita

Essere robusto e facile da assemblare

Mantenere un potenziale costante anche a seguito di piccoli passaggi di corrente attraverso al cella

Elettrodo a calomelano

Hg | Hg2Cl2 (saturo) KCl (xM) ||

Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Elettrodo a argentoargentocloruro

Ag | AgCl (saturo) KCl (xM) ||

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

(xM) = [KCl]

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 6: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Le misure potenziometriche sono applicabili a tutti i tipi di reazioni chimiche

Vantaggi

Egrave possibile lavorare in presenza di soluzione colorate o opalescenti che potrebbero mascherare il viraggio degli indicatori

Elimina lrsquointerpretazione soggettiva dellrsquooperatore nellrsquoindividuare il viraggio cromatico

Consente una elevata accuratezza

Le analisi possono essere automatizzate

Svantaggi

Tempi di impiego superioririspetto ad una analisi volumetrica

Necessitagrave di una apposita attrezzatura strumentale

POTENZIOMETRIA

Egrave la misura dellrsquoattivitagrave ionica dal potenziale elettrico prodotto dallo ione alla superficie di un elettrodo

Elettrodo indicatore Elettrodo impiegato per la determinazione della concentrazione dellrsquoanalita

Elettrodo di riferimentoPotenziale indipendente dalla concentrazione dellrsquoanalita eo da quella di altri ioni presenti nella soluzione in esame

Eind = Ecella - Erif

E = potenziale dellrsquoelettrodo indicatore che risponde allo ione xz versuslrsquoelettrodo di riferimento

Ea = analogo a Edeg egrave una costante del sistema impiegato e varia a seconda dellrsquoelettrodo

z = carica (segno) dello ione x che ha attivitagrave axz

E = Ea - 2303RT

zF log ax

z

POTENZIOMETRIA

PRINCIPIO DEL POTENZIOMETRO

La misura di una differenza di potenziale puograve essere effettuata utilizzando un voltametro a corrente continua

Nel caso delle misure potenziometriche non egrave possibile utilizzare questo tipo di apparecchio percheacute occorre evitare due fenomeni

Modificazione della forza elettromotrice della cella dovuta allrsquoassorbimento (per il proprio funzionamento) di una certa quantitagrave di corrente

Produzione di fenomeni elettrolitici (rendono inesatte le misure) per assorbimento di quella stessa corrente

NB Misure in condizioni di corrente zero o in condizioni di circuito aperto

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Lrsquoelettrodo di riferimento ideale deve

Avere un potenziale noto costante del tutto insensibile alla composizione della soluzione contenente lrsquoanalita

Essere robusto e facile da assemblare

Mantenere un potenziale costante anche a seguito di piccoli passaggi di corrente attraverso al cella

Elettrodo a calomelano

Hg | Hg2Cl2 (saturo) KCl (xM) ||

Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Elettrodo a argentoargentocloruro

Ag | AgCl (saturo) KCl (xM) ||

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

(xM) = [KCl]

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 7: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Egrave la misura dellrsquoattivitagrave ionica dal potenziale elettrico prodotto dallo ione alla superficie di un elettrodo

Elettrodo indicatore Elettrodo impiegato per la determinazione della concentrazione dellrsquoanalita

Elettrodo di riferimentoPotenziale indipendente dalla concentrazione dellrsquoanalita eo da quella di altri ioni presenti nella soluzione in esame

Eind = Ecella - Erif

E = potenziale dellrsquoelettrodo indicatore che risponde allo ione xz versuslrsquoelettrodo di riferimento

Ea = analogo a Edeg egrave una costante del sistema impiegato e varia a seconda dellrsquoelettrodo

z = carica (segno) dello ione x che ha attivitagrave axz

E = Ea - 2303RT

zF log ax

z

POTENZIOMETRIA

PRINCIPIO DEL POTENZIOMETRO

La misura di una differenza di potenziale puograve essere effettuata utilizzando un voltametro a corrente continua

Nel caso delle misure potenziometriche non egrave possibile utilizzare questo tipo di apparecchio percheacute occorre evitare due fenomeni

Modificazione della forza elettromotrice della cella dovuta allrsquoassorbimento (per il proprio funzionamento) di una certa quantitagrave di corrente

Produzione di fenomeni elettrolitici (rendono inesatte le misure) per assorbimento di quella stessa corrente

NB Misure in condizioni di corrente zero o in condizioni di circuito aperto

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Lrsquoelettrodo di riferimento ideale deve

Avere un potenziale noto costante del tutto insensibile alla composizione della soluzione contenente lrsquoanalita

Essere robusto e facile da assemblare

Mantenere un potenziale costante anche a seguito di piccoli passaggi di corrente attraverso al cella

Elettrodo a calomelano

Hg | Hg2Cl2 (saturo) KCl (xM) ||

Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Elettrodo a argentoargentocloruro

Ag | AgCl (saturo) KCl (xM) ||

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

(xM) = [KCl]

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 8: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

PRINCIPIO DEL POTENZIOMETRO

La misura di una differenza di potenziale puograve essere effettuata utilizzando un voltametro a corrente continua

Nel caso delle misure potenziometriche non egrave possibile utilizzare questo tipo di apparecchio percheacute occorre evitare due fenomeni

Modificazione della forza elettromotrice della cella dovuta allrsquoassorbimento (per il proprio funzionamento) di una certa quantitagrave di corrente

Produzione di fenomeni elettrolitici (rendono inesatte le misure) per assorbimento di quella stessa corrente

NB Misure in condizioni di corrente zero o in condizioni di circuito aperto

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Lrsquoelettrodo di riferimento ideale deve

Avere un potenziale noto costante del tutto insensibile alla composizione della soluzione contenente lrsquoanalita

Essere robusto e facile da assemblare

Mantenere un potenziale costante anche a seguito di piccoli passaggi di corrente attraverso al cella

Elettrodo a calomelano

Hg | Hg2Cl2 (saturo) KCl (xM) ||

Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Elettrodo a argentoargentocloruro

Ag | AgCl (saturo) KCl (xM) ||

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

(xM) = [KCl]

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 9: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Lrsquoelettrodo di riferimento ideale deve

Avere un potenziale noto costante del tutto insensibile alla composizione della soluzione contenente lrsquoanalita

Essere robusto e facile da assemblare

Mantenere un potenziale costante anche a seguito di piccoli passaggi di corrente attraverso al cella

Elettrodo a calomelano

Hg | Hg2Cl2 (saturo) KCl (xM) ||

Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Elettrodo a argentoargentocloruro

Ag | AgCl (saturo) KCl (xM) ||

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

(xM) = [KCl]

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 10: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Elettrodo a calomelano saturoHg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl-(acq)

Egrave il piugrave adoperato

Il suo coefficiente di temperatura egrave il piugraveelevato rispetto agli altri

Il contatto con la soluzione di analita egraveassicurato dal disco di vetro sinterizzato

Potenziale vs SHE

0237602460334435

0241102480335130

0244402500335625

0247902520335920

0251102540336215

025280336212

Calomelano

saturo

Calomelano

35 M

Calomelano

01 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 11: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Al fine di evitare perdite di soluzione dal tubo viene depositato sul disco uno strato di gel di agar saturato con KCl

Si introduce quindi uno strato di KCl e successivamente si riempie il tubo con una soluzione satura dello stesso sale

Potenziale vs SHE

0189019735

0194020130

0199020525

0204020820

0209021215

12

Ag-AgCl saturoAg-AgCl 35 MTdegC

ELETTRODI DI RIFERIMENTO

Elettrodo ad Ag-AgClAgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- (acq)

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 12: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI INDICATORI

Un elettrodo indicatore ideale dovrebbe rispondere in maniera rapida e riproducibile a variazioni di concentrazione dei singoli ioni analiti o di un gruppo di ioni

Gli elettrodi indicatori saranno scelti in funzione della titolazione da eseguire

Titolazioni con formazione di un complesso o di un precipitato

Lrsquoelettrodo deve essere costituito dallrsquoelemento stesso del catione che partecipa alla reazione

Titolazioni acido-base

Si debbono usare elettrodi ad idrogeno o a ldquovetrordquo

Titolazioni redox

Dovranno essere impiegati materiali inerti alla reazione chimica come ad esempio platino o oro

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 13: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI INDICATORI

Elettrodiindicatori metallici

I specie

II specie

Sistemi redox

Elettrodia membrana

Elettrodi a vetro

Membrana liquida

Membrana cristallina

Elettrodi composti

pH

Altri cationi

Gas-sensibili

Enzimatici

Cu metallico

Ag rivestito con AgCl

Platino metallico

Scambiatori liquidi

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 14: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Un elettrodo di prima specie egrave in diretto equilibrio con il catione derivante dal metallo elettrodico e implica una singola reazione

M(acq)n+ + ne- M(s)

Metalli comunemente adoperati come elettrodi indicatori sono Cu Cd Pb Hg Ag

Limiti

Non risultano essere molto selettivi

Zn e Cd possono essere adoperati solo in soluzioni neutre o basiche

A causa di possibili ossidazioni alcuni elettrodi possono essere utilizzati solo per soluzioni totalmente desaerate

I potenziali non sono sempre riproducibili

ind a an+

1E = E - log

0= E -

0591 0059M[n ]

1n

pM

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 15: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI I SPECIE

Metalli come Fe Cr Co Ni non forniscono potenziali riproducibili

Per questo secondo set di metalli si osservano spesso pendenze significativamente diverse dal valore teorico 00591n questo a causa di deformazioni nella struttura cristallina e presenza di film ossidi alla superficie

pM

E 00591n

Ea

ind aE = E -0059

1

npM

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 16: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

I metalli non solo servono come elettrodi indicatori per il loro stesso catione ma rispondono anche alla concentrazione di anioni che formano precipitati poco solubili o complessi stabili con tali cationi

Esempio 1

Il potenziale di un elettrodo ad Ag in una soluzione saturata con AgI risponderagrave alla concentrazione di I-

AgI(s) Ag+ + I- (Kps)

Ag+ + e- Ag(s) Edeg= +0799 V

La combinazione delle due equazioni

AgI(s) + e- Ag(s) + I-

Eind = EAgIdeg- 00591log[ I-] = EAgIdeg+ 00591p I

EAgIdeg= E Ag+Agdeg+ 00591 logKpsAgI = -0151 V

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 17: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

4-ind

00591 00591E = - log[Y ]K K = - pY

2 2

4-

ind 2-

00591 [Y ]E = - log

2 [0 1

HgY2

]

Esempio 2

Il mercurio si comporta come un elettrodo indicatore di II specie per misurare lrsquoanione Y4- dellrsquoEDTA

Quando una piccola quantitagrave del complesso molto stabile HgY2- viene aggiunta alla soluzione contenente lrsquoanalita si ha che

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Edeg= + 021 V

Kf = 631021

Costante se Y4- egrave in eccesso o se egrave assente una specie MY2-

piugrave stabile

Varia durante la titolazione

ELETTRODI INDICATORI METALLICI DI II SPECIE

2-

00591 1 = - log

2K

Hg[0 2

Y 1

]

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 18: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI INDICATORI METALLICI AD AMALGAMA

Consiste di un metallo (Cu) disciolto nel mercurio

Puograve essere preparato riducendo uno ione metallico ad un catodo di Hg

Cu2+(acq) + 2e- Cu(Hg)

Il principale vantaggio in potenziometria egrave che esso puograve essere usato nella forma di una goccia che estrude da un capillare di vetro

una nuova goccia per ogni misura (ldquoelettrodo frescordquo)

2+ind a

00591E = E - log[Cu ]

2

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 19: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI INDICATORI METALLICI PER SISTEMI REDOX

Elettrodo inerte costituito da Pt Au Pd

Il suo potenziale dipende unicamente dal potenziale del sistema con cui esso egrave a contatto

Esempio

Il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce3+

e Ce4+ egrave

4+ind Ce

3+

4+

[ ]E = Edeg - 00591log

[CeCe

]

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 20: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Gli elettrodi a membrana sono spesso indicati come p-ione (pH pCa pNO3)

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 21: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI A MEMBRANA LIQUIDA

Particolarmente utili per la determinazione del Ca2+ e K+ nello studio di molti processi fisiologici

Sviluppa un potenziale attraverso lrsquointerfaccia fra la soluzione contenente lrsquoanalita e uno scambiatore ionico in genere un dilalchilfosfato dello ione analita che si lega selettivamente ad esso

Le misure sono indipendenti per valori di pH compresi tra 55 e 11

Permette di determinare lrsquoattivitagrave di ioni fino a valori di 5middot10-7 M

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 22: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI A MEMBRANA

Sono fondamentalmente diversi dagli elettrodi metallici sia nella costruzione che nel principio

Membrane

Cristalline Vetro

Non cristalline Liquide

Liquide immobilizzate

Per molti anni il metodo piugrave conveniente per determinare il pH ha comportato la misura del potenziale sviluppato attraverso una sottile membrana di vetro separante due soluzioni con differenti [H+]

Il fenomeno su cui si base la misura egrave stato riportato da Cremer nel 1906

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 23: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

SCE || [H+] = a1 Membrana di vetro [H+] = a2 = 1M AgCl(sat) |

Elettrodo diriferimento 1

ESCE

Soluzione esternadellrsquoanalita

E1 E2

Eb = E1 - E2

Ej

Elettrodo diriferimento 2

EAgAgCl

Elettrodo a vetro

| | Ag[Cl-]

Soluzione di riferimento interna

Membrana che risponde al pH

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 24: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

MEMBRANE DI VETRO

Composizione

Le prime membrane

(Corning 015)

Na2O 22

CaO 6

SiO2 72

Eccellente specificitagrave fino a pH = 9

Attualmente sono utilizzati vetri a diversa formulazione (Na+ e Ca2+ sono stati sostituiti da Li+ e Ba2+)

Cationi monovalenti Na+ Li+

mobili e responsabili della conduzione elettrica

Cationi bi o trivalenti Ca2+ Al3+

fortemente trattenuti

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 25: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

MEMBRANE DI VETRO

Struttura

Rete tridimensionale di gruppi SiO44- nei quali ciascun atomo di silicio egrave

legato a 3 atomi di ossigeno disposti su di un piano e uno al sopra o sotto lo stesso piano

Ciascun ossigeno egrave condiviso a sua volta da due atomi di silicio mentre negli interstizi ci sono i cationi che controbilanciano la carica negativa

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 26: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Sottile membranadi vetro sensibile al pH

Il potenziale costante dellrsquoelettrodo Ag-AgCl e la [H+] costante allrsquointerno dellrsquoelettrodo a vetro assicurano che le variazioni di potenziale misurate sono dovute a variazioni di [H+] alla superficie esterna

ELETTRODO A VETRO PER LA MISURA DEL pH

[H+] = a1 [H+] = a2SCE || Membrana di vetro = 1M AgCl(sat) || | Ag[Cl-]

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 27: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

IGROSCOPICITAgrave

Le superfici di una membrana di vetro devono essere idratate prima che possano funzionare come elettrodo a pH (50 mgcm3)

Vetri non igroscopici non mostrano dipendenza dal pH quelli igroscopici perdono la loro sensibilitagrave in seguito a disidratazione fenomeno comunque reversibile

Lrsquoidratazione coinvolge una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola presenti negli interstizi del reticolo vetroso e i protoni della soluzione

H+

sol+ Na+Gl-

vetro Na+

sol+ H+Gl-

vetro

Gl- = atomi di ossigeno legati ad un solo atomo di silicioLa K di equilibrio egrave cosi grande che la superficie egrave interamente costituita da acido silicico

Eccezioni in ambiente alcalino

un certo numero di siti egrave occupato da Na+

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 28: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Lrsquoesposizione di una membrana allrsquoacqua causa la formazione di uno strato di gel di acido silicico di spessore compreso fra 10-4 e 10-5 mm

Tutti i siti con una carica singola sono occupati da H+ alla superficie esterna del gel e da Na+ nella parte interna

Soluzione esterna Siti superficiali occupati da H+

[H+] = a1 [H+] = a2

Soluzione interna Siti superficiali occupati da H+

Schema di una membrana di vetro idratata

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Vetro non idratato

10-1 mm

Tutti i siti occupati da Na+

Gel idratato

10-4 mm

Siti occupati da una miscela

H+ e Na+

Eb = E1 - E2

IGROSCOPICITAgrave

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 29: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

CONDUZIONE ELETTRICA NELLE MEMEBRANELa conduzione allrsquointerno di una membrana di vetro idratata comporta il movimento di Na+ e H+

La conduzione attraverso lrsquointerfaccia soluzione-gel avviene attraverso le seguenti reazioni

Eb = E1 - E2

E1 E2

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

SCE || [H+] = a1 | Membrana di vetro | [H+] = a2 [Cl-] = 1M AgCl(sat) | Ag

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

Le due superfici vetrose si caricano negativamente rispetto alle soluzioni con cui sono a contatto dando luogo ai due potenziali E1 e E2

Attraverso la membrana quindi si sviluppa un potenziale controllato dalla [H+] e la cui entitagrave dipende dalla differenza della stessa [H+] tra le due soluzioni

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 30: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Eint = potenziale dellrsquoelettrodo interno di riferimento

Ej = potenziale di giunzione

Easi = potenziale di asimmetria tipico di ogni membrana

Eb = potenziale di membrana vero e proprio

Eext = potenziale dellrsquoelettrodo esterno di riferimento (SCE)

Potenziale di membrana

Consiste dei due potenziali E1 e E2 ciascuno dei quali egrave associato con una delle due interfacce gel-soluzione

Eb = E1 - E2

Eisenman (1962) ha dimostrato che

dove a1 e a2 = aH+ nelle due soluzioni a1rsquo e a2rsquo = aH+ negli stati superficiali dei due gel

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 31: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Se le superfici dei due gel hanno lo stesso numero di siti disponibili per accomodare protoni allora le costanti J1 e J2 sono uguali

Se tutti gli ioni Na+ su entrambe le superfici sono stati sostituiti da H+ allora a1rsquo = a2rsquo

Essendo il potenziale di membrana pari a

Eb = E1 - E2

E1 rapporto tra aH+ nella soluzione di analita e aH+ della superficie del gel puograve essere considerato la ldquoforza motricerdquo della reazione

H+ + Gl- H+Gl-

sol1 vetro1 vetro1

mentre E2 saragrave quella della reazione

H+Gl- Gl- + H+

vetro2 vetro2 sol2

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

11 1

1

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

21 2

2

[a ]E = J + 0059 og

[a1l

]

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 32: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Pertanto se le due superfici del gel sono identiche Eb dipende solo da aH+

nelle soluzioni sui due lati della membrana

Per un elettrodo a vetro per la misura del pH a2 egrave mantenuto costante quindi

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove Lrsquo = - 00591loga2

Il potenziale Eb risulta quindi una misura della attivitagrave dello ione idrogeno della soluzione esterna

Essendo verificate tali eguaglianze

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1B 1 2

2

[a ]E = E - E + 00591log

[a ]

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 33: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

E = Eint + Ej + Easi + Eb - Eext

Si crea allrsquointerfaccia tra un ponte salino e ciascuna semi-cella Egrave dovuto alla diversa mobilitagrave delle differenti specie ioniche

Emis = Ecella + Ej

soluzione di NaCl

Na+

Cl-H2O

soluzione di NaCl

+++

H2O---

Zona ricca

di Na+

Zona ricca

di Cl-

Mobilitagrave Cl- gt Na+ K+ asymp Cl-

POTENZIALE DI GIUNZIONE

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 34: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

POTENZIALE DI ASIMMETRIA

Quando si pongono da entrambe i lati di una membrana di vetro soluzioni ed elettrodi di riferimento identici ci si dovrebbe aspettare un potenziale pari a zero

Di fatto quando si effettua lrsquoesperimento si trova frequentemente una piccola differenza detta appunto potenziale di asimmetria

Questo potenziale varia gradualmente nel tempo

Le origini di Easi sono oscure includono comunque cause quali

Differenze nelle tensioni delle due superfici della membrana impartite durante la sua costruzione

Abrasioni meccaniche

Erosione chimica

Egrave necessaria quindi una frequente calibrazione

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 35: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

In definitiva si ha che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Eb

essendo

Eb = Lrsquo + 00591loga1

dove

Lrsquo = - 00591loga2

avremo che

Eind = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo + 00591loga1

ponendo

L = EAg-AgCl + Easi + Lrsquo

il potenziale allrsquoelettrodo indicatore risulta pari a

Eind = L - 00591logpH

POTENZIALE DEGLI ELETTRODI A VETRO

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 36: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

1 1 1 1ex ex

11 1 1

aK = =

b b bK

b aa a

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore alcalino

Gli elettrodi a vetro rispondono sia agli ioni H+ che a quelli dei metalli alcalini in soluzioni basiche dove la concentrazione degli H+ egrave molto piugrave piccola di questrsquoultimi

Lrsquoentitagrave dellrsquoerrore alcalino sempre negativo dipende dal tipo di catione

In generale

H+Gl- + B+ H+ + B+Gl-

vetro sol sol vetro

dove B+ = qualsiasi catione a carica singola

attivitagrave di B+ e H+ alla superficie del vetro

A pH = 11 (1M in Na+)

111ex

1

= 10 Kba

attivitagrave di B+ e H+ in soluzione

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 37: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ERRORI CON GLI ELETTRODI A VETRO

Errore acido (pH lt 05)

Si hanno sempre errori di tipo positivo

Lrsquoentitagrave di tale errore non egrave particolarmente riproducibile e le cause non sono ancora ben identificate

Un possibile spiegazione ersquo data dalla sovrasaturazione dei siti superficiali tutti occuparti da H+

In questo caso lrsquoelettrodo non risponde piugrave agli aumenti della [H+] e i valori di pH misurati risultano troppo alti

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 38: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

COEFFICIENTE DI SELETTIVITAgrave

Eisenman ha dimostrato che lrsquoeffetto di uno ione di metallo alcalino su Eb

puograve essere spiegato inserendo un termine additivo

Eb = L + 00591log (a1 + KHB b1)

coefficiente di selettivitagrave

Per coefficiente di selettivitagrave si intende la misura della risposta di un elettrodo selettivo per un determinato ione nei confronti di un altro ione

Esempio nella determinazione del pH di una soluzione se il catione interferente egrave Na+

Eb = L + 00591log (aH+ + KHNa+ aNa+)

I coefficienti di selettivitagrave variano da 0 (nessuna interferenza) a valori piugravegrandi di 1 e sono pubblicati dalle ditte costruttrici e utilizzati per correggere lrsquoerrore alcalino

KHB b1 molto piccolo per un elettrodo a vetro per pH lt 9

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 39: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

MISURA DEL pH ASPETTI PRATICI

Gli elettrodi a vetro in soluzioni devono essere conservati con la membrana immersa in acqua Altrimenti lrsquoelettrodo deve essere tenuto in acqua per almeno 2h prima dellrsquouso

Una delle operazioni piugrave importanti egrave lrsquoaccurata calibrazione dellrsquoelettrodo a vetro con un tampone standard

Una misura accurata del pH richiede che il pHmetro sia standardizzato con un tampone avente un pH il piugrave vicino possibile al pH della soluzione dellrsquoanalita

Necessaria una calibrazione relativa alla temperatura

Ersquo necessario agitare la soluzione con un agitatore magnetico

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 40: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

La forza ionica influenza il pH

Sistemi tampone in cui uno dei costituenti ha carica doppia danno valori differenti di aH+ a forze ioniche differenti

Ad esempio

03600867HPO42-

07800964H2PO4-

08300967H+

010001a

micro

+ 2-4

2-2 4

- + 2-2 4 4

H HPO - 8a

H PO

H PO H + HPO

a aK = = 634 10

asdot

MISURA DEL pH EFFETTO DELLA FORZA IONICA

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 41: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

ELETTRODI A VETRO PER LA DETERMINAZIONE DI ALTRI CATIONI

Lrsquoesistenza di un errore alcalino nei primi elettrodi a vetro ha suggerito lo sviluppo di vetri che rispondessero selettivamente a cationi diversi dallo ione H+

Ad esempio per lo ione Na+

Eb = L + 00591 log (aH+ + KHNa+ aNa+)

aH+ deve essere trascurabile rispetto al prodotto KHNa+ aNa+

In tal caso Eb egrave indipendente dal pH ed egrave invece funzione di pNa

Egrave stato dimostrato che lrsquoincorporazione di Al2O3 e B2O3 nel vetro produce lrsquoeffetto desiderato

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 42: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

STRUMENTI PER LA MISURA DEI POTENZIALI DI CELLA

Uno strumento per misure potenziometriche non deve essenzialmente far passare elettricitagrave nella cella sotto studio

Percheacute

Una corrente causa variazioni di concentrazione dei reagenti

Effetti di caduta del resistenza interna di cella (potenziale ohmico)

Fenomeni di polarizzazione (di concentrazione o cinetica) che causano il sovravoltaggio

pH-metri e pIonometri hanno in genere una incertezza di 002-0002 unitagravedi pH (o pI)

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 43: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTA

Egrave una tecnica semplice che richiede solo un confronto tra il potenziale sviluppato dallrsquoelettrodo indicatore nella soluzione analita e il suo potenziale quando immerso in una o piugrave soluzioni a concentrazione nota

La principale limitazione egrave dovuta allrsquoesistenza di un potenziale di giunzione liquida

Ej egrave causato da una ineguale distribuzione di cationi e anioni allrsquointerfase tra le due soluzioni elettrolitiche

Ej puograve essere diminuito per interposizione di un elettrolita concentrato (ponte salino)

HCl 1 M

Cl-

H+

HCl 001 M

- +Ej

Mobilitagrave di ioni in acqua a 25degC

H+ 3630 (m2s-1V-1)10-8

Na+ 519

K+ 762

Cl- 791

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 44: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Eoss = Erif + Ej - Eind

per il catione Mn+ a 25degC

dove L = costante

bullper gli elettrodi metallici = Edeg

bullper gli elettrodi a membrana = somma di costanti (Easi)

combinando le due equazioni

per un anione Mn-

EQUAZIONI PER LA POTENZIOMETRIA DIRETTA

ind 1

00591 00591E = + logaL L

n = -

npM

oss r if j oss1 1

E - (E + E - ) E - Kp = - loga = = - loga =

00591 00M

L

n 591n

ossK - Ep =

0M

0591n

K egrave determinata misurando una o piugrave soluzioni standard a pM noto

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 45: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Esiste pertanto la necessitagrave di curve di calibrazione empiriche per uguagliare la forza ionica dello standard e del campione (accuratezza relativa asymp 5 )

Vantaggi

Semplicitagrave

Velocitagrave

Applicabilitagrave a monitoraggio continuo del pM

Difficoltagrave insite nel metodo

I risultati dellrsquoanalisi sono in termini di attivitagrave piuttosto che di concentrazione (non sempre sono disponibili i coefficienti di attivitagrave)

Si assume che Ej rimanga invariato quando la soluzione di analita egravesostituita con lo standard

Necessitagrave di assumere che K rimanga costante dopo la calibrazione

METODI DI CALIBRAZIONE ELETTRODICA

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 46: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Errore alcalino (pH gt 9)

darr[H+] uarr[Na+] darrselettivitagrave

Errore acido (pH lt 05)

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 47: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Errore in soluzioni non tamponate

La membrana di vetro richiederagrave piugrave tempo prima che entri in equilibrio con la soluzione

Variazioni del potenziale di giunzione

Se la composizione ionica della soluzione dellrsquoanalita egrave diversa da quella del tampone standard il potenziale di giunzione Ej varieragrave anche se il pH delle due soluzioni egrave lo stesso (incertezza ~001 unitagrave di pH)

Errore nel pH del tampone standard

La misura del pH non puograve mai essere piugrave precisa ed accurata di quella del pH dei tamponi utilizzati per tarare il potenziometro e lrsquoelettrodo Questo errore egrave dellrsquoordine di plusmn001 unitagrave di pH

Gli ultimi due errori sono inevitabili e limitano effettivamente lrsquoaccuratezza della misura del pH con lrsquoelettrodo a vetro a plusmn002 unitagrave di pH

ERRORI NELLA MISURA DEL pH

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 48: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Si supponga un errore di circa 1 mV nella misura potenziometrica diretta di NO3

- con un elettrodo NO3- selettivo

E = Ea - 591log[NO3-] nessun errore

E - 1 = Ea - 591log([NO3-] + D) errore di 1 mV in E

Sottraendo la seconda equazione dalla prima

per cationi monovalenti (n = 1) Err = 40per cationi bivalenti (n = 2) Err = 80

MISURA POTENZIOMETRICA DIRETTACalcolo dellrsquoerrore

-3

-3

NO[ ] + 1 = 591lo

[NOg

]∆ -

3-3

[ ] + 1ant ilog =

59NO

N [ O1 ]∆

-3

1040 = 1 [ ]NO

+ ∆

-3

0040 = NO[ ]

-3

Err = 100 = 0040 100 = 40[ ]NO

times∆ times

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 49: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

Comporta la misura del potenziale del sistema elettrodico prima e dopolrsquoaggiunta di un volume misurato di una soluzione standard ad un volume noto della soluzione dellrsquoanalita

Spesso un eccesso di elettrolita viene incorporato nella soluzione dellrsquoanalita per prevenire le variazioni consistenti della forza ionica che possono accompagnare lrsquoaddizione standard

Eacute necessario assumere che Ej rimanga costante durante le due misure

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 50: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Sottraendo la seconda equazione alla prima

Da cui di ricava che [Ca2+] = 41610-4 M

METODO DELLrsquoAGGIUNTA STANDARD

a2+591 100

= E + log [ ] + 2 10

500 0010 + 100 +

13685 5

Ca

times

2 -

2+

4+0952[ ] + 476 1059195 = log

2 [ ]Ca

Casdot

a2+591

= E + log[ ]2

1 3 Ca27

Si consideri per esempio un volume di 100 mL di una soluzione incognita di Ca2+ che dagrave un E = +1273 mV ad un elettrodo Ca-selettivo

Lrsquoaggiunta di 500 mL di una soluzione di Ca2+ 001 M sposta E a +1368 mV

Calcolare la [Ca2+] incognita

Le due equazioni pertinenti sono

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 51: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

Comportano la misura del potenziale di un idoneo elettrodo indicatore in funzione del volume di titolante aggiunto

Sono particolarmente utili per titolazioni di soluzioni torbide e colorate e per rilevare la presenza di specie inattese in soluzione

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 52: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

11202600

10802560

10652540

10352520

10102510

7002500

3902490

3602480

3232460

3102440

2822400

pHmL

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

000

200

400

600

800

1000

1200

2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650

Punto equivalente

pH = 7

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 53: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

0

5

10

15

20

25

30

35

2400 2420 2440 2460 2480 2500 2520 2540 2560 2580 2600

∆pH∆V

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

- - = = 070

310 2 2 = = 2420

440 2400

2440 248

- 2

200

∆∆pH

VV

Punto equivalente

()

3102440

2822400

pHmL

V medio

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio

Page 54: ANALISI STRUMENTALE: POTENZIOMETRIA - MauroSabella · Polarografia Misura il potenziale elettrico Osserva la relazione tra corrente e voltaggio durante una reazione elettrochimica

- 400

- 300

- 200

- 100

0

100

200

300

400

2450 2460 2470 2480 2490 2500 2510 2520 2530 2540 2550

y = -2825x + 70623

5000 mL HCl 00500 M titolati con NaOH 0100 M

TITOLAZIONI POTENZIOMETRICHE

= - x +

=

0 2825 70623

70623 = 250

28250 mLx

Punt o equiva

y

lent e

= 0

∆∆pH∆∆V

∆V medio