VOLTAMMETRI: HVAD DET BESTÅR AF, TYPER OG APPLIKATIONER - KEMI - 2025

Den voltammetri er et elektroanalytisk teknik, der bestemmer information af en kemisk eller analyt fra de elektriske strømme genereret af variationen af et Applied potentielle arter. Det vil sige det anvendte potentiale E (V) og tiden (t) er de uafhængige variabler; mens strøm (A), den afhængige variabel.

De kemiske arter skal normalt være elektroaktive. Hvad betyder det? Det betyder, at det skal miste (oxidere) eller få (reducere) elektroner. For at reaktionen skal starte, skal arbejdselektroden levere det nødvendige potentiale, der teoretisk er bestemt af Nernst-ligningen.

Kilde: Af Trina36 fra Wikimedia Commons

Et eksempel på voltammetri kan ses på billedet ovenfor. Elektroden på billedet er lavet af carbonfibre, som er nedsænket i opløsningsmediet. Dopamin oxiderer ikke og danner to carbonylgrupper C = O (højre side af den kemiske ligning), medmindre det rette potentiale anvendes.

Dette opnås ved at scanne E med forskellige værdier, begrænset af mange faktorer, såsom opløsningen, de tilstedeværende ioner, selve elektroden og dopamin.

Ved at variere E over tid opnås to grafer: den første E vt (den blå trekant) og den anden responsen C vs t (gul). Deres former er karakteristiske til bestemmelse af dopamin under betingelserne for eksperimentet.

Hvad er voltammetri?

Voltammetri blev udviklet takket være opfindelsen af ​​polarografiteknikken af ​​Nobelprisvinderen i kemi i 1922, Jaroslav Heyrovsky. I den fornyes og polariseres konstant elektroden fra dråbet kviksølv (EGM).

De analytiske mangler ved denne metode på det tidspunkt blev løst ved anvendelse og design af andre mikroelektroder. Disse varierer enormt i materiale, fra kulstof, ædelmetaller, diamant og polymerer til deres design, skiver, cylindre, plader; og også på den måde, hvorpå de interagerer med løsningen: stationær eller roterende.

Alle disse detaljer er beregnet til at favorisere polariseringen af ​​elektroden, hvilket forårsager et henfald af den registrerede strøm kendt som grænsestrøm (i ₁). Dette er proportional med koncentrationen af ​​analytten, og halvdelen af ​​effekten E (E _1/2) til opnåelse af halvdelen af ​​nævnte strøm (i _1/2) er karakteristisk for arten.

Ved derefter at bestemme værdierne af E _1/2 i kurven, hvor strømmen opnået med variationen af ​​E er afbildet, kaldet voltamperogram, kan tilstedeværelsen af ​​en analyt identificeres. Det vil sige, at hver analyt, i betragtning af betingelserne for eksperimentet, har sin egen værdi på E _1/2.

Voltammetrisk bølge

I voltammetri arbejder du med mange grafer. Den første af disse er E vs t-kurven, som tillader en opfølgning af de anvendte potentialeforskelle som en funktion af tiden.

Men på samme tid registrerer det elektriske kredsløb de C-værdier, der produceres af analytten, ved at miste eller få elektroner i nærheden af ​​elektroden.

Da elektroden er polariseret, kan mindre analyt diffundere fra opløsningen ind i den. For eksempel, hvis elektroden er positivt ladet, vil arten X ^- blive tiltrukket af den og vil blive rettet mod den ved blot elektrostatisk tiltrækning.

Men X ^- du er ikke alene: der er andre ioner til stede i dit miljø. Nogle M ⁺ -kationer kan komme i vejen for elektroden ved at indeslutte den i "klynger" af positive ladninger; og ligeledes kan N ^- anioner fælde rundt om elektroden og forhindre X ^{- i at} nå den.

Summen af ​​disse fysiske fænomener får strømmen til at gå tabt, og dette observeres i C vs E-kurven og dens form svarer til den for en S, kaldet sigmoidformen. Denne kurve er kendt som en voltammetrisk bølge.

Instrumentering

Kilde: Af Stan J Klimas fra Wikimedia Commons

Instrumenteringen af ​​voltammetri varierer afhængigt af analyt, opløsningsmiddel, type elektrode og anvendelse. Men langt de fleste af dem er baseret på et system, der består af tre elektroder: en arbejdende (1), et hjælpearbejde (2) og en referencestand (3).

Den vigtigste referenceelektrode, der bruges, er calomel-elektroden (ECS). Dette sammen med arbejdselektroden gør det muligt at etablere en potentialforskel ΔE, da potentialet for referenceelektroden forbliver konstant under målingerne.

På den anden side er hjælpelektroden ansvarlig for at styre ladningen, der passerer til arbejdselektroden, for at holde den inden for de acceptable E-værdier. Den uafhængige variabel, den anvendte potentialeforskel, er den, der opnås ved at tilføje arbejds- og referenceelektrodernes potentialer.

typer

Kilde: Af domdomegg, fra Wikimedia Commons

Billedet ovenfor viser et E vs t plot, også kaldet en potentiel bølgeform til lineær fejespænding.

Det kan ses, at når tiden går, øges potentialet. Til gengæld genererer denne sweep en responskurve eller voltamperogram C vs E, hvis form vil være sigmoid. Der vil komme et punkt, hvor uanset hvor meget E der øges, der ikke vil være nogen stigning i strømmen.

Andre typer voltammetri kan udledes fra denne graf. Hvordan? Ændring af den potentielle bølge E vs t ved hjælp af pludselige potentialimpulser, der følger visse mønstre. Hvert mønster er forbundet med en type voltammetri og omfatter sin egen teori og eksperimentelle forhold.

Puls voltammetri

I denne type voltammetri kan blandinger af to eller flere analytter, hvis E _1/2- værdier er meget tæt på hinanden, analyseres. Således kan en analyt med en E _1/2 på 0,04V identificeres i selskab med en anden med en E _1/2 på 0,05V. Mens lineær fejespænding må forskellen være større end 0,2 V.

Derfor er der højere følsomhed og lavere detektionsgrænser; dvs. analytter kan bestemmes ved meget lave koncentrationer.

Bølger af potentialer kan have trappelignende mønstre, skrå trapper og trekanter. Sidstnævnte svarer til cyklisk voltammetri (CV for dets akronym på engelsk, første billede).

I CV anvendes et potentiale E i en retning, positiv eller negativ, og derefter på en bestemt værdi af E på tidspunktet t, anvendes det samme potentiale igen, men i den modsatte retning. Når man studerer de genererede voltamperogrammer, afslører maksimane tilstedeværelsen af ​​mellemmænd i en kemisk reaktion.

Genopløsning voltammetri

Dette kan være af anodisk eller katodisk type. Det består af elektrodepositionen af ​​analytten på en kviksølvelektrode. Hvis analytten er en metalion (såsom Cd ²⁺), dannes der et amalgam; og hvis det er en anion (som f.eks. MoO ₄ ^2–) et uopløseligt kviksølvsalt.

Derefter påføres pulser af potentialer for at bestemme koncentrationen og identiteten af ​​den elektroaflejrede art. Således opløses amalgammet, ligesom kviksølvsalte.

Applikationer

-Anodisk genopløsnings voltammetri bruges til at bestemme koncentrationen af ​​opløste metaller i væske.

-Giver mulighed for at undersøge kinetikken i redox- eller adsorptionsprocesser, især når elektroderne modificeres for at detektere en specifik analyt.

-Den teoretiske base er blevet brugt til fremstilling af biosensorer. Med disse kan tilstedeværelsen og koncentrationen af ​​biologiske molekyler, proteiner, fedt, sukker osv. Bestemmes.

Endelig registrerer det deltagelse af mellemmænd i reaktionsmekanismerne.

Referencer

1. González M. (22. november 2010). Voltammetri. Gendannes fra: quimica.laguia2000.com
2. Gómez-Biedma, S., Soria, E., & Vivó, M. (2002). Elektrokemisk analyse. Journal of Biologisk diagnose, 51 (1), 18-27. Gendannes fra scielo.isciii.es
3. Kemi og videnskab. (18. juli 2011). Voltammetri. Gendannes fra: laquimicaylaciencia.blogspot.com
4. Quiroga A. (16. februar 2017). Cyklisk voltammetri. Gendannes fra: chem.libretexts.org
5. Samuel P. Kounaves. (Sf). Voltammetriske teknikker.. Tufts Universitet. Gendannes fra: brown.edu
6. Dag R. & Underwood A. Kvantitativ analytisk kemi (5. udg.). PEARSON Prentice Hall.