СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В ЖИДКИХ РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
METHOD OF DETERMINING CONCENTRATION OF IONS IN LIQUID ELECTROLYTE SOLUTIONS

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для физико-химического анализа жидких растворов электролитов.
Аналогами изобретения являются вольтамперометрические способы анализа и исследования жидких растворов электролитов [1]. Эти способы основаны на изучении зависимости силы тока, протекающего при электролизе исследуемого раствора, от напряжения, приложенного к электролитической ячейке. Процесс электролиза ведут при изменяющемся напряжении от нуля до выбранного значения. При этом регистрируют ток, протекающий через ячейку при всех задаваемых значениях напряжения, в итоге получают зависимость величины тока от разности потенциалов, по которой и определяют состав раствора. Недостатком вольтамперометрических методов является повышенная сложность ячеек, в которых проводится исследование состава раствора, затрудняющая, в частности, их использование непосредственно в анализируемых средах (например, в водоемах, водотоках, технологических трубопроводах, на линиях сбросов).
Прототипом предлагаемого способа изобретения является потенциометрический способ анализа. Он основан на измерении электродвижущих сил обратимых гальванических элементов. Обычно гальванические элементы, используемые в потенциометрии, включают пару электродов, которые могут быть погружены в один и тот же раствор (элемент без переноса) или в два различных по составу раствора, имеющих между собой жидкостный контакт (элемент с переносом). Для определения концентраций ионов в растворе наиболее пригодны элементы с переносом. Такой элемент включает индикаторный электрод, действующий обратимо к иону, активность (или концентрация) которого определяется, и второй электрод вспомогательный. Вспомогательный электрод должен иметь постоянный потенциал [2].
Для определения концентрации в исследуемый раствор погружают один или оба электрода, затем, по наступлении равновесия, определяют значение электродного потенциала, после чего вычисляют концентрацию определяемого иона в растворе.
К недостаткам потенциометрического способа относится то, что для каждого вида ионов, концентрацию которых предполагается определить, нужно подобрать индикаторный электрод из специального материала, чувствительного к данному виду ионов, что электрод сравнения имеет сложное устройство и для его изготовления требуется использование драгоценных металлов, таких как серебро, ртуть и т.д.
Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение той части измерительного устройства, которая непосредственно контактирует с исследуемым раствором; это упрощение заключается в исключении гальванического элемента из состава измерительного устройства, используемого в потенциометрическом способе. Результат достигается тем, что измерения проводят в ячейке из диэлектрического материала, в которую помещают коаксиальные цилиндрические электроды из инертного материала по отношению к раствору (например, из графита), между которыми исследуемый раствор приводят во вращательное движение; затем потенциометром измеряют разность потенциалов, возникающую между этими электродами.
Отличием заявляемого способа от прототипа является то, что в прототипе измеряется разность потенциалов, возникающая между электродом сравнения и индикаторным электродом в результате обмена ионами между индикаторным электродом и раствором, а в предлагаемом способе измеряется разность потенциалов, возникающая при вращении раствора между коаксиальными цилиндрическими электродами. Возникновение разности потенциалов между электродами, при вращательном движении раствора, связано с действием различных центробежных сил на ионы с разными эффективными массами.
Для пояснения сути изобретения служат фигуры 1 и 2.
На фигуре 1 изображен схематический разрез ячейки для реализации предлагаемого способа. На фигуре 2 приведены экспериментальные зависимости разности потенциалов от концентрации хлорида натрия в дистиллированной воде при двух значениях частоты вращения винта.
Для выполнения измерений была собрана ячейка, включающая стеклянный сосуд 1 с цилиндрическими электродами разных диаметров; электрод большого диаметра 2; раствор 3; винт 4; вал-привод 5; электродвигатель 6; электрод малого диаметра 7; регистрирующий прибор 8.
1
2
Методика выполнения измерений заключалась в следующем. Ячейку с электродами 2 и 7 промывали дистиллированной водой. После промывки в ячейку заливали порцию исследуемого раствора 3 с заданной концентрацией ионов. В опытах использовали раствор хлорида натрия в дистиллированной воде. Затем включали двигатель постоянного тока 6, для вращения раствора с помощью винта 4, соединенного с двигателем через вал-привод 5. Частоту вращения в ходе экспериментов варьировали от 2 до 3 оборотов в секунду путем регулирования тока питания двигателя. Измерения разности потенциалов между электродами 2 и 7 проводили после установившегося вращательного движения раствора 3 (через время порядка 10 секунд после включения двигателя). Результаты измерений при двух значениях частоты вращения раствора (при n=2 об/с и n=3 об/с) приведены на фигуре 2. Графики, приведенные на фигуре 2, соответствуют различным значениям шага изменения концентрации раствора. На фигуре 2.1 приведены зависимости разности потенциалов от концентрации хлорида натрия, когда последняя изменяется в интервале значений от 0 до 1 г/л. На фигуре 2.2 приведены зависимости разности потенциалов от концентрации ионов, когда концентрация изменяется в интервале значений от 1 до 10 г/л. На фигуре 2.3 - когда концентрация изменяется в интервале от 10 до 370 г/л.
Во всех случаях верхние графики соответствуют частоте вращения раствора n=3 об/с, а нижние графики получены при частоте вращения раствора n=2 об/с.
Как видно из графиков, в интервале значений концентраций раствора от 0 до 10 г/л зависимость разности потенциалов при постоянной скорости вращательного движения линейная. При дальнейшем увеличении концентрации рост разности потенциалов замедляется и достигает насыщения.
Реализация предложенного способа позволит получить простые измерительные устройства для экспресс-анализа растворов электролитов (воды) непосредственно в трубопроводах, технологических емкостях и водных объектах.
Источники информации
1. Физико-химические методы анализа Практическое руководство: Учебное пособие для вузов. / В.Б.Алесковский и др.; Под ред. В.Б.Алесковского - Л.: Химии, 1988. - 271 с.
2. Цитович И.К. Курс аналитической химии. - М.: Высш. шк., 1985. - 345 с.