Samenvatting instrumentele finale versie PDF

DEEL 3: ELEKTROCHEMIE Afhankelijk v gemeten elektrische grootheid: ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Weerstand – geleidbaarheid Elektromotorische kracht Stroomsterkte Potentiaal-stroomsterkte Lading = CONDUCTOMETRIE = POTENTIOMETRIE = AMPEROMETRIE = VOLTAMETRIE elektrolyse = COULOMETRIE HOOFDSTUK 1) CONDUCTOMETRIE Oplo...

DEEL 3: ELEKTROCHEMIE Afhankelijk v gemeten elektrische grootheid: ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Weerstand – geleidbaarheid Elektromotorische kracht Stroomsterkte Potentiaal-stroomsterkte Lading = CONDUCTOMETRIE = POTENTIOMETRIE = AMPEROMETRIE = VOLTAMETRIE elektrolyse = COULOMETRIE HOOFDSTUK 1) CONDUCTOMETRIE Oplossing v elektrolyten (zuren, basen, zouten) Conductometrie = geleidingsvermogen Specifiek geleidingsvermogen 𝛾 𝛾 = G . L/A met L/A = c = celconstante (m-1 of cm-1 ) o 2 elektroden: - afstand L - oppervlakte A o Meten geleidbaarheid => dompelcel o o o o C = 𝛾/G = experimentele grootheid Staat in de cel gegraveerd Bepalen met een ijkoplossing met gekend 𝛾 Constante temperatuur Indien C gekend is, dan kan 𝛾 bepaald worden voor elke oplossing − Principe van onbekende R-brug van Wheatstone 25 TOEPASSINGEN Conductometrische titraties = meten van de verandering van geledingsvermogen van een oplossing tijdens titraties VOORWAARDE: verschillen tussen geleidbaarheid van de oorspronkelijke oplossing en deze van de reactieproducten of titreerreagens → Geleidbaarheid ≈ concentratie (lineair verband) → Voor EP: concentratie ↑ of ↓ = rechte Na EP: concentratie ↑ of ↓ = rechte → snijpunt 2 rechten = EP o Titraties − Geleidbaarheid beïnvloed door temperatuur => constante temperatuur − Geleidbaarheid beïnvloed door verdunning => titreerreagens veel geconcentreerder (20-50x) of rekening houden met verdunning o Rechtstreekse bepalingen − Negatief weinig selectief (alle ionen dragen bij) − Positief hoge gevoeligheid − Kalibratie toestel o Bepalingen − Zuiverheid van gedestilleerd H2O − Bepaling van de concentratie van oplossingen die slechts één elektrolyt bevatten met behulp van een ijklijn − Bepalen oplosbaarheidsconstante, dissociatie-evenwichten o Als detector bij chromatografie, eiwitzuivering o Bij celtellingen – impedantie – Counter Counter impedantie = ‘Complexe’ weerstand HOOFDSTUK 2) POTENTIOMETRIE o Steunen op werking elektrochemische cellen die… − Energie leveren = galvanische cellen -> POTENTIOMETRIE = meten EMK -> kwantitatieve analyse − Energie verbruiken = elektrolytische cellen -> AMPEROMETRIE & COULOMETRIE 26 INLEIDING o Van ionen concentratie proberen te bepalen o Deeltjes die lading / ladingsverandering hebben door redox o Activiteit van ion wordt gemeten bij verschillende concentratie o Verdunde elektrolytenoplossing in water: solvatatie − Watermoleculen omringen ionen − Afstand tussen ionen is groot − Ionen gedragen zich onafhankelijk ➔ Hoe geconcentreerder de oplossing, hoe lager de activiteit van het ion wordt. ➔ Om de activiteit op 1 te krijgen zodat het niet verschilt van de concentratie moet de oplossing verdund zijn veroorzaakt door de watermantels Potentiometrie werkt eigenlijk met activiteiten! Door een goed verdunde oplossing kunnen we dit gelijkstellen aan de concentratie. REDOXREACTIES Om potentiometrie te kunnen doen moeten er redoxreacties plaats vinden o Elektrodereacties − Transfer van lading van elektrode naar deeltje in oplossing -> stijgen in oxidatietrap / oxideren (meer + worden, e afgeven) − Transfer van lading van deeltje in oplossing naar elektrode -> dalen in oxidatietrap / reduceren (meer – worden, e toevoegen) => REDOXREACTIES o Elektronen gaan niet verloren: oxidatie + reductie − Tot reactie − Half vgl: 27 GALVANISCHE CELLEN o Halfcel = elektrode in oplossing gedompeld Bv: Cu-elektrode in Cu2+-oplossing Zn-elektrode in Zn2+-oplossing Zn ----> Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- ----> Cu Elektronen gevormd elektrode - elektronen verwijderd elektrode + Daniële cel -> 2X halfcel = elektrode in oplossing -> Zoutbrug KCl (of KNO3) -> Stroomketen gesloten, ion migreren zodat oplossing in elke halfcel neutraal blijft -> V= 1,1 -> Ecel = Ered – Eox o Conventie Zn -> zinkstaaf Zn2+ -> die overgaat in zinkoplossing Cu2+ -> koperoplossing Cu -> die overgaat in koperstaaf ELEKTRODEPOTENTIAAL = potentiaalverschil tussen elektrode en oplossing o Elektrodepotentiaal wordt aangegeven voor het reductieproces !! − Reductiepotentiaal: Mn+ + n e- ----> M o Elektromotorische kracht van de cel: Ecel = Ered – Eox o Elektromotorische kracht van een Daniell cel: Ecel = ECu2+/Cu – EZn2+/Zn = …. V 28 STANDAARD ELEKTRODEPOTENTIAAL: o Onderling vergelijken van de grootte van elektrode potentialen -> de metingen worden uitgevoerd bij 298 K (= 25°C) -> alle opgeloste bestanddelen zijn aanwezig met de eenheidsactiviteit (1mol/dm3) -> alle halfcellen worden gemeten relatief tegenover de standaard halfcel, namelijk de standaard waterstof (hydrogeen) elektrode (she) o De onder deze voorwaarden gemeten elektrode potentiaal = de standaard elektrode potentiaal = SEP o Een SEP wordt gemeten als een reductieproces, de halfcel in kwestie wordt daarom voorgesteld als rechter halfcel, de SHE wordt de linkse o Bepaling van de SEP van Cu2+ / Cu half cel: o Elektrode waar je in geïnteresseerd bent -> aan rechter kant (reductie) o Voor elektrodes die eerder oxidatief zijn zullen dan een negatief getal geven (bv: Zn) E°cel = E°red - E°ox E°cel = E°Cu2+/Cu - E°she Conventie: E°she = 0 E°cel = E°Cu2+/Cu o Zelfde manier SEP voor andere halfcellen EMK VAN GALVANISCHE CELLEN: o Zn / Zn2+ (1,0 mol/dm3) // Cu2+ (1,0 mol/ dm3) / Cu + Ecel = ECu2+/Cu – Zn2+/Zn Ecel = 0,337 – (- 0,7628) = + 1,1 V Spontaan o Cu / Cu2+ // Zn2+ / Zn + Ecel = EZn2+/Zn - ECu2+/Cu Ecel = - 0,7628 – 0,337 = - 1,1 V Niet spontaan 29 EMK in functie van concentratie: o Onder standaard voorwaarden (C = 1 mol/dm3) = SEP o C ≠ 1 mol/dm3 (onbekend) -> vergelijking van Nernst E = E° - 𝑅. 𝑇 𝑛. 𝐹 . ln ! 𝑔𝑒𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑒𝑒𝑟𝑑 𝑔𝑒𝑜𝑥𝑖𝑑𝑒𝑒𝑟𝑑 Stof waar je geïnteresseerd bent E = potentiaal (vdt) E° = standaardpotentiaal voor C (1,0 mol/ dm3 ) R = gasconstante = 8,314 J . K-1 . mol-1 -> ni vanbuiten T = tempratuur (K) n = aantal uitgewisselde elektronen per ion/lading van ion (+ of -) F = constante van faraday = 96485 Coulomb/mol -> ni vanbuiten Voorbeeld: o Onder standaardvoorwaarden: E = 0,337 V (SEP) o Stel concentratie Cu2+ = 0,1 mol/ dm3 (factor 10 lager dan, 1 op logschaal) -> Concentratie Cu2+ = 1 mol/ dm3 → E = 0,337 V -> Concentratie Cu2+ = 0,1 mol/ dm3 → E = 0,307 V o Elektrodepotentiaal ↓ met 0,03 V met concentratie-vermindering van 1 naar 0,1 mol/ dm3 Als je overschakelt naar de potentiaal in functie van de log heb je een lineair verband. De helling is hierbij 0,059/2 Bij ionen met een negatieve lading zal de rechte omdraaien omdat in de formule n nu een negatief getal is. 30 VLOEISTOFJUNCTIEPOTENTIAAL o o 2 halfcellen in contact met elkaar (vl-junctie) − Zoutbrug − Poreuze scheidingswand − Vloeistofjunctie − Elektrisch contact mogelijk − Geen menging o Beperkte migratie aan scheidingsvlak -> vloeistofjunctiepotentiaal / liquid Junction Potentiaal (LJP) o Opl: gebruik zoutbrug -> 2 tegengestelde vloeistofjunctiepotentiaal -> +/- volledig opheffen -> vloeistofjunctiepotentiaal laag PRINCIPE Onbekende concentraties van ionen gaan bepalen Inleiding o meten van potentiaal van een galvanische cel aan de hand van Nernst Ecel = E‘ + R . T . 𝑙𝑛 𝑛. 𝐹 (Cu2+) (noemer en teller gewisseld) Ecel ~ ln (Cu2+) o selectieve aangepaste ise: − Nernst vergelijking moet opgaan 𝑅. 𝑇 Ecel = E’ +/. lnai 𝑛. 𝐹 − − − E’ = constante bestaand uit potentiaal Vereist re (referentieelektrode) en standaard potentiaal van halfcel (ise) + / - = + = kation ; - = anion Specifieke respons Elektrode mag niet chemisch reageren Oppervlakte elektrode moet ongewijzigd blijven 31 → Instellen ionsterkte: Ecel = E‘ + R . T . Ecel = E‘ + o o o o 0,059 𝑛 𝑅. 𝑇 𝑛. 𝐹 . ln ai ~ Nernst log ai ~ Slope (25°C) Ise meet activiteit a In analytische chemie: geïnteresseerd in C; ook standaardoplossing in C a = C ; enkel bij grote verdunningen oplossing om rechte te bekomen via C: metingen − vaste verhouding ionsterkte adjustor (isa) toevoegen aan standaard en staal − isa = geconcentreerde oplossing elektrolyt, neemt niet deel aan elektrodereactie − ionsterkte blijft constant bij elke C want Imengsel = Iisa + Imonster met Iisa >>> Imonster -> Iisa = Imonster Vb: practicum TISAB voor F- bepaling Onthouden: isa dient om de ionenstrekte te vergroten en dat is om het verschil tussen de activiteit en de concentratie te minimaliseren. → Selectiviteit o ise specifiek voor ion, maar kan ook respons vertonen van andere ionen in oplossing o voornamelijk bij fysisch en chemisch gelijkaardige ionen -> interfereren met elektrode o selectiviteitscoëfficiënt o BV: Cl- ise − 300 x ↑↑ respons op gelijkaardige Br-bron − 100 x ↓↓ respons op minder gelijkaardige OH-ionen 𝑅. 𝑇 E = E’ . Ln (aCl + 300 aBr + 0,01 aOH ) 𝐹 → Responstijd o o o = tijd nodig om potentiaal in te stellen +/- 1 mV Algemeen snel: sec Onder andere afhankelijk van C Andere factoren − Type memrbaan: glasmmembraan sneller − Totaal volume oplossing & roersnelheid = kleine volumes sneller − Manier van C-wijziging − Interfererende ionen: doen responstijd stijgen − Temperatuur: responstijd daalt -> temperatuur stijgt − Voltmeter 32 → Meet limieten o Selectie ise: − Specifiek − Interferenties gekend − C-gebied waarbinnen elektrode werkt − Tijd voor stabiele lezing = responstijd A = laagste accuraat meetbare C B = geen meting mogelijk C = laagste detectiegebied Geïnteresseerd in het rechte stuk Hangt af van: - bouw elektrode interfererend ion zuiverheid standaarden REFERENTIE-ELEKTRODE Voorwaarden: o Potentiaal van 1 halfcel moet constant zijn o Reproduceerbaar o Niet afhankelijk van T o Kostprijs Waarom niet Zn elektrode in Zn2+-oplossing met vaste C als de standaard? Zn2+ activiteit zal toenemen, dus er zal geen constante concentratie meer zijn, dus de potentiaal gaat veranderen. Oplossing: o Systeem nodig die ionen opvangt of vervangt o Verzadigde oplossing (zink) zout (conc heel groot) al het nieuwe Zn2+ zal neerslaan − Nieuwe Zn2+ vormen zout − Verdwenen Zn2+ doen zout oplossen − Zn2+ activiteit blijft constant o Kies zout met lage oplosbaarheid, BV: HgCl (calomel), AgCl & HgSO4 o BV: oplosbaarheid ZnSO4 = 57 g/100ml (heel veel) Veel logischer om met een zout Hg2Cl2 = 0,2 mg/100ml te werken dat snel verzadigd is AgCl = 0,5 mg zodat er weinig moet aan Hg2SO4 = 50 mg/100ml toegevoegd w. Dit zijn de beste referentie elektroden. VERZADIGDE CALOME L ELEKTRODE Calomel = Hg2Cl2 Platinum draad 33 ZILVER, ZILVERCHLORIDE ELEKTRODE = Ag/AgCl -> meest gebruikt KWIK, KWILSULFAAT ELEKTRODE = Hg2SO4 FACTOREN DIE EFFECTIVITEIT BEÏNVLOEDEN: o Temperatuur: Ecel zal wijzigen in functie van de temperatuur o Contaminatie inwendige oplossing: Diffusie van interfererende deeltjes van buiten naar binnen >> oplossing: elektrode met dubbele junctie o Contaminatie uitwendige oplossing: Diffusie van interfererende deeltjes van binnen naar buiten (Cl -) o Stabiliteit: Bewaren in KCl oplossing ION SELECTIEVE ELEKTRODE (ISE) Voorwaarden: o o Moet altijd gekoppeld zijn aan een referentie elektrode, anders geen volt! Rechtstreekse elektroden selectief voor Na+, K+ en Ca2+ bestaan niet ➔ Wel membranen met selectieve wisselwerking + spanningsverschil meten over membraan ➔ Referentie-elektrode + ion-selectief membraan = ISE GLASMEMBRAAN SELECTIEF VOOR H + EN NA + o Glasmembraan - ca. 0,1 mm dik - uit SiO2 met NaO2 en CaO o Bij onderdompeling: hydratatie → dun buitenlaagje met binding Na+ en H+ (evenwichtsreactie) o Hoe groter aH+ , hoe hoger lading aan oppervlak glas 34 o Spanningsverschil over membraan: Eglas = E°glas + 0,059 log (H+) Eglas = E°glas – 0,059 pH afh. v. pH o Spanningsverschil = niet rechtstreeks te meten − Referentie-elektrode = Ag/AgCl elektrode o Glasmembraan + Ag/AgCl elektrode = glaselektrode − Constante pH (0,1 M HCl) + constante (Cl-) o ISE (glaselektrode) + RE (calomel) → meting ∆E tussen 2 RE -> ∆E over membraan (indirecte meting) = gecombineerde glas-calomelelektrode o Glas = slechte geleider − Spanningsverschil over glasmembraan − R-membraan = 40 – 400 MΩ − mV-meter nodig met R 100x groter : 1011 Ω o Asymmetrie potentiaal: − Verwachte: spanning over membraan = 0 − Niet het geval → asymmetriepotentiaal − Verandert langzaam in functie van de tijd (veroudering) : KALIBERATIE o Selectiviteit en alkalifout − Spanningsverschil door uitwisseling H+ en Na+ − Normaal: E = E° + 0,059 log (ai) − + Na+ : E + E° + 0,059 log (ai + kij + aj) ai = activiteit van het te bepalen ion i kij = selectiviteitsconstante van het storende ion j aj = activiteit van het storende ion j − Kij = constante voor Na+ in geval van pH elektrode = 10-11 35 − Indien aH+ laag (pH = 11) en aNa+ hoog -> fout = alkalifout o Ijking / kaliberatie : E = E° - 0,059 pH − E° = niet constant vanwege asymmetriepotentiaal → ijking − Temperatuur afhankelijk • Voor iedere T = rechte → ISOTHERM • Isothermensnijpunt: fabrikant: IT snijpunt bij pH = 7 • 2 puntsijking: buffer 1 = pH ≈ isothermensnijpunt Buffer 2 = helling (‘slope’) instellen o Selectief voor Na+ − Samenstelling glas H+ elektrode wijzigen (+Al2O3) => alkalifout ↑↑ => meten Na+-activiteit − Blijft gevoelig voor H+ (10 – 100 gevoeliger H+ dan voor Na+ ) => H+ concentratie <<< Na+ concentratie (1000 x) Bv: Concentratie Na+ = 1 mmol/l , concentratie H+ = 1 µmol/l • pH moet > 6 • ok voor bloed (pH = 7) • niet ok voor urine (pH = 4 – 5) => bufferen VASTE o o o o o o KRISTALMEMBRAAN CL solid state elektrode Manier om anionen te meten (Anionen= Cl- , Br-, F- en I-) Membraan = geperst & gepolijst plaatje van neerslag van een (zilver)zout van deze ionen BV: AgCl Fluoride met lanthaan Selectief omdat enkel gewenste ion in kristalrooster past Tweede externe referentie nodig Aan oppervlakte van membraan: − Uitwisseling van Cl− Spanning ~ (Cl-) Spanningsverschil tussen referentie-elektrode en ISE : ~ (Cl-) o Selectiviteit − Andere ionen vertonen ook interactie − pH > 11 -> (OH-) te groot om (Cl-) te bepalen − elektrode gevoeliger voor Br- en I→ concentratie Br- en I- veel lager in serum / urine 36 VLOEISTOFMEMBRAAN VOOR K + o Membraan − Vloeibaar, niet-vluchtig, niet mengbaar met H2O (apolair), ionenwisselaar (selectief): vb. valinomycine o Stevigheid: poreus PVC gedrenkt in deze vloeistof = ringvormig peptide, midden ring = polair o K+ past precies GLASGEVOELIGE ELEKTRODE VOOR CO 2 o Combo van: − Gas doorlaatbaar membraan − pH glaselektrode − HCO3- buffer o o → gemeten potentiaal ~ uitwisseling CO2 volgens wet van Nernst Afstand tussen gas-doorlaatbaar membraan en gaselektrode: zo klein mogelijk -> dikte van een nylonnetje (spacer) ENZYMELEKTRODEN o Gebruikt voor metingen: − Glucose (I- of H+ meten) − Penicilline (H+) − L-aminozuren (NH4+) o Combo van: − Enzym − Ion-selectieve elektrode − Buffer o Enzym zet deeltje om tot eenvoudig meetbaar ion (met ise) BV: ureum enzyme ise (1963): meet indirecte activiteit ureum 37 ANALYTISCHE POTENTIOMETRISCHE METHODEN o In klinische chemie belangrijk: H+, Na+, Ca2+, Cl− Directe methoden − Potentiometrische titraties → Directe methoden o Standaarden – ijklijn opstellen – stalen aflezen o Ideaal: standaarden en stalen identiek voorbereid, T, roeren: fout 1-2% − Meerpuntskalibratie (lineaire regressie) − 2-puntskalibratie (lineaire regressie op 2 punten) o Standaard additie o Standaard substitutie o Meervoudig standaard additie → Potentiometrische titraties o Bepaling EP: rekenkundig volgens methode van 2e afgeleide grafisch uit titratiekromme o Opstelling: o Titratie van 25ml HCl 0,1 M met NaOH 0,1 M: 1e en 2e afgeleide HOOFDSTUK 3) APÈRO, VOLTAM- EN COULOMETRIE AMPÈROMETRIE Concentratie bepalen door de stroomsterkte te meten. Toepassing in de klinische chemie -> O2 elektrode Steunt op elektrochemische cellen die energie verbruiken -> elektrolytische cellen Vaak ook derde elektrode: micro elektrode 38 PRINCIPE Er wordt een spanning aangelegd. Hierdoor gaan er processen doorgaan aan de elektrodes die uiteindelijk leiden tot een bepaalde hoeveelheid stroom (diffusiestroom). Deze kan dan gemeten worden. Dit kunnen we dan omzetten naar een concentratie. ZUURSTOFELEKTRODE (CLARK ELEKTRODE) = elektrolyse cel Door het meten van de ampère zal dit gelinkt zijn aan een hoeveelheid zuurstof. Glucosemeters werken op dit principe! VOLTAMMETRIE Concentratie bepalen door grootte van de diffusiestroom te meten. Ook identificatie Is een volt-ampère meting Ook met 3 elektrodes werken Toepassing medische wereld: o o o Fe(II) in sucrose opl Hg-bevattende bewaarmiddelen in farmaceutica Onzuiverheden in farmaceutica COULOMETRIE Concentratie van een stof meten die gevormd w bij een elektrolyse reactie Meet de elektriciteit Toepassingen: o o Bepaling Cl- in urine, serum en zweet Diagnose voor mucoviscidose 39 HOOFDSTUK 4) BIOSENSOREN Biosensor = draagbaar toestel dat gebruik maakt van biologisch materiaal als detectiemiddel. Biologisch materiaal = enzymen, antilichamen, DNA, liganden, micro-organismen… Reageren heel specifiek op biomolecules (enzym + substraat, antilichaam + antigeen) Doel: signaal produceren dat evenredig is met de concentratie aan het te analyseren component Bv: glucosemeters, cholesterolmeters, enzym-elektrode Wat is er nodig ? 1. Biogevoelig element in contact met 2. Omzetter (elektrochemisch, optisch…) Omzetters: potetiometrisch, apèrometrisch, caloriemetrisch, optisch Toepassingen: o o o o o Klinische en medische diagnostiek: − Microbiosensor voor prostaatkanker − Detectie HIV Landbouw en veterinaire analyse Procesbeheersing Analyse van voedingsmiddelen − Dioxines, antibiotica Analyse van farmaca 40