Что такое ионоселективные электроды?!

Ионоселективные электроды – это специальные электрохимические электроды, равновесный потенциал (когда окислительная и восстановительная реакции уравновешены) которых в растворе электролита, содержащего определенные ионы, в любом случае зависит от концентрации этих ионов. Т.е. это электрохимические электроды, сигнал которых напрямую зависит от содержания измеряемых ионов в растворе.

Благодаря данному свойству, ионоселективные электроды активно используются для определения концентрации и активности различных ионов, содержащихся в растворах, а также для анализа и контроля процессов, которые протекают с изменением ионного состава исходного раствора.

Ионоселективные электроды, в первую очередь, являются устройством , применяемым для анализа природных вод, для контроля загрязнений окружающей среды, осадков, морской воды, льда, при анализе почв. Также, ИСЭ применяются для проведения медико-биологических исследований и анализов для определения ионного состава различных биологических сред, а так же внутриклеточной активности ионов.

Чаще всего, основным элементом ионоселективного электрода является мембрана, проницаемая, в идеале, только для определенного иона. Т.О. между растворами электролитов, которые мембрана и разделяет, возникает стабильная разность потенциалов, которая складывается из диффузного потенциала, появляющегося внутри мембраны, и двух межфазных скачков потенциалов. Измерить концентрацию ионов в исследуемом растворе можно, определив электродвижущую силу гальванического элемента. Гальванический элемент состоит из стандартного и анализируемого растворов, контактирующих между собой. При этом, в каждый из растворов погружены идентичные ионоселективные электроды, чувствительные только к определенному иону. При этом, концентрация ионов, содержащихся в стандартном растворе, должна быть точно известна заранее.

Однако на практике, мембрана электрода является проницаемой, не только для определяемых, но и для посторонних ионов, способных мешать или влиять на правильность процесса анализа ионов. Селективность мембраны напрямую зависит от концентрации определяемых и мешающих ионов. Поэтому, для ионоселективных электродов вводится пара характеристик: коэффициент электродной селективности и интервал концентраций определяемых ионов. К тому же, важными характеристиками ионоселективных электродов являются: предел обнаружения и селективность. Предел обнаружения большинства электродов составляет от 10^-6 до 1 моль/литр.

Положительными моментами использования ионоселективных электродов являются:

- ионоселективные электроды не воздействуют на исследуемый раствор;

- ионоселективные электроды и их анализаторы, как правило, портативны;

- возможность применения ионоселективных электродов, как для прямого анализа, так и в качестве индикатора в титриметрии.

История развития ионоселективных электродов:

Как ни странно, но история развития ионоселективных мембранных электродов связана с физиологическими исследованиями. В середине ХIХ века физиологи обнаружили, что между отдельными частицами организмов возникает разность электрических потенциалов. Для понимания процессов, протекающих в сложных биологических мембранах, в конце ХIХ химиками были созданы простейшие прототипы мембран.

В 1890 году воспользовавшись понятием полупроницаемой мембраны, Вильгельм Фридрих Оствальд создал модель биологической мембраны и доказал, что предельное значение разности потенциалов в такой мембране достигается только в случае жидкостного потенциала, при условии, что один из ионов статичен, и его подвижность равна нулю.

Настоящим прорывом в ионометрии стало открытие в начале ХХ столетия способности реагирования стеклянной мембраны на изменение концентрации ионов водорода. Первые основные исследования потенциалов стеклянных мембран были проведены М. Кремером и Ф. Габером. Они же создали и испытали первые прототипы стеклянных электродов с жидкими и твердыми мембранами.

Первые стеклянные электроды, которые можно было применять на практике для измерения уровня pH в электролитических растворах, были предложены Юзом, Никольским и Шульцем, Долом и Мак-Иннесом в 20-х годах. В 50-х годах были созданы стеклянные электроды на базе ионов щелочных металлов, из которых наибольшее практическое значение имел натриевый стеклянный электрод.

Электроды с жидкими мембранами, которые содержали растворенный ионит, впервые подверглись изучению Соллнером и Шином. Однако, такие мембраны не обладали достаточной селективностью, относительно какого-либо определенного иона.

Первым прототипом современных ионоселективных электродов можно считать сенсор Кларка. Он был создан в 60-х годах XX века и использовался для определения концентрации кислорода в растворах.

Существует множество классификаций ионоселективных электродов, однако, наиболее правильным в настоящее время будет выделение вида электрода в зависимости от типа мембраны и в зависимости от функциональных особенностей.

По выполняемым функциям ионоселективные электроды подразделяют на:

- Измерительные – самостоятельные электроды, которые предназначаются для работы в качестве индикаторов, и измерителей.

- Вспомогательные – это сравнительные электроды, которые предназначаются для работы в паре с измерительными электродами для сравнения показаний с эталонным раствором для создания опорного потенциала.

- Комбинированные – выполняют функции измерительных и вспомогательных электродов.

По типу мембраны, ионоселективные электроды подразделяют на следующие типы:

- Твердые электроды - мембраны данного типа электродов представляют собой монокристаллы или поликристаллы солей, труднорастворимых в воде. В таких мембранах, как правило, один из двух составляющих соль ионов может под действием электрического поля перемещаться в кристаллической решетке. Электроды с твердой мембраной – это галогенсеребряные электроды, сульфидсеребряные электроды, лантафторидные электроды, а также электроды на основе сульфидов или халькогенидов. Сюда же относят стеклянные электроды.

- Жидкостные электроды - в основе жидких мембран лежат растворы ионообменных веществ, таких, как жидкие катиониты или аниониты, или же нейтральные хелатные соединения в органических растворителях. При помощи пористых перегородок, такие растворы отделяются от анализируемых растворов, при этом возникает разность потенциалов;

- Газовые электроды – Газовый электрод включает в себя основной ионоселективный электрод и вспомогательный сравнительный электрод, которые контактируют с небольшим объемом вспомогательного раствора, который отделяется от исследуемого раствора либо газовой прослойкой, либо гидрофобной газопроницаемой мембраной. Премуществом таких электродов является: долгий срок эксплуатации, быстрое время отклика электрода, невосприимчивость к механическим помехам, благодаря чему можно использовать электрод в потоке. Одним из наиболее распространенных жидкостных электродов, является электрод для анализа содержания аммиака.

- Энзимные электроды - действие энзимных электродов подобно мембранным электродам, однако существенным их отличием является то, что вместо мембраны, здесь используются энзимы, мобилизованные на индикаторной поверхности электрода. От того, насколько высока концентрация энзимов в гелевом слое, зависит эффективность применения таких электродов. Наибольшее распространение энзимные электроды получили для определения содержания глюкозы и мочевины, а также аминокислот.