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Introduzione all’elettrochimica

Introduzione allelettrochimica. 2 Una reazione di ossidoriduzione può essere realizzata per via chimica o per via elettrochimica. Nel primo caso la reazione

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  • Introduzione allelettrochimica
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  • 2 Una reazione di ossidoriduzione pu essere realizzata per via chimica o per via elettrochimica. Nel primo caso la reazione di ossidoriduzione avviene per mescolamento dei reagenti, e quindi per trasferimento diretto degli elettroni dalla specie che si ossida a quella che si riduce. Un esempio classico quello del sistema costituito da una lamina di rame metallico immersa in una soluzione contenente ioni Ag +. Nella reazione spontanea Cu + 2Ag + = Cu 2+ + 2Ag Il rame passa in soluzione come Cu 2+ mentre gli ioni Ag + si depositano sul rame come argento metallico.
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  • Nel secondo caso le due semireazioni Cu = Cu 2+ + 2e - Ag + + e - = Ag sono separate nello spazio in una cella elettrochimica, cio in un sistema che non consente il contatto diretto tra i reagenti.
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  • Reazioni di ossido/riduzione in celle elettrochimiche Le reazioni redox possono essere condotte per contatto diretto oppure in una cella elettrochimica in cui i reagenti non vengono a contatto luno con laltro. Per definizione anodo e catodo sono gli elettrodi dove avvengono l'ossidazione e, rispettivamente, la riduzione. La differenza di potenziale ai capi dei due elettrodi, DV, misurata mediante un voltmetro inserito nel circuito esterno, la manifestazione della diversa tendenza dei due metalli a passare in soluzione (= misura la tendenza della reazione di cella a raggiungere lequilibrio).
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  • In una cella elettrochimica - lagente ossidante e riducente sono tra loro fisicamente separati - Il ponte salino (KCl in agar) isola i reagenti ma mantiene il contatto elettrico - Quanto i due elettrodi non sono connessi o connessi con un voltmetro a elevata resistenza, la cella detta a circuito aperto e fornisce il potenziale della cella (tendenza a raggiungere lequilibrio) - quando i due elettrodi sono connessi con un circuito a bassa resistenza (circuito chiuso) lenergia potenziale convertita in energia elettrica (mentre la reazione prosegue il potenziale diminuisce e tende a zero al raggiungimento dellequilibrio - quando si raggiunge il potenziale zero le concentrazioni di Cu(II) e Ag(I) avranno valori che soddisfano lespressione della K eq (non si verifica alcun flusso di e) 2Ag + + Cu(s) 2Ag(s) + Cu 2+ K eq = [Cu 2+ ] [Ag + ] = 4.1x10 15
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  • La cella elettrochimica formata da due conduttori (elettrodi) immersi in una soluzione elettrolitica. Il catodo lelettrodo al quale avviene la reazione di riduzione, lanodo lelettrodo al quale si verifica lossidazione Le celle galvaniche immagazzinano energia elettrica. Le batterie sono costituite da celle di questo tipo assemblate in serie. Reazione spontanea. Elettroni vanno dall anodo verso il catodo, attraverso un conduttore esterno. catodoanodo Le celle elettrochimiche possono essere -galvaniche ( o voltaiche), ovvero spontanee -elettrolitiche, ovvero non spontanee
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  • 7 Cella galvanica (spontanea) potenziale di cella=E cella =E catodo -E anodo =0.412V + Il ponte salino isola i reagenti ma garantisce il contatto elettrico tra le due semicelle. Allequilibrio V=0.000
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  • Una cella elettrolitica, a differenza di quella voltaica, necessita di una fonte esterna di energia lelettrodo di argento forzato ad essere anodo mentre quello di rame a catodo. Qualora il generatore esterno isolato la cella funziona come una cella galvanica 2Ag(s) + Cu 2+ 2Ag + + Cu(s)
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  • 9 Cella elettrolitica (non spontanea) + Fonte esterna di energia
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  • Notazione schematica per descrivere celle elettrochimiche: Cu Cu 2+ (0.02 M) Ag + (0.02 M) Ag singola linea: limite di fase; doppia linea: ponte salino regola del segno pi a destra: si misura il potenziale connettendo il polo positivo del voltmetro al lato destro dello schema. Se seguiamo questa convenzione E cella la misura della tendenza della reazione ad avvenire spontaneamente nella direzione scritta da sinistra verso destra. Potenziale di cella: E cella = E destro - E sinistro
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  • 11 All'interfase tra un conduttore metallico e un conduttore elettrolitico, cio alla superficie di un elettrodo, il trasporto di carica avviene mediante trasferimento di elettroni tra i due diversi conduttori, cio per mezzo di una reazione elettrodica. Quando un elettrodo metallico immerso in acqua, esso tende a passare in soluzione M = M n+ + ne - La dissoluzione genera una separazione di carica, negativa sull'elettrodo, derivante dall'eccesso di elettroni rimasti su di esso, e positiva nella soluzione arricchitasi di ioni M n+. Origine dei potenziali elettrodici In un conduttore elettrolitico (soluzione) attraversato da una corrente elettrica la carica trasportata per mezzo di un flusso di ioni. In un conduttore metallico attraversato da una corrente elettrica la carica trasportata per mezzo di un flusso di elettroni.
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  • 12 M+M+ M+M+ M+M+ La dissoluzione genera una separazione di carica, negativa sull'elettrodo, derivante dall'eccesso di elettroni rimasti su di esso, e positiva nella soluzione arricchitasi di ioni M n+. Il fenomeno lo stesso per ogni metallo.
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  • 13 ______________________________________ ++++++++++++++++++++ ++++++++++++++++++++ La reazione di dissoluzione genera una differenza di potenziale all'interfase elettrodo/soluzione. La differenza di potenziale si oppone a un'ulteriore dissoluzione del metallo. Il tempo necessario al raggiungimento dell'equilibrio all'interfase elettrodo/soluzione generalmente dell'ordine del s.
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  • 14 Immaginiamo di immergere una lamina di Zn in una soluzione di solfato di Zn ed una di Cu in una soluzione di solfato di Cu (pila Daniell). Le due soluzioni sono collegate elettricamente mediante il setto poroso, s, che permette il trasferimento delle cariche tra di esse nonostante non siano a contatto. Gli elettrodi sono collegati tra loro mediante un conduttore metallico esterno ed un interruttore. Inizialmente lasciamo aperto l'interruttore e quindi il circuito esterno. Entrambi i metalli tendono a passare in soluzione: si generano due differenze di potenziale, una a ciascuna interfase elettrodo/soluzione, che si oppongono all'ulteriore dissoluzione dei due metalli. La reazione chimica Zn + Cu 2+ =Zn 2+ + Cu non pu procedere in quanto i reagenti non possono scambiarsi gli elettroni.
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  • 15 Se per chiudiamo il circuito lo zinco, che ha una maggior tendenza a passare in soluzione del rame, pu ossidarsi passando in soluzione. Zn = Zn 2+ + 2e - Gli elettroni accumulati sull'elettrodo di zinco fluiscono attraverso il circuito esterno e arrivano sull'elettrodo di rame, dove provocano la riduzione degli ioni Cu 2+ Cu 2+ + 2e - = Cu Quindi, nella cella galvanica cos realizzata la reazione spontanea la reazione Zn + Cu 2+ =Zn 2+ + Cu Al passaggio di cariche elettriche negative (elettroni) dallo zinco al rame nel circuito esterno corrisponde un uguale flusso netto di cariche negative (ioni) in soluzione, dall'elettrodo di rame a quello di zinco o, se si preferisce, un uguale flusso netto di cariche positive (ioni) dall'elettrodo di zinco a quello di rame. La reazione pu procedere fino al raggiungimento dell'equilibrio termodinamico.
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  • Elettrodi di riferimento Poich si misurano solamente differenze di potenziale, impossibile determinare i potenziali di semi-cella assoluti. Si determinano i potenziali di semi-cella relativi, utilizzando opportuni elettrodi di riferimento 2H + + 2 e - H 2 (g) Pt, H 2 (p= 1 atm) ([H+]= xM) Per convenzione al potenziale dellelettrodo std a idrogeno assegnato un valore di 0 V L'elettrodo prescelto quello standard a idrogeno (SHE o standard hydrogen electrode) ed al suo potenziale sono riferiti i valori di tutte le altre semicelle. -Elettrodo di facile costruzione -Reversibile=agisce sia da anodo che da catodo a seconda della semicella con cui accoppiato -Comportamento riproducibile
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  • a) poich per definizione il potenziale elettrodico dello SHE uguale a 0,000 V, il potenziale elettrodico della semicella M n+ /M, V M n+ /M, uguale alla differenza di potenziale misurata tra i due elettrodi della cella elettrochimica, DV cella ; b) se l'elettrodo M n+ /M il polo positivo rispetto allanodo di SHE, cio caricato positivamente, al suo potenziale elettrodico, V M n+ /M, viene assegnato il segno + (in tal caso l'elettrodo il catodo); c) se l'elettrodo M n+ /M il polo negativo rispetto allo SHE, cio caricato negativamente (cio nella reazione spontanea di cella agisce come anodo), al suo potenziale elettrodico, V M n+ /M, viene assegnato il segno - (in tal caso l'elettrodo l'anodo). L'assegnazione del valore 0,000 V al potenziale standard dell'elettrodo standard a idrogeno arbitraria, ma consente di definire una serie elettrochimica di potenziali elettrodici standard relativi. Questi possono essere usati nei calcoli. Per assegnare il potenziale ad una certa semicella, M/M n+, si costruisce una cella elettrochimica formata da un elettrodo standard a idrogeno (ANODO) e dalla semicella in esame (CATODO), e se ne misura la differenza di potenziale, DV cella :
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  • 19 Equazione di Nernst (relazione quantitativa tra concentrazione e potenziale elettrodico) L'equazione di Nernst permette di calcolare il potenziale di un elettrodo, o la differenza di potenziale ai capi di una cella elettrochimica, in funzione delle attivit delle specie coinvolte nel processo ossidoriduttivo. Per una semicella: R la costante universale dei gas, uguale a 8,314 J/(mole K), T la temperatura assoluta, n il numero di elettroni trasferiti nella semireazione da ogni mole di reattivo F il Faraday, cio la carica associata ad una mole di elettroni (96485 C). Per una cella:
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  • 20 Normalmente, almeno a livello didattico, nellequazione di Nernst sono usate le concentrazioni: e quindi,per la reazione Fe 2+ + Ce 4+ = Fe 3+ + Ce 3+ si pu scrivere Sostituendo i valori delle varie costanti si ottiene Una variazione della concentrazione ionica fa parallelamente cambiare il potenziale elettrodico
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  • 21Esempi Calcolare la differenza di potenziale ai capi della cella Pt/Fe 2+ (0,03 M), Fe 3+ (0,01 M)// Cd 2+ (0,002 M)/Cd La semicella di sinistra il catodo (perch ha il potenziale pi positivo, quella di destra lanodo (perch ha il potenziale pi negativo). La differenza di potenziale La differenza di potenziale di una cella spontanea NON pu essere mai negativa.
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  • 22 Al potenziale elettrodico non stato assegnato nessun simbolo, sebbene sia stato fatto notare che per esso potrebbe essere convenientemente usato il simbolo V (purtroppo uguale a quello del Volt, V). Il potenziale elettrodico, invariante in quanto il suo segno quello definito dalla polarit dell'elettrodo stesso, che dipende solo dalla natura delle due semicelle accoppiate nella cella in esame e non pu cambiare, qualunque sia la convenzione dei segni adottata. In particolare la semicella standard Zn 2+ /Zn ha un potenziale elettrodico negativo in quanto essa il polo negativo della cella galvanica ottenuta accoppiandola con l'elettrodo standard a idrogeno. Nella pila galvanica -Zn/Zn 2+ (a = 1,0)//SHE+ l'elettrodo di Zn sempre negativo perch in tale pila la reazione spontanea quella di ossidazione dello zinco. Essendo il potenziale elettrodico invariante, non necessario alcun aggettivo (di riduzione, di ossidazione o di ossidoriduzione). Il nome corretto quindi potenziale elettrodico relativo o, semplicemente, potenziale elettrodico.
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  • Si definisce potenziale elettrodico il potenziale di una cella nella quale lelettrodo in questione a destra e quello std. a idrogeno lelettrodo a sinistra E cella = E destro - E sinistro = E Ag E SHE = E Ag 0 = E Ag Il potenziale elettrodico standard E 0, di una semi-reazione, si definisce come il suo potenziale elettrodico quando le attivit di tutti i reagenti e prodotti sono uguali allunit
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  • 24 IL POTENZIALE ELETTRODICO STANDARD, V= misura di quanto le concentrazioni esistenti in una semicella differiscono dai loro valori di equilibrio Il potenziale V (non E) il potenziale elettrodico della semicella quando tutte le attivit delle specie presenti nellequazione di Nernst sono unitarie. Il potenziale elettrodico standard un'importante costante fisica che fornisce informazioni quantitative in merito alla forza trainante della reazione di semicella. Le caratteristiche importanti di questa costante sono: V una quantit relativa, nel senso che il potenziale di una cella elettrochimica nella quale uno dei semielementi l'elettrodo standard ad idrogeno il cui potenziale stato fissato arbitrariamente a 0.000 V. NON VERO che V, per una semireazione, si riferisce esclusivamente ad una reazione di riduzione; cio, V NON SI CHIAMA potenziale di riduzione relativo. V misura la forza relativa che tende a guidare la semireazione da uno stato in cui i reagenti ed i prodotti sono ad attivit unitaria verso uno stato in cui i reagenti ed i prodotti hanno raggiunto le loro attivit di equilibrio relativamente all'elettrodo standard ad idrogeno.
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  • 25 V indipendente dal numero di moli di reagenti e di prodotti che compaiono nella semireazione bilanciata. Perci, il potenziale elettrodico standard per la semireazione. Fe 3+ + e- = Fe 2+ V = +0.771 non cambia se si sceglie di scrivere la reazione nel seguente modo 5Fe 3+ + 5e- = 5Fe 2+ V = +0.771 Un valore positivo di V indica che quando la semicella alla quale si riferisce collegata allo SHE, la reazione spontanea quella di riduzione. V dipende dalla temperatura! Il potenziale standard indipendente dalla temperatura quello dellelettrodo standard a idrogeno.
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  • La cella pu essere schematicamente rappresentata nel seguente modo: Pt, H 2 (p= 1 atm) H + (aH + = 1) Ag + (aAg + = 1) Ag Considerando il valore del voltaggio positivo (+ 0.799V) la reazione di cella spontanea lossidazione nel comparto sinistra e la riduzione in quello di destra 2Ag + + H 2 (g) 2Ag(s) + 2 H + Si determina quindi che E 0 Ag + /Ag = +0.799 V
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  • Cd + 2H + Cd 2+ H 2 (g) E 0 Cd +2 /Cd = -0.403 V Cd 2+ + 2e - Cd(s) la reazione di cella spontanea lossidazione nel comparto destra e la riduzione in quello di sinistra
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  • Esempi di Potenziali Standard SemireazioneV (a 25C) Cl 2 (g) + 2e 2C1 - + 1,359 O 2 (g) + 4H + + 4e 2H 2 O+ 1,229 Br 2 (acq) + 2e 2Br- + 1,087 Br 2 (1) + 2e 2Br- + 1,065 Ag + + e Ag(s) + 0,799 Fe 3+ + e Fe 2+ + 0,771 I 3 - + 2e 3I - + 0,536 Cu 2+ + 2e Cu(s) + 0,337 Ag(S 2 O 3 ) 2 3- + e Ag(s) + 2S 2 O 3 2- + 0,010 2H + + 2e H 2 (g) 0,000 AgI(s) + e Ag(s) + I-- 0,151 Cd 2+ + 2e Cd(s) - 0,403 Zn 2+ + 2e Zn (s) - 0,763 FORTI OSSIDANTI FORTI RIDUCENTI Il potenziale elettrodico standard o potenziale standard redox pu essere definito come il potenziale elettrodico di una reazione (semireazione) misurato rispetto all'elettrodo ad idrogeno standard, quando tutti i reagenti ed i prodotti esistono ad attivit unitaria
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  • ANALISI POTENZIOMETRICHE
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  • I metodi di analisi potenziometrica si basano sulla misura del potenziale delle celle elettrochimiche in assenza di passaggio di corrente Schema di una tipica cella per analisi potenziometrica Elettrodo di riferimento soluzione da analizzare elettrodo indicatore E rif E ind Elettrodo indicatore un elettrodo il cui potenziale varia al variare della concentrazione dellanalita
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  • Nelle misure potenziometriche raramente utilizzato un elettrodo a idrogeno (difficolt operative). Elettrodo di riferimento ideale deve avere un potenziale noto, costante e indipendente dalla soluzione da analizzare. Robusto e facile da assemblare. Elettrodi di riferimento Elettrodo a calomelano (SCE) Hg Hg 2 Cl 2 (saturo), KCl (xM) Dato che il potenziale varia al variare della concentrazione di KCl, questa deve essere nota (solitamente soluzione satura 4.6M) Hg 2 Cl 2 (s) + 2 e - 2 Hg + 2 Cl - E 0 = 0.244 volt a 25C
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  • Elettrodo ad argento cloruro dargento Ag AgCl (saturo), KCl (xM) AgCl (s) + e - Ag (s) + Cl - E 0 = 0.199 volt per [KCl] satura
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  • Elettrodi indicatori Il potenziale dellelettrodo indicatore deve dipendere direttamente dalla concentrazione dellanalita. I requisiti fondamentali dellelettrodo indicatore sono i seguenti: - Selettivit - Rapidit risposta - Potenziale riproducibile Elettrodi indicatori Elettrodi indicatori metalliciElettrodi a membrana di prima specie di seconda specie per reazioni redox Elettrodi a vetro a membrana liquida a membrana cristallina sonde sensibili ai gas
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  • Elettrodi indicatori metallici Elettrodi indicatori di prima specie Sono quelli in cui lelettrodo di metallo puro in diretto equilibrio con il suo catione presente nella soluzione. Per un generico metallo M si potr perci scrivere M n+ + ne M (s) E ind = E 0 - 0.059 n log 1 [M n+ ] nb: In realt gli indicatori potenziometrici misurano lattivit degli analiti = E 0 - 0.059 n pM [M n+ ] = la concentrazione molare dello ione pM = -log[M n+ ] = pX Non sono molto selettivi. Alcuni usati solo in soluzioni Neutre o basiche perch in acidi si sciolgono (es Zn, Cd). Alcuni Metalli si ossidano troppo facilmente quindi le soluzioni devono essere deossigenate. Alcuni metalli duri non hanno potenziali riproducibili. (es. Fe, Cr, Co, Ni)
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  • Limiti indicatori di prima specie: - bassa selettivit es. ioni Ag + interferiscono con elettrodo di rame - Molti elettrodi metallici (es zinco, cadmio) possono essere usati solo in soluzioni neutre o basiche (si sciolgono in acidi) - molti metalli si ossidano facilmente e si devono usare soluzione deossigenate I principali elettrodi utilizzati sono i seguenti: Ag/Ag +, Hg/Hg 2+ in soluzioni neutre e Cu/Cu 2+, Zn/Zn 2+, Cd/Cd 2+, Bi/Bi 3+, Pb/Pb 2+ in soluzioni deossigenate
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  • Elettrodi indicatori di seconda specie Sono quelli in cui il metallo non solo pu essere utilizzato come elettrodo indicatore per il suo catione, ma pu essere sensibile anche alle concentrazioni di anioni che formano, con il metallo, precipitati poco solubili o complessi molto stabili. Ad esempio il potenziale di un elettrodo di Ag dipende dalla [Cl - ] in una soluzione satura di AgCl AgCl (s) + e Ag (s) + Cl - E 0 AgCl/Ag = 0.222V E ind = E 0 AgCl/Ag 0.00592 log[Cl - ] = E 0 AgCl/Ag + 0.0592 pCl Elettrodo d argento pu servire come elettrodo indicatore di seconda specie per lo ione cloruro.
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  • Lelettrodo a mercurio pu essere utilizzato come elettrodo indicatore di seconda specie per lanione EDTA, Y 4 -, qualora si aggiunga una piccola quantit di HgY 2- la reazione al catodo di mercurio la seguente: HgY 2- + 2e- Hg (l) + Y 4 - E 0 = 0.21 V E ind = 0.21 - 0.059 n log [Y 4- ] [HgY 2- ] Dato lelevato valore della costante di formazione di HgY 2- (6.3x10 21 ), la concentrazione di tale complesso rimane costante in un ampio intervallo di concentrazione di Y 4- E ind = K - 0.059 n log [Y 4- ] K = 0.21 - 0.059 n log [HgY 2- ] 1 dove Elettrodo a mercurio utile nelle titolazioni con EDTA.
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  • Elettrodi indicatori per reazioni redox Gli elettrodi di questo tipo sono costituiti da metalli inerti (platino, oro, palladio) e il cui potenziale dipende esclusivamente dal sistema redox con il quale a contatto. Ad esempio il potenziale di un elettrodo di Pt immerso in una soluzione contenente Ce 4+ /Ce 3+ sar fornito dalla seguente equazione: E ind = E 0 Ce4+/Ce3+ - 0.0059log [Ce 3+ ] [Ce 4+ ] Elettrodo di platino utile nelle titolazioni con cerio(IV).
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  • Elettrodo a vetro per la misura del pH Elettrodi a membrana o a p-ione
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  • Potenziale interfase (variabile) Potenziale costante Potenziale costante RAPPRESENTAZIONE DI UNA CELLA ELETTRODO A VETRO/CALOMELANO PER MISURE DI pH. E sce potenziale dell elettrodo di riferimento esterno; E j potenziale di giunzione; a 1 attivit ioni idrogeno nella soluzione di analita; E 1 e E 2 potenziali ai lati della membrana di vetro; E b potenziale interfase; a 2 attivit ioni idrogeno nella soluzione interna.
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  • Composizione e struttura di una membrana di vetro Ogni atomo di silicio legato a 4 atomi di ossigeno (uno disposto al di sopra o al di sotto del piano del foglio). Le numerose cariche negative del gruppo silicato sono controbilanciate da cationi a carica singola (es Na + e Li + ) mobili allinterno della struttura 3D (responsabili conduzione elettrica all interno della struttura) le due superfici di vetro della membrana devono essere idratate prima che l elettrodo possa funzionare per il pH VETRI NON IGROSCOPICI NON SONO SENSIBILI AL pH. Se togliamo l acqua l elettrodo perde sensibilit al pH ma un effetto reversibile.
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  • Lidratazione del vetro comporta una reazione di scambio ionico fra cationi a carica singola e protoni della soluzione (cationi con carica >1 non scambiano) H + + Na + GI - Na + + H + GI - soluz. vetro La K di equilibrio cos elevata che le superfici idrate della membrana di vetro sono formate esclusivamente da gruppi di acido silicico (H + GI - ) (ad eccezione di ambienti fortemente alcalini)
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  • Potenziale interfase (variabile) Potenziale costante Potenziale costante E sce potenziale dell elettrodo di riferimento esterno; E j potenziale di giunzione; a 1 attivit ioni idrogeno nella soluzione di analita; E 1 e E 2 potenziali ai lati della membrana di vetro; E b potenziale interfase; a 2 attivit ioni idrogeno nella soluzione interna. POTENZIALI DI MEMBRANA
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  • membrana Il potenziale di interfase quello che varia con il pH della soluzione di analita Soluzione esterna (1) (incognita) Soluzione interna (2) ([H + ] nota) E1E2 Potenziale interfase E b = E 1 E 2 Lorigine del potenziale la diversa cariche negativa superficiale che si accumula come conseguenza delle seguenti reazioni: H + GI - (s) H + + GI - (s) vetro 1 sol 1 H + GI - (s) H + + GI - (s) vetro 2 sol 2
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  • H + GI - (s) H + + GI - (s) vetro 1 sol 1 H + GI - (s) H + + GI - (s) vetro 2 sol 2 Le due superfici sono cariche negativamente. Le [ ] di ioni H + ai lati della membrana spostano gli equilibri e quindi controllano E 1 e E 2 E b = E 1 E 2 = 0.0059 log [H + ] 1 [H + ] 2 Dato che [H + ] 2 nota e costante, E b dipende da [H + ] 1 Il POTENZIALE DI INTERFASE una misura dell attivit dello ione idrogeno nella soluzione esterna.
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  • Potenziale di asimmetria In principio quando due soluzioni uguali sono poste agli estremi della membrana il potenziale di membrana dovrebbe essere uguale a 0. Questo non si verifica dato che le due superfici non sono esattamente uguali e variano con il tempo da qui la necessit di calibrare il pH-metro giornalmente Lerrore alcalino Gli elettrodi a vetro in soluzione alcalina sono sensibili sia alla concentrazione dello ione idrogeno che a quella degli ioni di metalli alcalini. Lentit di tale interferenza dipende dalla composizione dellelettrodo
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  • Analisi potenziometrica Potenziometria diretta Titolazione potenziometrica
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  • Metodo veloce e accurato per la determinazione della concentrazione (attivit) di numerosi cationi e anioni. Tale tecnica richiede un confronto diretto tra il potenziale sviluppato in una cella contenente lelettrodo indicatore immerso nella soluzione dellanalita e quello sviluppato in una soluzione std. I. Potenziometria diretta 2.2.36. POTENTIOMETRIC DETERMINATION OF IONIC CONCENTRATION USING ION-SELECTIVE ELECTRODES Metodo I (calibrazione) Metodo II (metodo delle aggiunte std.) Metodo III (metodo della singola aggiunta) European Phar. 5.0
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  • Metodo II delle aggiunte std. Nel caso in cui la matrice sia incognita o complessa si usa il metodo delle aggiunte std. Il metodo prevede la misura del potenziale del campione incognito, quindi si aggiungono volumi noti e crescenti di soluzione std. Il metodo dellaggiunta particolarmente efficace quando la quantit di analita aggiunto nellordine del 50- 200% dellanalita iniziale. La risposta dellelettrodo rispetto alla conc. dellanalita descritta dalla seguente equazione: E = k + 0.05916 n Log [X] Ove E = valore letto dal potenziometro, [X] concentrazione analita, k una costante dipendente dal potenziometro. Il termine 0.05916/n si abbrevia con S
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  • Sia V 0 il volume iniziale del campione incognito, c X la concentrazione iniziale dellanalita; Vs il volume della soluzione std. aggiunto, c S la sua concentrazione. La concentrazione totale dellanalita dopo aggiunta dello std. risulta quindi: (V 0 c X + V S c S ) (V 0 + V S ) Sostituendo questa espressione alla quantit [X] nellequazione precedente e riordinando, si ottiene (V 0 +V S ) 10 E/S = 10 k/S c S V S + 10 k/S V 0 c X ymxb Concentrazione totale analita =
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  • Riportando in grafico la quantit (V 0 +V S ) 10 E/S in funzione di Vs si ottiene un retta dalla cui equazione, ponendo y=0, si ottiene lintercetta sullasse x Intercetta sullasse x = b m = 10 k/S V0 cX 10 k/S c S - - = V 0 c X cScS - (V 0 +V S ) 10 E/S = 10 k/S c S V S + 10 k/S V 0 c X
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  • Metodo III della aggiunta singola
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  • CALCIUM HYDROGEN PHOSPHATE DIHYDRATE Calcii hydrogenophosphas dihydricus CaHPO4,2H2O Mr 172.1 DEFINITION Content: 98.0 per cent to 105.0 per cent. Carbonates. Shake 0.5 g with 5 ml of carbon dioxide-free water R and add 1 ml of hydrochloric acid R. No effervescence is produced.carbon dioxide-free water R hydrochloric acid R Chlorides: maximum 0.25 per cent. Test solution. Dissolve 0.20 g in a mixture of 20 ml of water R and 13 ml of dilute nitric acid R, dilute to 100 ml with water R and filter if necessary. Use 50 ml of this solution.water Rdilute nitric acid Rwater R Reference solution. To 0.70 ml of 0.01 M hydrochloric acid, add 6 ml of dilute nitric acid R and dilute to 50 ml with water R.0.01 M hydrochloric aciddilute nitric acid Rwater R Add 1 ml of silver nitrate solution R2 to the test solution and to the reference solution and mix. After standing for 5 min protected from light, any opalescence in the test solution is not more intense than that in the reference solution.silver nitrate solution R2 Saggi limite
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  • Fluorides: maximum 100 ppm. Potentiometry (2.2.36, Method II).2.2.36, Method II Chelating solution. Dissolve 45 g of cyclohexylenedinitrilotetra-acetic acid R in 75 ml of sodium hydroxide solution R and dilute to 250 ml with water R.cyclohexylenedinitrilotetra-acetic acid Rsodium hydroxide solution Rwater R Test solution. Dissolve 1.000 g in 4 ml of hydrochloric acid R1, add 20 ml of chelating solution, 2.7 ml of glacial acetic acid R and 2.8 g of sodium chloride R, adjust to pH 5-6 with sodium hydroxide solution R and dilute to 50.0 ml with water R.hydrochloric acid R1glacial acetic acid Rsodium chloride Rsodium hydroxide solution R water R Reference solution. Dissolve 4.42 g of sodium fluoride R, previously dried at 300 C for 12 h, in water R and dilute to 1000.0 ml with the same solvent. Dilute 50.0 ml of this solution to 500.0 ml with total-ionic-strength-adjustment buffer R (200 ppm F).sodium fluoride Rwater Rtotal-ionic-strength-adjustment buffer R Indicator electrode: fluoride-selective. Reference electrode: silver-silver chloride. Carry out the measurement on 20.0 ml of the test solution. Add at least 3 times 0.10 ml of the reference solution and carry out the measurement after each addition. Calculate the concentration of fluorides using the calibration curve.
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  • II. Titolazione potenziometrica Una titolazione potenziometrica implica la misura del potenziale di un opportuno elettrodo indicatore in funzione del volume del titolante. Da un punto di vista generale, la titolazione potenziometrica fornisce dati pi accurati rispetto alluso di indicatori ed particolarmente utile per soluzioni colorate o torbide. Vantaggi della titolazione potenziometrica rispetto alla misura diretta: - le titolazioni non dipendono dal valore assoluto di E cella - le misure sono quindi indipendenti dalla forza ionica (risultati espressi in conc.)
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  • 2.2.20. POTENTIOMETRIC TITRATION In a potentiometric titration the end-point of the titration is determined by following the variation of the potential difference between 2 electrodes (either one indicator electrode and one reference electrode or 2 indicator electrodes) immersed in the solution to be examined as a function of the quantity of titrant added. The potential is usually measured at zero or practically zero current. Apparatus. The apparatus used (a simple potentiometer or electronic device) comprises a voltmeter allowing readings to the nearest millivolt. The indicator electrode to be used depends on the substance to be determined and may be a glass or metal electrode (for example, platinum, gold, silver or mercury). The reference electrode is generally a calomel or a silver-silver chloride electrode. For acid-base titrations and unless otherwise prescribed, a glass-calomel or glass-silver- silver chloride electrode combination is used. Method. Plot a graph of the variation of potential difference as a function of the quantity of the titrant added, continuing the addition of the titrant beyond the presumed equivalence point. The end-point corresponds to a sharp variation of potential difference.
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  • SODIUM SULPHATE, ANHYDROUS Natrii sulfas anhydricus Na2SO4 Mr 142.0 DEFINITION Content: 98.5 per cent to 101.0 per cent (dried substance). ASSAY Dissolve 0.100 g in 40 ml of water R. Add a mixture of 0.2 ml of 0.1 M hydrochloric acid and 80 ml of methanol R. Carry out a potentiometric titration (2.2.20), using 0.1 M lead nitrate and as indicator electrode a lead-selective electrode and as reference electrode a silver-silver chloride electrode.water R0.1 M hydrochloric acidmethanol R2.2.200.1 M lead nitrate 1 ml of 0.1 M lead nitrate is equivalent to 14.20 mg of Na2SO4.0.1 M lead nitrate Ks PbSO 4 = 1.6x10 -8
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  • Titolatori automatici In commercio sono reperibili diversi titolatori potenziometrici automatici. Loperatore deve solo inserire il campione da analizzare: le rimanenti operazioni sono automatizzate
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  • Uso delle determinazioni potenziometriche per determinare i valori di Ka E possibile assegnare il valore di pKa (-log Ka) sia agli acidi che alle basi. CH 3 COOH CH 3 COO - + H + Ka NH 4 + NH 3 + H + Ka Per un acido, pi piccolo il valore di pKa e pi forte lacido Per una base, pi grande il valore di pKa e pi forte la base
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  • Per determinare per via potenziometrica il pKa dellacido benzoico si procede come segue: Una soluzione 0.01 M di acido benzoico (50 ml) si titola con KOH 0.1 M. Il KOH si aggiunge 0.5 ml alla volta. Ci si aspetta che 5 ml di KOH 0.1 M siano sufficienti a neutralizzare lacido benzoico. Si determina quindi il pH della soluzione dopo aggiunta di 2.5 ml di KOH che sar uguale al valore di pKa poich: pKa = pH - log [A - ] [HA]