Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Precipitacija i otapanjeUklanjanje karbonatne tvrdoće vode
CaCO3 (c) <=> Ca2+ + CO32-
Uklanjanje toksičnih iona teških metala Pb(OH)2 (c) <=> Pb2+ + 2OH-
Uklanjanje željeza i manganaFe(OH)3 (c) <=> Fe3+ + 3OH-
Uklanjanje fosfataCa3(PO4)2 (c) <=> 3Ca2+ + 2PO4
3-
Precipitacija / obrada otpadnih voda
Nastajanje kamenca i njegovo uklanjanje
Topljivost metalaAnioni dominantni u kontroli taloženja:
CO32-, HCO3
-, Cl-, SO42-
H2S, HS-, S2-- (u redukcijskim uvjetima)
Tri vrste osnovnih precipitata u vodiSulfidi, karbonati i hidroksidi
Topljivi metali: metalni spojevi s Cl-, SO42-, osim
AgCl, Hg2Cl2, PbSO4
Netopljivi (< 10 mg /100 ml H2O): CO32-, S2-, OH-
Konstanta produkta topljivosti i topljivost
AzBy (s) <=> zAy+ + yBz-
Konstanta produkta topljivosti je ravnotežna konstanta:Ksp = [A]z[B]y
Topljivost: Količina neke tvari izražena u mol/L ili mg/L koja može biti otopljena pri određenim uvjetima (tlak, temperatura)Topljivost nije jednaka konstanti topljivosti –obje vrijednosti su u međusobnoj korelaciji
Metalni hidroksidi (OH-)
M(OH)n (s) <=> Mn+ + nOH-
Ksp = [Mn+][OH-]n [OH-] = Kw/[H+]pM = -lg[Mn+], pKsp = -lgKsp, pM = n pH + pKsp -14n
nagib = n; odsječak = pKsp-14nTopljivost se smanjuje s povečanjem pH maximum koncentracija metala:[Mn+] = Ksp/[OH-]n
Metalni sulfidi (S2-)Ksp mnogo manja od Ksp M(OH)n+; Mnogi metalni sulfidi su slabo topljivi osim MnS, FeS, NiS, CoS and ZnS u kiselim uvjetimaProdukt topljivosti: Ksp = [M2+][S2-]Koncentracija zasićene otopine (topljivost):[M2+] = Ksp/CTS {1 + [H+]/K2 + [H+]2/(K1K2)}CTS (ukupni otopljeni anorganski sumpor) = [H2S] + [HS-] + [S2-]
Metalni sulfidi (S2-)H2S <=> H+ + HS- K1 = [H+][HS-]/[H2S], pK1=7.05HS- <=> H+ + S2- K2 = [H+][S2-]/[HS-], pK2=14.90S2- + M2+ <=> MS (s) Ksp = [M2+][S2-]CTS = [H2S] + [HS-] + [S2-][S2-] = CTS α2 = CTS {1 + [H+]/K2 + [H+]2/(K1K2)}-1
[M2+] = Ksp / [S2-]= Ksp/CTS {1 + [H+]/K2 + [H+]2/(K1K2)}≈ Ksp [H+]2 / (CTS K1K2) (budući da je K2 << K1)
Metalni karbonati (CO32-)
Topljivost ovisi o CO2 (l) i pHMCO3
2- (s) + CO2 + H2O <=> M2+ + 2 HCO3-
K1 = [H+][HCO3-]/[CO2], K2 = [H+][CO3
2-]/[HCO3-],
Konstanta produkta topljivosti: Ksp = [M2+][CO32-]
Ravnotežna konstanta za gornju reakciju:[M2+][HCO3
-]2/[CO2] = Ksp K1/K2
∴ [M2+] = Ksp K1 [CO2] /{K2[HCO3-]2}
Faktori koji utječu na topljivostTemperatura
Općenito, topljivost se povećava s povećanjem temperature Osim za CaCO3, Ca3(PO4)2, CaSO4 and FePO4
Efekt zajedničkog ionaKada otopina sadrži ion koji je identičan ionu koji nastaje otapanjem soli (krute tvari) topljivost soli će se smanjiti u odnosu na topljivost u čistojprimjer: topljivost AgCl (s) u NaCl < topljivost AgCl (s) u vodi
KompleksiranjeKompleksiranje povećava topljivostprimjer: kompleksiranjem Cd s OH- (ili Cl-) povećat će se topljivost Cd(OH)2 (s)
Primjer
Izračunajte topljivost CaF2 u čistoj vodi pri 250C. Izrazite topljivost u mg/L
CaF2 <=> Ca2+ + 2F-
Kso = 5 × 10-11 M3
Primjer: Usporedba topljivosti dviju soli
Koja sol je topljivija?AgCl: Kso = 1 × 10-10 M2
Ag2CrO4: Kso = 2.5 × 10-12 M3
Primjer:Utjecaj zajedničkog iona
Topljivost kositrenog (IV) florida u vodi, SnF2 (s), pri 200C iznosi 0.012 g/100 mL. Koja je topljivost SnF2 (s) u 0.08 M otopini NaF?
ElektroanalizaMjeri se promjena nekog električnog parametra
(potencijal, struja, električni naboj, električna vodljivost) u odnosu na neki kemijski parametar(koncentracija analita)
Selektivnost: pravilan odabir radnog parametra(potencijal, struja i sl…) i/ili vrste elektrodnog materijala
primjenaAnaliza okolišaAnaliza kvalitete materijalaBiomedicinaka primjena i drugo
Elektrokemijske reakcijeRedoks reakcije
−++++−−+ +→→+
+⇔+
neMMMneMprimjer
oksidantOxddOx
naanaa )()(
2121
:
reducens Re Re
Elektrokemijske ćelijegalvanska:
Spontanom kemijskom reakcijom producira seElektrična energija (∆G = -nFE, )
primjena: baterije (izvori istosmjernog napona), potenciometrija (pH, ISE)
elektrolitska:Korist energiju (primjer: primjena napona V) za pokretanje
elektrokemijske reakcije (∆G>0)
primjena: kulometrija, voltametrija
Galvanska ćelija- +
CathodeAnodeCd(s) --> Cd 2+(aq) +2e -
Cd
e-
AgSalt bridgeCl - K+
Cd2+
AgNO3(aq)
NO3-
V
CdCl2
2Ag +(aq) + 2e - -->2Ag(s)
Prikaz galvanske ćelije
| granica dviju faza. || elektrolitski most (elektrolitski kontak dviju otopina)
Cd(s) | CdCl2(aq, M) || AgNO3(aq, M) | Ag(s)
Elektrokemijske reakcije
Ećelije= Ekatode (+) - Eanode(-)
(aq)Cd+2Ag(s)Cd(s)+(aq)2Ag :ukupno_____________________________
2e+(aq)Cd(s) Cd :2Ag(s)2e+(aq)2Ag :
+2+
-+2
-+
⇔
⇔
⇔
anodakatoda
Standardni redukcijski potencijal
Standardni redukcijski potencijal – mjera reaktivnosti oksidansa ili reducensa.
Nemoguće je mjerenje potencijala pojedinačnih reakcija
Standardni redukcijski potencijal = 0V prema kojemu se određuju potencijali polugalvanskih članaka. Svaka komponenta unutar mjerne ćelije ima jediničnu aktivnost (tlak, konc.)
Standardna vodikova elektroda
- +e-
AgSalt bridge
AAg+=1
V=+0.799V
AH+=1
AH2=1
Pt(s) | H2(g, a=1) | H+(aq, a=1) || Ag+(ag, a=1)
|_________________________|
H+(aq, A=1) + e- 1/2H2(g, a=1) E0=0 V
Standardni elektrokemijski potencijali
Reduction half-reactionsoxidant reducing agent E0 (V)
stronger oxidantF2(g) + 2e- 2F- 2.890
Ce4+ + e- Ce3+ 1.720Ag+ + e- Ag(s) 0.799
Fe3+ + e- Fe2+ 0.771O2 + 2H+ + 2e- H2O2 0.695
Cu2+ + 2e- Cu(s) 0.3392H+ + 2e- H2(g) 0.000
Cd2+ + 2e- Cd(s) -0.402Zn2+ + 2e- Zn(s) -0.762
K+ + e- K(s) -2.936Li+ +e- Li(s) -3.040
stronger reducer
Nernstova jednadžbaZa potencijal polučlanka
aOx + ne- bRed
R= opća plinska konstanta T= temperatura u kelvinima
n= broj izmjenjenih elektrona
F= Faradayeva konstanta (96485 C/mol)
a= aktivnost
a
b
Ox
d
aa
nFRTEE Re0 ln(−=
Nernstova jednadžba
pretvorbom ln u log10 (x 2,303) te pri25oC (298.15K)
)log(0592.0 Re0
a
b
Ox
d
aa
nEE −=
PotenciometrijaMjerenjem potencijala elektrokemijskog
članka (elektrode) radi dobivanja informacije o konc. ili aktivnosti
Mjeri se razlika potencijala između dvije elektrode :
referentne elektrode (E- konstantno)indikatorske electrode (signal- α c (analita)
Referentne elektrode- +
A g /A g C l S a l t b r id g e
K C l
P t
F e 2 + , F e 3 +
- +
A g
S o l n . a q . s a tdin K C l + A g C l
P t
F e 2 + , F e 3 +A g C l + K C l
A g C l
P o r o u s g la s s
A g C l ( s ) + e - < = > A g ( s ) + C l -
E 0 = 0 . 2 2 2 VF e 3 + + e - < = > F e 2 +
E 0 = 0 . 7 7 1 VE ( K C l s a t . ) = 0 .1 9 7 V
Ag/AgCl:Ag(s) | AgCl (s) | Cl-(aq) || ..
Pt(s) | Hg(l) | Hg2Cl2 (l) | KCl(aq., sat.) ||..... -referentna elektroda
Hg(l)
Soln. sat. in KCl
Pt
KCl
Hg, Hg2Cl2 et KCl
Porous glass
E0=0.268V
E(KCl sat.)=0.241VGlass wool
Hg2Cl2 + 2e - <=> 2Hg(l) + 2Cl -
SCE:
Pt(s) | Hg(l) | Hg2Cl2 (l) |KCl(aq., sat.) ||.....
Indikatorske elektrodeInertne:Pt, Au, Carbon. Ne participiraju (sudjeluju) u elektrokemijskoj
reakciji.
primjer: SCE || Fe3+, Fe2+(aq) | Pt(s)
Neke metalne elektrode: detektiraju svoje ione(Hg, Cu, Zn, Cd, Ag)primjer: SCE || Ag+(aq) | Ag(s)Ag+ + e- Ag(s) E0
+= 0.799VHg2Cl2 + 2e- 2Hg(l) + 2Cl- E0
-= 0.241V
E = 0.799 + 0.05916 log [Ag+] - 0.241 V
Ionsko- selektivne electrode (ISEs)
Razlika u aktivnosti iona s jedne i druge strane membrane rezultira razlikom potencijala
C a 2 + Ca2 +0 .01 M C a 2 +
0 .0 2 M C l -
0 .1 M Ca2 +
0 .2 M Cl -
( 0 . 1 + δ ) M Ca2 + ( 0 . 1 - δ) M Ca2 +
0 .0 2 M Cl - 0 .2 M Cl -
+
+
+
+
-
-
-
-
Calcium selective molecular recognition ligand
ISE
25C) (log05916.0ln
ln
2
1
2
1
2
1
�aa
naa
nFRTE
nFEaa
RTG
==⇒
−=−=∆
Kombinirana staklena pH Electrode
Ag
Soln. aq. satdin KCl + AgCl
AgCl(s) + KCl(s)
AgCl porousglass
+ -
0.1M HCl inAgCl sat.
Kombinirana staklena pH Electrode
4444 34444 2143421434214444 34444 21
M
int ref
int+H
analyte
ext ref
Ag(s)|AgCl(s)|(aq)-Clint),(aq,Hext)(aq,H||(aq)-Cl|AgCl(s)|Ag(s) ++
)log()0592.0(constantint+
+
+=H
H
a
aE extβ
β~ 1, Konstanta = asimetrični potencijal(potencijal s obje strane membrane nije isti)
Ostale ISEPromjenom kompozicije (sastava) stakla-dobivene ISE za ostale ione (natrijev ion)Zamjenom staklene membrane s PVC membranom (perm-selektivna membrana) koja sadrži kemijski selektivnu tvar poput ionofora, ionsko-izmjenjivačku tvar ili srebro sulfid polikristaliničnom membranom dopiranom srebrovim halogenidima pripremljene su ISE za veliki broj iona
VoltametrijaVoltametrija se temelji na mjerenju promjena električne struje
prouzročene promjenom potencijala radne elektrode uronjene u otopinu koja sadrži elektroaktivnu tvar ili tvari.
polarografija:Heyrovsky (1922): prvi voltametrijski eksperimenti uz primjenu živine kapajuće elektrode - radna elektrodaU voltametriji, kada se jednom postigne potencijal dovoljno negativan za redukciju metalnog kationa dolazi do prijelaza elektrona s elektrode na elektroaktivne tvari prisutne u otopini:
Cu2+ + 2e → Cu(Hg)Hg tekuči metal (površina elektrode uvijek nezagađena)
PolarogramZa točke a do b
I = E/RZa točke b to c
Početak prijelaza elektrona na elektroaktivnu tvar.
I(redukcije) ovisi o broju reduciranih molekula: raste s porastom
potencijala redukcije EZa točke c do d
Kada je E dovoljno negativan, svaka molekula koja dođe do površine
elektode će se reducirati -maksimalna struja redukcije
Stripping Analiza ili Stripping Voltametrija
Postoje dvije vrste striping voltametrije:Anodna(ASV)
Pogodna za mjerenje koncentracije metalnih iona
Katodna (CSV)Pogodna za mjerenje koncentracije aniona i oksoaniona
Stripping voltametrija -postupak
1. Depozicija
2. Koncentracija
3. Smirivanje otopine
4. Otapanje deponiranog metala
Primjer ASV: Mjerenje koncentracije Pb na HDME
Depozicija na katodi reducira se Pb2+
Mješanje (maksimizira konvekciju)Koncentriranje analita (u kapi žive)
Prestanak mješanja = smirivanje otopine
Skeniranje E u anodnom smijeru-crtanjevoltamograma
Oksidacija analita (javlja se otapanje reduciranog olova u kapi žive)
EappI
Pb → Pb2+ + 2e-
Ip
Stripping voltametrija-kvantitativno mjerenje
Ip ∝ Co*
Mjerenje koncentracije izvodi se metodom
Standardnog dodatkaBaždarne krivulje
HDME ASVUobičajno je da je ispitivani metalni kation nižeg standardnog redukcijskog potencijalaod žive
Primjer: Cd2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+
Za studij metala koji imaju pozitivan standardni redukcijski potencijal od žive koristi se elektroda od staklastog ugljika (GC)
EX: Ag+, Au+, HgMogu se analizirati mjerni uzorci koji sadrže veći broj iona uz uvjet da je razlika njihovih standardnih red. potencijala ∆Eo ≈ 100 mV