6.5. Датчик ионов

При определении состава какого-либо раствора можно прибегнуть к химическому методу, где в зависимости от внешних признаков, возникших после реакции, определяется количественный и качественный состав. Но также можно применить датчик ионов, который не только будет реагировать только на определённые ионы, но и определять количественное содержание.

6.5.1. Устройство датчика

Датчик состоит из ионоселективного и токоотводящего электродов.

Важнейшей составной частью ионообменных электродов является полупроницаемая мембрана, которая представляет собой тонкую пленку, отделяющую внутреннюю часть электрода (где находится вспомогательный, внутренний раствор) от анализируемого раствора. Мембрана называется полупроницаемой, потому что обеспечивает прохождение через неё ионов одного знака (катионов или анионов), и, преимущественно, ионов одного сорта в присутствии других ионов с тем же знаком заряда. Это обеспечивает достаточно высокую селективность мембраны.

Внутри электрода находится раствор с постоянной концентрацией тех ионов, на проверку которых рассчитан датчик. Мембрана к ним селективна. Также в растворе содержаться ионы, обеспечивающие потенциал вспомогательного токоотводящего электрода.

Мембраны изготавливают из различных материалов, а классифицируют по их агрегатному состоянию: твердые, жидкие и газочувствительные.

Твердые мембраны изготавливают из малорастворимого кристаллического вещества с ионным характером проводимости. Селективность твердых кристаллических мембранных электродов обусловлена вакансионным механизмом переноса заряда. Вакансии заполняются только определенными подвижными ионами в соответствии с их характеристиками (форма, размер, распределение заряда вакансии).

В настоящее время электроды с твердыми кристаллическими мембранами изготавливают и без внутреннего раствора, используя прямой контакт металлического проводника и мембраны. Такие электроды называют твердотельными (или электродами с твердым контактом), они значительно удобнее в работе, чем электроды с внутренними растворами.

Жидкая мембрана — это слой жидкого органического вещества, которое не должно растворяться в исследуемом растворе. Устойчивость мембраны повышается, если органическая жидкость обладает ещё и высокой вязкостью.

Система газового электрода включает ионоселективный электрод и электрод сравнения, контактирующие с небольшим объемом вспомогательного (приэлектродного) раствора. Этот раствор отделен от исследуемого раствора прослойкой или гидрофобной газопроницаемой мембраной.

Электродом сравнения может быть электрод II рода в растворе электролита с анионом малорастворимой соли.

Потенциал электрода сравнения служит точкой отсчета, по отношению к которой измеряют потенциал индикаторного (ионоселективного) электрода. Но и индикаторный электрод, в принципе, может служить также и электродом сравнения, если создать условия, при которых потенциал такого индикаторного электрода остается неизменным в процессе анализа.

Универсальным электродом сравнения является стандартный водородный электрод, но для практической работы он неудобен из-за необходимости использования очень чистого водорода и ряда других причин.

Сравнительный электрод комплекта PolusLab

6.5.2. Принцип работы

Рассмотрим пример при детектировании катиона кальция.

Если полупроницаемую мембрану поместить между двумя растворами с разными концентрациями определяемого катиона К ⁺ ₁, то на внешней и внутренней поверхностях мембраны будет происходить обмен этими катионами как в прямом, так и в обратном направлениях, т.е. катионы из раствора будут проникать в фазу мембраны и обратно (для других катионов, например, K ⁺ ₂, и анионов А ^- мембрана непроницаема). На Рис.3 представлено схематическое изображение мембранной ячейки, являющейся частью мембранного ионоселективного электрода.

Рис.3. Схематическое изображение мембранной ячейки

1 – мембрана 2 - внешний (анализируемый) раствор 3, 4 – внешний и внутренний электроды сравнения 5 – внутренний (стандартный) раствор

Различие в концентрации ионов в обоих растворах определяет скорость обмена. Если концентрации различны, то в растворе и в фазе мембраны возникают потенциалы на обеих поверхностях мембраны.

Через какое-то время устанавливается динамическое равновесие. Так как концентрация внутри электрода не меняется, то возникающая разница потенциалов зависит только от концентрации исследуемого раствора.

Суть процесса практически такой же независимо от используемой в ионоселективном электроде мембраны.