3862 ИЗУЧЕНИЕ ИОНОМЕТРИЧЕСКОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ РАСТВОРЕННОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Цель работы: изучение методики исследования содержания диоксида углерода в жидкой и газовой средах методом ионометрии.

Приборы и принадлежности: стеклянный ионоселективный электрод, электрод сравнения, измерительная ячейка, камера насыщения, милливольтметр с большим внутренним сопротивлением, дозатор, баллон с газообразным диоксидом углерода, раствор бикарбоната натрия, дистиллированная вода.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

Измерение содержания диоксида углерода (СО2) в различных средах имеет значение для решения следующих проблем.

  • Контроль выбросов СО2 в атмосферу предприятиями энергетического комплекса и химической промышленности.
  • Региональный мониторинг содержания диоксида углерода в атмосферном воздухе в связи с экологической проблемой «парникового эффекта». Особые свойства парниковых газов, к которым, в частности, относится СО2: будучи сравнительно прозрачными для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, они в то же время непрозрачны для длинноволнового, излучаемого Землей в космос. Поэтому с ростом концентрации СО2 атмосфера по своим свойствам все более приближается к стеклянной крыше парника, которая обеспечивает нагрев оранжерейного воздуха путем «улавливания» лучистой энергии – «парниковый эффект».
  • Определение содержания СО2 в крови является важной частью наблюдения за больными в отделениях интенсивной терапии и  диагностики заболеваний. Определение содержания СО2 в выдыхаемом воздухе используется при диагностике вентиляции легких в пульмонологии.

Ионометрия позволяет  определить  концентрацию вещества путем измерения разности потенциалов между двумя специальными электродами, опущенными в раствор.

Один из электродов сконструирован так, что величина его потенциала неизменна и не зависит от состава исследуемого раствора. Этот электрод называется электродом срав­нения.

Другой электрод называется ионоселективным, т.к. его потенциал в растворе устанавливается в зависимости от концентрации  определяемых ионов. Для каждого вида ионов разработаны специфические ионоселективные электроды.

С изменением концентрации частицы, принимающей участие в реакции на поверхности ионоселективного электрода, линейно меняется ЭДС цепи. Это свойство ионометрических электродов описывается уравнением Нернста

Е = Е0 + S lg С,

где Е — измеряемая ЭДС;

Е0 — константа, аппаратный фактор применяемой электрической цепи;

S — угловой коэффи­циент наклона электродной функции;

С — концентрация опреде­ляемого иона.

Для диоксида углерода в качестве измерительного применяется стеклянный электрод, реагирующий на изменение концентрации ионов водорода, т.е. на изменение рН раствора. Образование электродного потенциала стеклянного электрода происходит в результате ионообменных процессов. Если пластину стекла, содержащего примеси некоторых одновалентных металлов  (Nа, К или других), поместить в раствор, то под действием электростатических сил катионы этих металлов вырываются из узлов анионного силикатного остова стекла и переходят в раствор. Их места замещаются более активными катионами водорода Н, перешедшими из раствора. Этот процесс, начинаясь с поверхности, постепенно продвигается внутрь стекла и идет до тех пор, пока не установится электрическое равновесие.  Отношение    активных     концентраций    катионов   в   стекле   и

растворе при     равновесии    характеризуется     коэффициентом распределения

 

 

 

 

где черточками отмечены концентрации катионов в стекле. После преобразований это же выражение можно представить в виде:

 

 

 

поскольку сумма активностей катионов в стекле постоянна. Разность потенциалов на границе раствор — стекло возникает
вследствие неодинакового распределения ионов между ними,
поэтому количественное выражение для ЭДС стеклянного
электрода:

 

 

где Ест0— величина, зависящая от температуры. Это уравнение определяет поведение стеклянного электрода
во всей зоне рН. Так, в кислых растворах равновесие наступает
при почти полном вытеснении ионов натрия из стекла ионами
водорода и электрод ведет себя как водородный; в сильнощелочных растворах (в особенности при больших концентрациях ионов натрия) ведет себя как металлический натриевый; в промежутках между сильнощелочной и сильнокислой реакцией среды обладает как той, так и другой функцией.

Растворяясь в воде, СО2 образует слабую угольную кислоту, которая диссоциирует на ионы, изменяя концентрацию ионов водорода: