Электрохимические методы разделения

Белорусский государственный  университет

 

Химический  факультет

 

 

 

 

 

Курсовая работа по теме:

Электрохимические методы

разделения 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка 2-го курса 

4-й группы

Рудницкая Е.Е.

Руководители: доцент С.М. Лещев

ассистент А.Н. Трифонова

 

 

 

 

 

Минск, 2009

Содержание

 

Введение   ………………………………………………………………………………3

Электролиз……………………………………………….. ……………………………5 Электрофорез   ……………………………………… ………………………………7

Электродиализ ……………………………………… ………………………………11

Список литературы  …………………………………………………………………20

Введение

В настоящее время  разработано несколько тысяч  методов анализа. Их можно подразделить на химические, физические и физико-химические.

Для разделения, выделения  и концентрирования используют химические, физические и физико-химические методы, разработка которых тоже является задачей аналитической химии.

Нередко в практике химического  анализа применяемый метод обнаружения  или определения  нужных компонентов  не обеспечивает надежных результатов  без предварительного устранения влияния  мешающих компонентов (в том числе и основных, составляющих «матрицу» анализируемого образца). Устранить мешающие компоненты можно двумя способами. Один из них – маскирование – перевод мешающих компонентов в такую форму, которая уже не оказывает мешающего влияния. Эту операцию можно провести непосредственно в анализируемой системе, причем мешающие компоненты остаются в этой же системе, например в том же растворе.

Маскирование не всегда удается осуществить, особенно при  анализе многокомпонентных смесей. В этом случае используют другой способ – разделение веществ (или концентрирование)

Большинство аналитических  методов недостаточно селективны (избирательны), т. е. обнаружению и количественному  определению данного вещества могут  мешать другие вещества, присутствующие в анализируемом объекте. Для устранения этого влияния используют методы разделения анализируемой смеси или выделения из нее определяемого вещества. Разделение заключается в разъединении анализируемой смеси на группы веществ, одна из которых кроме определяемого вещества должна содержать только те компоненты смеси, которые не мешают анализу. Если это не помогает, то применяют выделение определяемого вещества. Оно основано на извлечении этого вещества из смеси в чистом виде или в виде соединения известного химического состава.

В случае, когда концентрация определяемого вещества меньше предела обнаружения данного метода или меньше нижней границы его рабочего диапазона, то применяют концентрирование определяемого вещества. Концентрирование - это повышение отношения концентрации (или количества) определяемого микрокомпонента к концентрации (или количеству) макрокомпонента. Различают абсолютное и относительное концентрирование. При абсолютном концентрировании определяемое вещество собирают в меньшем объеме или массе анализируемой смеси, а при относительном - выделяют из смеси так, чтобы отношение его концентрации к концентрации неотделившихся примесей увеличилось.

Электролиз - это совокупность методов разделения и анализа растворов электролитов, основанная на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции под действием пропускаемого через электролит электрического тока, с выделением продуктов электролиза на электродах. Разделение основано на различной способности веществ выделяться на электродах в зависимости от величины тока или напряжения электролиза.

Электрофорезом называется движение заряженных диспергированных (раздробленных) частиц в жидкости под действием электрического поля. Разделение основано на различной подвижности частиц различных веществ в электрическом поле постоянного тока.

Электродиализ - это ускоренная форма диализа, основанного на разделении растворенных частиц, значительно различающихся между собой размерами и массой, с помощью полупроницаемой мембраны. При электродиализе скорость движения частиц через мембрану задается электрическим полем. Для его создания по обе стороны мембраны помещаются электроды, на которые подается внешнее напряжение. Например, с помощью электродиализа можно отделить примеси электролитов от чистого растворителя, используя мембрану проницаемую для ионов электролита.[2]

 

 

Электрохимические методы разделения

Электролиз

Электролитическое выделение и цементация. Наиболее распространен метод электровыделения, при котором отделяемое или концентрируемое вещество выделяют на твердых электродах в элементном состоянии или в виде какого-то соединения. Электролитическое выделение (электролиз) основано на осаждении вещества электрическим током при контролируемом потенциале. Наиболее распространен вариант катодного осаждения металлов; анодное осаждение, например, в форме оксидов PbO₂, используют редко. Материалом электродов могут служить углерод (графит, стеклоуглерод), платина, серебро, медь, вольфрам, сплавы платины с иридием.

Часто выделение проводят на ртутном  микрокатоде. Состав выделяемого соединения зависит от условий электровыделения, свойств компонентов и материала электрода. Например, при потенциалах 5-40 мВ на графитовом электроде некоторые элементы выделяются в элементном состоянии (Ag, Bi, Cd, Cu, Pb), часть в виде оксидов (Co, Cr, Fe, Mn), гидроксидов или сплавов элементов (Ba, Ca, Mg, Mo, Ti, V). Если платина – катод, то выделяются металлы Ni, Ag, Bi, Cd, Co, Pb, Tl, если анод – оксиды Co, Pb, Tl, Ni.

Существуют различные  варианты метода. В одном из них подбором соответствующей среды, состава раствора и потенциала селективно выделяют нужный компонент; в другом, варьируя потенциал в широких пределах, - группу компонентов, а затем уже определяют их содержание селективными методами. Наиболее распространено сочетание с атомно-абсорбционной и атомно-эмиссионной спектроскопией, рентгенофлуоресцентным анализом. Так, после концентрирования As, Cd, Fe, Hg, Ni, Pb, Sb, Sr и Zn электроосаждением эти элементы можно определять рентгенофлуоресцентным методом с пределом обнаружения n*10^-7%.

Полного разделения удается достичь, когда определяемый компонент отделяется от электрохимически неактивных веществ (NaCl, AlCl₃ и т.д.) или веществ, не способных выделяться на катоде (органические соединения).

При концентрировании микрокомпонентов более удобен вариант электролитического выделения микрокомпонентов, чем компонентов матрицы. В этих условиях уменьшаются потери микрокомпонентов, которые возможны при выделении матрицы за счет механического захвата, а также из-за образования твердых растворов и интерметаллических соединений. Микрокомпоненты выделяют полностью или частично. Так как в большинстве случаев необходимая полнота выделения микрокомпонентов достигается только за длительное время электролиза, то ограничиваются частичным выделением микрокомпонентов. В этом случае необходимо, чтобы степень выделения микрокомпонента не зависела от его концентрации в растворе за выбранный интервал времени электролиза. На практике это условие часто не выполняется. Так, при электролизе на тонких угольных дисках степень выделения Co, Cr, Fe, Mn в виде оксидов, а также Ba, Cа, Mg, Mo, Ti в виде оксидов, гидроксидов и сплавов при изменении их содержания от 1*10^-7 до 1*10^-5 г уменьшается в 2-5 раз.

Электролитическое выделение в большинстве случаев составляет неотъемлемую стадию инверсионных методов электроаналитической химии, из которых наиболее распространена инверсионная вольтамперометрия. В случае инверсионных электроаналитических методов анализа стадию предварительного электровыделения сочетают с последующими электрохимическими же превращениями концентрата, выделенного на ртутных или твердых электродах. Определение заключается в растворении ранее выделенного на поверхности электрода вещества. Так как концентрация определяемого вещества на стационарном электроде во много раз выше, чем в первоначальном растворе, то ток, протекающий при растворении, значительно выше максимального тока до концентрирования этим методом достигается определение концентрации веществ в интервале 10^-7-10^-8 М.

Электровыделение может осуществляться не только при выделении матрицы или примесей, но и при растворении электрохимически активной матрицы.

Метод цементации (называемый также внутренним электролизом) заключается в восстановлении компонентов (обычно малых количеств) на металлах с достаточно отрицательными потенциалами (алюминий, цинк, магний) или на амальгамах электроотрицательных металлов. При цементации происходят одновременно два процесса: катодный (выделение компонента) и анодный (растворение цементирующего металла). В качестве примера можно привести выделение микроэлементов из вод на металлах-цементаторах (Al, Mg, Zn), обладающих простыми эмиссионными спектрами, поэтому последующее атомно-эмиссионное определение микроэлементов непосредственно в концентрате легко осуществляется.

 

Электрофорез 

Этот метод основан на различиях в скоростях движения частиц разного заряда, формы и размера в электрическом поле. Скорость движения υ зависит от заряда, напряженности поля и радиуса частиц:

υ =zH/6πrη,

где η- вязкость среды.

Для растворов следует  использовать эффективный радиус частицы а_i, равный r+l (l-толщина гидратной оболочки), и эффективный заряд z^’, который меньше заряда иона вследствие ионной атмосферы. Скорость движения частицы характеризуется подвижностью, т.е. расстоянием, проходимым за одну секунду под действием электрического поля напряженностью 1 В/см.

Различают два варианта электрофореза: фронтальный (простой) и зонный (на носителе). В первом случае небольшой объем раствора, содержащего  разделяемые компоненты, помещают в  трубку с раствором электролита. Во втором случае передвижение происходит в стабилизирующей среде, которая удерживает частицы на местах после отключения электрического поля (рис.1).

Рис1.  Электрофоретическое  разделение на бумаге:

а- установка для электрофореза (1-старт, 2-буферный раствор, 3-полоска бумаги); б- полоска носителя (А, B,C,D- зоны разделяемых веществ); в- кривая количественной оценки

На скорость движения частиц сильно влияет состав раствора, в частности рН, что используют для повышения селективности. Главная  область применения электрофореза -  биохимический анализ (разделение белков, нуклеиновых кислот, ферментов, алкалоидов).

Современный вариант  метода – капиллярный электрофорез - интенсивно развивался с начала 80-х  годов. Это было обусловлено существенным уменьшением внутреннего диаметра разделяющего капилляра (до 50-100 мкм) и переходом к прямому спектрофотометрическому детектированию компонентов непосредственно в капилляре. К основным достоинствам метода следует отнести: его высокую эффективность – следствие плоского профиля движения жидкости в капилляре, в отличие от параболического профиля движения жидкости под давлением; простоту аппаратурного оформления – разделение возможно проводить при наличии источника высокого напряжения (15-30 кВ), капилляра и спектрофотометрического детектора.

 Метод капиллярного  электрофореза постоянно совершенствуется. Предложены методы разделения  нейтральных молекул, ионов с  одинаковой электрофоретической  подвижностью. Для этого используют  взаимодействия разделяемых компонентов  с «псевдонеподвижной» мицеллярной фазой в буферном электролите (мицеллярная электрокинетическая хроматография). Для повышения чувствительности определения используют другие способы детектирования: флуоресцентное, электрохимическое, масс-спектрометрическое.[1]

Электрофорез применяют в физиотерапии, для окраски автомобилей, в химической промышленности, для осаждения дымов и туманов, для изучения состава растворов и др. Электрофорез является одним из наиболее важных методов для разделения и анализа компонентов веществ в химии, биохимии и молекулярной биологии.

Электрофорез в физиотерапии

Лечебное вещество наносится  на прокладки электродов и под  действием электрического поля проникает  в организм через кожные покровы (в терапии, неврологии, травматологии  и др.) или слизистые оболочки (в стоматологии, ЛОР, гинекологии  и др.) и влияет на физиологические и патологические процессы непосредственно в месте введения. Электрический ток также оказывает нервно-рефлекторное и гуморальное действие.

Преимущества  лечебного электрофореза:

• введение малых, но достаточно эффективных доз действующего вещества;
• накопление вещества и создание депо, пролонгированность действия;
• введение в наиболее химически активной форме — в виде ионов;
• возможность создания высокой местной концентрации действующего вещества без насыщения им лимфы, крови и других сред организма;
• возможность введения вещества непосредственно в очаги воспаления, блокированные в результате нарушения локальной микроциркуляции ;
• лечебное вещество не разрушается;
• слабый электрический ток благоприятно влияет на реактивность и иммунобиологический статус тканей.

Противопоказания  к проведению электрофореза: острые гнойные воспалительные заболевания, СН II-III степени, ГБ III стадии, лихорадка, тяжелая форма бронхиальной астмы, дерматит или нарушение целостности кожи в местах наложения электродов, злокачественные новообразования. Учитываются противопоказания для лечебного вещества. Вещества, используемые при электрофорезе, по способу введения разделяются на: