פוטנציומטריה

פוטנציומטריה היא שיטה אלקטרו-אנליטית לניתוח כמותי המתבצעת תוך הימנעות מזרימת זרם חשמלי, ועושה שימוש בתלות של מתח המעגל הפתוח (היסטורית: כוח אלקטרו-מניע, כא"מ) בריכוז החומר.

בטיטרציה פוטנציומטרית (אנליזה נפחית עם אינדיקציה פוטנציומטרית), אלקטרודת אינדיקטור (למשל אלקטרודת pH, אלקטרודת חיזור) נטבלת בתמיסת האנליזה, ושינוי הפוטנציאל מפוקח כתלות בנפח המוסף של תמיסת המגיב (הטיטרנט). בנקודה האקוויוולנטית (נקודת שקילות), הריכוז משתנה באופן חד, וכתוצאה מכך גם מתח המעגל הפתוח והפוטנציאל משתנים בחדות.

באמצעות פוטנציומטריה ניתן לבצע טיטרציות חומצה, בסיס, חיזור, תגובת שיקוע וקומפלקסציה, וכן לקבוע קבועי דיסוציאציה ומכפלות מסיסות. ניתן לטטר באופן פוטנציומטרי תמיסות צבועות או עכורות. בעזרת אלקטרודות pH, ניתן לבצע טיטרציות חומצה-בסיס גם בתמיסות דלילות מאוד (10⁻⁴ מול חומצה/בסיס).

הפוטנציומטריה הוצגה לראשונה בשנת 1893 על ידי הכימאי הגרמני רוברט בהרנד (אנ').

תהליכים

אלקטרודות אינדיקטור פוטנציומטריות, כגון אלקטרודות זכוכית למדידת pH ואלקטרודות חיזור, זמינות כיום בקלות. באמצעות אלקטרודות אלו ניתן לקרוא מיד את ערך ה-pH או את פוטנציאל החיזור.

מלבד שתי אלקטרודות אלו, קיימות גם אלקטרודות המגיבות לאקטיביות (אנ') של סוג יון מסוים – אלקטרודה סלקטיבית ליונים (אנ') (ISE). לדוגמה, באמצעות אלקטרודת כסף/סולפיד הכסף (אנ') ניתן לקבוע יוני הליד, סולפיד, ציאניד, תיוציאנט (אנ') או כרומט על ידי טיטרציה עם תמיסת כסף חנקתי מכוילת.

באמצעות אלקטרודות ממברנה נוזלית ניתן לקבוע ריכוזי יונים של אשלגן, מגנזיום, סידן או ניטראט.

ניתן להשתמש באלקטרודות סלקטיביות ליונים גם לטיטרציות קומפלקסומטריות. כטיטרנט (החומר המגיב) משמשת בעיקר EDTA (אתילן-דו-אמין-4-חומצה אצטית).

נהוג להשתמש בפוטנציומטריה בשתי שיטות עיקריות:

שיטת האינדיקציה: מהווה צורה מיוחדת של טיטרציה. בשיטה זו מתעדים את השינוי בכוח האלקטרו-מניע במהלך הטיטרציה ולאחר מכן קובעים את הנקודה האקוויוולנטית. שיטה זו מיושמת כאשר לא ניתן לבצע טיטרציה רגילה, למשל כי לא קיים אינדיקטור מתאים, או כשהתמיסה עכורה או צבעונית מדי מכדי שניתן יהיה להבחין בנקודת המעבר (שינוי הצבע).
שיטת הקביעה: מבוססת על קביעת ריכוז על ידי מדידת הפוטנציאל האלקטרוכימי המתאים; הפיענוח מתבצע באמצעות עקומת כיול שהוכנה באותו מערך מדידה (פוטנציומטריה ישירה).

מערך הניסוי

EMK – כוח אלקטרו-מניע
באדום – אלקטרודת המדידה
בצהוב – אלקטרודת הייחוס (אלקטרודה בעלת פוטנציאל קבוע)
בכחול – תמיסת הדגימה

בעבר, נבנה תחילה תא גלווני המורכב משתי אלקטרודות – אלקטרודת המדידה ואלקטרודת הייחוס – וכן מתמיסת הדגימה ששימשה כאלקטרוליט. ההפרש בין הפוטנציאלים האלקטרוכימיים של שתי האלקטרודות נותן את מתח המעגל הפתוח $U_{0}$ (כא"מ), אשר ניתן למדידה באמצעות מד מתח:

U_{0} = E_{1} - E_{2}

הפוטנציאל של אלקטרודת ייחוס (אנ') ידוע בדיוק רב והוא קבוע. בדרך כלל משתמשים לשם כך באלקטרודה מסוג שני. בפועל, לרוב מדובר באלקטרודת קלומל (אנ') או באלקטרודת כסף-כלוריד הכסף (אנ').

בחירת אלקטרודת המדידה תלויה מאוד בסוג הטיטרציה. נהוג להשתמש ב:

אלקטרודת פלטינה – עבור טיטרציית חיזור (Redox).
אלקטרודה סלקטיבית ליונים או אלקטרודת כסף מותאמת – עבור קביעה קומפלקסומטרית.
אלקטרודת זכוכית – עבור טיטרציית חומצה-בסיס.
אלקטרודת כסף – עבור ארגנטומטריה (טיטרציית שיקוע עם כסף).

אלקטרודת המדידה נטבלת בתמיסת הדגימה ועליה להגיב ליון שאותו מבקשים לקבוע; כלומר, הפוטנציאל של אלקטרודה זו חייב להיות תלוי בריכוז היון הנבדק. תלות זו מתוארת על ידי משוואת נרנסט.

במהלך הניסוי יש להקפיד שהמדידה תתבצע ללא זרם, שכן אחרת הפוטנציאלים יעוותו עקב אלקטרוליזה. לפיכך, השתמשו בעבר במעגל פיצוי מתח לצורך המדידה.

עיבוד נתונים

עיבוד הנתונים מתבצע באמצעות קביעת הנקודה האקוויוולנטית. הדרך הטובה ביותר לזהות אותה היא על ידי הצגת הנגזרת הראשונה של עקומת הטיטרציה בגרף של פונקציה: המקסימום מציין את הנקודה האקוויוולנטית.

עבור עקומת הטיטרציה משרטטים:

על ציר ה-x: נפח התמיסה המטוטרת במיליליטר (ml).
על ציר ה-y: הפוטנציאל הנמדד במיליוולט (mV).

כאשר רוצים לחשב הרכב כימי מסוים, יש להשתמש בשתי נוסחאות:

$n = c \cdot V \cdot f$ , כאשר:
$n$ = כמות החומר (במולים)

$c$ = ריכוז במול לליטר (mol/l)

$V$ = נפח הטיטרציה בליטרים (l)

$f$ = פקטור הטיטר (אם אינו ידוע, מציבים $f$ =1)
$m = n \cdot M$ כאשר:
$m$ = מסה בגרמים (g)

$M$ = מסה מולרית בגרם למול (g/mol)

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

פוטנציומטריה42453688Q900632