İçeriğe atla

Voltametri

Doğrusal potansiyel tarama

Voltametri, analitik kimyada ve çeşitli endüstriyel işlemlerde kullanılan elektroanalitik yöntemlerin bir altdalıdır. Voltametride, potansiyel değiştirilirken buna bağlı olarak değişen akımın ölçülmesi ile analit hakkında bilgi elde edilir.[1][2] Voltametrik bir deney için analitik veriler, analit tarafından üretilen akımı, çalışma elektrodunun potansiyeline karşı çizilmesi ile voltamogram denilen biçimde elde edilir.[3]

Üç elektrot sistemi

Anodik sıyırma voltametrisi nde zamana bağlı potansiyel değişimi
Üç elektrotlu kurulum: (1) çalışma elektrodu; (2) karşıt elektrot; (3) referans elektrodu

Voltametri deneyleri bir analitin yarı hücre etkinliğini araştırır. Voltametri, uygulanan potansiyelin bir fonksiyonu olarak akımın incelenmesidir. Bu eğrilere I = f (E) voltamogram denir. Potansiyel keyfi olarak adım adım veya sürekli olarak değiştirilir ve gerçek akım değeri bağımlı değişken olarak ölçülür. Bunun tersi olan amperometri de mümkündür, ancak voltametri kadar yaygın değildir. Eğrilerin şekli, potansiyel değişimin hızına (itici gücün doğası) ve çözeltinin karıştırılıp karıştırılmamasına veya hareketsiz kalmasına (kütle aktarımı) bağlıdır. Çoğu deneyde, elde edilen akım (amper ) ölçülürken bu sırada analit ile temas eden bir elektrodun potansiyeli (volt ) kontrol edilir.[4]

Voltametri deneyi yapmak için en az iki elektrot gerekir. Analit ile temas eden çalışma elektrodu, istenen potansiyeli kontrollü bir şekilde uygulamalı ve devreden geçen yükün analite ve analitten devreye transferini kolaylaştırmalıdır. İkinci bir elektrot, hücrenin diğer yarısı gibi davranır. Bu ikinci elektrot, çalışma elektrodunun potansiyelini ölçmek için bilinen bir potansiyele sahip olmalıdır, ayrıca çalışma elektrodu tarafından giren veya çıkan yükü dengelemelidir. Bu düzenek uygun bir kurulum olsa da, bir takım eksiklikleri vardır. En önemlisi, bir elektrodun, çalışma elektrodundaki karşı indirgenme olaylarına bağlı akım geçişi gerçekleşirken sabit bir potansiyeli sürdürmesi son derece zordur.

Bu sorunu çözmek için, elektron sağlama ve bir referans potansiyeli oluşturma işlemleri iki ayrı elektrot arasında bölünür. Referans elektrot, bilinen bir indirgeme potansiyeline sahip bir yarım hücredir. Tek rolü, çalışan elektrotun potansiyelini ölçmek ve kontrol etmek için referans olarak hareket etmektir ve hiçbir noktasından herhangi bir akım geçmez. Bu sırada Yardımcı elektrot, çalışan elektrotta gözlemlenen akımı dengelemek için gereken tüm akımı geçirir. Bu akımı elde etmek için, yardımcı elektrod genellikle çözücü penceresinin kenarlarındaki aşırı potansiyele salınır, burada çözücü veya destekleyici elektroliti oksitler veya azaltır. Bu elektrotlar, çalışma, referans ve yardımcı modern üç elektrot sistemini oluşturur.

Daha fazla elektroda sahip birçok sistem vardır, ancak tasarım prensipleri genellikle üç elektrot sistemiyle aynıdır. Örneğin, döner halka disk elektrot, potansiyelleri birbirinden bağımsız olarak taramak veya tutmak için kullanılabilen iki farklı ve ayrı çalışma elektroduna, bir diske ve bir halkaya sahiptir. Bu elektrotların her ikisi de toplam dört elektrot tasarımı için tek bir referans ve yardımcı kombinasyon ile dengelenir. Daha karmaşık deneyler, gerektiğinde ve bazen referans veya yardımcı elektrotlar gibi çalışan elektrotlar ekleyebilir.

Uygulamada, bilinen boyutlara ve yüzey özelliklerine sahip çalışan bir elektrotun olması önemli olabilir. Sonuç olarak, çalışma elektrotları düzenli olarak temizlemek ve cilalamak yaygındır. Yardımcı elektrodun materyali, analit çözeltisi içeriği ile reaksiyona girmediği ve iyi iletken olduğu sürece hemen hemen her şey olabilir. Cıvanın çalışma elektrotu olarak kullanılması yaygındır (veya?) DME ve HMDE ve ayrıca yardımcı olarak ve voltametri yöntemi polarografi olarak bilinir. Referans, üç elektrodun en kompleksidir; kullanılan çeşitli standartları vardır ve başka bir yerde araştırmaya değer. Sulu olmayan çalışmalar için, IUPAC, ferrocene / ferrocenium çiftinin dahili bir standart olarak kullanılmasını önerir. Voltametri deneylerinin çoğunda, çözelti direncini en aza indirmek için bir yığın elektrolit (destekleyici elektrolit olarak da bilinir) kullanılır. Toplu bir elektrolit olmadan bir deney yapmak mümkündür, ancak eklenen direnç sonuçların doğruluğunu büyük ölçüde azaltır. Oda sıcaklığında iyonik sıvılar ile, çözücü elektrolit görevi görebilir.

Teori

Veri analizi, voltametrinin zamansal bileşeni nedeniyle termodinamiğe ek olarak kinetiklerin de dikkate alınmasını gerektirir. Nernst denklemi gibi idealize edilmiş teorik elektrokimyasal termodinamik ilişkiler bir zaman bileşeni olmadan modellenmiştir. Bu modeller voltametrinin dinamik yönlerini tanımlamak için tek başına yeterli olmasa da, Tafel denklemi ve Butler-Volmer denklemi gibi modeller teoriyi gözlemlenen sonuçlarla ilişkilendiren değiştirilmiş voltametri ilişkilerinin temelini atmaktadır.

Voltametri türleri

  • Doğrusal tarama voltametrisi
  • Merdiven voltametrisi
  • Kare dalga voltametrisi
  • Döngüsel voltametri - Difüzyon katsayılarını ve yarı hücre azaltma potansiyelini belirlemek için kullanılabilecek voltametrik bir yöntemdir.
  • Anodik sıyırma voltametrisi - Metal katyonlarının iz analizi için kantitatif, analitik bir yöntem. Analit, bir bırakma basamağı sırasında çalışan elektrot üzerine biriktirilir (elektroliz edilir ) ve daha sonra sıyırma basamağı sırasında oksitlenir. Akım, sıyırma adımı sırasında ölçülür.
  • Katodik sıyırma voltametrisi - Anyonların eser analizinde kantitatif, analitik bir yöntem. Cıva elektrodunu oksitleyen ve anyonların çözünmeyen çökeltilerini oluşturan pozitif bir potansiyel uygulanır. Negatif bir potansiyel daha sonra biriken filmi çözeltiye indirir (şeritler).
  • Adsorptif sıyırma voltametrisi - İz analizi için kantitatif, analitik bir yöntem. Analit sadece elektrot yüzeyinde adsorpsiyonla (yani elektroliz olmadan) biriktirilir, daha sonra analitik sinyal vermek için elektrolize edilir. Kimyasal olarak modifiye edilmiş elektrotlar sıklıkla kullanılır.
  • Alternatif akım voltametrisi
  • Polarografi - çalışma elektrodunun geniş bir katodik aralığı ve yenilenebilir yüzeyi için yararlı olan bir düşme cıva elektrodu (DME) olduğu bir voltametri alt sınıfı.
  • Döndürülmüş elektrot voltametri - bir hidrodinamik teknik çalışma ki burada elektrot, genellikle bir döner disk elektrot (RDE) ya da halka disk elektrot döner (RRDE), çok yüksek bir hızda döndürülür. Bu teknik, yarım reaksiyon için kinetikleri ve elektrokimyasal reaksiyon mekanizmasını incelemek için yararlıdır.
  • Normal nabız voltametrisi
  • Diferansiyel nabız voltametrisi
  • kronoamperometri

Tarih

Voltametrinin başlangıcı 1922'de Nobel Ödülü kazanan kimyager Jaroslav Heyrovský tarafından polarografinin keşfi ile kolaylaştırıldı. Erken voltametrik tekniklerin, analitik kimyada günlük kullanım için uygulanabilirliklerini sınırlayan birçok sorunu vardı. Polarografide bu problemler, cıvanın +0.2'den daha pozitif bir potansiyelde okside olduğu gerçeğini içeriyordu, bu da potansiyelin pozitif bölgesindeki analitlerin sonuçlarını analiz etmeyi zorlaştırmaktadır. Başka bir sorun, elektrot yüzeyinin büyük kapasitansının yüklenmesinden elde edilen artık akımı içerir.[5] Heyrovsky, 1922'de uygulanan potansiyel üzerine düşen cıva elektrodundan akan akıma ilk bağımlılığı ilk kaydettiğinde, noktadan noktaya ölçümler yaptı ve bir akım-voltaj eğrisi çizdi. Bu ilk polarogram olarak kabul edildi. Bu süreci kolaylaştırmak için, M. Shikata ile şimdi bir polarograf olarak bilinen şeyi inşa etti ve birkaç saat içinde aynı eğriyi fotoğrafsal olarak kaydetmesini sağladı. Potansiyelin ve kontrolünün önemini kabul etti ve sınırlayıcı akımları ölçme fırsatlarını da tanıdı. Ayrıca modern bir araç olarak cıva elektrodunu düşürmenin önemli bir parçasıydı.

1942'de Archie Hickling, elektrokimya alanında bir ilerleme olan ilk üç elektrot potansiyostatını inşa etti. Bu potansiyostatı bir elektrodun voltajını kontrol etmek için kullandı. Bu arada, 1940'ların sonlarında Kenneth Cole, voltaj kelepçesi olarak adlandırdığı elektronik bir devre icat etti. Gerilim kelepçesi sinirlerdeki iyonik iletimi analiz etmek için kullanıldı.

1960'lar ve 1970'ler, bilgisayar eklenmiş ve kontrollü sistemlerin teorisi, enstrümantasyonu ve tanıtımında birçok ilerleme gördü. Cıva elektrotlarında modern polarografik ve voltametrik yöntemler üç bölümde ortaya çıkmıştır.

İlk bölüm cıva elektrotlarının gelişimini içerir. Aşağıdaki elektrotlar üretildi: damlayan cıva elektrodu, cıva buharlama elektrodu, asılı cıva damla elektrodu, statik cıva damla elektrodu, cıva film elektrodu, cıva amalgam elektrotları, cıva mikroelektrotları, kimyasal olarak değiştirilmiş cıva elektrotları, kontrollü büyüme cıva elektrotları ve büzülebilir cıva damla elektrotları .

Kullanılan ölçüm tekniklerinde de bir ilerleme oldu. Bu ölçüm teknikleri şunları içerir:  : klasik DC polarografi, osilopolarografi, Kalouşsek'in değiştiricisi, AC polarografisi, tat polarografisi, normal nabız polarografisi, diferansiyel nabız polarografisi, kare dalga voltametrisi, döngüsel voltametri, anodik sıyırma voltametrisi, konveksiyon teknikleri ve eliminasyon yöntemleri.

Son olarak, cıva elektrotlarının hassasiyetini arttıran ön konsantrasyon tekniklerinde de bir ilerleme olmuştur. Bu, anodik sıyırma voltametrisi, katodik sıyırma voltametrisi ve adsorptif sıyırma voltametrisinin gelişmesiyle ortaya çıktı.

Bu gelişmeler hassasiyeti artırdı ve endüstrinin rutin analitik çalışmada etkili bir şekilde kullanılabilecek daha ucuz potansiyostat, elektrotlar ve hücrelerin üretimine yanıt vermesini sağlayan yeni analitik yöntemler yarattı.

Endüstride ve araştırmayla ilgilenen belirli türlerin belirlenmesi için ticari olarak bir dizi voltametrik sistem üretilmektedir. Bu cihazlar bazen elektrotlar olarak adlandırılır, ancak aslında tam voltametrik hücrelerdir ve daha iyi sensörler olarak adlandırılır. Bu sensörler, çeşitli matrislerdeki çeşitli organik ve inorganik analitlerin analizi için kullanılabilir.

Oksijen elektrodu

Deniz suyu, kan, kanalizasyon, kimyasal bitkilerden ve topraktan kaynaklanan çeşitli sulu ortamlarda çözünmüş oksijenin belirlenmesi endüstri, biyomedikal ve çevresel araştırmalar ve klinik tıp için büyük önem taşımaktadır. Bu tür ölçümleri yapmak için en yaygın ve kullanışlı yöntemlerden biri, 1956'da LC Clark, Jr. tarafından patentli Clark oksijen sensörüdür .

Ayrıca bakınız

  • Neopolarogram

Kaynakça

  1. ^ Peter Kissinger; William R. Heineman (23 Ocak 1996). Laboratory Techniques in Electroanalytical Chemistry, Second Edition, Revised and Expanded (İngilizce). CRC Press. ISBN 0-8247-9445-1. 
  2. ^ Cynthia G. Zoski (2007). Handbook of Electrochemistry (İngilizce). Elsevier. ISBN 0-444-51958-0. 
  3. ^ Daniel C. Harris (29 Mayıs 2015). Quantitative Chemical Analysis (İngilizce). W. H. Freeman. ISBN 978-1-4641-3538-5. 
  4. ^ Allen J. Bard; Larry R. Faulkner (18 Aralık 2000). Electrochemical Methods (İngilizce). Wiley. ISBN 0-471-04372-9. 
  5. ^ Kounaves, Samuel. "Voltammetric Techniques". Tufts University Department of Chemistry

Konuyla ilgili yayınlar

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Bakır</span> Atom numarası 29 olan, 1B geçiş grubundaki metalik element

Bakır, Cu sembollü ve 29 atom sayılı bir kimyasal elementtir. Çok yüksek termal ve elektrik iletkenliği olan yumuşak, dövülebilir ve sünek bir metaldir. Yeni açığa çıkmış saf bakır yüzeyi pembemsi-turuncu renklidir. Bakır, ısı ve elektrik iletkeni olarak yapı malzemelerinde, çeşitli metal alaşımların bileşiminde, som gümüş gibi kuyumculukta, kupronikel denizcilik donanımı ve madenî para yapımında ve konstantan yük ölçerlerde ve sıcaklık ölçen termokupllarda kullanılır.

Katodik koruma, bir tür metal koruma metodu.

Elektrokardiyografi (EKG), kalp kasının ve sinirsel iletim sisteminin çalışmasını incelemek üzere kalpte meydana gelen elektriksel faaliyetin kaydedilmesi işlemidir. Bu kayıt ile elde edilen grafiğe elektrokardiyogram (EKG), kullanılan alete de elektrokardiyograf denir. Bir akım yükselteci (amplifikatör) tarafından yükseltilen gerilimler genellikle ısıya duyarlı kâğıt üzerine kaydedilir.

<span class="mw-page-title-main">Elektrik akımı</span> elektrik yükü akışı

Elektrik akımı, elektriksel akım veya cereyan, en kısa tanımıyla elektriksel yük taşıyan parçacıkların hareketidir. Bu yük genellikle elektrik devrelerindeki kabloların içerisinde hareket eden elektronlar tarafından taşınmaktadır. Ayrıca, elektrolit içerisindeki iyonlar tarafından ya da plazma içindeki hem iyonlar hem de elektronlar tarafından taşınabilmektedir.

<span class="mw-page-title-main">Lityum iyon pil</span> şarj edilebilir pil türü

Bir lityum-iyon veya Li-iyon pil, enerji depolamak için lityum iyonlarının tersine çevrilebilir indirgemesini kullanan şarj edilebilir pil türüdür. Geleneksel lityum iyon pilinin anodu genelde karbon'dan yapılan grafit'tir. Katot genellikle metal oksit'tir. Elektrolit genelde bir organik çözücü içindeki lityum tuz'udur.

<span class="mw-page-title-main">Elektroforez</span>

Elektroforez, bir elektrik alanın etkisi altında yüklü parçacıkların (iyonların) göçünü ve ayrılmasını tanımlayan genel bir terimdir. Bu teknoloji, nükleik asitlerin ayrıştırılması ve analizi için önem taşımaktadır. Nükleik asitlerin elektroforezi, klonlanmış DNA fragmanlarının izolasyonu ve manipülasyonu için laboratuvar tezgahında rutin olarak kullanılmaktadır. Ek olarak, nükleik asitlerin hücrelerdeki ve dokulardaki rolünü ve etkileşimini değerlendiren birçok moleküler biyoloji protokolünün kritik bir bileşenidir. Nükleik asit elektroforezi, mevcut genom dizileme çağında özel bir önem kazanmıştır. Bu uygulama, nükleik asit analizinin hızı ve doğruluğunu yansıtacak şekilde gelişmiştir.

<span class="mw-page-title-main">Alessandro Volta</span>

Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta elektriğin ve gücün öncüsü, pilin mucidi ve metan gazını keşfiyle tanınan İtalyan fizikçi ve kimyager.

Elektrokimya, kimya biliminin bir alt dalı olup elektronik bir iletken ile iyonik bir iletken (elektrolit) arayüzeyinde gerçekleşen reaksiyonları inceler. Elektrokimyada amaç kimyasal enerji ve elektrik enerjisi arasındaki değişimi incelemektir.

<span class="mw-page-title-main">Henry Cavendish</span>

Henry Cavendish, İngiliz kimyager ve fizikçi. Çok çeşitli alanlarda gerçekleştirdiği deneylerle, havanın bileşimi, hidrojenin niteliği ve özellikleri, bazı cisimlerin özgül ısıları, suyun bileşimi ve elektriğin çeşitli özellikleri gibi konularda buluşlar yapmıştır. Cavendish deneyi olarak adlandırılan bir yöntemle Dünya'nın kütlesini ve yoğunluğunu ölçmüştür.

Elektrofizyoloji, vücuttaki merkezi sinir sistemi ve beyindeki sinir hücrelerinin elektrik hareketlerini inceleyen bilim dalı. İnsan ve hayvan deneyleri aracılığıyla, elektrod uçlarının hücre zarı içine ya da dışına yaklaştırılmasıyla ölçümler yapılmasına dayanır. Kafa dışına yerleştirilen elektrodlarla yapılan ölçümlere Elektroensefalografi (EEG) adı verilir.

<span class="mw-page-title-main">Voltaik pil</span> devreye devamlı elektrik akımı sağlayan ilk batarya

Voltaik pil, devreye devamlı elektrik akımı sağlayan ilk batarya. Alessandro Volta’nın icadıdır. Volta 1800’de voltaik pili yayınlamıştır. Daha sonra voltaik pilin hızlı keşifler serisini etkin kılındı. Bu keşiflere Willam Nicholson ve Anthony Carlise tarafından yapılan (1800), oksijen ve hidrojenin suyun içindeki elektrolizi ve Humphry Davy tarafından keşfedilen, sodyum (1807), potasyum (1807), kalsiyum (1808), baryum (1808), stronsiyum (1808), magnezyum (1808) kimyasal elementler dâhildir. 19. yüzyıl boyunca, elektrik endüstrisi Volta tarafından geliştirilen pillerle güçlendi. Bu dönem dinamonun gelişmesine(1970) kadar devam etti. Volta, Luigi Galvani’nin 1780'lerdeki 2 metal ve kurbağa bacağı kullanarak yaptığı keşfi geliştirerek, iki metal ve tuzlu su ile ıslatılmış bezden veya kartondan bir devre düzenleyip akım üretmiştir (1794). 1800'lerde volta elektrolit iletkenliğini artırmak için bez ve kartonun yerine bakır ve çinko diskler kullanmıştır.

<span class="mw-page-title-main">Pil tarihi</span>

Yaklaşık 19.yüzyılın sonlarında, elektrikli jeneratörlerin ve elektrikli güç kaynaklarının geliştirilmesinden önce ana elektrik kaynağını piller sağlamaktaydı. Batarya teknolojisinde art arda gelen yenilikler, ilk bilimsel çalışmalardan tutun da, telgraf ve telefonların yükselişini ve nihayet portatif bilgisayarları, cep telefonların, elektrikli arabaları ve diğer birçok elektrikli aletler de dahil elektrik alanındaki başlıca gelişmeleri kolaylaştırmıştır.

<span class="mw-page-title-main">Süper kapasitör</span> Elektronik

Bir süper kapasitör (SC), bazen ultracapacitor, olarak bilinir ve yüksek kapasiteli bir elektrokimyakapasitorü ile kapasitans değerleri 10.000’de = 1.2 volt köprü boşluğu arasında elektrolitik kapasitörler ve piller ile şarj edilebilir. Onlar genellikle birim hacim başına 10 ila 100 kat daha fazla enerji veya elektrolitik kapasitörler daha kütle mağaza, kabul ve şarj çok daha hızlı pil vermekle kalmaz ve çok daha fazla şarj ve şarj edilebilir pillere göre daha fazla yükleme ve boşaltma yapabilir. Ancak belirli şartlar altında geleneksel pillere göre 10 kat daha büyüktür.

<span class="mw-page-title-main">Enstrümental kimya</span>

Enstrümental analiz, analitleri bilimsel aletler (enstrümanlar) kullanarak inceleyen analitik kimya alanı.

<span class="mw-page-title-main">Kütle spektrometrisi</span> Kütle ölçer

Kütle spektrometrisi, İngilizce: Mass spectrometry (MS), kimyasal türleri iyonize edip oluşan iyonları Kütle-yük oranını esas alarak sıralayan bir analitik teknik. Daha basit terimler ile, bir kütle spektrumu bir numunen içindeki kütleleri ölçer. Kütle spektrometrisi birçok farklı alanda kullanılır ve kompleks karışımlara uygulandığı kadar saf numunelere de uygulanır.

<span class="mw-page-title-main">Yüksek performanslı sıvı kromatografisi</span>

Yüksek performanslı sıvı kromatografisi bir analitik kimya yöntemidir. Karışımlardaki bileşenlerin, ayrıştırılmasında, nitelik ve niceliklerinin belirlenmesinde kullanılan bir analiz tekniğidir. Bu teknikte pompalar ile pompalanan yüksek basincli sıvı faz aracılığıyla taşınan analitler, kromatografik kolona ulaşır. Kolona ulaşan analitler, kolon ile farklı şekillerde etkileşip, farklı zamanlarda detektöre ulaşırlar. Burada, kolon katı bir adsorbent maddeyle doludur ki bu maddenin özellikleri sayesinde kromatografik ayrışma gerçekleşir.

<span class="mw-page-title-main">Çevre kimyası</span>

Çevre kimyası, doğal yerlerde meydana gelen kimyasal ve biyokimyasal olayların bilimsel bir araştırmasıdır. Potansiyel kirliliği kaynağında azaltmaya çalışan yeşil kimya ile karıştırılmamalıdır. Hava, toprak ve su ortamlarındaki kimyasal türlerin kaynakları, reaksiyonları, taşınması, etkileri ve kaderlerinin incelenmesi; ve insan aktivitesinin ve biyolojik aktivitenin bunlara etkisi olarak tanımlanabilir. Çevre kimyası, atmosfer, su ve toprak kimyasını içeren, aynı zamanda analitik kimyaya büyük ölçüde güvenen, çevre bilimi ve diğer bilim alanlarıyla ilgili olan disiplinlerarası bir bilimdir.

pH metre

pH ölçer veya pH metre, su esaslı çözeltilerdeki hidrojen iyonu aktivitesini ölçen, asitliğini veya pH olarak ifade edilen bazikliğini gösteren bilimsel bir cihazdır. PH ölçer bir pH elektroduyla referans bir elektrot arasındaki elektrik potansiyeli farkını ölçer ve bu nedenle pH ölçer bazen "potansiyometrik pH ölçer" olarak adlandırılır. Elektrik potansiyelindeki fark çözeltinin asitliği veya pH'ı ile ilgilidir. PH ölçer, laboratuvar deneylerinden kalite kontrolüne kadar birçok uygulamada kullanılır.

Polarografi, çalışma elektrodunun geniş katodik aralıkları ve yenilenebilir yüzeyleri için yararlı olan bir damlama cıva elektrotu veya statik bir cıva damla elektrotu olduğu bir voltametri türüdür. 1922'de Çek kimyager Jaroslav Heyrovský tarafından icat edildi ve 1959'da Jaroslav Heyrovský'e Nobel ödülünü kazandırdı.

Mutlak elektrot potensiyeli, bir metalin evrensel bir referans sistemine göre ölçülen elektrokimyasal elektrik potensiyelidir.