водорода из раствора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы: при небольшой поляризации Pd/Pt-электрода на E,lgi-кривых выделяется участок с наклонами 0,110-0,155 В, в этой же области потенциалов ^=-0,2 В) порядок реакции по H2PO2" близок к 0. Это согласно механизму диссоциативной хемо-сорбции соответствует высоким степеням заполнения поверхности, а зависимость плотности тока от концентрации (ф и потенциала (Е) описывается уравнением:
i - zFk.
•exp
V
RT
-E
(4)
где ъ - число электронов, число Фарадея, а2 - коэффициент переноса реакции (2), ^ -константа скорости реакции (2).
При средних степенях заполнения, скорость процесса описывается уравнением:
i = zFkik2kic j • exp
3RT
(5)
где к-ь к3 и а-|, а3 - константы скорости и коэффициенты переноса реакций (1) и (3), соответственно.
Следовательно, наклон в полулогарифмических координатах должен быть равен 0,205В при условии а2=а3=0,5. По экспери-
ментальным данным он >0,250 В. Теоретический и экспериментальный порядки анодной реакции равны ~1/3. Рост со приводит к снижению 0, что является причиной увеличения порядков реакции до 1. При малых 0 порядок реакции должен быть равным ~1, а анодный ток должен слабо зависеть от потенциала:
г = zl%c (6)
Это и наблюдали в эксперименте.
При 293 К процесс окисления также можно описать механизмом диссоциативной хемосорбции, предположив, что образовавшийся Надс не окисляется, а поглощается Pd, чему соответствуют наклоны ~0,240 В и порядок реакции - ~ ЛА. (средняя степень заполнения).
Таким образом, процесс окисления NaH2P02 на вращающемся Pd/Pt-электроде при малых со может быть описан в рамках механизма диссоциативной хемосорбции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Breiter M.B. Dissolution and adsorption of hydrogen at smooth Pd wires at potential of alpha phase in sulfuric acid solution // J. Electroanal. Chem. 1977. V.81. P. 275-284.
2. Коровин Н.В. О сорбции водорода металлами при анодных процессах // Электрохимия. 1972. Т.8. №2. С.172-179.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИМЕТИЛДИТИОФОСФАТА КАЛИЯ В ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОМ
ТИТРОВАНИИ
А.Е. Пасека, В.К. Чеботарёв, Е.Г. Ильина, Н.Н. Аветесян, Р.А. Терентьев, Я.Н. Опекунова
В статье, опираясь на реакционную способность реагента, индивидуальные степени протекания реакций и двухкомпонентных смесей сульфидобразующих ионов, теоретически обоснована возможность использования диметилдитиофосфата калия (ДМДТФК) в потен-циометрическом титровании некоторых сульфидобразующих ионов. По ионным произведениям внутрикомплексных соединений реагента рассчитан ряд последовательности протекания реакций ионов. Спрогнозирована избирательность возможного определения каждого иона ряда последовательности протекания реакций и возможность титрования двух-, трёх-, и четырёхкомпонентных смесей. Спрогнозирован выбор индикаторных электродов, которые можно использовать в потенциометрических титрованиях.
ВВЕДЕНИЕ
Прогноз в различных областях человеческих знаний всегда ценился очень высоко и стимулировал развитие науки. В химии, в частности аналитической химии, развитие теоретических знаний, применение ЭВМ позволяет в настоящее время найти подходы к прогнозированию использования аналитических реагентов в различных методах анализа. Весьма актуально прогнозирование возможности использования аналитических реагентов в самых распространённых методах анализа - титриметрии. Экспериментальный поиск оптимальных условий титрования - длительный и трудоёмкий процесс, потому теоретические способы прогнозирования использования реагентов - титрантов с выявлением их полных возможностей для хорошо известных и новых реагентов представляют большой интерес.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПРОГНОЗ
Диметилдитиофосфат калия - серосодержащий органический реагент, используемый в аналитической химии для определения некоторых ионов металлов. Реакционная способность органических реагентов по отношению к ионам металлов определяется свойствами, как самого реагента, так и ионами металлов. Реакционная способность органического реагента зависит от его электронной структуры и симметрии, и природы, реагирующего с ним, иона металла. Электронное влияние в молекуле органического реагента складывается из суммы эффектов: индуктивного, мезомерного, стерического, передаваемых вдоль молекулы от заместителя в соответствии с электроотрицательностями атомов к реакционному центру. Донорными атомами реакционного центра в молекуле органического соединения могут быть только неметаллы с соответствующей им электроотрицательностью: Н - 2,1; С - 2,5; N - 3,0; O -3,5; P - 2,1; S - 2,5 и т.д. [1, 2, 3].
Диметилдитиофосфат калия содержит электронно-донорные атомы серы в тионной (I) и тиольной (II) формах одновременно: (CHз-O)2P-S-(II).
II
S (I)
Диметилдитиофосфат (ДМДТФ) калия, как серосодержащий реагент, легко поляризуется катионами с образованием ковалентной связи, особенно если сами катионы легко деформируются. В благоприятных условиях вакантные Зd-орбитали серы обладают достаточ-
но низкой энергией, чтобы возможно было некоторое "обратное перекрывание" за счет передачи на эти орбитали электронов от атомов металлов с заполненными или почти заполненными d-орбиталями. Это условие способствует образованию прочных, малорастворимых, внутрикомплексных соединений с ионами металлов, имеющими заполненные или почти заполненные d-орбитали (сульфидобразующие ионы металлов) [4].
С сульфидобразующими ионами металлов атом серы тиольной формы (II) образует ковалентную связь по обменному механизму, а тионной формы (I) - по донорно-акцепторному. Реакция взаимодействия ди-метилдитиофосфата калия с сульфидобра-зующими ионами металлов протекает с участием атомов серы, следовательно, наибольшее значение в образовании малорастворимых внутрикомплексных соединений имеет скопление отрицательных зарядов на атомах серы. Чем больше электронная плотность на атомах серы, тем больше реакционная способность реагента. В молекуле диме-тилдитиофосфата калия электронная плотность на атомах серы больше по сравнению с дитиофосфатом калия благодаря положительному индуктивному эффекту двух ме-тильных групп. По гипотезе аналогий Кузнецова ДМДТФК, подобно сульфиду калия, способен образовывать прочные малорастворимые внутрикомплексные соединения с сульфидобразующими ионами. Это подобие объясняется наличием тиольной группы (II) в молекуле ДМДТФК. Однако уменьшение абсолютной величины отрицательного заряда в диметилдитиофосфат ионе вследствие положительного мезомерного эффекта атома серы тиольной группы приводит к уменьшению реакционной способности ДМДТФК, по сравнению с сульфидом калия. По литературным данным [5] ДМДТФК образует внутри-комплексные соединения с двадцатью сульфидобразующими ионами (Нд2+, Ад+, Нд^,
Tl3+, Pd2+, Cu+, Te4+, Bi3+, Sb3+, Pb2+, Se4+, In3+, Sn2+, Cd2+, As3+, Tl+, Ni2+, Zn2+, Co2+, Ga3+), в то время как сульфид калия с несколькими десятками ионов. Из двадцати сульфидобра-зующих ионов диметилдитиофосфатом калия потенциометрически возможно определить десять.
Для оценки реакционной способности реагента - титранта мы использовали степени протекания реакций в точках стехиомет-ричности (СП%).
Степень протекания индивидуальной реакции показывает, какая часть вещества в
процентах вступила в реакцию с реагентом в точке стехиометричности.
По уравнению (1) для реакций осаждения любой стехиометрии рМет++ тАр-=МерАт рассчитаны индивидуальные степени протекания реакций (СП%) всех выше перечисленных ионов с ДМДТФК. СП=100-
S
Ме„Лт
где S Ме„Л,
+^-)Ю0%/СМеИ+КМеИ+ (1) - растворимость малораствори-
мых соединений или равновесные концен-"т+ или Ар- в моль/л в точке
Мет т+
- исходная в моль/л,
трации ионов Ме
стехиометричности (т.с.), С
концентрация ионов Ме
VМе„+ иГ - объёмы участников реакции в
мл., т, р - стехиометрические коэффициенты в реакциях [7].
Рассчитанные значения индивидуальных степеней протекания реакций ионов с ДМДТФК, ионные произведения внутрикомплексных соединений реагента с сульфидобразующими ионами (ИП „ . ) приведены в таблице 1.
МеЛт
Таблица 1
Ионные произведения диметилдитио-фосфатов и степени протекания реакций в т.с.
МеАm HgA2 CuA SeA4 т
AgA TeA4 InA3 NiA2
HgA BiA3 SnA2 ZnA2
TlAз SbAз CdA2 CoA2
PdA2 PbA2 AsA3 GaAз
ИП„ „ 1,20^10-30 1,74^10-10 4,90^0-19 4Д7-10-5
^^ МеЛт 3,63-10-15 1,66-10-23 2,24^10-12 7,24^10-7
4,79^10-15 1,82^10-18 8,51 • 10-9 7,58^10-7
6,46^10-29 1,6610-17 1,29-Ш-8 7,94^10-7
3,09^10-19 1,05^10-12 2,19^10-10 7,58^10-8
СП% 99,9(5)8* 99,97 99,64 87,09
99,9(2)88 99,95 97,85 83,03
99,9(2)86 99,94 96,14 82,76
99,9(2)84 99,89 95,57 82,50
99,999 99,81 93,25 70,88
Примечание: 99,9(5)8 =99,9999998
Из таблицы 1 видно, что индивидуально южно титрование 10 ионов: Нд +, Ад+,
4+
ВОЗМОЖНО
Нд2+, И3+,
Pd2+, Си+, Те4+, Б!3+, Sb
3+
РЬ2+ ди-
метилдитиофосфатом калия, так как значения их СП выше пороговой. Пороговое значение индивидуальной степени протекания реакции в т.с. СПпорог.= 99,80%. Скачок концентраций в конечной точке титрования (к.т.т.) достаточный по величине и погрешность определений не превышает 1%, но ниже этого значения
скачок настолько мал, что фиксировать его трудно. Это подтверждено теоретически, по кривым титрования, и экспериментально на многочисленных примерах. СПпред. = 99,71% -предельная степень протекания аналитической реакции, при которой уже нельзя проводить определения [7]. Возможны титрования при СП% 99,80...100,0%, при фиксации к.т.т. любым способом (визуально, если будет подобран индикатор, кондуктометрически, если будет изменение электропроводности в процессе титрования, амперометрически, если будут идти электрохимические реакции на индикаторном электроде, потенциометрически, если будет подобран индикаторный электрод и т.д.).
Для прогноза избирательности титрования каждого иона, титрующегося индивидуально ДМДТФК и титрования двух- и многокомпонентных смесей веществ необходимо рассчитать ряд последовательности протекания реакций со всеми ионами, реагирующими с ДМДТФ калия. Наилучшим способом является расчёт концентрации титранта, при которой начинает образовываться малорастворимое соединение при заданной концентрации определяемого иона. Например, для ионов Нд2+, Ад+, Нд2+, Т13+ с концентрацией 0,1 моль/л, концентрации титранта при которых начинают образовываться малорастворимые соединения рассчитывают так:
ип 1 , ,„-30 1
[А~]=(-моль/л;
0,1
= ( 1,20-10"30
[А]=
ИП
ЛgЛ
0,1
моль/л;
ип
[А"]=
Щ 2 Л2
0,1
моль/л;
[А"]=
ИП.
Т1Л3
0,1
0,1
3,63-10' 0,1
4,79-10" 0,1
6,46-10 0,1
)2 =3,4610
-15
= 3,63-10
= 4,79-10
-14
-14
1
-29 Л з
= 8,64-10"
моль/л и т.д., для всех остальных сульфи-добразующих ионов с СП>99,80%. Располагаем значения концентраций в порядке их возрастания. Получаем ряд последовательности протекания реакций с ДМДТФК: Нд2+-
99,70%-Ад+-24,22%-Нд 2+ -99,99%-Т13+-99,23%-Cu+-65,98%-Pd2+-100,0%-Б13+-73,25%-РЬ2+-69,89%-Те4+-89,36%^Ь3+.
На основе полученного ряда составляем таблицу, в которой по горизонтали и вертикали располагаются катионы металлов в виде
15
3
рядов последовательности протекания реакций с ДМДТФ. Для каждого иона вертикального ряда с ионом горизонтального ряда рассчитывается степень протекания реакции
(Мер +Ме"+ +(т+п)А"=Ме1Ат+Ме2Ап)
двух-
1 |и|>-- 2 компонентной смеси.
Степень протекания реакции двухкомпо-нентной смеси в момент равновесия показывает, какая часть первого определяемого компонента в процентах вступила в реакцию с реагентом на момент начала реакции его со вторым определяемым компонентом (СП'%).
СП' двухкомпонентной смеси рассчитывается по формуле (2):
СП'=100-
ИП ИП п С"1 С" V п
где ИП
ИП
100%, (2) - ионные произведе-
ния внутрикомплексных соединений, С
С
Ывп
Ме
Ыв:
исходные концентрации ионов
Ме
в моль/л, V
V
(Ме^+Ме"/)' ' А~
объёмы участников реакции в мл., т, п-стехиометрические коэффициенты в реакциях [7].
Получаем весьма информативную таблицу 2. По данным таблицы 2 можно спрогнозировать избирательность определений каждого иона и возможность титрования двух- и многокомпонентных смесей ионов ряда. Оп-
ределению ионов Нд2+ по прогнозу не мешают остальные ионы ряда последовательности, т.е. она определяется специфично. Определению ионов Ад+ мешают ионы Нд 22+, с остальными она может титроваться в двух-компонентных смесях с двумя скачками титрования. Наименее избирательно ДМДТФК титруются ионы Б13+, РЬ2+, Те4+, БЬ3+, каждому из них по прогнозу мешают три из оставшихся. С остальными ионами они титруются как двухкомпонентные системы. Из таблицы 2 можно сделать вывод о возможности титрования двухкомпонентных систем, для которых значения СП' больше пороговой степени протекания реакции для двухкомпонентных систем (СПпор=99,40%, при которых на кривых титрования возникают достаточные по величине скачки потенциалов) [7]. Например, Нд2+ - Ад+, Ад+ - Си+ и т.д. Для определения возможности титрования смесей из трёх- и более катионов надо, чтобы степени протекания аналитической реакции второго компонента в двухкомпонентной смеси с третьим, третьего с четвёртым и далее были более 99,40%. Возможны титрования следующих трёхком-
понентных смесей: Нд2+ - Ад+ - Си+, Ад+ - Си+ -РЬ2+ и т.д.; четырёхкомпонентных смесей: Нд2+ - Ад+- Си+- РЬ2+, Нд2+ - Ад+- Т13+- РЬ2+ и т.д. Пятикомпонентные системы из приведённых в таблице 2 ионов определить с помощью диметилдитиофосфата калия невозможно.
++
Таблица 2
Степени протекания реакций двухкомпонентных смесей ионов с диметилдитиофосфатом калия
т
т
т-п
п—т
и-т
2 п
^2+ Ag+ тт 2+ ^3+ 01+ Pd2+ Bi3+ Pb2+ Te4+ Sb3+
99,70 99,82 100,0* 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Ag+ 99,70 24,22 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
99,82 24,22 99,99 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Tl3+ 100,0 99,99 99,99 99,23 94,05 100,0 100,0 100,0 100,0
Cu+ 100,0 100,0 100,0 99,23 65,98 99,89 99,92 99,92 99,95
Pd2+ 100,0 100,0 100,0 94,05 65,98 100,0 100,0 100,0 100,0
Bi3+ 100,0 100,0 100,0 100,0 99,89 100,0 73,25 44,34 89,04
Pb2+ 100,0 100,0 100,0 100,0 99,92 100,0 73,25 69,89 49,86
Te4+ 100,0 100,0 100,0 100,0 99,92 100,0 44,34 69,89 89,36
Sb3+ 100,0 100,0 100,0 100,0 99,95 100,0 89,04 49,86 89,36
(* СП'>99,995=100,0)
В потенциометрических титрованиях важно правильно выбрать индикаторные
электроды. Исходя из типа протекающей аналитической реакции и природы, присутст-
вующих в растворе ионов, принимающих участие в реакции можно спрогнозировать использование в качестве индикаторных электродов - электроды из Нд, Ад, ионоселектив-ные на соответствующие ионы металлов и сульфид ионы, платиновый окислительно-восстановительный электрод. Наилучшими электродами должны быть электроды, ионы материала которых дают наиболее прочные соединения с используемым реагентом. Такие ионы и соответствующие им электроды образуют различные электрохимические системы. На них проходят индикаторные электрохимические реакции, и потенциалы их определяются соответствующими уравнениями.
В качестве индикаторных электродов можно использовать ионоселективные электроды на основе сульфида серебра (сульфидный, свинцовый, медный и т.д.), а также электроды на основе АдА, так как потенциалы их будут меняться с изменением концентрации реагента.
При титровании ионов элементов с переменной валентностью, которые в процессе титрования меняют степень окисления, возможно, использовать платиновый окислительно-восстановительный электрод. При использовании ДМДТФК, являющегося восстановителем, (восстановители, всегда содержат окисленную форму) в процессе титрования концентрация окисленной формы увеличивается, и в конечной точке титрования возникает окислительно-восстановительная система (дисульфид -окисленная форма реагента, реагент - восстановленная форма), т.е. редокс-система. Вследствие этого происходит скачок потенциалов, поэтому платиновый электрод можно использовать при титровании любых ионов.
Использование электродов из Нд и Ад в качестве индикаторных возможно, так как их потенциалы зависят от концентрации ионов материала электрода и от величины ионного произведения внутрикомплексного соединения с ионами ДМДТФ. Чем меньше ИПМеА ,
тем больше скачок потенциалов в к.т.т. Из таблицы 1 видно, что ИП НдА2 и АдА имеют наименьшие значения, следовательно, скачки потенциалов будут наибольшими. Такая зависимость наблюдается при определении ионов материала электрода. Также возможно, использовать ртутный и серебряный индикаторные электроды при титровании «чужих» ионов по отношению к материалу электрода. В этом случае скачок потенциалов зависит от разности ИП МеАп и НдА2 или
AgA, вследствие этого скачки потенциалов будут меньше. В связи с высокой токсичностью ртути, лучше использовать индикаторный электрод из серебра.
Индикаторные электроды из Ag (Hg) для определения своих ионов до точки стехио-метричности действуют как Ag+/Ag (Hg2+/Hg) -электроды I рода. На электроде протекает следующая электрохимическая реакция: Ад+ + е <=>Ад и равновесный потенциал вычисляется по следующему уравнению [6]: Е=Е° . , +1 qü + (3), для чужих ионов - как
Ag+/Ag & Ag+ 4 " " }
Ме^^Ап^А^ - электрод III рода, на нем протекает электрохимическая реакция Меп++ ne + nAgA о МеАп + пАд и равновесный потенциал вычисляется по уравнению (4):
0,059
-|да „+ -
Е-р° п+
Ме ,МеА п ,АдА/Ад
n
0,059
^ИП
MeA,
n
0,059^nAgA
(4)
После точки стехиометричности в растворе имеется избыток ионов реагента (А-), индикаторный электрод из Ад (Нд) действует как
АдА/Ад, А" - электрод II рода, на нем протекает химическая реакция: АдА + е Ад + А" и равновесный потенциал вычисляется по уравнению (5) [7, 8]:
Ме /Ме
Е-Е меА п /ме,А - 0,0591даД- -Е
0,059
^ИП
MeA ,
- 0,059lgaA-
(5)
n
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из таблицы 1 видно, что ДМДТФ калия индивидуально возможно, определить 10 ионов, значения степеней протекания которых больше 99,80%. Согласно таблице 1, невоз-
^ 4+
можно индивидуально определить ионы Бе , 1п3+, Бп2+, Cd2+, Аз3+, Т1+, М12+, гп2+, Со2+, Са3+ значения СП которых ниже пороговой (они выделены в таблице 1 жирным шрифтом).
По ИП внутрикомплексных соединений рассчитан ряд последовательности протекания реакций десяти сульфидобразующих ионов металлов с ДМДТФК. Цифры в ряду последовательности показывают, на сколько процентов первый определяемый ион прореагирует с ионами ДМДТФ на момент начала реакции со вторым определяемым ионом. Например, в смеси ионов Нд2+ - Ад+ 99,70% ионов Нд2+ прореагируют с ДМДТФК на начало реакции с ионами серебра (I); в смеси Ад+
- Нд2+ 24,22% ионов Ад+ провзаимодейству-
+
+
ют с ДМДТФК, а затем начнут реагировать ионы Нд и т.д.
По уравнению 2 рассчитаны степени протекания реакций двухкомпонентных смесей. По результатам таблицы 2 спрогнозирована избирательность определений каждого иона таблицы. Из 10 ионов специфично определяются диметилдитилфосфатом только ионы Нд2+, наименее избирательно ДМДТФК титруются ионы Б13+, РЬ2+, Те4+, БЬ3+, каждому из них мешают три из оставшихся. По данным таблицы 2 сделан вывод о возможности титрования 35 двухкомпонентных систем, 50 трёхкомпонентных и 16 четырёхкомпонент-ных систем. Пятикомпонентные системы из приведённых в таблице 2 ионов определить с помощью диметилдитиофосфата калия невозможно.
По прогнозу в качестве индикаторных электродов для определения сульфидобра-зующих ионов металлов ДМДТФК лучше всего использовать индикаторные электроды I, II и III рода, как дающие наибольшие скачки потенциалов в конечной точке титрования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, сделан прогноз возможности использования ДМДТФК для индивидуального титрования ионов: Нд2+, Ад+, Нд^, Т13+, Си+, Рс12+, Б13+, РЬ2+, Те4+, БЬ3+, избирательности титрования этих ионов, титрования двух - и многокомпонентных смесей. Спрогнозирован выбор индикаторных электродов,
которые можно использовать в потенциомет-рических титрованиях сульфидобразующих ионов ДМДТФ калия. Зная константы равновесия всех конкурирующих реакций можно спрогнозировать условия проведения титрований, оптимальные интервалы концентраций определяемых ионов и реагента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия.
- М.: Мир. 1974. - 1132 с.
2. Верещагин А.Н. Индуктивный эффект. -М.: Наука. 1987. - 326с.
3. Нейланд О.Я. Органическая химия. - М.: Высш. шк. 1990. - 751с.
4. Перрин Д. Органические аналитические реагенты. - М.: Мир. 1967. - 407с.
5. Чеботарёв В.К. Дисс. ... доктора хим. наук.
- Барнаул: Алтайский госуниверситет. 2003. - 57с.
6. Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В. Задачи и вопросы по аналитической химии: Практ. пособие. - М.: Изд-во Моск. ун-та. 1984. -216с.
7. Чеботарёв В.К. Прогнозирование в титри-метрических методах анализа с использованием реакций комплексообразования и осаждения: Монография. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та. 1999. - 114с.
8. Золотов Ю.А., Дорохова Е.Н., Фадеева В.И. и др. Основы аналитической химии. Кн.2. Методы химического анализа. - М.: Высш. шк. 1999. - 494с.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЫШЬЯКА (III) НА ЗОЛОТО-УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕМ ЭЛЕКТРОДЕ
Л.Д. Власкина, Н.А. Колпакова
Рассмотрены особенности электровосстановления мышьяка (III) на поверхности золо-то-углеродсодержащего электрода на различных фонах. Предельный ток электровосстановления иона Äsü2 наблюдается при потенциалах, когда поверхность электрода полностью покрыта ионами H+ как в кислых, так и в щелочных средах. Этот факт указывает на то, что образующийся в процессе восстановления водород не адсорбируется на золото-углеродсодержащем электроде и не мешает электровосстановлению Äsü2. Предложен механизм электроконцентрирования мышьяка (III) на поверхность золото-углеродсодержащего электрода. Процесс необратимый. Лимитирующая стадия процесса - перенос первого электрона.