Кіріспе
Электрохимиядағы талдау әдісі. Электрохимияда хроноамперометрия – жұмысшы электродтың электр потенциалын өзгертіп, электродта жүзеге асатын Фарадейлік процестерден туындайтын ток (потенциал өзгерісінен) уақытқа қатысты бақыланатын талдау әдісі. Электрохимиялық жүйенің жұмысшы электродына бір немесе екі потенциалдық қадам қолданғаннан кейін ток жауабы мен уақыт арасындағы функционалдық байланыс өлшенеді. Электролизденетін түрлердің табиғатын анықтау үшін окистенудің ең жоғары тогы мен ең жоғары тоқтардың азайту арақатынасынан шектеулі ақпарат алуға болады. Дегенмен, барлық импульстік техникалар сияқты, хроноамперометрия да RC тізбегі сияқты уақыт өте келе экспоненциалды түрде төмендейтін жоғары зарядтау тоқтарын тудырады. Электрондық трансфер процестеріне байланысты және көбінесе зерттелетін ток компоненті болып табылатын Фарадейлік ток Коттрелл теңдеуімен сипатталғандай төмендейді. Көптеген электрохимиялық жасушаларда бұл төмендеу зарядтау төмендеуінен баяу жүреді, ал қосалқы электролиті жоқ жасушалар ерекше жағдайлар болып табылады. Көбінесе үш электродты жүйе қолданылады. Ток салыстырмалы түрде ұзақ уақыт аралығында интегралданатындықтан, хроноамперометрия басқа амперметриялық әдістерге қарағанда сигнал/шу қатынасын жақсартады. Хроноамперометрияның екі түрі кеңінен қолданылады: бақыланатын потенциалды хроноамперометрия және бақыланатын ток хроноамперометриясы. Бақыланатын потенциалды хроноамперометрияны жүргізу алдында, аналиттердің азайту потенциалын анықтау үшін циклдік вольтамперометрия жүргізіледі. Әдетте, хроноамперометрияда белгілі бір ауданы бар электродтар қолданылады, олар бір-бірімен байланысқан химиялық реакциялардың электродтық процестерін, әсіресе органикалық электрохимияның реакциялық механизмін зерттеуге ыңғайлы.
In electrochemistry, chronoamperometry is an analytical technique in which the electric potential of the working electrode is stepped and the resulting current from faradaic processes occurring at the electrode (caused by the potential step) is monitored as a function of time. The functional relationship between current response and time is measured after applying single or double potential step to the working electrode of the electrochemical system. Limited information about the identity of the electrolyzed species can be obtained from the ratio of the peak oxidation current versus the peak reduction current. However, as with all pulsed techniques, chronoamperometry generates high charging currents, which decay exponentially with time as any RC circuit. The Faradaic current which is due to electron transfer events and is most often the current component of interest decays as described in the Cottrell equation. In most electrochemical cells, this decay is much slower than the charging decay cells with no supporting electrolyte are notable exceptions. Most commonly a three electrode system is used. Since the current is integrated over relatively longer time intervals, chronoamperometry gives a better signal to noise ratio in comparison to other amperometric techniques. There are two types of chronoamperometry that are commonly used: controlled potential chronoamperometry and controlled current chronoamperometry. Before running controlled potential chronoamperometry, cyclic voltammetries are run to determine the reduction potential of the analytes. Generally, chronoamperometry uses fixed area electrodes, which are suitable for studying electrode processes of coupled chemical reactions, especially the reaction mechanism of organic electrochemistry.
Мысал
Дезоксигенді диметилформамидтегі (DMF) антрацен белгілі бір теріс потенциалдағы электрод бетінде (An + e− > An−) тотығуға ұшырайды. Тотығу диффузиямен шектеледі, соның салдарынан ток уақыт өте келе төмендейді (диффузия арқылы қалыптасқан диффузия градиентіне пропорционалды). Бұл экспериментті электрод потенциалын төменнен жоғарыға қарай бірнеше рет қайталауға болады. (Эксперименттер арасында ерітінді қоздырылуы тиіс.) Егер сіз кернеуді қолданғаннан кейін белгілі бір τ уақыт мезгілінен кейін ток i(t) өлшесеңіз, сіз белгілі бір сәтте ток i(τ) енді өспейтінін байқайсыз; сіз масса тасымалының шектеулі аймағына жеттіңіз. Бұл антрацен диффузия арқылы электродқа жеткізіле алатын ең жоғары жылдамдықпен жетеді дегенді білдіреді.
Бақыланатын потенциалдық (бұқаралық) электролиз
Хроноамперометрияның бір қолданысы – бақыланатын потенциалдық (бұқаралық) электролиз, ол потенциостатикалық кулометрия деп те аталады. Осы процесте жұмысшы электродқа тұрақты потенциал қолданылады және ток уақыт бойынша қадағаланады. Аналит бір тотығу күйінде тотықтырылады немесе басқа тотығу күйіне дейін тотықсыздандырылады. Аналит тұтынылғанда ток негізгі сызыққа дейін төмендейді (нөлге жақындап). Бұл процесс реакцияда ағып өткен жалпы зарядты (кулондармен) көрсетеді. Жалпы заряд (n мәні) ток графигі астындағы ауданды интегралдау және Фарадей заңының қолданылуы арқылы есептеледі. Бақыланатын потенциалдық (бұқаралық) электролиз үшін жасуша әдетте екі бөлімді (бөлінген) жасуша болып табылады, онда көміртекті таяқшадан қосымша анод орналасқан және катодтық бөлімнен ірі ұсақ шыны фрит және метил целлюлоза еріткіш электролиттік тығынмен бөлінеді. Екі бөлімді жасушаның болу себебі – катодтық және анодтық реакцияларды бөлу. Бұқаралық электролиз үшін жұмысшы электрод реакция жылдамдығын арттыру үшін үлкен беті бар RVC дискісі болуы мүмкін. Бақыланатын потенциалдық электролиз көбінесе циклдік вольтаметриямен қолданылады. Циклдік вольтаметрия аналиттің немесе реакцияның электрохимиялық қасиеттерін талдауға мүмкіндік береді. Мысалы, циклдік вольтаметрия аналиттің катодтық потенциалын анықтай алады. Осы аналиттің катодтық потенциалы анықталғаннан кейін, бақыланатын потенциалдық электролиз реакцияның жүруі үшін осы тұрақты потенциалды сақтай алады.
Екі потенциалдық қадамдық хроноамперометрия
Екі потенциалдық қадамдық хроноамперометрия (DPSCA) – жұмыс электродының белгілі бір уақыт аралығында алға және содан кейін кері бағытта потенциалды өзгерту арқылы қолданылатын әдіс. Ток уақытқа қатысты бақыланады және графиктік түрде бейнеленеді. Бұл әдіс индукциялық кезеңнен басталады. Осы кезеңде электрохимиялық жасушаға бірнеше бастапқы шарттар қолданылады, осылайша жасуша осы шарттарға тепе-теңдікке келеді. Жұмыс электродының потенциалы осы шарттарда белгілі бір уақытқа (әдетте 3 секунд) бастапқы потенциалда тұрақтандырылады. Индукциялық кезең аяқталғаннан кейін, жұмыс жасушасы белгілі бір уақытқа басқа потенциалға ауысады. Бірінші қадам аяқталғаннан кейін, жұмыс электродының потенциалы кері бағытта, әдетте алға қадамға дейінгі потенциалға дейін өзгертіледі. Тәжірибе толығымен демалыс кезеңімен аяқталады. Осы кезеңде әдепкі шарт электродтың жұмыс потенциалын бастапқы күйінде шамамен 1 секундқа ұстап тұруды қамтиды. Демалыс кезеңі аяқталғаннан кейін, құрал бос күйіне оралуы үшін жасушаға тәжірибеден кейінгі бос күй шарттары қолданылады. Токты уақыттың функциясы ретінде бейнелегеннен кейін хроноамперограмма пайда болады және оны Коттрелл графиктерін салу үшін де пайдалануға болады.
Хронопотенциометрия
Хронопотентиометрияны қолдану екі бөлікке бөлінеді. Анализдік әдіс ретінде, анализдің диапазоны әдетте 10−4 моль/л-ден 10−2 моль/л-ге дейін, ал кейде 10−5 моль/л дейін дәлдікке жетеді. Егер анализ концентрацияның өте төмен диапазонында жүргізілсе, төмен ток тығыздығы қолданылуы мүмкін. Сондай-ақ, концентрацияны дәл анықтау үшін өту уақытын ұзартуға болады. Осы анализдік анықтама саласында хронопотентиометрия полярографияға ұқсас. Полярографияда бөлінетін толқындар хронопотентиометрияда да бөлінеді. Хронопотентиометрия электрод механизмын зерттеу үшін тиімді әдіс болып табылады. Әртүрлі электродтар үшін хронопотентиометриялық графикте E мен t арасындағы байланыс әр түрлі болады. Мұндағы E – вольтпен өлшенген электрод потенциалы, ал t – секундпен өлшенген реакция уақыты. Хронопотентиометриялық графиктегі E мен t арасындағы байланысты зерттеу арқылы сутек пероксиді және щавель қышқылы сияқты электрод реакцияларының механизмдері туралы мәліметтер алуға болады. Хронопотентиометриялық эксперимент өте қысқа уақыт ішінде орындалуы мүмкін, сондықтан ол электрод бетіндегі адсорбция мінез-құлқын зерттеуге қолайлы әдіс. Темір иондарының адсорбциясынан кейін электродтың хронопотентиометриялық графигін зерттеу арқылы платинаның темір иондарына адсорбцияланатыны дәлелденді. Платина электродының йодты адсорбциялау хронопотентиометриялық графигін зерттеу нәтижесінде йодтың адсорбциясы йод атомдары емес, йод молекулалары түрінде жүзеге асатыны анықталды.
Хронокулометрия
Хронокулометрия – ток пен уақытқа қарағанда заряд пен уақыт арақатынасын бақылайтын, хроноамперометрияға ұқсас принципке негізделген аналитикалық әдіс. Хронокулометрияның хроноамперометриядан ерекшеліктері: сигнал уақыт өте келе азаюдың орнына өседі; интеграциялау шуды азайтып, тегіс гиперболалық жауап қисығын қамтамасыз етеді; және екі қабатты зарядтау мен сіңірілген заттардың әсері оңай байқалады.