Полученные экспериментальные данные и проведенные расчеты показали, что динамика установления равновесного потенциала может быть удовлетворительно описана следующим уравнением:
Е + ДЕЦ - ехр С), (5)
где E(t) и Е(0) - ЭДС элемента в .момент времени t и при t = О соответственно; ДЕ = Е» - Ео; т - постоянная времени отклика
Динамика контролируется временем релаксации распределения ионов в поверхностном слое кристаллической структуры бронзы Е - Ео, мВ.
Зависимость потенциала электрода от концентрации WCV подчиняется уравнению Нернста при рН 3,0 в присутствии серной кислоты (рис.4):
Е = 0,735 + 0,0592 Ig [W042]. (4)
Узкая область рН объясняется ионным состоянием вольфрама в растворе.
Видно, что в сернокислой среде мы имеем одноэлектронный переход, что согласуется с уравнением. Согласно литературным данным этот электродный процесс описывается уравнением Нернста (относительно водородного электрода):
Е = 0,801 + 0,0591 lg [WCV2].
Значение стандартного потенциала, определяемое путём графической экстраполяции и пересчитанное относительно водородного электрода, равно 0,735В. Разницу в значениях стандартных потенциалов можно объяснить тем, что в исходной бронзе (NaWCb) натрий не полностью компенсирует заряд W.
Здесь Е - потенциал ионосёлёктивного электрода, Е° - его стандартное значение, a и щ -активности основного и постороннего ионов, п, и rj - заряды основного и постороннего ионов, Kij - зависит главным образом от характеристик процесса распределения потенциалопределяющих ионов на межфазной границе электрод/раствор. Однако уравнение Никольского является строгим только в случае однозарядных ионов. Если 1, K, j - величина весьма условная.
В табл.1 приведены условные коэффициенты селективности по отношению к ряду неорганических ионов, найденные методом смешанных растворов.
Таблица 1 Условные коэффициенты потенциометрической селективности твердофазных сенсоров
| Мешающий ион | Ka(V) | KU(W) |
| Na+ | 1,810s | 1,0-10u |
| К | 4,010’5 | 1,4-10^ |
| Са2+ | 2,010”5 | l.o-io-4 |
| Mg2+ | 2,010^ | 1,010”3 |
| Fe3+ | 1,610’3 | 1,210”3 |
| Ni2+ | 1,8 10’3 | 1,010”3 |
| vo2+ | LOW”4 |
Десятикратные избытки ионов аммония, молибдена не мешают определению, что позволяет определять ион вольфрама в сложных объектах потенциометрически с предлагаемым твердоконтактным электродом.
На рис.5 приведены результаты оптических исследований вольфрамовой бронзы состава NaW03. Пики 960 см»1 и 870 см1, присутствующие во всех спектрах, говорят о наличии связи W - О. Полосы 1390 см и 1110 см» указывают на присутствие гидроксильных групп, соединённых с атомом W. Полосу 1110 см1 можно также отнести к колебаниям ионов гидроксония. Судя по интенсивности этой полосы, количество ионов НэО+ достаточно велико. В данном случае, видимо, происходит проникновение и связывание ионов Н30+ в поверхностном слое кристаллической структуры бронзы, что говорит о непосредственном участии протонов в процессе переноса заряда и наличии ионной составляющей проводимости. При этом, поскольку в, структуре бронзы имеется ~50% незанятых вакантных позиций натрия, то прогон (или ион гидроксония) размещается по этим вакантным местам. Электронной компенсацией заряда должен служить переход электрона с d-орбитали вольфрама в зону проводимости оксидной бронзы. На наличие связанной воды указывают полосы 3520 см»1 и 1630 см»1.
Таким образом, в рассмотренных соединениях имеются три типа связанной воды: 1) в виде гидроксилов, соединённых с атомом W; 2) ионов гидроксония, внедренных в кристаллическую структуру бронзы; 3) молекул воды, находящихся в адсорбированном состоянии.
ИК-спектры: 1 - рабочий раствор; 2 - бронза NaW03 после потенциометрических измерений.
В главе 4
рассмотрены особенности кристаллической структуры оксидных ванадиевых бронз и их физико-химические свойства На основании этого установлен оптимальный состав активного материала и конструкция электродов. Использовалось следующее весовое соотношение компонентов - (ПВХ + ТГФ): Na33V205 = 3:1.
Результаты термогравиметрических исследований оксидной ванадиевой бронзы приведены на рис.6. Бронза состава NaCb, имея большую энергию кристаллической решетки, окисляется с фиксируемой скоростью около 655-660°С (кривая ДТГ). Значительная скорость в начале окисления через некоторый промежуток времени уменьшается и затем снова возрастает. На кривых ДТА отмечено два эндотермических эффекта.
Соединения p-NaOs принадлежат к моноклинной сингонии и образуются в результате внедрения катионов металлов в кристаллические пустоты оксида. В открытых пространствах - туннелях, вытянутых вдоль оси у, располагаются катионы внедрения. Бронзы обладают ионной и электронной проводимостью. Ионная проводимость этих бронз относительно низка (Ом -см»1) и максимальна вдоль туннелей, обеспечивается ионами Na+ и Н*, образующимися за счёт ионного обмена с исследуемой жидкой фазой. Преобладает электронная проводимость (0,77 Ом - см»1), которая зависит от соотношения ионов 4-и 5- валентного ванадия. Она имеет полупроводниковый характер типа Е.
Ионоселективные свойства изучали в растворах метаванадатов Na и аммония при постоянном значении рН (1,5-2,0; 5,0-6,0). Кислая среда обеспечивается делокалированными d- элекронами.
Водородную функцию электродов изучали в растворах соляной кислоты. Электрод работает как водородный в диапазоне рН 1-7. Зависимость изменения потенциала электрода от рН раствора НС1 создавалась с помощью НС1. Ионную силу исследуемых растворов (0,2моль/л) поддерживали добавлением NaCl. Измерения проводили при постоянной температуре 25°С и непрерывном перемешивании.
Время отклика электрода составляет согласно рис.3 около 2мин. (кривые 1 и 2). Время отклика ванадийселективного электрода имеет близкое значение в условиях перемешивания (2,4 мин.) и без него (2,6 мин.). Неизменность динамических характеристик при уменьшении толщины водного диффузионного слоя показывает, что диффузия ионов через приэлектродный слой не является лимитирующей стадией.
Влияние толщины активного материала на время отклика электродов проверено для рН 1,5-2,0. Получено, что с увеличением толщины активного слоя величина времени отклика остаётся практически постоянной, что объясняется преимущественно электронной проводимостью бронзы.
Полученные экспериментальные данные и проведённые расчёты показали, что динамика установления равновесного потенциала, как и в случае вольфрамселективного электрода, описывается уравнением (4).
Согласно рис.8 при рН=1,5-2,0 ванадий (5+) существует в виде катиона V02+. Зависимость потенциала электрода от концентрации V02+ линейна в диапазоне концентраций 10»'-10'5моль/л (рис.9) и с надёжностью 95% описывается эмпирическим уравнением. В нейтральной среде (рН=6,0) пятивалентный ванадий находится в виде аниона V03” (рис.8). Зависимость потенциала от концентрации VCV линейна в интервале 10»2-10»5моль/л (рис.9) и с надёжностью 95% описывается эмпирическим уравнением:
E = (339,0±l,0)-(58,0±0,7)-lg[VO3], мВ. (14)
При увеличении концентрации до 10*'моль/л, как видно из диаграммы, пятивалентный ванадий переходит в более сложные формы, что затрудняет его определение.
В измеряемом интервале концентраций, как в кислой, так и в среде, близкой к нейтральной, независимо от анионной (V03) или катионной формы (V02) концентрационная зависимость потенциала подчиняется уравнению Нернста с одинаковым абсолютным значением углового коэффициента 2,303RT/nF, близкого к теоретическому значению - 59,2мВ при 25°С, что соответствует п = 1, то есть, в обоих случаях потенциалопределяющая реакция предположительно протекает с участием одного электрона соответственно процессу V+ - V4+, что характерно как для катионной, так и для анионной форм:
V02++ 2Н+ + е - о V02+ + Н20,
VCV+ 41-Г+ e -VCr + 2Н20.
Это подтверждается фазовой диаграммой для исследуемых диапазонов рН. При этом увеличение концентрации ионов VO+, связанное с уменьшением степени окисления ванадия, стимулирует образование свободных d - электронов, способствующих организации зон проводимости.
Коэффициенты селективности, определённые методом смешанных растворов, представлены.
Присутствие анионов SO2, F, СГ, СЮ4, N03 не влияет на потенциал электрода.
Оптические исследования ванадий - селективного электрода показали наличие связанной воды аналогично вольфрам - селективному электроду.