Chia sẻ bài viết
Ion – chúng ta liên tục bắt gặp nhứng vật mang điện tích nhỏ bé này. Tùy thuộc vào nồng độ của các anion (ion âm) và cation (ion dương) xác định, chúng có thể có những tác động đáng kể với con người và môi trường. Nhờ vào việc kiểm soát chất lượng liên tục từ một vài ngành công nghiệp như thực phẩm và đồ uống, ngành công nghiệp luyện kim và quản lý nguồn nước, các giới hạn xác định không được vượt quá cũng không được cắt xén bớt.
Vậy thì làm thế nào xác định những ion nhỏ bé và tồn tại mọi nơi này? Tôi đã từng nhầm lẫn và nghĩ rằng phép đo ion chỉ có thể thực hiện bằng những phương pháp phân tích đắc tiền như sắc ký ion (IC), quang phổ phát xạ quang plasma kết hợp tự cảm (ICP-OES) hoặc quang phổ hấp thu nguyên tử (AAS). Một phương pháp thay thế hiệu quả về kinh tế đầy hứa hẹn cho những kỹ thuật này được sử dụng gọi là điện cực chọn lọc ion (ISE).
Bài viết bao gồm những nội dung sau:
1. Các loại điện cực chọn lọc ion
Ví dụ nếu bạn muốn xác định nồng độ flo trong kem đánh răng, hàm lượng amoni trong nước của bể nuôi cá hoặc có thể là có bao nhiêu canxi trong nước ép trái cây, thì có nhiều loại điện cực chọn lọc ion đáp ứng các nhu cầu của bạn. Hãy xem Bản tin ứng dụng miễn phí của chúng tôi về các chủ đề này phía dưới đây để có thêm nhiều thông tin.
Xác định flo bằng điện cực chọn lọc ion
- Vật liệu làm màng
Điện cực chọn lọc ion có đầu tiên là điện cực pH. Tuy nhiên, bài viết này sẽ không thảo luận về điện cực pH – bạn có thể tìm thêm thông tin trong các bài đăng khác của chúng tôi liên quan đến lại điện cực chọn lọc ion này.
Tránh các lỗi thông thường khi đo pH
Câu hỏi thường gặp: Mọi thứ về hiệu chuẩn pH
Bên cạnh màng thủy tinh được dùng làm điện cực pH, còn có các loại vật liệu làm màng khác cho phép đo chọn lọc của vô số các ion. Các loại vật liệu được áp dụng rộng rãi nhất được liệt kê trong Bảng 1.
| Vật liệu làm màng | Mô tả | Ion | Xem cận cảnh |
|---|---|---|---|
| Màng tinh thể | Mạng tinh thể chứa các khoảng trống xác định cho các ion cần đo. | Ag+, Cu2+, Pb2+, Br-, Cl-, CN-, F-, I-, S2- |  |
| Màng polyme | Màng polyme có chứa phân tử (chất mang ion) chỉ liên kết với những ion cần đo. |
Ca2+, K+, Na+, chất hoạt động bề mặt, NO3- |
 |
| Màng thủy tinh | Khung thủy tinh silicat với các vị trí kẽ cho H+ và Na+ |
Na+, H+ |
 |
| Màng thấm khí |
Màng hoạt động như một hàng rào thấm qua và chỉ cho những chất cụ thể đi qua. |
NH4+ |
 |
Vật liệu làm màng của điện cực chọn lọc ion được sử dụng có thể bị giới hạn bởi một số nền mẫu. Ví dụ, điện cực có màng polyme không thể dùng để đo các ion trong dung môi hữu cơ. Để có thêm thông tin về những hạn chế cụ thể, hãy xem bản hướng dẫn sử dụng của điện cực chọn lọc ion.
2. Cơ sở lý thuyết của điện cực chọn lọc ion
- Khoảng đo
Mỗi loại điện cực có một khoảng đo riêng (xem Bảng 2). Trước khi đo bất kỳ ion nào, điều đầu tiên cần đảm bảo là điện cực chọn lọc ion có thể đo được trong khoảng nồng độ của mẫu.
| Cation cần đo | Khoảng đo |
| Ag+ | 1×10-7 – 1 mol/L |
| Ca2+ |
5×10-7 – 1 mol/L |
| Cd2+ | 1×10-7 – 10-1 mol/L |
| Cu2+ |
1×10-8 – 10-1 mol/L |
| H+ | 1×10-14 – 1 mol/L |
| K+ | 1×10-7 – 1 mol/L |
Na+ (Polymer) Na+ (Glass) |
5×10-6 – 1 mol/L 1×10-5 – 1 mol/L |
| NH4+ |
5×10-6 – 10-2 mol/L |
| Pb2+ | 1×10-6 – 10-1 mol/L |
| Anion cần đo |
Khoảng đo |
| Br- | 1×10-6 – 1 mol/L |
| Cl- | 1×10-5 – 1 mol/L |
| CN- | 8×10-6 – 10-2 mol/L |
| F- |
1×10-6 – sat. mol/L |
| I- | 5×10-8 – 1 mol/L |
| NO3- | 1×10-6 – 1 mol/L |
| S2- |
1×10-7 – 1 mol/L |
Bảng 2. Mỗi loại ion có một khoảng đo riêng biệt. Lưu ý: Khoảng đo được ghi nhận ở trên chỉ áp dụng đối với điện cực chọn lọc ion của Metrohm.
Tuy nhiên, thỉnh thoảng điều quan trọng hơn khoảng đo là khoảng tuyến tính. Hình 1 mô tả khoảng đo và bao gồm cả khoảng tuyến tính. Trong khoảng tuyến tính này phương trình Nernst được áp dụng và tín hiệu đo tỉ lệ thuận với nồng độ chất phân tích. Bằng cách thực hiện phép đo ion trong khoảng tuyến tính này, bạn sẽ nhận được những kết quả có độ chính xác và tái lập cao nhất. Hãy tìm hiểu thêm về phương trình Nernst trên bài blog đã đăng của chúng tôi.
Ở ngoài khoảng tuyến tính này, đường cong trở nên phẳng hơn và khoảng chênh lệch điện thế trở nên nhỏ hơn, làm cho phép đo không có độ tin cậy đối với phương pháp thêm chuẩn. Ngay cả trong phạm vi phi tuyến tính và phẳng này thì vẫn có thể thực hiện xác định nồng độ ion bằng phương pháp đo trực tiếp – với điều kiện là điện cực chọn lọc ion của bạn cũng được hiệu chuẩn trong khoảng đo này.
Nếu nồng độ quá thấp hoặc điện cực bị bão hòa thì trường hợp này được xem xét như ngoài khoảng đo. Sự thay đôi điện thế không thể xác định được nữa.
- Các ion gây nhiễu
So với điện cực pH với khoảng tuyến tính trãi dài 14 đơn vị lũy thừa mười, độ nhạy của các điện cực chọn lọc ion khác bị giới hạn bởi các ion gây nhiễu làm giảm khoảng đo và khoảng tuyến tính (xem Hình 1).
Có hai loại ion gây nhiễu khác nhau, cả hai loại này được nêu trong Bảng 3.
| Ion gây nhiễu |
Mô tả |
Impact |
| Không thuận nghịch |
|
Phá hủy điện cực chọn lọc ion vì những ion gây nhiễu không thuận nghịch phản ứng với màng và không thể phân tích được nữa. |
| Thuận nghịch |
|
Kết quả sai lệch vì những ion gây nhiễu thuận nghịch gắn kết với vật liệu làm màng và góp phần tạo nên tín hiệu đo. |
Ngày nay, những ion gây nhiễu quan trọng nhất đối với một điện cực chọn lọc ion đã được biết và các thông tin liên quan về chúng được cung cấp bởi nhà sản xuất điện cực. Đối với phép đo, ảnh hưởng của các ion gây nhiễu được xem như hệ số chọn lọc, hệ số này được sử dụng trong phương trình Nikolsky – một phiên bản mở rộng của phương trình Nernst.
| Cation cần đo | Ion gây nhiễu |
|---|---|
| Ag+ | Hg2+, protein |
| Ca2+ | Na+, Pb2+, Fe2+, Zn2+, Cu2+, Mg2+ |
| Cu2+ | Ag+, Hg2+, S2-, Cl-, Br-, I-, Fe3+, Cd2+ |
| K+ | Na+, NH4+, Cs+, Li+, H+ |
Na+ (Polyme) Na+ (Thủy tinh) |
SCN-, acetate H+, Li+, K+, Ag+ |
| Pb2+ | Ag+, Hg2+, Cu2+, Fe3+, Cd2+ |
| Anion cần đo | Ion gây nhiễu |
| Br- | Hg2+, I-, S2-, CN-, NH4+, S2O32- |
| Cl- | Hg2+, Br-, I-, S2-, CN-, NH4+, S2O32- |
| CN- | S2-, hợp chất tạo phức với Ag+, I-, Cl-, Br- |
| F- | OH- |
| I- | Hg2+, S2-, CN-, Cl-, Br-, S2O32- |
| NO3- | Br-, NO2-, Cl-, acetate |
| S2- | Hg2+, protein |
Một số ví dụ về các ion gây nhiễu quan trọng nhất của điện cực chọn lọc ion được liệt kê trong Bảng 4. Để có thêm nhiều thông tin hơn về nên tảng lý thuyết của điện cực pH cũng như điện cực chọn lọc ion, hãy tải về bản chuyên luận miễn phí của chúng tôi ngay bên dưới đây.
- Các ion gây nhiễu
Phép đo này phụ thuộc vào hoạt độ của ion cần đo trong dung dịch, thứ sẽ phụ thuộc vào cường độ ion. Vì lý do này, phép đo chọn lọc ion luôn được thực hiện trong những dung dịch với cường độ ion xấp xỉ như nhau. Bằng cách thêm chất điều chỉnh cường độ ion (ISA) hoặc dung dịch đệm điều chỉnh tổng cường độ ion (TISAB), một nền ion cố định có thể được đạt đến.
ISA và TISAB trơ về mặt hóa học với phép đo và chúng có chứa muối với nồng độ tương đối cao để cường độ ion của dung dịch mẫu có thể được loại bỏ. Một số ví dụ có thể được tìm thấy trong Bảng 5. Kiểm tra bản hướng dẫn sử dụng điện cực chọn lọc ion của bạn dể tìm được dung dịch ISA hoặc TISAB lý tưởng.
| Ion cần đo |
ISA / TISAB |
Thông tin thêm về quy trình |
| Flo (F-) |
NaCl / axit axetic băng / CDTA | Ứng dụng AB-082 |
| Kali (K+) | [NaCl] = 0,1 – 1 M | Ứng dụng AB-134 |
| Natri (Na+), màng thủy tinh | [Tris(hydroxymethyl)aminoethane] = 1 M |
Ứng dụng AB-083 |
| Natri (Na+), màng polyme | [CaCl2] = 1 M | |
| Amoni (NH4+) | [NaOH] = 10 M |
Ứng dụng AB-133 |
3. Bảo dưỡng điện cực và hạn sử dụng
- Vệ sinh điện cực chọn lọc ion
NÊN:
Điện cực chọn lọc ion phải được rửa sạch với nước cất sau mỗi lân đo hoặc chuẩn độ.
KHÔNG NÊN:
Không bao giờ sử dụng dung môi hữu cơ để vệ sinh. Chúng có thể tấn công hoặc phá hủy không thể phục hồi điện cực chọn lọc ion màng polyme hoặc giảm tuổi thọ điện cực chọn lọc ion màng tinh thể.
- Hoạt hóa điện cực chọn lọc ion
Các bước hoạt hóa phải được thực hiện trước lần đầu sử dụng cũng như giữa các lần đo. Bước này sẽ giúp hoạt hóa lớp màng đo và ổn định sự cân bằng của ion cần đo trong lớp màng. Bằng cách này, phép đo sẽ có độ đúng. Dung dịch hoạt hóa được khuyến cáo sử dụng là dung dịch chuẩn của ion cần đo có nồng độ 0.01 M.
- Bảo quản điện cực chọn lọc ion
Tổng quan về hướng dẫn bảo quản đúng cách điện cực chọn lọc ion được hiển thị trong Bảng 6. Để có thêm nhiều thông tin chi tiết, kiểm tra bản hướng dẫn sử dụng điện cực chọn lọc ion.
| Vật liệu làm màng | Bảo quản thời gian ngắn | Bảo quản thời gian dài |
| Màng tinh thể | Trong [ion] = 0,1 M | Khô, đậy nắp bảo vệ |
| Màng polyme | Khô | Khô |
| Màng polyme, kết hợp | Trong [ion] = 0,01 – 0,1 M | Khô, với một ít ẩm |
| Màng thủy tinh | Trong [ion] = 0,1 M | Trong nước khử ion |
- Tuổi thọ điện cực chọn lọc ion
Tuổi thọ của điện cực chọn lọc ion phụ thuộc vào một vài thông số ảnh hưởng bao gồm loại màng, nền mẫu và cách bảo dưỡng điện cực. Đừng quên thay định kì dung dịch điện li của điện cực chọn lọc ion loại kết hợp hoặc của điện cực so sánh – trong trường hợp điện cực chọn lọc ion loại tách biệt. Hơn nữa, không được chạm vào lớp màng bằng tay trần.
Thông thường, những điều sau sẽ được áp dụng:
Điện cực màng polyme: Tuổi thọ bị giới hạn khoảng trong vòng nữa năm do tuổi thọ của lớp màng, gây giảm hiệu năng điện cực.
Điện cực màng tinh thể: Tuổi thọ khoảng vài năm – lớp màng có thể được tái sinh bằng cách đánh bóng điện cực bằng vật liệu đánh bóng phù hợp. Xem video bên dưới để biết thêm chi tiết.
Tóm tắt
- Nếu bạn quyết định thực hiện đo ion bằng điện cực chọn lọc ion, trước tiên bạn phải xem xét khoảng đo và bất kỳ ion gây nhiễu nào có hiện diện.
- Cùng với loại màng và nền mẫu, cách vệ sinh, bảo quản và hoạt hóa, tất cả đều có một mức độ ảnh hưởng đến tuổi thọ của điện cực chọn lọc ion.
Bạn cần biết thêm thông tin về phép đo trực tiếp và thêm chuẩn? Tham khảo Phần 2 của chuyên mục này để xem chúng tôi thảo luận về các phương pháp xác định khác nhau.
Free White Paper
Overcoming difficulties in ion measurement: Tips for standard addition and direct measurement
