Научная статья на тему 'Определение содержания калия и натрия в особо чистых кислотах методом инверсионной вольтамперметрии в ВЧ-поле'

Определение содержания калия и натрия в особо чистых кислотах методом инверсионной вольтамперметрии в ВЧ-поле Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
187
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Стась Ирина Евгеньевна

Исследовано электрохимическое поведение ионов калия и натрия в высокочастотном электромагнитном поле. Установлен полиэкстремальный характер зависимости аналитического сигнала изученных элементов от частоты налагаемого поля. Показана возможность увеличения чувствительности и селективности определения калия и натрия методом переменнотоковой инверсионной вольтамперометрии в ВЧ-поле, а также выбраны условия проведения анализа. По разработанной методике определено содержание калия и натрия в соляной и азотной кислотах высокой чистоты.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Стась Ирина Евгеньевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Determination of potassium and sodium in pure adds by the method of stripping voltammetry in HF-field

Electrochemical behavior of potassium and sodium ions in the liigh-frequence electromagnetic field has been investigated. Polyextremal character of investigated elements anaUticai signal dependence from imposing field frequence has been determined. The possibility has been shown of improving the sensitivity and selectivity of potassium and sodium determination by the method of alternative stripping voltammetry in HF-field, and conditions of analysis were shoosed. The quantity of potassium and sodium in pure hidrochloric and nitric acids has been determined by elaborated method.

Текст научной работы на тему «Определение содержания калия и натрия в особо чистых кислотах методом инверсионной вольтамперметрии в ВЧ-поле»

УДК 543.253

И.Е. Стась

Определение содержания калия и натрия в особо чистых кислотах МЕТОДОМ ИНВЕРСИОННОЙ

вольтамперометрии в ВЧ-поле

Введение

Метод инверсионной вольтамперометрии (ИВ) благодаря относительной простоте аппаратуры, экспрессности, экономичности находит широкое применение для контроля микропримесей в различных объектах: реактивах особой чистоты, полупроводниковых материалах, биологических объектах и т.д. Успешное применение метода ИВ в анализе микропримесей возможно при снижении границы определяемых содержаний до КИМ О-11 г и менее.

Для решения этой задачи предложено много способов, основанных на внесении конструктивных усовершенствований в рамках известного метода:ис] режимов поляризации электрода, применение компенсаторов остаточного тока, а также разработка новых конструкций электролитических ячеек и электродов. Оптимизация условий проведения анализа также способствует решению поставленной задачи [1-3].

Воздействие на систему электрод-раствор физических полей с варьируемыми параметрами представляет новую возможность решения проблемы повышения коэффициента чувствительности и разрешающей способности метода ИВ. В ряде работ [4-6] нами было показано, что наложение на электрохимическую систему высокочастотного (ВЧ) электромагнитного поля существенно влияет на параметры аналитического сигнала вольтамперных методов: возрастает ток пика, смещается потенциал пика, снижается наклон остаточного тока. Величина эффекта зависит от частоты и напряженности поля. Для различных элементов максимальное увеличение тока и смещение потенциала пика достигается при различных частотах, что позволяет разделить аналитические сигналы таких элементов, которые в обычном варианте анализа налагаются и, следовательно, не могут быть определены при их совместном присутствии в растворе. Так, например, разность потенциалов пиков (АЕ) свинца и таллия при их совместном определении методом ИВ на фоне 0,1 М раствора КС1 не превышает 78 мВ, что приводит к существенному наложению аналитических сигналов. В результате воздействия на раствор ВЧ-поля частотой f = 60-135 МГц эта разность возрастает до 124-135 мВ, что позволяет практически полностью разделить сигналы данных элементов. Для системы свинец-кадмий величина ДЕ не превышает 100 мВ в отсутствие поля, а при наложении поля частотой f = 80-100 МГц раз

ность потенциалов пиков составляет уже 170- 180 мВ [4,7].

Выявленные закономерности были использованы при разработке методики определения микроконцентраций калия и натрия в соляной и азотной кислотах особой чистоты.

Экспериментальная часть

Определение щелочных металлов методом ИВ ведется, как правило, из неводных растворителей. Наиболее часто в качестве фонового электролита используются тетраалкилзаме- щенные соли аммония в диметилформамиде. При определении К и Na регистрируется суммарный пик, не позволяющий определять содержание каждого из элементов.

Измерения проводили на полярографе ПУ- 1. В качестве индикаторного использовался ртутно-пленочный электрод, в качестве вспомогательного -донная ртуть. Фоновым электролитом служил 0.02 М раствор (C4Hs>)4NI в диметилформамиде. Стандартные растворы готовили из реактивов марки "х.ч." на бидис- тиллате. ВЧ-поле налагали бесконтактным способом (ячейка емкостного типа) от генератора ВЧ-импульсов ГЗ-19А. Изучен диапазон частот 40-200 МГц.

Рис. 1. Зависимость тока анодного пика натрия от частоты ВЧ-поля. СМа=Э • 10"5 М, фон 0.02 М (С4Н5>>М, (о = 3 мин, Еэ=-2.3 В

Воздействие ВЧ-поля позволяет увеличить аналитический сигнал калия и натрия. На зависимостях величины анодного тока калия и натрия от частоты электромагнитного поля в диапазоне 40200 МГц наблюдается по два максимума. Вид полученной зависимости для натрия представлен на рисунке 1. Максималь-

химия

ное увеличение тока пика N8, концентрация которого в растворе составляет 3-10-6 М, наблюдается при частотах 90 и 143 МГц (Шо= 3.8-3.4 , где и - ток пика при частоте поля Г 1о - ток пика в отсутствие ВЧ-поля). Ток пика К при той же концентрации возрастает в 6.5-11 раз при Г = 60 и 170 Мгц соответственно. При других частотах эффект увеличения аналитического сигнала менее выражен. Потенциалы пиков изученных элементов при указанных частотах значительно положительнее потенциалов пиков в отсутствие поля.

При совместном присутствии К и N8 в анализируемом растворе регистрируется один аналитический сигнал. Наложение ВЧ-поля на электрохимическую ячейку лишь увеличивает ток пика, не позволяя выделить индивидуальные сигналы. Зависимость тока суммарного пика калия и натрия от частоты налагаемого поля носит полиэкстремальный характер. Максимального значения ток достигает при частотах 51, 90 и 143 МГц. Последний максимум выражен наиболее заметно. Смещение потенциала пика при Г = 143 МГц - более 0,5 В. Существенно уменьшается наклон остаточного тока в интервале частот 130170 МГц - почти в два раза.

Таким образом, воздействие ВЧ-поля позволяет на порядок повысить коэффициент чувствительности постояннотоковой ИВ (определяемый как отношение полезного сигнала к помехе) при нахождении суммарного содержания К и N8, однако достичь разделения пиков в постояннотоковом варианте ИВ практически не удается. Лишь при определенном соотношении содержания исследуемых элементов наблюдается частичное разделение пиков, которое плохо воспроизводится.

При высоком содержании К и N8 в пробе (порядка 103 - 10-4 М) анализ можно проводить путем регистрации катодных пиков. При этом в ВЧ-поле частотой 95-100 и 140-145 МГц происходит частичное разделение пиков К и N8 - ДЕ = 200-220 мВ. Определение данных элементов возможно в случае, когда содержание одного превосходит содержание другого не более чем в 4-5 раз.

Наилучшие результаты получаются при использовании переменнотоковой ИВ. Чувствительность определения К и N8 в данном случае на порядок выше, чем в постояннотоковом варианте. Воздействие ВЧ-поля позволяет в еще большей степени увеличить коэффициент чувствительности. Кроме того, в диапазоне 120-180 МГц удается зарегистрировать раздельные сигналы К и N8. Разность потенциалов пиков достигает 0,40 В при { = 143,150-155 и 170 Мгц. При этом потенциалы пиков сильно смещены в положительную область: пик N8 регистрируется при потенциале -1.7 В, а пик К - при -1.3 В относительно донной ртути. Мак

симальная величина сигнала натрия наблюдается при { = 154-157 и 170-175 МГц. Вид воль-тамперограмм, регистрируемых в ВЧ-поле при совместном определении К и N8, представлен на рисунке 2. Линейность градуировочных графиков проверена в интервале 4-10-7 - 10 5 М.

Рис. 2. Вольтамперограммы № и К при совместном присутствии: а) постояннотоковая, б) переменното-ковая. 1 - И=0; 2 - И=143 МГц. Ск = 5-10-6 м, Сна = 3-10-6 М, фон 0.02 М (С4№)4М, (о = 3 мин, Еэ= -2.3 В

Исходя из полученных результатов для раздельного определения калия и натрия в различных объектах может быть рекомендован метод переменнотоковой инверсионной воль-

тамперометрии в ВЧ-поле. Частота налагаемого поля 154-157 МГц; при повышенном содержании калия частоту увеличивают до 170-175 МГц. Раздельное определение калия и натрия возможно при соотношении их концентраций до 1:10 и 10:1. Минимально определяемое содержание N8 и К: 1.510-7 и 3.7-10-7% соответственно.

Правильность методики оценена на модельных смесях методом "введено-найдено".

Воспроизводимость результатов, оцениваемая по стандартному отклонению Бг, составляет при определении калия - 0.13, натрия - 0.22.

Предлагаемая методика анализа

Анализируемую кислоту в количестве 0.1 мл наливают в кварцевый стаканчик и выпаривают. После полного испарения кислоты к содержимому добавляют 10 мл тщательно очищенного фонового электролита - 0.02 М (С^^М в диметилформамиде. Полученный раствор переносят в ячейку для ИВ-анализа в ВЧ-поле, добавляют донную ртуть, используемую как вспомогательный электрод, и в течение 20 мин пропускают через газообразный азот для удаления растворенного кислорода.

Электроконцентрирование калия и натрия ведется на ртутно-пленочном электроде при потенциале (2.2) - (-2.3) В, время предварительного электролиза - 2-3 мин., амплитуда синусоидального напряжения 25 мВ, частота ВЧ-поля 155 Мгц, его напряженность - 0.5-0.7 В/см. Регистрацию вольтамперограммы проводят при скорости изменения потенциала 50 мВ/с. Содержание натрия и калия определяют методом добавок растворов известной концентрации.

Суммарное содержание калия и натрия в соляной кислоте, найденное методом переменно-токовой ИВ без наложения ВЧ-поля, составило З.Ы0-6%. При наложении поля частотой 155 МГц найдено, что в кислоте содержится 2.010-6% натрия и 1.210-6% калия с ошибкой 10%. В азотной кислоте особой чистоты обнаружено 210-6% натрия и 7.310-7% калия с той же ошибкой воспроизводимости.

Литература

1. Стромберг А.Г., Каплин А.А. Современное состояние и перспективы полярографии с накоплением м в анализе полупроводниковых материалов и особо I чистых веществ II Изв. СО АН СССР. Сер. хим. наук. ] 1975. Вып. 2. №4.

2. Стромберг А.Г., Каплин А.А. Пути повышения ■ чувствительности вольтамперных методов с на- т коплением // Изв. СО АН СССР. Сер. хим. наук. 1978. Вып. 4. №9.

3. Бонд А.М. Полярографические методы в в аналитической химии. М., 1983. <

4. Каплин А.А., Брамин В.А., Стась И.Е. Ин- < версионная вольтамперометрия в высокочастотном р электромагнитном поле // Журнал аналит. химии. 1988.

Т. 43. Вып. 4.

5. Стась И.Е., Брамин В.А., Каплин А.А. Применение ВЧ-поля в инверсионновольтамперо-метрическом анализе // Получение и анализ чистых веществ. Горький, 1988.

6. Брамин В.А., Стась И.Е. О влиянии высокочастотного электрического поля на параметры катодного процесса //Электронная обработка материалов. 1988. № 4.

7. Стась И.Е., Брамин В.А., Кебо Т.Ф. Влияние высокочастотного поля на вольтамперомегрическое определение свинца и кадмия при совместном присутствии // Тез. докл. IX Всесоюзн. совещ. по полярографии. Ч. 2. "Ь rCID" Каменогорск, 1987.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.