10.15 : قياس الشحنة للتيار المتحكم به: نظرة عامة

قياس الشحنة للتيار المتحكم به، والمعروف أيضًا باسم قياس الشحنة الأمبيروستاتيكي، هو تقنية تستخدم في التحليل الكهروكيميائي لقياس كمية مادة ما من خلال مرور تيار متحكم به. وهو يتضمن تطبيق تيار ثابت على خلية كهروكيميائية تحتوي على مادة العينة المراد قياسها. ومع تدفق التيار عبر الخلية، تخضع مادة العينة لتفاعل أكسدة و اختزال على سطح القطب، مما يؤدي إلى نقل الشحنة. من خلال مراقبة الوقت المطلوب لنقل كمية معينة من الشحنة، يمكن تحديد كمية مادة العينة بناءً على قوانين فاراداي للتحليل الكهربائي.

يتكون النظام من جهاز جلفانوستات وخلية كهروكيميائية ذات قطبين وساعة ايقاف لقياس مدة التحليل الكهربائي ومفتاح لبدء وإيقاف العملية. تفصل قنطرة ملحية أوزجاج مسامي مادة العينة عن منتجات التحليل الكهربائي. يتم استخدام الجلفانوستات لأن تركيز مادة العينة ينخفض ​​أثناء التحليل الكهربائي - ينخفض ​​التيار بسبب إنتاج عدد أقل من الإلكترونات. لذا، يجب زيادة جهد الخلية للحفاظ على تيار ثابت. ومع ذلك، قد يؤدي هذا إلى إثارة تفاعلات أخرى عند قطب المولد، مما قد يقلل من كفاءة التيار. لتحقيق كفاءة تيار 100٪، يمكن إضافة فائض من الوسيط، مما يولد أيونات تتفاعل بشكل كبير مع مادة العينة المتبقية.

في قياس شحنة التيار المتحكم فيه، يعالج التوليد الخارجي للمحلول المعاير مشاكل مثل تداخل القطب والتيارات الجانبية، خاصة في العينات الكبيرة. يتم إنتاج المحلول المعاير في خلية كهربائية منفصلة ويتم تسليمه إلى وعاء المعايرة، مما يوفر تحكمًا دقيقًا.

يتضمن التجهيز النموذجي خلية كهربائية ذات ذراعين مع أقطاب حلزونية من البلاتين في أنبوب U مقلوب. يتدفق محلول الخلية عبر كل ذراع، حيث يحدث التحليل الكهربائي. بالنسبة للمعايرة الحمضية، ينتج الكاثود أيونات الهيدروكسيد، والتي تقوم بمعادلة الحمض. في المعايرة القاعدية، ينتج الأنود أيونات الهيدروجين التي تقوم بمعادلة القاعدة.

يتم عمل محاليل المعايرة التي تتضمن اليود المولد كهربائيًا عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول يوديد البوتاسيوم. في هذه الحالة، يتشكل اليود نتيجة لتفاعلات الأنود، الذي يتم توصيله إلى خلية المعايرة.

يتضمن مثال آخر التوليد الخارجي لأيونات Ce^4+ باستخدام محلول مائي من Ce^3+. أحد المشاكل المحتملة لهذه الطريقة هو تخفيف محلول المعايرة في نظام التوصيل، ولكن يمكن تقليل ذلك عن طريق التحكم في معدلات التدفق.

أخيرًا، يمكن تحديد نقطة نهاية التفاعل باستخدام مؤشرات بصرية أو من خلال قياس الجهد الكهربي وقياس التوصيلية الكهربية.