Электроды виды и применение: Виды сварочных электродов. Какие марки применять в конкретном случае

Электроды для сварки. Виды и устройство. Применение и работа

Электроды для сварки представляют собой стержни из металла или другого материала, которые при прохождении мощного электрического тока плавятся или плавят поверхность заготовок, что приводит к созданию соединяющего сварочного шва. Электроды разделяются на марки в зависимости от того, для каких работ применяются. В настоящее время существует более 200 марок.

Все разновидности электродов для сварки разделяют на две группы:

• Металлические.
• Неметаллические.

Неметаллические

Делают из угля или графита. Они не плавятся и эффективно пропускают электричество, при этом разогреваются, но больше всего греется поверхность, к которой они прикасаются. В результате металл плавится, приобретая текучесть, и заполняет шов. Создается физический процесс диффузии, что обеспечивает смешивание молекул из двух заготовок, в результате чего создается надежное соединение.

Металлические

Такие электроды для сварки также бывают

неплавящимися и плавящимися.

Неплавящиеся металлические электроды бывают четырех видов:

• Вольфрамовые.
• Торированные.
• Лантанированные.
• Итрированные.

Плавящийся подвид металлических электродов выпускается в 2 формах:

• Покрытые.
• Не покрытые.

Покрытые имеют специальное напыление на стержне, которое при разогреве выделяет газ, предотвращающий окисления текучего металла. Их стержень делается из идентичного металла с той заготовкой, которая сваривается. Это может быть сталь, чугун, алюминий, медь бронза и так далее. Электрод из алюминия не может варить сталь, как и чугунный – медь. Соответствие материалов должно быть стопроцентным.

Непокрытые электроды представляют собой длинную проволоку, которая используется в полуавтоматическом сварочном аппарате. Данное оборудование подает проволоку вместе с потоком газа, поэтому ее окружает благоприятная среда предотвращающая окисление при плавке. Для сварки черных металлов обычно подается углекислота.

Наличие более 200 марок электродов обусловлено тем, что существует масса разновидностей сталей с особой структурой. Чтобы расплавленный стержень электрода эффективно зафиксировал соединяемые детали необходимо полное соответствие с материалом, с которым осуществляется контакт. Если применять стержень другой структуры, соединение становится ненадежным. При создании достаточного давления шов отрывается. Особенно это заметно при сварке чугуна. Если использовать обычные электроды для стали, то при расплавке они просто не присоединяются к деталям.

Существуют марки электродов под каждый вид стали. Это может быть любой металл – теплоустойчивая, легированная, конструкционная, низколегированные, нержавеющая и пр. типы сталей.

Покрытые электроды для сварки дугового типа

Электродуговые электроды являются самыми востребованными, поскольку применяются для самого распространенного типа сварочного оборудования. Они используются на производстве и в быту. Практически все металлоконструкции в строительстве завариваются таким оборудованием. На прилавках магазинов продаются инверторные и другие виды сварочных аппаратов, которые работают с подобными электродами.

Эти электроды для сварки относятся к виду металлических плавящихся стержней с защитным покрытием. Их сердцевина делается из того металла, который нужно сварить. Непосредственно само устройство подобных электродов состоит из металлического стержня, сделанного в виде длинного прута, покрытие которого идет практически по всему периметру, кроме маленького хвостика. Непокрытый хвостик используется для фиксации в держателе сварочного аппарата, поскольку покрытие не проводит ток и его наличие не позволит создать контакт. Рабочей частью электрода является торец, который также не имеет покрытия. При касании его к детали, которую нужно заварить, место соединения разогревается и электрод начинает плавиться, а его покрытие выделяет газ, препятствующий окислению.

Электроды для дуговой сварки отличаются между собой не только по металлу сердечника, но и его диаметру в миллиметрах. Чем тоньше прут, тем быстрее он плавится. Если необходимо сварить заготовку, имеющую толстое тело, то нужно выбирать электрод большого диаметра. Стоит отметить, что возможность применения зависит от классификации сварочного аппарата. При использовании электродов с большим диаметром создается высокая нагрузка, в результате которой слабое оборудование может перегореть.

Для обеспечения надежной сварки с применением подобных электродов важно, чтобы прогревался не только стержень для плавки, но и заготовка. Это обеспечивает надежное смешивание жидкого металла на молекулярном уровне. Если для толстых заготовок использовать тонкий стержень, поверхность останется холодной, в то время как электрод уже течет. В результате после остывания такое соединение можно отломить голыми руками. Если применять толстый электрод на тонкостенном листовом металле, то свариваемая поверхность просто будет прогорать насквозь и шов не получиться. Таким образом, электроды для сварки подбираются индивидуально.

Стоит отметить, что подобные электроды имеют ограниченный срок хранение, поскольку со временем покрытие теряет свои свойства и не может при плавлении создавать газовое облако препятствующее окислению. Хранить электроды для сварки с покрытием нужно в сухом месте. Если они будут контактировать с избыточной влажностью, то покрытие набирает сырость. В результате наблюдается ухудшение рабочих характеристик. При нагревании стержня влага в покрытии быстро испаряется, что приводит к резкому расширению. В результате во время сварочных работ мокрыми электродами, в стороны начинают отлетать мелкие капли расплавленного металла, что небезопасно. Кроме этого, ни о каком надежном и красивом шве не может быть и речи. Если электроды намокли не сильно, их можно высушить, положив в теплом месте или на солнце. Иногда, даже после просушки, они не могут полностью возобновить свои былые характеристики.

Использование таких электродов позволяет провести очень надежное сварочное соединение, но при этом наблюдаются и определенные недостатки. В первую очередь это связано с необходимостью периодически снимать хвостики от сожженных электродов с держателя, и вставлять свежие стержни. В зависимости от навыков сварочных работ это осуществляется раз в 1-2 минуты. Также на периодичность замены влияет и толщина внутреннего сердечника. Снимаемый из держателя хвостик всегда горячий, поэтому его нужно доставать только плоскогубцами.

Сварная проволока для полуавтоматов

Проволочные электроды для сварки представляют собой тонкую проволоку, намотанную на катушку. Ее вес может составлять 0,5, 1 или 2 кг. Иногда продаются даже большие катушки, но они подходят не для всех сварочных аппаратов. Проволока используется для сварки полуавтоматическим и автоматическим оборудованием. Зачастую она не имеет никакого покрытия, кроме полимера препятствующего коррозии. Иногда для предотвращения появления ржавчины на поверхности сварочной проволоки наносится бронза, медь или алюминий. Слой цветных металлов очень тонкий, поэтому никак не влияет на эффективность сварочных работ.

Сварочный полуавтомат подает проволоку сквозь рукав вместе с потоком углекислоты. При контакте с обрабатываемой поверхностью кончик проволоки греется и расплавляется. Благодаря тому, что углекислый газ в это время выталкивает весь воздух, окисление не происходит. Если отключить подачу газа, то расплавленный металл начинает кипеть, в результате чего шов получается пористым, а сама проволока постоянно перегорает.

Сравнительно недавно началось производство сварочной проволоки с флюсом. Она имеет мелкое порошковое напыление подобное покрывным электродам для дуговой сварки. Такой ассортимент стоит дороже, но имеет и свои преимущества. Его можно использовать на классической полуавтоматической сварке, которая обычно работает с углекислотой, но без ее подачи. Применение такой проволоки исключает необходимость заправки баллонов и перевозки их вместе с полуавтоматом.

Принцип работы неплавящихся электродов и сфера их применения

Неплавящиеся электроды для сварки применяются в тех случаях, когда необходимо провести пайку двух или более заготовок за счет плавления их собственного металла. Обычно для этого используются графитовые стержни. Подобные электроды часто применяются при обеспечении надежного соединения скрутки электрокабеля. Для этого необходимо прикоснуться к скрутке, после чего поверхность металла в месте соединения начнет мгновенно разогреваться. В результате медь или алюминий быстро оплавятся и созданные капли из разных жил сплавляются друг с другом. В дальнейшем электрический ток будет проходить по месту пайки без риска окисления и потери контакта. Это намного надежнее, чем обычная скрутка или даже использование специализированных клемм.

В отличие от обычных плавящихся электродов, неплавящиеся сложно назвать расходными материалами. Дело в том, что после работы они остаются практически такими же как изначально. Происходит лишь незначительная потеря длины. Таким образом, использование подобных электродов является более выгодным с экономической точки зрения. Обычно такие стержни используются для соединения металлов с большой текучестью, которые отличаются низкой степенью окисления при работе. В первую очередь это алюминий, медь, бронза и латунь.

Похожие темы:

• Припои для пайки. Виды и свойства. Состав и флюсы. Плавление
• Токопроводящий клей часть 1. Виды марок и требования
• Токопроводящий клей (Часть 2). Рецепты приготовления клея. Применение
• Как правильно паять. Оборудование и инструменты. Советы по пайке
• Холодная сварка. Виды и применение. Работа и особенности. Плюсы и минусы

какие бывают, где какие используются, схожие и отличительные характеристики

Сварочный электрод представляется металлическим или неметаллическим стержнем, изготовленным из токопроводящего материала, предназначен для подвода электричества к свариваемым элементам. Стержни выпускаются плавящимися и неплавящимися.

Последние выполняются из тугоплавкого сырья — вольфрама, синтетического графита либо электротехнического угля.

Плавящие же делают из сварочных прутков, нитей, покрытых защитным слоем. Обмазка защищает сердечник от негативного атмосферного воздействия, обеспечивает стабильное горение электрической дуги.

Содержание статьиПоказать

• Общие сведения
• Применение
• Марки
• Классификация
• Сварочная проволока
  • Легирование
• Условия использования

Общие сведения

Ручная электродуговая сварка применяется на всех промышленных и ремонтных предприятиях. Стержневые продукты походят на металлические пруты различного диаметра — 1,0-6,0 мм и длины — 25-45 см.

Предназначены для соединения элементов выполненных из чугуна, сталей, цветного металла, не требуют больших энергетических, материальных затрат.

Отрицательными сторонами термического процесса считается зависимость операции от квалификации сварщика, низкий КПД относительно более современных видов сварки, вредные испарения при исполнении работы.

Применение

Стержневые продукты используются для стыковки чугунных, стальных деталей, конструкций из цветных металлов, резки материалов.

Современные электроды разных видов позволяют проводить сварочные операции в любом пространственном положении.

Продукты для термических работ выполняются под определенные задачи, что делит их на конкретные виды и классы.

Марки

Плавящиеся стержни передают ток к деталям, образуют химическую реакцию с расплавленным материалом, чем обеспечивается соединение конструкций.

Неплавящиеся виды только осуществляют подвод разряда к сочленяемым элементам, присадочные же проволоки, прутки подводят отдельно.

Угольные, графитовые стержни обладают хорошей проводимостью, предназначены для сварки-резки, наплавочных работ, благодаря высокой температуре расплава.

Используются совместно с присадками, подаваемыми на участок дуги в процессе сварки либо предварительно уложенными на соединяемые области.

Главными их особенностями являются возможность многократного использования, неприлипание к поверхностям сочленяемых элементов.

Сердечник плавящегося электрода защищен обмазкой, которая обеспечивает высокое качество валика, улучшает эксплуатационные данные обработанной конструкции, предотвращает проникновение вредных примесей к сварочной ванне.

Газообразующий слой включает крахмал, диоксид марганца и др.

Защитное напластование также повышает скорость операции вследствие подачи большой силы напряжения, формирования предохранительной пленки на металлической плоскости, препятствующей попаданию в зону атмосферного воздуха.

Классификация

Электропроводные стержни обусловливаются различными характеристиками, куда входит толщина продукта. Это необходимо для правильного выбора при работе с конструкцией определенной толщины.

Маркировка, диаметр, описание вида электрода обычно присутствует на упаковке или коробке.

Электрод должен обеспечить следующие позиции:

• стабильное горение электрической дуги, быстрое зажигание;
• непрерывное расплавление обмазки;
• равномерное наслоение шлака на валик;
• легкое удаление шлака со сварочного валика;
• отсутствие углублений, трещин, эффекта непроваривания.

Назначение продукта главным образом зависит от структуры металлического сердечника. При его изготовлении принимается во внимание группа факторов, которые позитивно влияют на формирование шва.

Таковыми являются:

1. Классификация токопроводящего стержня по назначению.
2. Размещение детали в конкретном месте, ее характеристика.
3. Пространственное положение конструкции, факторы проведения работ.
4. Толщина обрабатываемых элементов.
5. Рабочие характеристики сварочного валика — изгибающий момент, устойчивость к разрыву, концентрация кислорода и др.

Токопроводящие стержни должны соответствовать типу обрабатываемого материала, что так же указывается на коробке. Для сваривания сталей используются следующие электроды:

• углеродистых, низколегированных конструкционных, с кратковременной устойчивостью к разрыву до 600 МПа — «У»;
• легированных конструкционных, с приведенной выше устойчивостью — «Л»;
• легированных теплоустойчивых — «T»;
• высоколегированных — «B»;
• наплавки слоев, обусловленных особыми свойствами — «H»;.

Кроме буквенной классификации используется цифровая, указывающая наименьшую временную устойчивость к разрыву в ПМа.

Стоящий за цифрами символ A говорит о повышенных пластических свойствах, вязкости, некоторому ограничению химического состава.

Сварочная проволока

Проволоки насчитывают четыре вида:

• алюминиевые;
• омедненные нити;
• нержавеющие;
• трубчатые порошковые.

Первый тип используется для сварки алюминия и кремния либо марганца. Омедненные практикуются при соединении низкоуглеродистых сталей с низколегированными.

Прутки подобного состава повышают качество валика, содействуют горению электрической дуги, ограничивают распыление расплавленного металла.

Нержавеющие нити спаивают никелированные и хромированные стали, нержавейку. Трубчатая же проволока нашла применение в судостроении, там, где не рекомендуется использование иных видов стержней.

Последние производят операции в облаке защитных газов, порошковая ими не обладает.

Не последнюю роль играет обмазка электрода — покрытие, которое обеспечивает устойчивое горение дуги, формирование металла на валике с заданными показателями.

Таковыми представляются способность материала поглощать механическую энергию, сопротивление коррозии, пластичность и прочность.

Шлак предупреждает попадание кислорода с азотом в сварочную ванну, которые могут нарушить технологичность конструкции. Он также способствует уменьшению скорости затвердевания валика, позволяет выходить из него неметаллическим и газовым примесям.

Компонентами обмазки являются марганцевая руда, осадочная карбонатная горная порода, обогащенные титановые руды, кварцевый песок и др.

Легирование

Легирование сварочного валика совершается для повышения физических, механических свойств сочленения. Улучшение производится за счет добавочных компонентов — хрома, вольфрама, молибдена, никеля, марганца.

Легированная проволока так же содержит необходимые элементы, которые диффундируются в обрабатываемый металл, делаясь частью его состава.

Поможет повысить производительность процесса и увеличить слой наплавляемого металла, включенный в обмазку металлический порошок.

Он улучшает технологические параметры стержня, снижает скорость остывания материала, облегчает зажигание электрической дуги, проведение операции в условиях низких температур.

Электропроводные изделия покрываются следующими типами обмазки:

1. A — кислотосодержащая, с включением оксидов марганца, железа, титана и кремния. Используется при операциях со сталями, не имеет пространственных локализаций.
2. Б — основа содержит фторид кальция и соль угольной кислоты с кальцием. Не применяется при вертикальной сварке.
3. Ц — целлюлозное покрытие с органическими добавками, которые защищают дугу и образуют тонкий пласт шлака.
4. P — рутиловая обмазка уменьшает рассеивание горячего металла, стабилизирует горение разряда, формирует любые пространственные швы.
5. Ж — указывает на железную 20%-ю добавку пудры.
6. П — относится к прочим видам обмазки.

Существующие продукты со смешанным видом оболочки обозначаются по Государственному стандарту 946675 двойными символами:

• кислое-рутиловое — AP;
• рутиловое-основное — PБ;
• рутиловое-целлюлозное — PЦ;
• рутиловое с железной пудрой — PЖ.

Электроды подразделяются для работы в определенных пространственных позициях. Они маркируются цифровыми символами:

• 1) — универсальный тип;
• 2) — подходит для всех пространственных раскладов кроме вертикали;
• 3) — допустим для вертикали-горизонтали, но не потолка.

Цифра 4 указывает только на горизонтальное положение.

Условия использования

Работа со сварочными продуктами обусловлена соблюдением некоторых правил. Одним из первых является целостность стержней.

Коробка с электродами не должна быть разрушена, весовые данные должны совпадать с этикеткой на упаковке, а шлаковый слой легко отставать от шва.

Не допускается попадание в контейнер воды, другой влаги, которая приводит к ухудшению сварочных операций за счет сырого покрытия. В случае отсыревания продукта, его следует высушить в специализированной печи не менее 60 мин. при температуре 260° C.

После термообработки электроды необходимо тщательно упаковать для предотвращения последующего увлажнения. Стержни повторно сушить не рекомендуется вследствие потери ими технологических свойств.

Остатки влаги могут сказаться негативным образом на качестве валика, привести к сильному разбрызгиванию плавящегося металла.

Образование углублений, трещин и раковин так же является следствием намокания. В работу не допускаются погнутые стержни, имеющие поврежденную обмазку.

Ионоселективный электрод – принцип, типы, применение

Принцип ионоселективного электрода

Ионселективный электрод ( ISE ) представляет собой электрохимический датчик, работающий по принципу гальванического элемента. Он преобразует активность или концентрацию определенного иона, присутствующего в растворе, в электрический потенциал.

Типичная сборка ионоселективного электрода приведена над рисунком. Он очень полезен в химии окружающей среды для анализа растворенного диоксида углерода в пробах воды.

Ионоселективный электрод можно использовать для потенциометрического определения нескольких анионов (фторид, хлорид, бромид, йодид-ион) и катионов (натрия, калия, кальция). Электрод также можно использовать для определения конечной точки при потенциометрическом титровании.

В биохимии ионоселективные электроды используются для определения ферментов и веществ, взаимодействующих с ферментами.

Как работают ионоселективные электроды?

Потенциометрический ионоселективный электрод (ИСЭ) — одна из важнейших групп химических сенсоров. Рабочий процесс потенциометрических ионоселективных электродов основан на принципе гальванического элемента. Он содержит электрод сравнения, ионоселективную мембрану и вольтметр.

Транспорт ионов от высокой концентрации к низкой концентрации через селективную мембрану создает разность потенциалов. Его можно измерить относительно стандартного электрода сравнения, имеющего постоянный электродный потенциал. В условиях равновесия измеренный потенциал (Е) может быть выражен уравнением Нернста.

E _ячейка = E ⁰ + (0,059/n) log a _{M ⁿ⁺} at 25 ⁰ C.
Где n – заряд иона аналита, a _{Mn ⁺} — активность раствора пробы, а E ⁰ — асимметричный потенциал. Он развивается через мембрану из-за внутреннего напряжения. Это характеристическая константа каждого ионоселективного электрода.

Для определения значения E ⁰ электрод погружают в раствор с известным значением pH и соединяют со вторичным электродом сравнения, таким как каломельный электрод.

Типы ионоселективных электродов

Существенной частью ИСЭ является ионоселективная мембрана, которую обычно помещают между образцом и внутренними растворами, содержащими ион аналита. Мембрана, используемая в ISE, может быть стеклянной, твердой кристаллической или жидкой. Ионоселективные электроды в основном бывают четырех типов в зависимости от природы материала мембраны. Это,

• Стеклянные электроды
• Кристаллические электроды
• Ионообменные электроды
• Ферментные электроды

Стеклянные электроды

Стеклянный электрод представляет собой тип ИСЭ, в котором в качестве чувствительного материала используется тонкая стеклянная мембрана в форме колбы. Он чувствителен к ионам водорода в растворе. Когда тонкая стеклянная мембрана разделяет два электролита, на мембране возникает потенциал.

Электрод, чувствительный к углекислому газу, представляет собой рН-чувствительный стеклянный электрод. Он очень полезен в химии окружающей среды для анализа растворенного диоксида углерода в пробах воды.

Стеклянный электрод обладает хорошей селективностью к ионам серебра (Ag ⁺ ), натрия (Na ⁺ ) и водорода (H ⁺ ). В то время как халькогенидное стекло обладает хорошей селективностью к ионам двухзарядных металлов, таких как ионы кадмия (Cd ²⁺ ) и свинца (Pb ²⁺ ).

Кристаллические электроды

Кристаллические или твердотельные мембранные электроды содержат нерастворимую неорганическую соль. Кристаллические электроды обладают хорошей селективностью. Ионы, которые могут внедряться в кристаллическую структуру, могут мешать отклику электрода. Процесс ионного обмена приводит к образованию потенциала на мембране кристаллических электродов.

Моно- или поликристаллы одного вещества, такого как AgCl/Ag ₂ S, можно использовать для определения активности или концентрации ионов хлорида.

Монокристалл LaF ₃ широко используется для определения активности ионов фтора. Для улучшения проводимости кристалл обычно легируют европием. Он был описан Мартином и Франтом в 1960 году.

Ионообменные электроды

Ионообменные электроды основаны на электропроводящей мембране. Ионообменная мембрана представляет собой тип органического полимера или ионообменной смолы, который переносит определенные растворенные ионы из раствора и блокирует другие ионы или нейтральные молекулы.

Важными примерами ионообменных мембран являются протонообменные мембраны и анионообменные мембраны.

• Протонообменные мембраны используются для транспорта ионов H ⁺ .
• Анионообменные мембраны используются в некоторых щелочных топливных элементах для переноса ионов OH ⁻  из растворенного раствора.

Калийселективный электрод является прекрасным примером жидкомембранного ионообменного электрода, в котором валиномицин используется в качестве обменника. Обладает высокой селективностью по отношению к другим катионам щелочных металлов и катионам аммония. Чувствительная мембрана основана на матрице из поливинилхлорида. Его можно использовать в течение нескольких месяцев в клиническом анализе.

Ферментные электроды

Ферментные электроды основаны на принципах взаимодействия ферментов с субстратами в биологических процессах. Впервые он был разработан Кларком и Лайонсом.

Электрод, чувствительный к амигдалину, может быть изготовлен путем удержания β-глюкозидов в слое геля, соединенного с чувствительным к цианиду мембранным электродом. Глюкозу и мочевину можно измерить с помощью ферментных электродов. Это полезно для больных сахарным диабетом.

При клиническом применении ферменты играют решающую роль в метаболической активности всех живых организмов. Поэтому ферментные электроды широко применяются в биотехнологии и клиническом анализе.

Применение ионоселективных электродов

Применение ионоселективных электродов (ИСЭ) хорошо зарекомендовало себя во многих областях, таких как клинические, биологические, водные, воздушные, океанографические, фармацевтические исследования и аналитические определения.

Применение электродов, селективных к ионам фтора, хлорида, аммония, натрия, калия и кальция, описано ниже.

Электрод, селективный к ионам фтора ион фтора в водных растворах быстро, просто, точно и экономично. Это полезная процедура для измерения содержания фтора в питьевой воде, костях, цементе, рыбьем белке, стекле, фосфатных минералах и зубной пасте.

Электрод, селективный к ионам хлора

Электрод, селективный к ионам хлора, используется для быстрого, простого и надежного анализа ионов хлорида в биологических материалах, пищевых продуктах, почве и сточных водах. Его применяют в основном для определения солености воды и хлорид-ионов в сыворотке крови, моче, рыбе, тканях растений, молоке, экстракте говядины, питательном бульоне, апельсиновом, томатном и грейпфрутовом соках.

Электрод, селективный к ионам аммония

Электрод, селективный к ионам аммония, может использоваться вместо дистилляции и титрования. Его можно использовать для измерения концентрации аммония (NH ₄ ⁺ ) ион в водных образцах. После превращения азота в ион аммония концентрацию аммиака определяют с помощью аммиачного электрода.

ISE для аммония используется главным образом для измерения уровня ионов аммония, присутствующих в удобрениях.

Электрод, селективный к ионам натрия

Электрод, селективный к ионам натрия, предназначен для обнаружения ионов натрия (Na ⁺ ) в водных растворах. Он содержит твердотельную полимерную матричную мембрану из ПВХ. Он подходит для различных лабораторных применений.

Обнаружение натрия в крови, пище и почве очень важно для современных людей. Натрий является одним из основных компонентов крови и внеклеточной жидкости.

Натрий с калием поддерживает различные биологические функции, такие как осмотическое давление и влажность внутри и снаружи клетки. Они также управляют функциями нервов, сердца, мышц и т. д.

Чрезмерный уровень натрия в организме человека вызывает высокое кровяное давление или гипертонию. Поэтому контроль уровня натрия в нашем организме очень важен для современных людей.

Электрод, селективный к ионам калия

Калиевый ISE является примером ионоселективного электрода, используемого для измерения концентрации ионов калия в водном растворе. Высокоселективные ионообменники калия и прочные полимерные мембраны широко используются в биохимических и биофизических исследованиях.

В современной аналитической химии эти типы мембран можно использовать для измерения активности калия в плазме или цельной крови.

Электрод, селективный к ионам кальция

Электрод, селективный по отношению к ионам кальция, представляет собой мембранный электрод, который используется для измерения концентрации или активности ионов Ca ²⁺ в водном растворе. Это очень удобно для определения жесткости воды.

ИСЭ с кальцием также используется для определения ионов кальция в пиве, почве, кормах, муке, минералах, молоке, морской воде, сыворотке и биологических жидкостях, сахаре, варочной жидкости и вине.

Недавней разработкой является использование жидких ионоселективных мембран в ионоселективных электродах. Эти жидкие ионообменные мембраны представляют собой нелетучие, не смешивающиеся с водой хелаты или координационные комплексы.

Фтор (F ^— ), хлорид (Cl ^— ), бромид (Br ^— ), йодид (I ^— ), кадмий (Cd ²⁺ ), медь (Cu

6+ ), свинец (Pb ²⁺ ), нитрат (NO ₃ ⁻ ), калий (K ⁺ ), серебро (Ag ⁺ ), натрий (Na ⁺ ), аммиак (NH ₃ ), и несколько ферментных ионоселективных электродов являются наиболее распространенными, надежными и коммерчески доступными электродами, используемыми в различных анализах.

Ионоселективные электроды — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Автор
• Электронная библиотека аналитических наук

Итак, вы узнали, что во время метода потенциометрии измеряется потенциал или напряжение гальванического элемента. Ячейка состоит из индикаторного электрода и электрода сравнения. Поскольку потенциал электрода сравнения постоянен, именно потенциал, развиваемый на индикаторном электроде, содержит информацию о количестве аналита в образце. Во время измерения ток практически отсутствует. Электрохимическая ячейка для проведения потенциометрических измерений с мембранным электродом (известным также как ионоселективный электрод, ИСЭ) показана на рисунке 1. Как видите, основное различие между ИСЭ и электродом прямого индикатора заключается в составе ИСЭ. .

Рис. 1. Электрохимическая ячейка для проведения потенциометрических измерений с помощью ИСЭ.

Как следует из названия, ионоселективные электроды обладают высокой степенью селективности. Селективность ИСЭ определяется составом мембраны. В идеале мембрана позволяет поглощать только один конкретный ион. Ион аналита может быть катионом или анионом. Три основных компонента измерения на ISE: внутренний эталон, или стандарт, раствор и внешний аналит, или образец, раствор, разделенные тонкой мембраной. Эти компоненты показаны на рис. 1. Окислительно-восстановительные процессы на ИСЭ не происходят. Потенциал, возникающий на мембране, является результатом либо процесса ионного обмена, либо процесса переноса ионов, происходящего на каждой границе между мембраной и раствором. Основы ионного обмена и транспорта ионов рассмотрены в следующих разделах. 9+_{(водн. )}}}\]

Рис. 2. Ионообменный процесс.

Чтобы сконструировать ионоселективный электрод, мы добавили внутренний эталонный раствор на другую сторону мембраны. Этот раствор будет содержать фиксированную концентрацию интересующего иона, Li ⁺ в этом примере. Обычно это достигается путем помещения тонкой мембраны на конец пластиковой трубки и заполнения трубки стандартным (известной концентрацией) раствором анализируемого вещества. Как показано на рисунке 1, электрод сравнения помещается во внутренний раствор, а второй электрод сравнения находится в контакте с анализируемым (внешним) раствором. На каждой границе раствор-мембрана устанавливается ионообменное равновесие. Разделение Li ⁺ между фазой водного раствора и фазой мембраны зависит от ее активности или концентрации. Результирующее разделение зарядов на каждой границе раздела приводит к фазовому граничному потенциалу. ^8-10 Если концентрация анализируемого иона на каждой стороне мембраны одинакова, разность потенциалов на мембране будет равна нулю. Однако, если концентрации не равны, возникает мембранный потенциал. Два эталонных электрода (см. рис. 1) измеряют разность потенциалов на мембране.

Ионный транспорт с помощью ионофора

Теперь, когда вы понимаете основы ионного обмена, давайте поместим мембрану, содержащую ионофор, между «неизвестным» раствором аналита и «известным» эталонным раствором (рис. 3). В этом примере аналитом является A ⁺ . Ионофор представляет собой нейтральную молекулу-«носитель», представленную синим овалом. На рис. 4 показана химическая структура двух ионофоров. Ионофор не может диффундировать из мембраны, но может «захватывать» ион аналита (A ⁺ ) на границе между раствором и мембраной. Без ионофора аналит не смог бы проникнуть в органическую мембрану.

Рис. 3. Развитие потенциала на ИСЭ.

Рис. 4. Химические структуры краун-эфира (слева) и валиномицина (справа), два ионофора.

Как и в случае ионообменного процесса, равновесие устанавливается на обеих границах раствор-мембрана. Возникающее в результате разделение зарядов на каждой границе раздела приводит к фазовому граничному потенциалу.

Теперь, когда мы получили электрический потенциал через мембрану, нам нужно найти способ его измерить. Как и прежде, мы помещаем внутренний электрод сравнения во внутренний раствор сравнения, а внешний электрод сравнения — в раствор аналита, как показано на рисунке 5. Разность потенциалов, измеренная на этих двух электродах, представляет собой мембранный потенциал.

Рис. 5. Электрохимическая ячейка для потенциометрических измерений с ИСЭ.

Мембрана

К настоящему моменту вы узнали, что свойства мембраны определяют селективность электрода. Другими словами, тип используемой мембраны определяет, какой аналит вы можете обнаружить. Поэтому для разных ионов используются разные электроды. Мембрана также должна иметь низкую электронную проводимость. Мембрана должна иметь низкую растворимость в растворе анализируемого вещества – мы не хотим, чтобы она растворялась!!

Существует три основных типа мембран. Электроды классифицируются по материалу мембраны.

1. Электроды со стеклянной мембраной: Самый известный стеклянный электрод определяет активность H ⁺ или pH ( нажмите здесь, чтобы узнать о pH-электроде , раздел ). Мембрана состоит из силикатного стекла. Также могут быть изготовлены стеклянные электроды, чувствительные к другим катионам, таким как натрий.
2. Кристаллические/твердотельные мембранные электроды: Мембрана состоит из нерастворимой неорганической соли. Процесс ионного обмена (рис. 2) приводит к образованию потенциала на мембране. Поликристаллические или смешанные кристаллические мембраны, такие как AgCl/Ag ₂ S можно использовать для определения Cl ^— . Этот электрод используется в одном из экспериментов, описанных в экспериментальной части. Кликните сюда, чтобы узнать больше.

   Монокристалл LaF ₃ широко используется для определения F ^—. Кристалл обычно легируют европием для улучшения проводимости. На каждой границе мембрана-раствор имеет место следующее равновесие:

   \[\ce{LaF3} (s) \leftrightharpoons \ce{LaF2+} (s) + \ce{F-} (aq)\]

   Вы можете видеть, что образование LaF ₂ + создает заряд на поверхности. Равновесие сместится вправо для раствора с меньшей концентрацией F ^— , и потенциал станет более положительным относительно другой стороны мембраны. Именно эта разность потенциалов на кристаллической мембране LaF ₃ измеряется и связана с концентрацией F ^— . Фтористый электрод чрезвычайно селективен в отношении F ^— , но может испытывать помехи от OH ^— выше pH 8. Этот электрод используется в одном из экспериментов, перечисленных в конце этого учебного модуля. Кликните сюда, чтобы узнать больше.

3. Жидкие мембранные электроды: Ионообменник или ионофор (нейтральный макроциклический носитель ионов) растворяют в вязкой органической жидкой мембране. Без обменника или ионофора интересующий ион не может проникнуть через мембрану. При наличии обменника или ионофора процессы, описанные на рисунках 2 и 3, переносят ион в мембрану.

   Один из самых известных жидких мембранных электродов был использован для определения кальция. Первоначально исследователи пытались использовать электроды со стеклянными мембранами (которые оказались успешными для одновалентных катионов, таких как H ⁺ и Na ⁺ ), для обнаружения двухвалентных катионов, таких как Ca ^{2 +} . Когда это было признано невыполнимым, были разработаны жидкие мембраны. Этот электрод работает по ионообменному процессу. Катионообменник представляет собой алифатический диэфир фосфорной кислоты, (RO) ₂ PO ₂ ^— , где каждая группа R представляет собой алифатическую углеводородную цепь, содержащую от 8 до 16 атомов углерода. Фосфатная группа может быть протонирована, но имеет сильное сродство к Ca ^{2 +} . Катионит растворяют в органическом растворителе и держат в пористой камере между раствором аналита и раствором внутреннего стандарта хлорида кальция. Ионообменник поглощает Ca ^{2 +} в мембрану по следующему механизму, образуя комплекс со структурой, показанной на рисунке 6: 92+}\, (водный) + \ce{2(RO)2PO2-}\, (органический) \leftrightharpoons \ce{[(RO)2PO2]2Ca}\, (органический)\]

   Рисунок 6. Комплекс диалкилфосфата кальция.

   ИСЭ кальция обычно используются для измерения активности ионов кальция в биологических жидкостях, поскольку ионы кальция играют важную роль во многих физиологических процессах, таких как формирование костей.

4. Электроды с полимерной мембраной: Альтернативой электродам с влажной жидкой мембраной является использование полимерной мембраны, которая состоит из полимера, такого как поливинилхлорид (ПВХ), пластификатора и носителя ионов или обменника. Реакция этих электродов очень избирательна, и они заменили многие электроды с жидкими мембранами. Полимерные электроды использовались для определения таких ионов, как K ⁺ , Ca ²⁺ , Cl ^— и NO ₃ ^— .

   Ионофоры или хелатирующие агенты, которые селективно образуют комплексы с ионами, включают краун-эфиры и антибиотик валиномицин (см. рис. 4). Важной особенностью нейтральной молекулы-носителя является ее полость, размеры которой примерно равны размерам молекулы или иона. Валиномициновый электрод был одним из первых электродов с полимерной мембраной и обычно используется для определения калия. Богатый электронами центр валиномицина эффективно извлекает K ⁺ из-за подобия диаметра К ⁺ и внутреннего диаметра молекулы валиномицина. Внешняя липофильная часть молекулы валиномицина позволяет ему оставаться в полимерной мембране. Только в Соединенных Штатах с помощью этого электрода ежегодно проводится почти 200 миллионов измерений уровня калия в крови. ¹¹

Взаимосвязь между потенциалом и концентрацией

Для всех описанных выше ИСЭ можно использовать одни и те же уравнения для прогнозирования взаимосвязи между потенциалом и активностью аналита ( A ) или концентрация.

Измеренный потенциал, E _MEAM , является разностью потенциалов между Analyte ( E _{Внешний} ) Сторона мембраны и эталонной ( E 72923 in _{in in in in . мембраны:}

\[E_{meas} = E_\ce{внешняя} — E_\ce{внутренняя} \tag{1}\]

Потенциал каждой стороны связан с активностью ( A ) или концентрации, описываемой уравнением Нернста, где 9o — \dfrac{0.05916}{z} \log \dfrac{1}{A_{ref}} \tag{3}\]

Поскольку A _ref и E ^o оба являются постоянными, E _{внутренний} (уравнение 3) является константой. Если уравнения 2 и 3 подставить в уравнение 1, они объединятся, чтобы дать следующее:

\[E_{meas} = const + \dfrac{0,05916}{z} \log A_{unk}\tag{4}\]

Обратите внимание, что термин «const» содержит E _{внутренний} и E ⁰ из E _{внешний} срок. Также не забывайте, что –log(1/a) = log(a).

Вы можете видеть, что ИСЭ должны демонстрировать реакцию Нернста, как вы узнали ранее для электродов прямого индикатора.

Селективность ИСЭ

Вы узнали, что одной из наиболее важных аналитических характеристик ИСЭ является их селективность; то есть определенный ионный электрод будет реагировать только на присутствие одного вида. На самом деле ионоселективные электроды могут испытывать помехи, реагируя на присутствие других ионов. Хотя фторидный электрод подходит близко, ни одна мембрана не обладает на 100% специфичностью только для одного иона. Уравнение 4 предполагает, что весь отклик электрода ( E _meas ) обусловлен одним ионом. Назовем этот анализируемый ион i , а его активность A _i (обратите внимание, что заряд теперь равен z _i ). Назовем мешающий ион j с соответствующей активностью A _j и зарядом z _j . Мы можем объяснить отсутствие 100% специфичности, включив активность j и коэффициент селективности 9{\Large\frac{z_i}{z_j}}) \tag{5}\]

Коэффициент селективности является числовой мерой того, насколько хорошо мембрана может различать мешающий ион. Чтобы представить это в перспективе, если электрод имеет эквивалентную реакцию на два иона, то k _ij = 1,0. Как видно из уравнения, чем меньше значения k _ij , тем меньше влияние мешающего иона на измеряемый потенциал. Когда значения k _ij меньше 1, ИСЭ более чувствителен к анализируемому иону, а когда 9Если значения 0271 k _ij больше 1, ИСЭ более чувствителен к мешающему иону. Например, значение 0,01 для k _ij означает, что электрод в 100 раз более чувствителен к иону i , чем к j .

Коэффициенты селективности могут быть определены экспериментально. Коэффициенты селективности для некоторых ранее обсуждавшихся электродов перечислены ниже.

^a , ссылка 12. ^b , ссылка 11.

Перейдите на следующую страницу, чтобы решить некоторые проблемы, связанные с ISE.

Проблемы

1. Опишите разницу между процессом ионного обмена и принципом работы ионофора.
2. Следующие калибровочные данные были собраны на Pb ²⁺ ISE. Предполагая, что ионная сила остается постоянной и что коэффициент активности равен 1,0, какова концентрация Pb ²⁺ в растворе, дающая показание потенциала 145 мВ?

   Чтобы получить помощь в решении этой проблемы, откройте следующую электронную таблицу. Убедитесь, что вы находитесь на Pb ²⁺ таб.

   [Pb 2 + ] (моль/л)	E (мВ)
   5,00 x 10 -5	92
   5,00 x 10 -4	121
   5,00 x 10 -3	151
   ?	145

3. ISE с фторидом дает следующие данные калибровки. Какой потенциал (мВ) вы ожидаете для последнего раствора?

   Чтобы получить помощь в решении этой проблемы, откройте следующую электронную таблицу. Убедитесь, что вы находитесь на вкладке F ^— .

   [F — ] (моль/л)	E (мВ)
   1,00 x 10 -5	235
   5,00 x 10 -5	195
   1,00 x 10 -4	175
   5,00 x 10 -4	?

Дополнительные материалы по ISE

Дополнительные материалы по ISE см.