آزمایشگاه

وسایل لازم برای آزمایشگاه الکتروشیمی

مقدمه وسایل آزمایشگاه شیمی

 این بخش شرح مفصلی از وسایل آزمایشگاه شیمی و راهنمایی جهت راه اندازی یک آزمایشگاه الکتروشیمیایی  می باشد.همچنین شما می توانید وسایل مورد نیاز خود را از ما تهیه کنید.

تجهیزات اساسی مورد نیاز برای آزمایشگاه الکتروشیمی:

  •  پتانسیواستات،
  •  دستگاه ثبات
  •  سلول الکتروشیمیایی

همه چیز در داخل سلول، شیمی است و هر چیزی خارج از آن الکترونیکی است.

(جهت مطالعه قسمت قبل در خصوص روشهای الکتروشیمیایی کلیک کنید)

 

دستگاه پتانسیواستات 

 عملکرد اصلی یک پتانسیواستات کنترل پتانسیل و اندازه گیری جریان است.

پتانسیواستات سه الکترودی معمولی به الکترودهای:

  •  کار،
  •  مرجع
  •  کمکی

غوطه ور در محلول آزمایش، متصل می شود.

این دستگاه:

  1. پتانسیل الکترود کار را با توجه به الکترود مرجع کنترل می کند.
  2. همزمان جریان بین الکترود کار و الکترود کمکی را اندازه گیری می کند.

توجه داشته باشید که مدارهای بازخورد داخلی پتانسیواستات از عبور همه جریان به جز یک جریان بسیار کم بین الکترودهای کار و مرجع جلوگیری می کند.

پتانسیواستات چهار الکترودی همه کاره تر امکان استفاده از دو الکترود فعال را فراهم می کند و به همین دلیل به عنوان دو پتانسیواستات نیز شناخته می شود.

انالایزر الکتروشیمی ‌BHP-2066
انالایزر الکتروشیمی ‌BHP-2066

از آنجایی که اساس ولتامتری کنترل پتانسیل الکترود است، یک ژنراتوربرای ایجاد روبش یا توالی پالس پتانسیل، برای اعمال روی الکترود کار مورد نیاز است.

بیشتر پتانسیواستات‌های مدرن شامل یک مولد روبشی و/یا پالس داخلی هستند، و آنهایی که به رایانه متصل هستند معمولاً برای تولید شکل موج مورد نظر به رایانه متکی هستند.

 در پتانسیواستات هایی که فاقد مولد روبش/ پالس داخلی هستند، یا نیاز به ایجاد شکل موج بسیار تخصصی دارند ، یک ژنراتور عملکرد خارجی می تواند استفاده شود.

 

دستگاه خروجی 

  •  ورودی های پتانسیواستات، اتصالات مربوط الکترودهای موجود در سلول هستند.
  •  خروجی های پتانسیواستات خطوط سیگنالی هستند که جریان و پتانسیل الکترود(های) کار را منعکس می کنند.

 

اگر پتانسیواستات به رایانه متصل باشد:
  •  این سیگنال‌ها مستقیماً توسط نرم‌افزار کنترل خوانده می‌شوند و داده‌های آزمایشی با استفاده از رایانه دستکاری، نمایش و ذخیره می‌شوند.

این  راحت ترین راه برای کار با پتانسیواستات است و برای محیط آموزشی توصیه می شود.

اگر از یک دستگاه خروجی مانند پلاتر X-Y یا اسیلوسکوپ دیجیتال، برای جمع‌آوری داده‌ها استفاده شود،
  •  خروجی‌های سیگنال در پانل جلویی پتانسیوستات در کانکتورهای نوع BNC یا موزی ارائه می‌شوند.

این سیگنال ها باید با استفاده از کابل های کواکسیال معمولی به پلاتر یا اسیلوسکوپ متصل شوند. چنین کابل هایی برای انتقال سیگنال های ولتاژ از یک قطعه تجهیزات آزمایشگاهی به دیگری طراحی شده اند.

اسیلوسکوپ دیجیتال
اسیلوسکوپ دیجیتال

خط سیگنالی که پتانسیل الکترود کار را منعکس می کند نشان دهنده ولتاژ بین الکترودهای کار و مرجع است.

این سیگنال برای هدایت “محور X” در پلاتر استفاده می شود و حساسیت محور معمولاً بین 0.05 تا 0.20 ولت بر سانتی متر تنظیم می شود.از آنجایی که پتانسیل الکترود به ندرت از دو ولت تجاوز می کند، این محدوده حساسیت به کل ولتاموگرام ها اجازه می دهد تا روی یک تکه کاغذ قرار بگیرند.مهم است که حساسیت محور را مستقیماً روی کاغذ پلاتر یادداشت کنید تا این اطلاعات از بین نرود.

  • اگر از قرارداد ولتاموگرام آمریکای شمالی استفاده شود، قطبیت سیگنال پتانسیل معکوس می شود به طوری که پتانسیل های مثبت به سمت چپ 
    و پتانسیل های منفی در سمت راست ترسیم می شوند.

منطق  قرارداد  این است که پتانسیل های منفی با انرژی های الکترون بالاتر مطابقت دارد، از این رو ولتاموگرام های آمریکای شمالی طیف های انرژی با انرژی های بالاتر به سمت راست ترسیم شده اند.

 رسم ولتاموگرام قرارداد “آمریکای شمالی
ولتاموگرام قرارداد “آمریکای شمالی”

سیگنال جریان الکترود کار کمی متفاوت است. این خط سیگنال نیز به عنوان یک سیگنال ولتاژ ارائه می شود، اما سطح ولتاژ در واقع متناسب با جریانی است که از الکترود کار می‌گذرد.

پتانسیواستات دارای یک مدار داخلی “مبدل جریان” است که تبدیل جریان به ولتاژ لازم را به صورت خودکار انجام می دهد.

مبدل جریان دارای تعدادی محدوده است و از اپراتور انتظار می رود که مناسب ترین محدوده را برای آزمایش در حال انجام انتخاب کند.هر محدوده با یک ثابت تناسب خاص، مانند “100mA/V ” یا “1mA/V” مرتبط است.

توجه به تنظیم مبدل فعلی مستقیماً روی کاغذ در پلاتر درست پس از ثبت داده های آزمایشی مهم است. سیگنال جریان معمولاً به ورودی “محور Y” در پلاتر متصل می شود.

  • اگراز قرارداد ولتاموگرافی آمریکای شمالی استفاده شود،جریان کاتدی "بالا" در جهت مثبت و جریان آندی "پایین" در جهت منفی رسم می شود.

حساسیت “محور Y” با استفاده از یک کنترل بر روی پلاتر تنظیم می شود و معمولا دارای واحدهایی مانند “1V/cm” یا “0.1V/cm” است. توجه به حساسیت “محور Y” مستقیماً روی کاغذ در پلاتر درست پس از ثبت داده های تجربی مهم است. با ضرب حساسیت “محور Y” در تنظیم مبدل جریان، مقیاس فیزیکی مورد استفاده برای رسم جریان در واحدهایی مانند “5 mA/cm” یا “10 mA/cm” به دست می آید.

اتصالات شرح داده شده در بالا برای ثبت تقریباً هر ولتاموگرام (یعنی نمودار جریان در برابر پتانسیل) که توسط یک آزمایش الکتروشیمیایی ایجاد می شود، کافی هستند.

در آزمایش‌هایی مانند کرونوآمپرومتری، داده‌های تجربی اغلب به صورت نمودار جریان در مقابل زمان ثبت می‌شوند.

کرونو امپرومتری
کرونو آمپروگرام

جمع آوری داده ها به این روش با استفاده از یک اسیلوسکوپ یا یک پلاتر که به عنوان ضبط کننده “نوار نمودار” کار می کند بسیار ساده است.

هنگامی که یک آزمایش الکترود کار دوگانه در حال انجام است، مانند ولتامتری حلقه-دیسک چرخشی، جریان های جاری در هر دو الکترود معمولاً نظارت می شوند. اسیلوسکوپ دیجیتال دوگانه یا پلاتر دو قلمی در این موارد مورد نیاز است.

 

سل الکتروشیمیایی از وسایل آزمایشگاه شیمی

انجام آزمایش‌های الکتروشیمیایی  نسبت به روش‌های تیتریمتری، وزنی یا طیف‌سنجی نیاز به دقت بیشتری دارند.

ظروف شیشه ای تمیزتر، غلظت ها کمتر، الکترودها جلا داده شده و حلال ها خالص تر هستند.

آنچه در اینجا می‌آید شرحی از انواع دستگاه‌ها و معرف‌های شیمیایی مورد نیاز برای اکثر آزمایش‌های ولتامتری است.

ظروف آزمایشگاه الکتروشیمی

 در ساده ترین شکل خود، سلول الکتروشیمیایی، از جمله وسایل آزمایشگاه شیمی، یک تکه ظرف شیشه ای است که می تواند حجم مناسبی از محلول آزمایشی حاوی یک یا چند آنالیت الکترواکتیو را در خود نگه دارد.

سه الکترود (کار، مرجع و کمکی) در این محلول غوطه ور هستند که به صورت الکتریکی نیز به یک پتانسیواستات متصل هستند.

طرح‌های ظروف شیشه‌ای سفارشی که شامل اتصالات مناسب برای نصب الکترودها، ورودی‌ها و خروجی‌های گاز برای پاک‌سازی اکسیژن، روکش‌های دما، و/یا محفظه‌های جداگانه برای هر یک از سه الکترود هستند، اغلب در محیط‌های تحقیقاتی استفاده می‌شوند، اما ظروف شیشه‌ای آزمایشگاهی معمولی نیز می‌تواند استفاده شوند.

 

سل الکتروشیمی
نمونه ای از یک سل معمولی

هنگام انتخاب ظروف شیشه ای برای وسایل آزمایشگاه شیمی آموزشی، باید در نظر داشت که:

  • حجم محلول آزمایش چقدر است؟
  •  آیا دانش آموزان به راحتی می توانند سلول را سوار کنند؟
  •  در صورت وقوع حادثه، هزینه سل برای جایگزینی سلول چقدراست؟

فلاسک ته گرد سه گردنی از جمله وسایل آزمایشگاه شیمی یک قطعه شیشه ای ارزان قیمت و در دسترس است که می تواند به عنوان سلول الکتروشیمیایی استفاده شود. این فلاسک‌ها می‌توانند حجم قابل‌توجهی از محلول را در خود نگه دارند و دهانه‌های گردنی آن‌قدر قطر دارند که اکثر الکترودها در آنها قرار می‌گیرند.

از هر دهانه روی فلاسک می توان برای نصب یکی از سه الکترود استفاده کرد.
این پیکربندی برای آزمایش‌هایی مناسب است که محلول آزمایش می‌تواند به طور ایمن در معرض اکسیژن هوا قرار گیرد و جداسازی هر الکترود در یک محفظه جداگانه لازم نیست.

 

سل سه گردنی از جمله وسایل آزمایشگاه شیمی

هر زمان که پتانسیل متوسط منفی روی الکترود کار اعمال می شود، اغلب لازم است اکسیژن محلول از محلول آزمایش حذف شود زیرا در این پتانسیل‌ها  اکسیژن محلول کاهش پیدا می کند و جریان کاتدی نامطلوب حاصل ممکن است در اندازه‌گیری مورد نظر اختلال ایجاد کند.

یک راه حل معمولی برای این مشکل استفاده از سلولی است که  به جز یک یا دو ورودی گاز و یک خروجی کوچک هوا را از خود عبور ندهد.

یک گاز بی اثر مانند نیتروژن در محلول وارد می شود تا هر گونه اکسیژن محلول را خارج کند. (معمولاً یکی از لوله های ورودی که مخصوصاً برای این منظور طراحی شده است، یک لوله مویین است که به انتهای محلول ختم می شود.)سپس در طول آزمایش، فضای هوای بالای محلول با عبور یک جریان ثابت  از گاز  بی اثر می شود.

فلاسک ته گرد چهار گردنی از دیگر وسایل آزمایشگاه شیمی را می توان برای حذف اکسیژن به صورت زیر پیکربندی کرد.

سه تا از دهانه ها برای نصب سه الکترود به صورت هوابند استفاده می شود. ( معمولاً آب بندی دهانه ها با پارافیلم کافی است.) سپس چهارمین دهانه با استفاده از سپتوم لاستیکی آب بندی می شود.

  1. یک سوزن سرنگ کوچک از طریق سپتوم نزدیک لبه بیرونی سپتوم وارد می شود. سپس، یک سوزن بسیار طولانی‌تر (که می‌تواند از طریق سپتوم  به داخل محلول آزمایشی فشار داده شود) از مرکز سپتوم وارد می‌شود.
  2. گاز نیتروژن از طریق سوزن بلند به سلول منتقل می شود در حالی که سوزن کوچک به سادگی به عنوان خروجی عمل می کند. سوزن بلند ابتدا به داخل محلول فشار داده می شود و گاز نیتروژن در محلول حباب می کند. سپس، هنگامی که زمان انجام آزمایش فرا می رسد، سوزن بلند از محلول بیرون کشیده می شود (اما نه تا آخر سلول)، و سپس  گاز نیتروژن محلول را می پوشاند.
سل جهارگردنی
سل جهارگردنی

 

سل پنج دهانه : یک سلول مناسب از وسایل آزمایشگاه شیمی آموزشی، دارای پنج دهانه است. از سه تا از این دهانه ها می توان برای نصب الکترودهای کار، مرجع و کمکی استفاده کرد.

سل 5 دهانه
نمونه ای از سل 5 دهانه بهپژوه به همرا پایه

پایه‌هایی نیز برای این سلول ها در دسترس هستند.

(شما میتوانید سل الکتروشیمیایی مورد نظر خود را از ما تهیه کنید.)

محلول آزمایش

 محلول آزمایش در داخل سلول الکتروشیمیایی شامل یک یا چند آنالیت حل شده در محلول الکترولیت رسانا است. محلول الکترولیت معمولاً از غلظت (نسبتا) زیادی از نمک بی اثر الکتروشیمیایی حل شده در یک حلال فوق خالص تشکیل شده است.

خلوص حلال بسیار مهم است زیرا حساسیت اکثر تکنیک های ولتامتری به حدی است که حتی مقدار کمی از یک آلاینده الکترواکتیو نمایان می شود.

یافتن آنها با استفاده از سیستم های غیر آبی مبتنی بر حلال های آلی گرید HPLC که به شدت خشک شده و در برخی موارد سه بار تقطیر شده اند، غیر معمول نیست.

با این حال مربی یک آزمایشگاه آموزشی آکادمیک، احتمالاً علاقه بیشتری به صرفه جویی در زمان و هزینه های ممکن با استفاده از حلالی دارد که ارزان و به راحتی در دسترس است.

انتخاب واضح استفاده از آب است و آزمایش‌های این کتابچه راهنمای استفاده از محلول‌های الکترولیت آبی طراحی شده‌اند.

اسیدها و بازهای با درجه معرف که تا سطوح غلظت مناسب رقیق شده‌اند، حلال‌های عالی برای الکتروشیمی هستند. به طور مشابه، بافرهای مختلف و محلول های نمکی بی اثر نیز ممکن است استفاده شوند. اما در همه موارد محلول باید از آب بسیار خالص تهیه شده و ظروف شیشه ای استفاده شده بسیار تمیز باشند.

این محلول های الکترولیت آبی در بسیاری از موارد با خلوص و سطوح الکترولیت مورد نیاز مستقیماً از تولید کنندگان عمده مواد شیمیایی در دسترس هستند.

برخی از مربیان (که برنامه‌های آزمایشگاهی بزرگ را اجرا می‌کنند) ممکن است متوجه شوند که سفارش دادن مقدار زیادی از محلول الکترولیت مورد نیاز و توزیع آن در بین دانش‌آموزان در صورت نیاز ساده‌تر است.
با این حال، در بسیاری از موارد، محلول های الکترولیت آبی باید «در داخل» یا توسط تکنسین آزمایشگاه یا توسط خود دانش آموزان تهیه شوند. در این موارد، داشتن منبع آب فوق خالص برای ساخت و رقیق کردن محلول ها بسیار مهم است.

اکثر برنامه های آزمایشگاهی تحلیلی در مقطع کارشناسی از نوعی منبع آب تصفیه شده استفاده گسترده ای می کنند. در حالی که این آب «خالص» حاصل از تقطیر تک مرحله‌ای منبع آب شهری محلی برای آزمایش‌های طیف‌سنجی و تیتری‌متری کاملاً کافی است، معمولاً برای ولتامتری مناسب نیست.

آب با بالاترین خلوص را می‌توان از سیستم‌های فیلتراسیون آب گران‌تری که از ستون‌های تبادل یونی استفاده می‌کنند به دست آورد، و مربیانی که به چنین سیستم‌هایی دسترسی دارند ممکن است این منبع آب را راحت‌تر بدانند.

با این حال، در محیط‌های آکادمیک کوچک‌تر، احتمالاً صرفاً خرید آب دیونیزه، اولترافیلتر شده (DIUF) یا آب گرید HPLC از یک تولیدکننده عمده مواد شیمیایی مقرون‌به‌صرفه است. اکثر سازندگان این آب فوق‌العاده خالص را در مقادیر مختلف از جمله مقادیر 20 لیتری ارائه می‌دهند که برای استفاده در مقطع کارشناسی مناسب است.

deionized,ultrafiltered (DIUF) water
(DIUF)

الکترولیت پشتیبان موجود در محلول آزمایش الکتروشیمیایی برای افزایش رسانایی محلول در آنجا قرار می گیرد. این به کاهش بزرگی میدان الکتریکی در سراسر محلول آزمایش (توده) کمک می کند که به نوبه خود به حذف حرکت (ناخواسته) آنالیت تحت انگیزه این میدان کمک می کند. افت پتانسیل بین الکترودها در سلول مانند محلول های غیر رسانا باقی می ماند، اما الکترولیت اضافه شده باعث می شود که بیشتر افت پتانسیل در چند نانومتر از سطوح الکترود رخ دهد.

البته میدان الکتریکی در سراسر بخش عمده محلول هرگز به طور کامل حذف نمی شود، اما به طور کلی پذیرفته شده است که اگر غلظت الکترولیت پشتیبان حداقل صد (100) برابر بیشتر از غلظت آنالیت باشد، آنگاه اثر میدان الکتریکی در حرکت آنالیت را می توان با خیال راحت نادیده گرفت. در عمل، غلظت الکترولیت پشتیبان بین 0.1M و 1.0M است، به این معنی که غلظت آنالیت در آزمایش‌های ولتامتری به ندرت از 0.01M تجاوز می‌کند.

انتخاب الکترولیت پشتیبان عموماً بر اساس دو سؤال است:

  1.  آیا در حلال مورد استفاده حل می شود؟
  2.  آیا از نظر الکتروشیمیایی در محدوده پتانسیل های مورد استفاده بی اثر است؟

هنگام استفاده از آب به عنوان حلال، یکی از بهترین انتخاب ها برای الکترولیت، نیترات پتاسیم (KNO3) است که کاملاً محلول و از نظر الکتروشیمیایی بی اثر است.

ممکن است از کلرید پتاسیم (KCl) استفاده شود، اما یون کلرید در پتانسیل‌های مثبت بیشتر مستعد اکسیداسیون است.

محلول های اسیدهای قوی یا بازهای قوی در غلظت های مولی نزدیک نیز به دلیل رسانایی بالا، حلال های خوبی برای الکتروشیمی هستند.
سودمندی محلول های اسیدی به طور کلی با کاهش یون هیدرونیوم در پتانسیل های منفی محدود می شود.

تهیه محلول های رقیق

 مربی آزمایشگاه در هنگام فکر کردن به اینکه چگونه می تواند معرف های لازم و حلال های خالص را برای یک آزمایش الکتروشیمیایی به دانش آموزان ارائه دهد، کمی دچار تردید می شود.

با توجه به هزینه ها و مشکلات مربوط به دستیابی به یک حلال به اندازه کافی خالص و هزینه دفع زباله های خطرناک، منطقی به نظر می رسد که دانش آموزان از حداقل حجم حلال هنگام تهیه محلول ها استفاده کنند.

اما از آنجایی که غلظت آنالیت در آزمایش‌های ولتامتری کاملاً رقیق است (کمتر از 0.01M)، دانش‌آموز مجبور می‌شود از حجم زیادی حلال یا چند مرحله رقت‌سازی استفاده کند.

مثالی ارائه می شود که این موضوع را نشان می دهد. اگر آزمایشی از دانش‌آموز بخواهد که 100 میلی‌لیتر از محلول 0/5 میلی‌مولار آنالیت با جرم فرمول 0/300 گرم بر مول را به طور کمی تهیه کند، آن‌گاه دانش‌آموز و/یا مربی می‌توانند یکی از سه راهبرد آماده‌سازی زیر را انتخاب کنند، که هر کدام از آنها دارای مزایا و معایب مرتبط با آن:

  1.  0.1500 گرم از آنالیت را به طور دقیق در یک فلاسک حجمی 100 میلی لیتری وزن کنید و سپس با استفاده از محلول الکترولیت خالص “تا خط” رقیق کنید. یک گروه ده نفره از دانش آموزان که هر کدام به تنهایی کار می کنند، با استفاده از این گزینه فقط یک لیتر محلول الکترولیت مصرف می کنند.
  2.  1.500 گرم از آنالیت را به طور دقیق در یک فلاسک حجمی 1000 میلی لیتری وزن کنید و سپس با استفاده از محلول الکترولیت خالص “تا خط” رقیق کنید. یک گروه ده نفره از دانش آموزان که هر کدام به تنهایی کار می کنند، ده لیتر محلول الکترولیت را با استفاده از این گزینه مصرف می کنند.
  3. مربی با وزن کردن دقیق 7.500 گرم آنالیت در یک فلاسک 500 میلی لیتری و رقیق کردن “تا خط” با محلول الکترولیت خالص، محلول “ذخیره” را تهیه می کند. سپس هر دانش‌آموز 00/10 میلی‌لیتر از محلول موجود را در یک فلاسک حجمی 100 میلی‌لیتری پیپت می‌کند و با استفاده از محلول الکترولیت خالص «تا خط» رقیق می‌شود. یک گروه ده نفری از دانش‌آموزان که هر کدام به تنهایی کار می‌کنند، با استفاده از این گزینه فقط 1.5 لیتر محلول الکترولیت مصرف می‌کنند.

استراتژی اول از حداقل حجم محلول الکترولیت گران قیمت استفاده میشود در حالی با تنها یک مرحله رقت  دقت بالاتر است.

با این حال، برای تهیه محلول با دقت مورد نیاز، باید ترازویی با قابلیت اندازه‌گیری مقادیر کم  در دسترس باشد.

هزینه میکروبالانس های دیجیتال در سال های اخیر کاهش یافته است، به طوری که این گزینه ممکن است به زودی به طور گسترده در دسترس باشد.

استراتژی دوم دقت مربوط با توجه به یک مرحله رقیق سازی را حفظ می کند، اما نیازی به میکروبالانس ندارد. متاسفانه اگر هر دانش آموز محلول جداگانه ای تهیه کند این گزینه نه لیتر محلول الکترولیت را هدر می دهد! بدیهی است که اگر کل گروه ده دانش آموز از همان دسته یک لیتری محلول استفاده کنند، هیچ ضایعاتی وجود نخواهد داشت، اما هیچ پاسخگویی نیز از سوی هر دانش آموز در مورد صحت نتایج آزمایشی وجود نخواهد داشت.

آخرین استراتژی احتمالاً بهترین گزینه برای زمانی است که هیچ ترازویی با دقت بالا در دسترس نباشد اما مربی تمایل دارد که  دانش‌آموز در ساخت محلول مشارکت داشته باشد. در این شرایط از حجم قابل قبولی محلول الکترولیت استفاده می کند و همچنان هر دانش آموز را ملزم به تهیه محلول های جداگانه می کند. عیب اصلی این است که مربی باید محلول استوک (محلول مادر) را زودتر از موعد آماده کند.

میکروبالانس

انتخاب الکترود کار از وسایل آزمایشگاه شیمی

 الکترود کار ایده آل یک سطح فلزی بسیار تمیز با یک هندسه کاملاً مشخص است که در تماس مستقیم با محلول آزمایش الکتروشیمیایی است. الکترودهای کاری که برای کارهای عمومی در نظر گرفته شده اند معمولاً از فلزی ساخته می شوند که از نظر الکتروشیمیایی در طیف وسیعی از پتانسیل ها بی اثر است

پرکاربردترین فلزات جیوه، پلاتین، طلا و اشکال مختلف کربن هستند.

(شما میتوانید الکترود مورد نظر خود را از ما بخواهید.)

فلزات جامد معمولاً به دیسک هایی تبدیل می شوند که توسط یک پوشش شیمیایی بی اثر از تفلون، شیشه یا اپوکسی احاطه شده اند.

جیوه که یک مایع است، تمایل دارد به عنوان یک قطره کروی در تماس با محلول استفاده شود. مزایا و معایبی در رابطه با هر نوع ماده الکترود کار وجود دارد و هر کدام با جزئیات در زیر مورد بحث قرار می گیرند.

 

اندازه و شکل سطح الکترود نیز بر پاسخ ولتامتری الکترود تأثیر دارد.

جریان کلی مشاهده شده در یک الکترود مستقیماً با مساحت سطح آن مرتبط است و الکترودهای دیسکی شکل با قطرهای بیشتر از 100 میلی متر یا ماکروالکترودها معمولاً جریان هایی را به راحتی در محدوده میکروآمپر تا میلی آمپر تولید می کنند.

ماکروالکترود
ماکروالکترود

الکترودهایی با ابعاد کمتر از 100 میلی‌متر معمولاً میکروالکترود نامیده می‌شوند و معمولاً جریان‌هایی در محدوده پیکوآمپر تا نانوآمپر تولید می‌کنند. اگرچه جریان کلی مشاهده شده در میکروالکترودها به اندازه کافی کوچک است وبه تجهیزات الکتروشیمیایی تخصصی نیاز دارد، این الکترودها از نسبت سیگنال به پس زمینه بیشتری برخوردار هستند و به دلیل کوچک بودن، در کاربردهایی که اندازه نمونه بسیار کوچک است کاربرد دارند.

میکروالکترود
میکرو الکترود

الکترودهای جیوه در آزمایشگاه شیمی

 پلاروگرافی کلاسیک که در اکثر کتاب های درسی در مقطع کارشناسی توضیح داده شده است، از جیوه مایع به عنوان الکترود کار استفاده می کند.

در متداول‌ترین شکل آن (ِDME)، با انداختن الکترود جیوه ، یک مخزن جیوه به آرامی از طریق یک لوله مویین عمودی غوطه‌ور در محلول آزمایش الکتروشیمیایی تخلیه می‌شود.

هنگامی که جیوه به آرامی از مویرگ خارج می شود، قطره کوچکی با شکل تقریباً کروی تشکیل می دهد که در تماس با محلول آزمایش است. آنالیت های الکترواکتیو در محلول آزمایشی در سطح قطره تحت واکنش های اکسیداسیون یا کاهش قرار می گیرند.

الکترود جیوه
Dropping mercury electrode

این پیکربندی الکترود از چندین مزیت برخوردار است از جمله:

  • سابقه طولانی استفاده
  •  سطح الکترود به راحتی قابل تکرار است .
     در واقع، در صورتی که سطح قطره جیوه رسوب کرد، قطره به سادگی در محلول آزمایشی ریخته می شود
     و یک قطره تازه در خروجی لوله مویرگی تشکیل می شود.
  • در محلول‌های آبی، الکترود جیوه را می‌توان در پتانسیل‌های منفی‌تری نسبت به سایر فلزات بدون تداخل کاهش یون هیدرونیوم استفاده کرد.
  • در نهایت، الکترود جیوه نقش مهمی در استریپینگ ولتامتری ایفا می کند.
     تکنیکی که متکی بر پیش تغلیظ کردن یک یا چند آنالیت در الکترود جیوه و سپس الکترولیز کردن هر آنالیت از الکترود است.

بزرگترین نقطه ضعف الکترود جیوه در آزمایشگاه شیمی لیسانس سمی بودن آن است. دانش‌آموزان باید از قبل در مورد خطرات مرتبط با جیوه آگاه شوند، و باید برای جمع‌آوری و دفع مناسب جیوه مورد استفاده در طول آزمایش آموزش دیده باشند. علاوه بر این، دانشجویانی که کارکردن با دستگاه الکترود قطره‌ای جیوه را دشوار می‌دانند، ممکن است مسیر آزمایش را از دست بدهند.

Hanging mercury drop electrode
Hanging mercury drop electrode (HMDE)

 

جایگزینی برای الکترود قطره جیوه، الکترود فیلم جیوه (MFE) است. یک الکترود دیسک کربن شیشه ای در یک محلول آزمایش الکتروشیمیایی که حاوی مقداری نیترات جیوه (II) است قرار می گیرد، سپس با نگه داشتن الکترود در پتانسیل منفی کافی، یک لایه نازک از جیوه سطح آن را می پوشاند. MFE ساخته شده به این روش برای استفاده در آزمایش ولتامتری عاری سازی مناسب است، و مقدار کم جیوه درگیر، خطر کمتری در آزمایشگاه های کارشناسی دارد.

 

الکترودهای پلاتین از لوازم آزمایشگاه شیمی

 با وجود هزینه های مربوط به این فلز گرانبها، پلاتین یکی از پرکاربردترین مواد برای ساخت الکترودهای کاری است.

  • پلاتین  فلزی است که به راحتی ماشینکاری می شود
  •  از نظر الکتروشیمیایی خنثی است.
  • در سیستم های حلال آبی، الکترود کاری پلاتین در هنگام کار با پتانسیل مثبت انتخاب خوبی است،
     اما در پتانسیل های منفی، تداخل ناشی از کاهش یون هیدرونیوم یک مشکل است.
  • در سیستم‌های حلال آلی بی‌آب، پلاتین بهترین انتخاب برای الکترود کار می‌باشد، زیرا دریچه پتانسیل در هر دو جهت مثبت و منفی گسترده است.
الکترود پلاتین
الکترودهای پلاتین عموما از وسایل آزمایشگاه شیمی هستند.

ماکروالکترودهای پلاتین با قطر بزرگ عموماً با جوش دادن یک دیسک پلاتین ضخیم به انتهای میله برنجی، ماشینکاری دیسک پلاتین و میله برنجی به گونه ای که متحدالمرکز باشند، و سپس قرار دادن یک روکش تفلون در اطراف کل مجموعه ساخته می شوند.

سپس سطح پلاتین با استفاده از یک خمیر پولیش که حاوی ذرات آلومینا زیر میکرون است، به یک سطح با کیفیت آینه ای تبدیل می شود. مانند تمام الکترودهای فلزی جامد، سطح باید گهگاه مجدداً پرداخت شود تا آلاینده‌های سطحی که در طول آزمایش‌ها جمع‌آوری شده‌اند حذف شوند.

الکترودهای دیسک پلاتین با قطر کوچکتر و میکروالکترودهای پلاتین معمولاً با پوشاندن طول کوتاهی از سیم پلاتین در شیشه نرم ساخته می شوند. قطر دیسک پلاتین به دست آمده با قطر سیم استفاده شده برابر است. به دلیل سختی پوشش شیشه ای، این الکترودها معمولاً با استفاده از خمیر پولیش که حاوی ذرات الماس زیر میکرون است تا سطح آینه ای شدن صیقل داده می شوند.

 الکترود کار پلاتین یک انتخاب عالی برای آزمایشگاه در مقطع کارشناسی است.

  • در میان الکترودهای فلزی جامد، به دلیل کاربرد آن در طیف گسترده ای از سیستم های الکتروشیمیایی، قطعاً محبوب ترین است.
  • بادوام و ماندگار است و حتی به یک دانشجوی کارشناسی می توان نحوه صیقل دادن صحیح آن را در صورت نیاز آموزش داد.
  • عیب اولیه آن این است که در پتانسیل های منفی در محلول های آبی کاربرد محدودی دارد.

الکترودهای طلا در آزمایشگاه شیمی

 الکترودهای کار طلا در امتداد همان خطوط الکترودهای کار پلاتین طراحی می شوند. طلا معمولاً ارزانتر از پلاتین است، اما از نظر الکتروشیمیایی خنثی نیست. سطح یک الکترود طلا در معرض اکسیداسیون با پتانسیل های مثبت متوسط است و بنابراین به طور کلی به اندازه پلاتین مفید نیست.

الکترود طلا
الکترود طلا در وسایل آزمایشگاه شیمی

الکترودهای کربن در تجهیزات آزمایشگاه شیمی

 اشکال مختلفی از کربن به عنوان مواد الکترود کار استفاده می شود.

  • الکترودهای کربن روی یک پنجره پتانسیل نسبتاً گسترده در هر دو جهت مثبت و منفی مفید هستند.
  •  مزیت اصلی آنها نسبت به الکترودهای پلاتین توانایی کار در پتانسیل منفی بیشتر در محلول های آبی است.

الکترودهای کربن جامد معمولاً از کربن شیشه‌ای یا گرافیت پیرولیتیک ساخته می‌شوند که هر دو مواد نسبتاً گران‌قیمتی هستند که ماشین‌کاری آنها از پلاتین یا طلا دشوارتر است. سطح الکترود کربن معمولاً باید مرتباً صیقل داده شود، و گاهی اوقات سطح باید با روش‌های تجربی مختلف “فعال” شود تا حداکثر کارایی از الکترود حاصل شود.

الکترود گلس کربن GC
الکترود گلس کربن یکی از وسایل آزمایشگاه شیمی

  یک الکترود کربن ارزان‌تر را می‌توان با استفاده از خمیر کربن ساخت. یک فرورفتگی استوانه ای در یک کفه تفلون سوراخ شده و یک کنتاکت الکتریکی در پشت فرورفتگی قرار می گیرد.

هر بار که قرار است از الکترود استفاده شود، فرورفتگی با خمیری که حاوی ذرات کربن است پر می‌شود و سپس خمیر به دقت صیقل داده می‌شود تا سطح دیسکی صافی پیدا کند. کار با الکترود خمیر کربنی از نظر فنی سخت‌تر است، زیرا خمیر را می‌توان به‌طور ناخواسته پس از صیقل دادن خرد کرد.

الکترود خمیر کربن
الکترود خمیر کربن(جهت آشنایی با روش ساخت کلیک کنید)

الکترودهای دوار در آزمایشگاه شیمی

 دسته خاصی از تکنیک‌های الکتروشیمیایی، که به روش‌های هیدرودینامیکی معروف هستند، در واقع شامل استفاده از الکترودهای در حال چرخش هستند.بنابراین الکترودهای دوار یکی از وسایل آزمایشگاه شیمی در آزمایش های الکتروشیمی هستند.

به طور معمول، یک الکترود کربن شیشه ای یا دیسک پلاتین با طراحی ویژه به انتهای یک شفت صلب متصل می شود و سپس این شفت بر روی یک موتور با سرعت بالا نصب می شود. این الکترودها در محلول آزمایشی غوطه ور می شوند و با چندین هزار چرخش در دقیقه می چرخند و یک الگوی  “گرداب مانند” در نتیجه حرکت الکترود ظاهر می شود.

از آنجایی که محلول دائماً هم زده می شود، محلول آنالیت تازه همیشه به ناحیه نزدیک به سطح الکترود منتقل می شود. این جریان ثابت آنالیت به آنچه که به عنوان “جریان حالت پایدار” شناخته می شود اجازه می دهد تا در الکترود دوار جریان یابد زیرا آنالیت ها اکسیده یا کاهش می یابند.

اندازه گیری جریان های حالت پایدار معمولاً بسیار آسان است زیرا نسبت به زمان ثابت می مانند. (در اکثر روش‌های الکتروشیمیایی دیگر، جریان‌ها با گذشت زمان از بین می‌روند، زیرا منبع آنالیت نزدیک الکترود تمام می‌شود.)

(جهت مطالعه  در خصوص الکترودهای دوار  کلیک کنید)

الکترود دوار
الکترود دوار شرکت بهپژوه (جهت مطالعه اطلاعات محصول کلیک کنید)

هنگام استفاده از یک الکترود دوار، مهم است که حجم سلول به اندازه کافی بزرگ باشد تا جریان محلول به سرعت در حال چرخش را حفظ کند. همچنین دهانه بالای سلول باید به اندازه کافی برای شفت الکترود دوار بزرگ باشد.

این بدان معنی است که محتویات سلول به هوا باز است و حذف اکسیژن را دشوار می کند. هر زمان که از یک الکترود دوار برای مطالعه یک سیستم الکتروشیمیایی حساس به هوا استفاده می شود، یک جریان قوی از گاز بی اثر برای پوشاندن محلول مورد نیاز است.

تماس الکتریکی با یک الکترود دوار معمولاً با برس هایی که در تماس مکانیکی با شفت دوار هستند انجام می شود. اگر برس ها یا شفت کثیف باشند، نتایج تجربی توسط یک منبع نویز سریع اما دوره ای پنهان می شود. اگر این اتفاق بیفتد، برس ها را باید در صورت نیاز تمیز یا تعویض کنید.

انتخاب الکترود مرجع برای آزمایشگاه شیمی

 پتانسیل یک الکترود کار در آزمایش ولتامتری همیشه با توجه به برخی استانداردها کنترل می شود و آن استاندارد الکترود مرجع است.

در حالی که مقیاس ترمودینامیکی پتانسیل‌های نیمه‌واکنش موجود در اکثر کتاب‌های درسی، پتانسیل الکترود را در برابر الکترود مرجع «هیدروژن استاندارد» (SHE) اندازه‌گیری می‌کند، در عمل واقعی SHE برای استفاده بسیار دشوار است. به همین دلیل، تعدادی الکترود مرجع دیگر برای آزمایشگاه شیمی ساخته شده است.

 اندازه‌گیری‌های تجربی پتانسیل در برابر این الکترودهای مرجع جایگزین انجام می‌شود، و سپس پتانسیل‌ها با جمع یا تفریق ساده «تصحیح» می‌شوند و در برابر SHE گزارش می‌شوند.

یکی از رایج ترین الکترودهای مرجع برای کار در محلول های آبی، الکترود کالومل اشباع (SCE) است. نیمه واکنشی که در یک مرجع SCE رخ می دهد در زیر آورده شده است.

نیمه واکنش مرجع SCE

در دمای 25 درجه سانتی گراد، پتانسیل رسمی نیمه واکنش SCE 0.2415 ولت مثبت تر از الکترود مرجع SHE است. یک پتانسیل اندازه گیری شده در برابر استفاده از SCE را می توان در مقابل SHE به سادگی با افزودن 0.2415 ولت به آن گزارش کرد.

 الکترود SCE باید در یک قطعه شیشه ای مناسب ساخته شود که بتواند مقدار کمی جیوه را در تماس مستقیم با خمیر جامد کالومل (Hg2Cl2) نگه دارد و در عین حال خمیر را با محلول آبی اشباع کلرید پتاسیم در تماس نگه دارد.

نماد کوتاه برای نیم سلول SCE به شرح زیر است:

نیم سلول SCE

تماس الکتریکی با فرو بردن یک سیم پلاتین در جیوه مایع ایجاد می شود و محلول کلرید پتاسیم تماس یونی را با محلول آزمایش در سلول الکتروشیمیایی از طریق یک پل نمکی یا فریت شیشه ای متخلخل حفظ می کند.
چنین الکترودهایی را می توان “در خانه” ساخت یا از تولید کنندگان مختلف برای وسایل آزمایشگاه شیمی خریداری کرد.

الکترود رفرنس کالومل
الکترود رفرنس کالومل

 سایر الکترودهای مرجع مفید مبتنی بر نیمه واکنش‌های شامل یک الکترود نقره هستند. برای کار در سیستم های آبی، مرجع “نقره-کلرید نقره” یا “Ag/AgCl” بسیار محبوب است. نیمه واکنش برای این الکترود مرجع به شرح زیر است:

نیمه واکنش Ag/AgCl"

پتانسیل واقعی فرض شده توسط مرجع Ag/AgCl تنها به فعالیت آنیون کلرید بستگی دارد. (دو گونه دیگر که در نیمه واکنش ظاهر می شوند، جامداتی هستند که همیشه فعالیت واحد دارند.)

برای اینکه به عنوان مرجع عمل کند، فعالیت کلرید باید ثابت بماند.

برای انجام این کار، یک سیم نقره (پوشیده شده با لایه ای از کلرید نقره) در محلول داخلی اشباع شده با کلرید پتاسیم غوطه ور می شود. غلظت یون کلرید در حد اشباع ثابت باقی می ماند.

نماد کوتاه برای این نیم سلول الکترود مرجع در زیر آورده شده است:

مرجع Ag/AgCl

تماس الکتریکی با اتصال مستقیم به سیم نقره ای ایجاد می شود و محلول الکترود داخلی از طریق یک پل نمکی یا شیشه متخلخل در تماس یونی با محلول آزمایش قرار می گیرد.

Ag/Cl Reference Electrode
Ag/Cl Reference Electrode

الکترود کمکی مورد استفاده در آزمایشگاه شیمی

 در سلول‌های دو الکترودی سنتی که فقط یک الکترود کار و یک الکترود مرجع دارند، هر زمان که اندازه‌گیری انجام می‌شود، لزوماً جریان از طریق الکترود مرجع عبور می‌کند.

اگر جریان کافی از یک الکترود مرجع عبور کند، ترکیب شیمیایی داخلی آن ممکن است به طور قابل توجهی تغییر کند و باعث شود پتانسیل آن از مقدار استاندارد مورد انتظار دور شود.

به این دلیل و دلایل دیگر، انجام اندازه گیری های الکتروشیمیایی بدون عبور جریان از الکترود مرجع مطلوب است.

پتانسیواستات‌های سه و چهار الکترودی مدرن از یک مدار بازخورد برای جلوگیری از این اتفاق استفاده می‌کنند، اما این مدار بازخورد مستلزم آن است که یک الکترود کمکی اضافی به سلول الکتروشیمیایی وارد شود.

این الکترود کمکی (یا شمارنده) مسیری جایگزین برای عبور جریان فراهم می کند، به طوری که تنها جریان بسیار کمی از الکترود مرجع عبور می کند.

الکترود کمکی را می توان تقریباً از هر ماده ای با استفاده از هر هندسه الکترود دلخواه ساخت.

انتخاب های طراحی معمولاً بر اساس یافتن ماده ای است که از نظر شیمیایی در محلول آزمایشی خاص مورد مطالعه بی اثر است و به طور کلی ایده خوبی برای الکترود کمکی است که سطح بالایی داشته باشد.

در بیشتر موارد، سیم پیچی از سیم پلاتین استفاده می شود، اما سیم فولادی ضد زنگ، مس یا آلومینیوم ممکن است در محلول های غیر خورنده که تداخل کاتیون های فلزی نگران کننده نیست، کار کند.

اگر سلول الکتروشیمیایی از فلز ساخته شده باشد، ممکن است از خود سلول به عنوان وسیله کمکی استفاده شود.

از آنجایی که جریان در الکترود کمکی جریان دارد، فرآیندهای الکتروشیمیایی نیز در آنجا رخ می دهد. اگر الکترود کار چیزی را کاهش دهد، الکترود کمکی باید چیزی را اکسید کند و بالعکس.

محصولات تولید شده در الکترود کمکی، اگر به طرف الکترود کار  منتشر شوند، ممکن است در اندازه گیری تجربی اختلال ایجاد کنند. هنگامی که این مشکل وجود دارد، الکترود کمکی در محفظه ای جداگانه حاوی محلول الکترولیت قرار می گیرد که از طریق یک فریت شیشه ای با محلول آزمایش اصلی در تماس یونی است.

با این حال، در بیشتر موارد، کمکی را می توان درست در محلول آزمایش به همراه الکترودهای مرجع و کار قرار داد.

استفاده از دو سل
استفاده از دو سل در وسایل آزمایشگاه شیمی

محافظ الکتریکی جزو وسایل آزمایشگاه شیمی

 جریان های کوچک مشاهده شده در برخی از آزمایشات الکتروشیمیایی در معرض تداخل نویز الکتریکی در محیط آزمایشگاه هستند.

برای کمک به محافظت از آزمایش در برابر نویز، ایده خوبی است که از کابل کواکسیال برای ایجاد تمام اتصالات از الکترودها به پتانسیواستات استفاده کنید و در صورت استفاده از پلاتر، اتصالات بین آن و پتانسیواستات نیز باید از کابل کواکسیال استفاده شود. این اقدامات ساده معمولاً نویز را تا حد ناچیز کاهش می دهد.

هنگام استفاده از الکترودهای بسیار کوچک یا غلظت‌های کم آنالیت، این احتمال وجود دارد که جریان مشاهده‌شده در الکترود کار به ترتیب نانوآمپر به پیکوآمپر باشد.

هنگام اندازه‌گیری چنین جریان‌های کوچکی، معمولاً لازم است که کل سلول را در داخل یک قفس فلزی قرار دهیم تا سلول را از محیط پر سر و صدا آزمایشگاه محافظت کند.

گاهی اوقات قفس فارادی نامیده می شود، قفس فلزی باید به همان نقطه ای متصل شود که پتانسیواستات و دستگاه خروجی زمین هستند.

 مقدار نامناسب نویز را اغلب می توان در الکترود مرجع ردیابی کرد.

از آنجایی که الکترود مرجع لزوماً امپدانس بالایی دارد، می تواند به عنوان آنتنی برای دریافت نویز الکترونیکی عمل کند. همچنین، حباب‌ها یا فرورفتگی‌های مسدود شده در الکترود مرجع، به‌ویژه منابع رایج نویز هستند.

“Faraday cage, قفس فارادی
“Faraday cage,

افکار خود را به اشتراک گذارید