H+-селективный электрод для определения значений pH ниже нуля

  • Андрей Владиславович Семёнов Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Владимирович Егоров Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Рассмотрена теория функционирования H+-селективных электродов на основе нейтральных переносчиков аминного характера в кислой области, а также ключевые пути смещения верхнего предела обнаружения электрода в кислую область, такие как варьирование природы заместителей у атома азота в целях направленного уменьшения основности, рациональный выбор пластификатора и использование устойчивого в кислой среде ионообменника – тетракис(3,5-бис(трифторметил)фенил)бората калия. Изучено функционирование электрода на основе оригинального ионофора N-фенил-N-[(3,4,5-трис-додецилоксифенил)метил]этанамина для определения значений pH ниже нуля. Представлена методика определения pH верхнего предела обнаружения для электродов на основе низкоосновных ионофоров, заключающаяся в применении равнопереносящих растворов смешанного электролита, что дает возможность элиминировать вклад диффузионного потенциала. Предложено использование в качестве электрода сравнения серебряной проволоки, покрытой электроосажденным хлоридом серебра, что позволяет повысить чувствительность измерений в растворах соляной кислоты. Показана возможность применения разработанного H+-селективного электрода для определения pH в солянокислых растворах вплоть до значения –1,5, соответствующего 4 моль/л раствору.

Биографии авторов

Андрей Владиславович Семёнов, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник лаборатории физико-химических методов исследования

Владимир Владимирович Егоров, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор химических наук, профессор; главный научный сотрудник лаборатории физикохимических методов исследования Научно-исследовательский институт физико-химических проблем Белорусского государственного университета, профессор кафедры аналитической химии химического факультета Белорусского государственного университета

Литература

  1. Schulthess P, Shijo Y, Pham H, Pretsch VE, Ammann D, Simon W. A hydrogen ion-selective liquid-membrane electrode based on tri-n-dodecylamine as neutral carrier. Analytica Chimica Acta. 1981;131:111–116. DOI: 10.1016/S0003-2670(01)93540-8.
  2. Boswell PG, Szíjjártó C, Jurisch M, Gladysz JA, Rábai J, Bühlmann P. Fluorophilic ionophores for potentiometric pH determinations with fluorous membranes of exceptional selectivity. Analytical Chemistry. 2008;80(6):2084–2090. DOI: 10.1021/ac702161c.
  3. Chen X, Mousavi MPS, Bühlmann P. Fluorous-phase ion-selective pH electrodes: electrode body and ionophore optimization for measurements in the physiological pH range. ACS Omega. 2020;5(23):13621–13629. DOI: 10.1021/acsomega.0c00582.
  4. Chao P, Ammann D, Oesch U, Simon W, Lang F. Extra- and intracellular hydrogen ion-selective microelectrode based on neutral carriers with extended pH response range in acid media. Pflügers Archiv. 1988;411(2):216–219. DOI: 10.1007/BF00582318.
  5. Cosofret VV, Nahir TM, Lindner E, Buck RP. New neutral-carrier based H+ selective membrane electrodes. Journal of Electroanalytical Chemistry. 1992;327(1–2):137–146. DOI: 10.1016/0022-0728(92)80142-Q.
  6. Yuan R, Chai YQ, Yu RQ. Poly(vinyl chloride) matrix membrane pH electrode based on 4,4′-bis[(N, N-dialkylamino)methyl]azobenzene with a wide linear pH response range. Analyst. 1992;117(12):1891–1893. DOI: 10.1039/AN9921701891.
  7. Chojnacki J, Biernat JF. Application of azoles as neutral carriers in liquid membrane ion-selective pH electrodes. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 1990;277(1–2):159–164. DOI: 10.1016/0022-0728(90)85098-P.
  8. Egorov VV, Sin’kevich YV. pH-ISEs with an expanded measuring range based on calix[4]arenes: specific features of the behavior and description of the electrode response. Talanta. 1999;48(1):23–38. DOI: 10.1016/S0039-9140(98)00207-0.
  9. Liu XJ, Peng B, Fang L, Qin Y. Potentiometric liquid membrane pH sensors based on calix[4]-aza-crowns. Sensors and Actuators B: Chemical. 2007;125(2):656–663. DOI: 10.1016/j.snb.2007.03.016.
  10. Egorov VV, Lushchik YF, Ovsyannikova TA, Kulinkovich OG, Astapovich IV. OH–-selective film electrodes based on calix[4]arenes. Zhurnal analiticheskoi khimii. 1997;52(3):292–296. Russian.
  11. Han WS, Chung KC, Kim MH, Ko HB, Lee YH, Hong TK. A hydrogen ion-selective poly(aniline) solid contact electrode based on dibenzylpyrenemethylamine ionophore for highly acidic solutions. Analytical Sciences. 2004;20(10):1419–1422. DOI: 10.2116/analsci.20.1419.
  12. Arvand M, Ansari R, Heydari L. The behavior of polyaniline-coated PVC membrane based on 7,16-didecyl-1,4,10,13-tetraoxa-7,16-diazacyclooctadecane for pH measurements in highly acidic media. Journal of Analytical Chemistry. 2014;69(9):875–882. DOI: 10.1134/S1061934814090020.
  13. Arvand M, Ghaiuri K. Batch and flow measurement of hydrogen ions in highly acidic media using 2-(4-methoxy phenyl)6-(4-nitrophenyl)-4-phenyl-1,3-diazabicyclo [3.1.0]hex-3-ene as an H+-selective ionophore. Talanta. 2009;79(3):863–870. DOI: 10.1016/j.talanta.2009.05.015.
  14. Lutov VM, Mikhelson KN. A new pH sensor with a PVC membrane: analytical evaluation and mechanistic aspects. Sensors and Actuators B: Chemical. 1994;19(1–3):400–403. DOI: 10.1016/0925-4005(93)01010-2.
  15. Ma QJ, Li HP, Yang F, Zhang J, Wu XF, Bai Y, et al. A fluorescent sensor for low pH values based on a covalently immobilized rhodamine – napthalimide conjugate. Sensors and Actuators B: Chemical. 2012;166–167:68–74. DOI: 10.1016/j.snb.2011.12.025.
  16. Fluka Catalogue. Selectophore. Ionophores. Membranes. Mini-ISE. Buchs: Fluka Chemie AG; 1996. p. 62.
  17. Lima AC, Jesus AA, Tenan MA, de Souza Silva AF, Oliveira AF. Evaluation of a high sensitivity PbO2 pH-sensor. Talanta. 2005;66(1):225–228. DOI: 10.1016/j.talanta.2004.11.027.
  18. Fouskaki MM, Gimisis T, Chaniotakis NA. Picolinamide residue-based hydrogen-selective ISEs for the potentiometric measurement of subzero pH values. Electroanalysis. 2002;14(9):593–598. DOI: 10.1002/1521-4109(200205)14:9<593::AID-ELAN593>3.0.CO;2-8.
  19. Nikolsky BP. [The theory of glass electrode]. Zhurnal fizicheskoi khimii. 1937;10(1–3):495–503. Russian.
  20. Sella C, Bauer D. Determination of the hydrogen ion and chloride ion activities in hydrochloric acid. Hydrometallurgy. 1990;23(2–3):353–364. DOI: 10.1016/0304-386X(90)90016-U.
  21. Egorov VV, Lushchik YaF. H+-selective electrodes based on neutral carriers: specific features in behaviour and quantitative description of the electrode response. Talanta. 1990;37(5):461–469. DOI: 10.1016/0039-9140(90)80071-M.
  22. Egorov VV, Lushchik YF, Sin’kevich YV. Electrode based on neutral carriers of the amine character and selective to the H+ ions: a simple quantitative description of the operation limits. Elektrokhimiya. 1998;34(12):1476–1484. Russian.
  23. Bakker E, Xu A, Pretsch E. Optimum composition of neutral carrier based pH electrodes. Analytica Chimica Acta. 1994;295(3):253–262. DOI: 10.1016/0003-2670(94)80230-0.
  24. Gordon JE. Organic chemistry of electrolyte solutions. New York: John Wiley & Sons; 1975. 554 p. Russian edition: Gordon JE. Organicheskaya khimiya rastvorov elektrolitov. Beletskaya IP, editor; Gol’dfel’d MG, Solov’yanov AA, translators. Moscow: Mir; 1979. 712 p.
  25. Kraus CA. The ion-pair concept, its evolution and some applications. Journal of Physical Chemistry. 1956;60(2):129–141. DOI: 10.1021/j150536a001.
  26. Nahabedian KV, Kuivila HG. Electrophilic displacement reactions. XII. Substituent effects in the protodeboronation of areneboronic acids. Journal of the American Chemical Society. 1961;83(9):2167–2174. DOI: 10.1021/ja01470a030.
  27. Nishida H, Takada N, Yoshimura M, Sonoda T, Kobayashi H. Tetrakis(3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl)borate. Highly lipophilic stable anionic agent for solvent-extraction of cations. Bulletin of the Chemical Society of Japan. 1984;57(9):2600–2604. DOI: 10.1246/bcsj.57.2600.
  28. Juranić I. Simple method for the estimation of pKa of amines. Croatica Chemica Acta. 2014;87(4):343–347. DOI: 10.5562/cca2462.
  29. Egorov VV, Siamionau AV, Akayeu YaB. H+-selective electrodes based on ionophores of amine type: the functioning theory and a priori detection of estimation limits. Sviridovskie chteniya. 2021;17:98–118. Russian.
  30. Tehan BG, Lloyd EJ, Wong MG, Pitt WR, Gancia E, Manallack DT. Estimation of pKa using semiempirical molecular orbital methods. Part 2. Application to amines, anilines and various nitrogen containing heterocyclic compounds. Quantitative Structure‐Activity Relationships. 2002;21(5):473–485. DOI: 10.1002/1521-3838(200211)21:5<473::AID-QSAR473>3.0.CO;2-D.
  31. Morf WE. The principles of ion-selective electrodes and of membrane transport. Budapest: Elsevier; 1981. 433 p. Russian edition: Morf V. Printsipy raboty ionoselektivnykh elektrodov i membrannyi transport. Zhukov AF, translator. Moscow: Mir; 1985. 280 p.
  32. Huo Q, Margolese DI, Ciesla U, Feng P, Gier TE, Sieger P, et al. Generalized synthesis of periodic surfactant/inorganic composite materials. Nature. 1994;368:317–321. DOI: 10.1038/368317a0.
Опубликован
2023-08-21
Ключевые слова: ионоселективный электрод, определение pH, сильнокислый раствор, ионофор, диффузионный потенциал
Поддерживающие организации Работа выполнена в рамках государственной программы научных исследований «Химические процессы, реагенты и технологии, биорегуляторы и биооргхимия» (№ 2.1.01.02/2). Авторы выражают благодарность Е. Б. Окаеву за синтез веществ, использованных при выполнении экспериментальной части работы.
Как цитировать
Семёнов, А. В., & Егоров, В. В. (2023). H+-селективный электрод для определения значений pH ниже нуля. Журнал Белорусского государственного университета. Химия, 1, 37-49. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2023-1-37-49