قياس الكولومترية

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة

في الكيمياء الكهربائية التحليلية ، يُستخدم قياس الشحنة (بالكولوم) لقياس انتقال الشحنة ( بالكولوم ) أثناء تفاعل الأكسدة والاختزال الكهروكيميائي . [ 1 ] يمكن استخدامه لقياسات دقيقة للشحنة، ولكن يُستخدم قياس الشحنة بشكل أساسي في التطبيقات التحليلية لتحديد كمية المادة المتحولة. [ 2 ]

توجد فئتان رئيسيتان من تقنيات القياس الكولومتري. القياس الكولومتري الأمبيري، أو المعايرة الكولومترية، يحافظ على ثبات التيار باستخدام جهاز الأمبيروستات . أما القياس الكولومتري البوتنشيوستاتي، فيحافظ على ثبات الجهد الكهربائي أثناء التفاعل باستخدام جهاز البوتنشيوستات .

تاريخ

تم تقديم مصطلح الكولومتري في عام 1938 من قبل الكيميائي المجري لازلو سزيبيليدي وزولتان سوموجي. [ 3 ] الكولومتري هو مقياس الشحنة، وقد سمي بهذا الاسم نسبة إلى وحدته الكولوم .

قدّم مايكل فاراداي ، المعروف بإسهاماته في مجال الكهرباء والمغناطيسية ، مساهماتٍ جوهرية في مجال الكيمياء الكهربائية. فقد اكتشف قوانين التحليل الكهربائي ، وسُمّي ثابت فاراداي نسبةً إليه . وفي بدايات تطوير علم قياس الشحنة الكهربائية، اقترح فاراداي أول جهاز لقياس الشحنة باستخدام التحليل الكهربائي للماء . [ 4 ]

تم تطبيق قياس الكولومترية السطحية، وهي طريقة لتحديد الطبقات المعدنية أو أغشية الأكسيد على المعادن، لأول مرة من قبل الكيميائي الأمريكي جي جي جروور في عام 1917 عن طريق فحص جودة أسلاك النحاس المطلية بالقصدير. [ 5 ]

استُخدمت الطرق الكولومترية على نطاق واسع في منتصف القرن العشرين، ولكن الطرق الفولتامترية والطرق التحليلية غير الكهروكيميائية حلت محلها مما أدى إلى انخفاض استخدام الكولومترية، إلا أن طريقة كارل فيشر تُعد من الطرق الشائعة الاستخدام اليوم. [ 6 ]

قياس الكولومترية بجهد ثابت

تعتمد قياسات الكولومترية الكهروكيميائية على جهد كهربائي ثابت، وهي تقنية تُعرف عادةً باسم " التحليل الكهربائي الشامل ". تُسمى أيضًا قياسات الكولومترية المباشرة، حيث يتم أكسدة أو اختزال المادة المراد تحليلها عند قطب العمل دون حدوث تفاعلات وسيطة. [ 6 ] يُحافظ على قطب العمل عند جهد ثابت، ويُقاس التيار المار عبر الدائرة. يُطبق هذا الجهد الثابت لفترة كافية لاختزال أو أكسدة جميع الأنواع الكهروكيميائية النشطة في المحلول بشكل كامل. ومع استهلاك الجزيئات الكهروكيميائية النشطة، يتناقص التيار أيضًا، ويقترب من الصفر عند اكتمال التحويل. ترتبط كتلة العينة، والكتلة الجزيئية، وعدد الإلكترونات في تفاعل القطب، وعدد الإلكترونات المارة خلال التجربة، جميعها بقوانين فاراداي . وبناءً على ذلك، إذا عُرفت ثلاث من هذه القيم، يُمكن حساب القيمة الرابعة.

يُستخدم التحليل الكهربائي الشامل غالبًا لتحديد عدد الإلكترونات المستهلكة في تفاعل يُرصد بواسطة الفولتامترية بدقة . كما أنه يتميز بميزة إضافية تتمثل في إنتاج محلول لنوع كيميائي (حالة أكسدة) قد لا يكون من الممكن الوصول إليه بالطرق الكيميائية. ويمكن بعد ذلك عزل هذا النوع أو تحديد خصائصه بدقة أكبر وهو في المحلول.

لا يتحدد معدل هذه التفاعلات بتركيز المحلول، بل بانتقال كتلة الأنواع الكهروكيميائية النشطة من المحلول إلى سطح القطب. وتزداد المعدلات عند تقليل حجم المحلول، أو زيادة سرعة تحريكه، أو زيادة مساحة قطب العمل. ولأن انتقال الكتلة بالغ الأهمية، يُحرك المحلول أثناء التحليل الكهربائي الشامل. مع ذلك، لا تُعتبر هذه التقنية عمومًا تقنية هيدروديناميكية ، إذ إن التدفق الصفائحي للمحلول باتجاه القطب ليس هدفًا ولا نتيجة للتحريك.

يرتبط مدى اكتمال التفاعل بمدى فارق الجهد المطبق عن جهد الاختزال المطلوب. في حالة وجود جهود اختزال متعددة، يصعب غالبًا ضبط جهد التحليل الكهربائي على مسافة "آمنة" (مثل 200 ملي فولت) بعد نقطة الأكسدة والاختزال. ينتج عن ذلك تحويل غير كامل للمادة المتفاعلة، أو تحويل جزء منها إلى الشكل المختزل. يجب مراعاة هذا العامل عند تحليل التيار المار وعند محاولة إجراء المزيد من التحليلات/العزل/التجارب على محلول المادة المتفاعلة.

تتمثل إحدى مزايا هذا النوع من التحليل مقارنةً بالتحليل الوزني الكهربائي في أنه لا يتطلب وزن ناتج التفاعل. وهذا مفيد للتفاعلات التي لا يترسب فيها الناتج على شكل مادة صلبة، مثل تحديد كمية الزرنيخ في عينة ناتجة عن التحليل الكهربائي لحمض الزرنيخوز ( H₃AsO₃ ) إلى حمض الزرنيخ ( H₃AsO₄ ) .

المعايرة الكولومترية

تُستخدم معايرات الكولومترية في نظام تيار ثابت لتحديد كمية المادة المراد تحليلها عن طريق قياس مدة مرور التيار عبر العينة. في الكولومترية غير المباشرة أو الثانوية، يُنتج قطب العمل مُعايرًا يتفاعل مع المادة المراد تحليلها. عند استهلاك المادة المراد تحليلها بالكامل، يُستخدم الكشف عن نقطة النهاية ، ويُفضل استخدام طريقة آلية للحصول على دقة أعلى. [ 6 ] يمكن تحديد إجمالي الشحنة التي مرت عبر العينة من شدة التيار (بالأمبير ) ومدة مروره (بالثواني). باستخدام قانون فاراداي، يمكن استخدام إجمالي الشحنة لتحديد عدد مولات المادة المجهولة في المحلول. وعند معرفة حجم المحلول، يمكن تحديد مولارية المادة المجهولة.

مزايا المعايرة الكولومترية

تتميز المعايرة الكولومترية بميزة سهولة صنع مصادر التيار الثابت لتوليد المعايرات نسبياً.

  • يُعدّ توليد المُعاير كهروكيميائيًا أكثر حساسيةً ودقةً من إضافة المُعاير ميكانيكيًا باستخدام محرك السحاحة. فعلى سبيل المثال، يُمكن توليد تيار ثابت مقداره 10  ميكروأمبير لمدة 100  مللي ثانية بسهولة، وهو ما يُعادل حوالي 10 ميكروغرامات من المُعاير.
  • لم يعد تحضير المحاليل القياسية وتحديد العيار ضرورياً.
  • يمكن استخدام المواد الكيميائية غير المستقرة أو التي يصعب التعامل معها بسبب تطايرها أو تفاعلها الشديد في المحلول بسهولة بالغة كعوامل معايرة. ومن الأمثلة على ذلك البروم والكلور وأيونات التيتانيوم (Ti³⁺) والقصدير ( Sn²⁺ ) والكروم (Cr²⁺ ) وكواشف كارل فيشر (اليود).
  • يمكن أيضًا إجراء المعايرة الكولومترية في جو خامل أو التحكم فيها عن بعد، على سبيل المثال باستخدام المواد المشعة.
  • الأتمتة الكاملة أبسط. [ 6 ]

التطبيقات

تفاعل كارل فيشر لتحديد محتوى الماء

جهاز معايرة تلقائي من نوع كارل فيشر كولومتر

يستخدم تفاعل كارل فيشر المعايرة الكولومترية لتحديد كمية الماء في العينة. ويمكنه تحديد تركيزات الماء بمستوى المليغرامات لكل لتر. ويُستخدم لتحديد كمية الماء في مواد مثل الزبدة والسكر والجبن والورق والبترول .

يتضمن التفاعل تحويل اليود الصلب إلى يوديد الهيدروجين بوجود ثاني أكسيد الكبريت والماء. يُستخدم الميثانول غالبًا كمذيب، ولكن يمكن استخدام الإيثيلين جليكول وثنائي إيثيلين جليكول أيضًا. يُستخدم البيريدين عادةً لمنع تراكم حمض الكبريتيك ، مع أن استخدام الإيميدازول وثنائي إيثانول أمين لهذا الغرض أصبح أكثر شيوعًا. يجب أن تكون جميع الكواشف لا مائية لضمان دقة التحليل الكمي. المعادلة الكيميائية الموزونة، باستخدام الميثانول والبيريدين، هي:

[ج5ح5نيو هامبشاير]لذا3CH3+أنا2+ح2يا+2ج5ح5شمال⟶[ج5ح5نيو هامبشاير]لذا4CH3+2[ج5ح5نيو هامبشاير]أنا{\displaystyle {\ce {[C5H5NH]SO3CH3 + I2 + H2O + 2 C5H5N -> [C5H5NH]SO4CH3 + 2 [C5H5NH]I}}}

في هذا التفاعل، يتفاعل جزيء واحد من الماء مع جزيء من اليود. ولأن هذه التقنية تُستخدم لتحديد محتوى الماء في العينات، فإن رطوبة الجو قد تؤثر على النتائج. لذا، يُعزل النظام عادةً بأنابيب تجفيف أو يُوضع في وعاء مملوء بغاز خامل . إضافةً إلى ذلك، لا بد من وجود بعض الماء في المذيب، لذا يجب قياس محتوى الماء فيه لتعويض هذا النقص في الدقة.

لتحديد كمية الماء في العينة، يجب أولاً إجراء التحليل باستخدام المعايرة العكسية أو المباشرة . في الطريقة المباشرة، تُضاف كمية كافية من الكواشف لاستهلاك كل الماء. عند هذه النقطة من المعايرة، يقترب التيار من الصفر. عندها يُمكن ربط كمية الكواشف المستخدمة بكمية الماء في النظام باستخدام القياس الكمي . أما طريقة المعايرة العكسية فهي مشابهة، ولكنها تتضمن إضافة كمية زائدة من الكاشف. تُستهلك هذه الكمية الزائدة بإضافة كمية معلومة من محلول قياسي ذي محتوى مائي معلوم. تعكس النتيجة محتوى الماء في العينة والمحلول القياسي. وبما أن كمية الماء في المحلول القياسي معلومة، فإن الفرق يعكس محتوى الماء في العينة.

تحديد سمك الفيلم

يمكن استخدام قياس الكولومترية في تحديد سمك الطلاءات المعدنية. تُسمى هذه الطريقة قياس الكولومترية السطحية، وتُجرى عن طريق قياس كمية الكهرباء اللازمة لإذابة منطقة محددة جيدًا من الطلاء. سمك الطبقةΔ{\displaystyle \Delta }يتناسب مع التيار الثابتأنا{\displaystyle i}الوزن الجزيئيم{\displaystyle M}كثافة المعدنρ{\displaystyle \rho }من المعدن، ومساحة السطحأ{\displaystyle A}:

△∝أنامأρ{\displaystyle \triangle \propto {\frac {iM}{A\rho }}}

تُستخدم في هذا التفاعل أقطاب كهربائية من البلاتين وقطب آخر مرتبط بالتفاعل. فعلى سبيل المثال، يُستخدم قطب من القصدير لطلاء سلك نحاسي بالقصدير، بينما يُستخدم قطب من كلوريد الصوديوم وكبريتات الزنك لتحديد سمك طبقة الزنك على قطعة من الفولاذ. وقد صُممت خلايا خاصة تُثبّت على سطح المعدن لقياس سمكه. وتتكون هذه الخلايا أساسًا من أعمدة مزودة بأقطاب كهربائية داخلية، مع مغناطيس أو أوزان لتثبيتها على السطح. وتتشابه النتائج التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة الكولومترية مع تلك التي تُحققها تقنيات كيميائية ومعدنية أخرى.

قياس الكولومترية في الرعاية الصحية

تحديد مستويات الكلوريد

يُعد قياس مستويات الكلوريد في عينات الدم باستخدام جهاز كوتلوف لقياس الكلوريد أحد أنواع الكيمياء السريرية . وتتولى الكلى مسؤولية إعادة امتصاص الكلوريد للحفاظ على توازن الكهارل. ويُتيح قياس مستويات الكلوريد ضمان استقرار الكهارل، فبدون هذه الخاصية، يصعب اكتشاف أمراض مثل فرط الكلوريد ونقص الكلوريد، مما يُؤدي إلى اختلال وظائف الجسم. [ 7 ]

تحديد القدرة المضادة للأكسدة في دم الإنسان

يمكن استخدام قياس الكولومترية لقياس إجمالي القدرة المضادة للأكسدة (TAC) في الدم والبلازما من خلال البروميد المُوَلَّد كهربائيًا. وقد طُوِّرت طريقةٌ تستخدم عينات دم مأخوذة من مرضى مصابين بأمراض الكلى المزمنة يخضعون لغسيل الكلى لدراسة التغيرات في مستويات TAC، والتي يمكن تطبيقها لاحقًا في العيادات. [ 8 ]

الكولومترات

مقياس كولوم إلكتروني

يعتمد مقياس الكولومتر الإلكتروني على استخدام مكبر العمليات في دائرة من نوع "المكامل". يُحدث التيار المار عبر المقاومة R1 انخفاضًا في الجهد، والذي يُكامله مكبر العمليات على لوحي المكثف ؛ فكلما زاد التيار، زاد انخفاض الجهد. ولا يشترط أن يكون التيار ثابتًا. في هذا التصميم، يتناسب الجهد الخارج (Vout ) طرديًا مع الشحنة المارة. ويمكن تغيير حساسية مقياس الكولومتر باختيار القيمة المناسبة للمقاومة R1 .

مقاييس الكولومتر الكهروكيميائية

توجد ثلاثة أنواع شائعة من أجهزة قياس الشحنة الكهربائية تعتمد على العمليات الكهروكيميائية:

"الفولتميتر" هو مرادف لـ "الكولومتر".

أجهزة المعايرة الدقيقة الكولومترية

يستخدم جهاز المعايرة الدقيقة الحمضية القاعدية التحليل الكهربائي للماء، حيث تُنتَج البروتونات أو أيونات الهيدروكسيد عند قطب العمل . يتفاعل المُحلَّل مع الكاشف المُنتَج، مما يُنظِّم معدل توليد الكاشف الإجمالي. يتكوَّن تدرج في الرقم الهيدروجيني نتيجة انتشار هذه الكواشف، حيث يُحدِّد مستشعر الرقم الهيدروجيني نقطة النهاية. [ 6 ]

تتضمن بعض مزايا استخدام جهاز المعايرة الدقيقة سرعة إتمام عملية المعايرة نظرًا لصغر حجمه. إضافةً إلى ذلك، تُستهلك كمية ضئيلة جدًا من العينة، مما يسمح بإجراء معايرات متكررة باستخدام العينة نفسها. في المقابل، تتطلب أجهزة المعايرة الدقيقة معايرةً لأن الانتشار متغير، وبالتالي فإن هذه الطريقة ليست مطلقة. [ 6 ]

مراجع

  1. ↑ كيس، إتش إل (1962-11-01). "قياس الشحنة الكهربائية" . مجلة الكيمياء التحليلية الكهربائية . 4 (5): 257-286 . doi : 10.1016/S0022-0728(62)80068-0 . ISSN 0368-1874 . 
  2. ↑ ديفورد، دونالد د. (1960). "التحليل الكهربائي والتحليل الكولومتري". الكيمياء التحليلية . 32 (5): 31-37 . doi : 10.1021/ac60161a604 .
  3. ^ سيبيليدي، إل. سوموجي، ز. (سبتمبر 1938). "Die coulorretrisehe Analyze ass Präzisionsmethode. III" . Fresenius 'Zeitschrift für analytische Chemie (في المانيا). 112 ( 9 – 10): 332 – 336. دوى : 10.1007 / BF01383887 . ISSN 0016-1152 . 
  4. ↑ لوبيرت، كارل-هاينز؛ كالشر، كورت (2010). "تاريخ طرق التحليل الكهربائي" . التحليل الكهربائي . 22 ( 17-18 ): 1937-1946 . doi : 10.1002/elan.201000087 . ISSN 1521-4109 . 
  5. ↑ غروور، جي جي (1917). وقائع الجمعية الأمريكية لمادة الاختبار. 17 : 129.{{cite journal}}: مفقود أو فارغ |title=( مساعدة )
  6. 1 2 3 4 5 6 هاوزر، بي سي (2005-01-01)، "قياس الشحنة" ، في وورسفولد، بول؛ تاونشيند، آلان؛ بول، كولين (محررون)، موسوعة العلوم التحليلية (الطبعة الثانية) ، أكسفورد: إلسيفير، ص 234-240 ، doi : 10.1016/b0-12-369397-7/00104-7 ، ISBN  978-0-12-369397-6تم الاطلاع عليه بتاريخ 2024-11-04
  7. ↑ موريسون، غيل (1990)، "كلوريد المصل" ، في ووكر، هـ. كينيث؛ هول، و. دالاس؛ هيرست، ج. ويليس (محررون)، الأساليب السريرية: التاريخ والفحص البدني والفحوصات المخبرية ( الطبعة الثالثة)، بوسطن: بتروورث، ISBN  978-0-409-90077-4PMID 21250151 ، تاريخ الاسترجاع 2024-11-04 
  8. ↑ زياتدينوفا، جوزيل ك.؛ بودنيكوف، هيرمان س.؛ بوغوريلتسيف، فاليري إ.؛ غانييف، تالغاط س. (15 يناير 2006). "تطبيق قياس الكولومترية لتحديد القدرة الكلية المضادة للأكسدة في دم الإنسان" . تالانتا . 68 (3): 800-805 . doi : 10.1016/j.talanta.2005.06.010 . ISSN 0039-9140 . PMID 18970393 .  

فهرس

  • أ. دي أغوستيني (2002). المعايرة الكولومترية . سويسرا: ميتلر-توليدو جي إم بي إتش. ص  3.