СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ И ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ПО ДЛИНЕ ИССЛЕДУЕМОГО ЭЛЕКТРОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к электрохимическим измерениям и может быть использовано для изучения процессов, протекающих в водных растворах органических и неорганических соединений.

Известны способ и устройство для полярографических и амперометрических измерений [Е.Н. Виноградова и др. Методы полярографического и амперометрического анализа, изд-во Московский Университет, 1963 г., стр. 13], где описаны способ и устройство измерения концентрации растворов и изучение природы процессов. При помощи внешнего источника тока подается напряжение на потенциометрическую проволоку, с которой при помощи подвижного контакта, как с потенциометра, снимают нужное напряжение и подают на электролизную ячейку в виде монотонно возрастающего пика. Сила тока в цепи контролируется гальванометром. Сформированный таким образом ток пропускается через электрохимическую ячейку, включающую раствор исследуемого вещества и пару электродов, одним из которых является слой ртути на дне сосуда, а вторым - растущая капля ртути, вытекающая из стеклянного капилляра. Для реализации этого способа используют прибор - полярограф, состоящий из капельного ртутного электрода и устройства регистрации потенциала и силы тока через электрохимическую ячейку, который позволяет регистрировать полярограммы как катодных, так и анодных процессов и обладает высокой чувствительностью.

Недостатком известного способа является ограниченная область использования, так как процесс измерения сосредоточен на ограниченной поверхности падающей ртутной капли.

Недостатком устройства-полярографа является использование специальной ячейки с ртутным капающим электродом, что не позволяет измерить распределение процессов по длине протяженного электрода.

Известен также способ измерения скорости коррозии основы в порах катодного гальванического покрытия по авторскому свидетельству №1356726. Способ заключается в том, что измеряют ток в электрохимической ячейке, содержащей электрод основа - катодное гальваническое покрытие, вспомогательный электрод и электрод из материала покрытия, по величине тока судят о скорости коррозии, при этом ток измеряют между электродом из материала покрытия и вспомогательным электродом, при поддержании потенциала электрода из материала покрытия равным потенциалу электрода основа - покрытие.

Недостатком известного способа является ограниченные возможности измерения, так как результат измерения характеризует единицу изучаемой поверхности.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения для определения состава исследуемых растворов.

Технический результат заключается в измерении параметров процессов, протекающих на протяженном участке поверхности при его биполярной поляризации, позволяющий получить истинные распределения различных процессов по длине проводника.

Поставленная задача достигается тем, что способ измерения распределения потенциалов и интенсивности протекающих процессов включает измерение тока в дополнительной электрохимической ячейке между рабочим электродом и вспомогательным электродом при поддержании потенциала рабочего электрода равным потенциалу в фиксированной точке исследуемого электрода. Исследуемый электрод поляризуют биполярно, а распределение потенциала по его длине измеряют с использованием стандартного электрода, равномерно перемещаемого вдоль оси исследуемого электрода. В качестве стандартного электрода использован хлорсеребряный электрод (хсэ), повсеместно используемый в настоящее время в практике электрохимических измерений.

Поставленная задача достигается также тем, что устройство для измерения распределения потенциалов и интенсивности протекающих процессов состоит из электрохимической ячейки, содержащей исследуемый электрод, и дополнительной ячейки, включающей рабочий и вспомогательный электроды. В электрохимической ячейке дополнительно введены стандартный электрод и устройство для его равномерного перемещения вдоль поверхности исследуемого электрода. Исследуемый электрод выполнен протяженным.

Схема устройства показана на чертеже.

Устройство включает следующие конструктивные элементы: дополнительную ячейку и электрохимическую ячейку 1 и 2, потенциостат 3, вольтметр 4 и самописцы 5, 6. В электрохимической ячейке 2 с исследуемым раствором натянута горизонтально платиновая проволока 7 на некоторой глубине от поверхности раствора. У концов проволоки в раствор погружены два дополнительных электрода 8 из инертного материала, присоединенные к регулируемому источнику постоянного электрического тока. Стандартный электрод 9 смонтирован с возможностью свободно перемещаться вдоль натянутой проволоки со строго заданной постоянной скоростью. В ячейке 1 находится такой же раствор электролита, как и в ячейке 2. Температура раствора в обеих ячейках поддерживается одинаковой с помощью термостата. В раствор в ячейке 1 погружен платиновый электрод 10 со строго заданной площадью полной поверхности, равной 1 см². В ячейку 1 введен также вспомогательный платиновый электрод 11 и электрод сравнения 12. Растворы в ячейках 1 и 2 электрически соединены с помощью электролитического ключа 13. Электроды 9, 10 и 11 присоединены к потенциостату 3 следующим образом: электрод 10 к клемме на колодке потенциостата «рабочий электрод»; 11 - «вспомогательный электрод»; 9 - «электрод сравнения». Электроды 10 и 12 соединены также с катодным вольтметром 4. К потенциостату 3 подключен самопишущий потенциометр 5 для регистрации силы тока, протекающего между электродами 10 и 11. К выходу катодного вольтметра 4 подключен самопишущий потенциометр 6 для регистрации величины потенциала, отвечающего точке на проволочном электроде 7, которой касается в данный момент стандартный электрод 9.

Устройство работает следующим образом.

В ячейки 1 и 2 заливают исследуемый раствор и доводят температуру раствора в обеих ячейках до заданной величины. В ячейку 1 погружают платиновый электрод 10, имеющий полную площадь поверхности, равной одному сантиметру квадратному, и подключают его к клемме на входе потенциостата 3 «рабочий электрод» и его же подключают к входу вольтметра 4. Сюда же вводят электрод сравнения 12 и соединяют его с входом вольтметра 4 и платиновый электрод 11, соединенный с клеммой на потенциостате «вспомогательный электрод». Растворы в ячейках 1 и 2 соединяют электрически солевым мостиком 13 (электролитический ключ).

В ячейке 2 устанавливают горизонтально проволочный электрод 7, вдоль которого перемещается стандартный электрод 9 и два дополнительных электрода 8, соединенных с источником постоянного тока (не показан). Включают ток заданной величины, протекающий через рабочий электролит между электродами 8. Под действием электрического поля постоянного тока проволочный электрод 7 поляризуется по биполярной схеме таким образом, что на конце его, находящегося около анода, наводится отрицательный потенциал, на противоположном его конце наводится положительный потенциал. Сила тока, обеспечивающего образование электродного потенциала в данной точке, обусловливается протеканием электродного процесса на поверхности проволочного электрода 7 в тот момент, когда стандартный потенциал этого процесса совпадает со значением потенциала в данной точке проволочного электрода 7, полная совокупность таких точек по длине проволочного электрода 7 представляет собой кривую распределения тока по его длине. Диаграмма, регистрируемая самописцем 6, показывает распределение потенциала по длине электрода 7. Совокупность этих диаграмм дает представление о распределении по длине проволочного электрода 7 всех возможных в данном растворе электрохимических процессов и относительном распределении интенсивности каждого из них по длине проводника.

Очевидно, что картина распределения процессов по длине проволочного электрода 7 и соотношение интенсивности процессов будут изменяться при изменении силы тока, протекающего между дополнительными электродами 8. Эти сведения дают возможность выбора режимов поляризации проволочного электрода 7, которые обеспечивают протекание заданного набора процессов.

Проведено моделирование условий работы протяженного электрода в кровеносном сосуде. Измеряли распределение электродного потенциала по длине платинового проволочного электрода, размещенного на дне горизонтального канала из оргстекла сечением 4×4 мм и длиной 150 мм, заполненного физиологическим раствором. Проволочный электрод поляризовался по биполярной схеме с помощью двух дополнительных электродов, погруженных в раствор вблизи концов проволочного электрода. Измеряли распределение потенциала по длине проводника. На кривой зависимости потенциал - длина электрода отмечены две ступени: одна при потенциале минус 450 мВ по водородной шкале, и вторая при потенциале плюс 1300 мВ. Первой из них соответствует начало выделения водорода в нейтральной среде, а второй - начало выделения хлора.

Дополнительно проводили измерения в стационарной трехэлектродной ячейке в том же растворе и при той же температуре. Поочередно поляризовали рабочий электрод ячейки площадью 1 см² при потенциалах +1300 мВ и -450 мВ. Сила тока поляризации, протекающего при этом в цепи потенциостата между рабочим и вспомогательным электродами, составляла: 130 мкА/см² и 140 мкА/см².

Эти данные свидетельствуют о том, что на участках проволочного электрода, соответствующих процессам окисления хлора (+1300 мВ) и восстановления водорода (-450 мВ), интенсивность процессов составляет 130 мкА/см² и 140 мкА/см², соответственно.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей способа измерения для определения состава исследуемых растворов.

Технический результат заключается в измерении параметров процессов, протекающих на протяженном участке поверхности при его биполярной поляризации, позволяющий получить истинные распределения различных процессов по длине проводника. Способ измерения распределения потенциалов и интенсивности протекающих процессов состоит в измерении тока в дополнительной ячейке 1, протекающего между рабочим электродом 10 и вспомогательным электродом 11 при поддержании потенциала рабочего электрода 10 равным потенциалу в фиксированной точке исследуемого электрода 7. Исследуемый электрод 7 поляризуют биполярно, а распределение потенциала по его длине измеряют с использованием стандартного электрода 9, равномерно перемещаемого вдоль оси исследуемого электрода 7. Устройство для измерения распределения потенциалов и интенсивности протекающих процессов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения распределения потенциалов и интенсивности протекающих процессов, включающий измерение тока в дополнительной ячейке между рабочим электродом и вспомогательным электродом при поддержании потенциала рабочего электрода равным потенциалу в фиксированной точке исследуемого электрода, отличающийся тем, что исследуемый электрод поляризуют биполярно, а распределение потенциала по его длине измеряют с использованием стандартного электрода, равномерно перемещаемого вдоль оси исследуемого электрода, и измеряют ток поляризации рабочего электрода.

2. Устройство для измерения распределения потенциалов и интенсивности протекающих процессов, состоящее из электрохимической ячейки, содержащей исследуемый электрод, и дополнительной ячейки, включающей рабочий и вспомогательный электроды, отличающееся тем, что в электрохимическую ячейку введен стандартный электрод и устройство для его равномерного перемещения вдоль поверхности исследуемого электрода, подключенный к клемме «электрод сравнения» на входе потенциостата, в дополнительную ячейку введен электрод сравнения, подключенный к вольтметру, электрохимическая ячейка и дополнительная ячейка соединены солевым мостиком, а к выходу потенциостата и вольтметра подключены средства регистрации потенциала рабочего электрода и силы тока его поляризации.

3. Устройство для измерения по п.2, отличающееся тем, что исследуемый электрод выполнен протяженным.