쿨로메트리

쿨로메트리(Coulometry)는 소비 또는 생산되는 전기의 양을 측정하여 전기분해 반응 중에 변환되는 물질의 양을 결정한다. 그것은 전하의 정밀 측정에 사용될 수 있고, 암페어는 심지어 큐로메트릭 정의를 가지고 있었다. 그러나 오늘날 쿨로메트리는 주로 분석적 용도에 사용된다. 쿨로메트리(Coulometry)는 분석 화학의 기법군이다. ^[1] 샤를 아우구스틴 데 쿨롱의 이름을 따서 지은 것이다.

쿨로메트릭 기법에는 두 가지 기본 범주가 있다. 전위차성 쿨로메트리는 전위차트를 사용하여 반응하는 동안 전위차 상수를 유지하는 것을 포함한다. 다른 하나는 쿨로미터 적중 또는 암페로스타틱 쿨로미터라고 불리는 것으로 암페로스타트를 사용하여 전류(암페어로 측정)를 일정하게 유지한다.

전위차적 쿨로메트리

전위차적 쿨로메트리는 가장 흔히 "전위차 전기분해"라고 불리는 기술이다. 작동 전극은 일정한 전위로 유지되며 회로를 통과하는 전류를 측정한다. 이 일정한 전위는 주어진 용액에서 모든 전기 작용 종을 완전히 감소시키거나 산화시킬 수 있을 만큼 충분히 오래 가해진다. 전기 활성 분자가 소비되면 전류도 감소하여 변환이 완료되면 0에 가까워진다. 샘플 질량, 분자 질량, 전극 반응의 전자 수, 그리고 실험 중에 통과된 전자 수는 모두 패러데이의 법칙에 의해 연관되어 있다. 그 후, 3개의 값을 알면 4번째 값을 계산할 수 있다.

대량 전기 분해는 종종 전압측정법을 통해 관찰된 반응에서 소비되는 전자 수를 모호하게 할당하는 데 사용된다. 또한 화학 경로를 통해 접근할 수 없을 수 있는 종(산소 상태)의 용액을 생산하는 부가적인 이점이 있다. 그러면 이 종은 용해 중에 격리되거나 더 이상 특징지어질 수 있다.

그러한 반응의 속도는 용액의 농도에 의해 결정되는 것이 아니라 용액의 전기 작용 종을 전극 표면으로 대량 전달한다. 용액의 부피가 감소하거나 용액이 더 빠르게 휘젓거나 작업 전극 면적이 증가하면 속도가 증가한다. 질량 전달은 매우 중요하므로 용액은 대량 전기분해 중에 교반된다. 그러나 전극에 대한 용액의 층류 흐름이 교반 목적도 결과도 아니기 때문에 이 기법은 일반적으로 유체역학 기법으로 간주되지 않는다.

반응이 완성되는 정도는 또한 관심의 감소 가능성보다 적용된 잠재력이 얼마나 큰지와도 관련이 있다. 다중 감소 전위가 관심 있는 경우, 종종 전기분해 전위를 redox 이벤트를 통과하는 "안전한" 거리(200mV 등)를 설정하기가 어렵다. 그 결과 기질이 불완전하게 변환되거나, 그렇지 않으면 기질 일부를 더 축소된 형태로 변환하는 것이다. 이 인자는 통과된 전류를 분석할 때와 기판 용액으로 추가 분석/분리/실험을 시도할 때 반드시 고려되어야 한다.

전기구획에 대한 이러한 종류의 분석의 장점은 반응의 산물에 대한 가중치를 매길 필요가 없다는 것이다. 이는 비산(HASO₃₃)의 전기분해부터 비산(HASO₃₄)까지 샘플의 비소량을 결정하는 등 제품이 고체로 침전되지 않는 반응에 유용하다.

쿨로메트리 적정법

쿨로메트릭스는 종의 농도를 정확하게 정량화하기 위해 정전류 시스템을 사용한다. 이 실험에서 적용된 전류는 적정 전류와 동일하다. 미지의 모든 종들이 산화되거나 새로운 상태로 감소될 때까지 전류가 미지의 용액에 적용되며, 이때 작동 전극의 전위는 극적으로 이동한다. 이 잠재적 변화는 엔드포인트를 나타낸다. 전류의 크기(암페어 단위)와 전류의 지속시간(초 단위)을 사용하여 용해 중인 미지의 종의 점을 결정할 수 있다. 용액의 부피가 알려지면 미지의 어금니를 결정할 수 있다.

쿨로메트릭스의 장점

큐로메트릭 적정은 적분 발생을 위한 일정한 전류원이 상대적으로 만들기 쉽다는 장점이 있다.

적정량의 전기화학적 생성은 뷰렛 드라이브를 사용한 적정량의 기계적 추가보다 훨씬 더 민감하고 훨씬 더 정확하게 제어될 수 있다. 예를 들어 100ms 동안 10µA의 정전류 흐름은 쉽게 생성되며 약 10마이크로그램의 적정량에 해당한다.
물론 표준 용액과 티터 결정의 준비는 더 이상 필요하지 않다.
용액의 변동성이나 반응성이 높아 불안정하거나 취급하기 어려운 화학 물질도 적분제로 매우 쉽게 사용할 수 있다. 브로민, 염소, Ti3+, Sn2+, Cr2+, 칼 피셔 시약(iodine)이 그 예다.
큐로메트릭 적정은 또한 불활성 대기에서 수행되거나 방사능 물질과 같이 원격으로 제어될 수 있다.

적용들

칼 피셔 반응

Karl Fischer 반응은 시료에 있는 물의 양을 결정하기 위해 쿨로메트릭을 사용한다. 그것은 리터당 밀리그램의 순서에 따라 물의 농도를 결정할 수 있다. 이것은 버터, 설탕, 치즈, 종이, 석유와 같은 물질에서 물의 양을 발견하는데 사용된다.

그 반응은 고체 요오드를 이산화황과 물이 있는 곳에서 요오드화수소로 바꾸는 것을 포함한다. 메탄올은 용매로 가장 많이 사용되지만 에틸렌 글리콜과 디에틸렌 글리콜도 효과가 있다. 피리딘은 이 역할을 위해 이미다졸과 디에탄올라민의 사용이 보편화되고 있지만 황산의 축적을 막기 위해 자주 사용된다. 분석이 정량적이 되려면 모든 시약이 무수여야 한다. 메탄올과 피리딘을 사용한 균형 화학 방정식은 다음과 같다.

\mathrm {[C_{5}H_{5}NH]SO_{3}CH_{3}+I_{2}+H_{2}}}O+2C_{5}H_{5}N} \longrightarrow \mathrm {[C_{5}H_{5}NH]SO_{4}CH_{3}+2[C_{5}]H_{5}NH]I}

이 반응에서 물 한 분자는 요오드 분자와 반응한다. 이 기법은 표본의 수분 함량을 결정하는 데 사용되기 때문에 대기 습도는 결과를 바꿀 수 있다. 따라서 이 시스템은 보통 건조 튜브로 격리되거나 불활성 가스 용기에 넣어진다. 게다가, 용매에는 의심의 여지 없이 약간의 물이 들어 있을 것이기 때문에 용매의 수분 함량을 측정하여 이러한 부정확성을 보상해야 한다.

표본의 물의 양을 결정하려면 먼저 등 또는 직접 적정법을 사용하여 분석을 수행해야 한다. 직접적 방법에서는, 모든 물을 완전히 소진하기 위해 시약만 충분히 첨가될 것이다. 적정화의 이 지점에서 전류가 0에 접근한다. 그런 다음 스토이치측정법을 통해 시스템 내 물의 양과 사용되는 시약의 양을 연관시킬 수 있다. 백타이틀 방식도 비슷하지만 시약 과다 첨가가 수반된다. 이 초과량은 알려진 양의 표준 용액을 물의 함량으로 첨가함으로써 소비된다. 그 결과는 시료와 표준용액의 수분 함량을 반영한다. 표준용액의 물의 양을 알기 때문에 그 차이는 표본의 수분 함량을 반영한다.

필름 두께 측정

쿨로메트리는 금속 코팅의 두께를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이는 코팅의 잘 정의된 영역을 용해하는 데 필요한 전기량을 측정하여 수행된다. 필름 두께 $\Delta$ $\Delta$ 은(는) 일정한 $전류$ i ${\displaystyle$ $i$ $i$ 금속의 $M$ 분자량 $M$ ${\displaystyle$ M $},$ 금속의 $\rho$ 밀도 $\rho$ ${\displaystyle \rho},$ 표면 면적 $A$ ${\displaystystysty$ A $}$ 에 비례한다 $\델타$ $A$

$\triangle \propto {\frac {iM}{A\rho}}$

이 반응을 위한 전극은 종종 백금 전극과 반응과 관련된 전극이다. 구리 와이어의 주석 코팅의 경우 주석 전극을 사용하는 반면, 강철 조각의 아연 필름을 결정하기 위해 염화나트륨-진크 황산염 전극을 사용한다. 금속의 두께를 측정하기 위해 금속 표면에 달라붙기 위해 특별한 세포가 만들어졌다. 이것들은 기본적으로 표면에 부착할 자석이나 무게가 있는 내부 전극이 있는 기둥들이다. 이 쿨로메트릭 방식으로 얻은 결과는 다른 화학적, 야금적 기법에 의해 달성된 것과 유사하다.

쿨로미터

전자 쿨로미터

전자 쿨로미터는 "통합기"형 회로에서 작동 증폭기의 적용을 기반으로 한다. 저항기 R1을 통과하는 전류는 캐패시터 플레이트의 작동 증폭기에 의해 통합된 전위 강하를 만든다. 전류가 높을수록 전위 강하가 크다. 전류가 일정할 필요는 없다. 그러한 제도에서 V는_out 통과된 요금에 비례한다. 쿨로미터의 감도는 R의₁ 적절한 값을 선택하여 변경할 수 있다.

전기화학쿨로미터

전기화학 공정에 기초한 쿨로미터에는 다음과 같은 세 가지 일반적인 유형이 있다.

"볼타미터"는 "쿨로미터"와 동의어다.

참조

^ DeFord, Donald D. (1960). "Electroanalysis and Coulometric Analysis". Analytical Chemistry. 32 (5): 31–37. doi:10.1021/ac60161a604.

참고 문헌 목록

A. de Agostini (2002). Coulometric Titration. Switzerland: Mettler-Toledo GmbH. p. 3.

외부 링크

[1] DeFord, Donald D. (1960). "Electroanalysis and Coulometric Analysis". Analytical Chemistry. 32 (5): 31–37. doi:10.1021/ac60161a604.

[1]

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