В электрохимии солевой мостик или ионный мостик — важное лабораторное устройство, открытое более 100 лет назад. [1] Он содержит раствор электролита, обычно инертный раствор, используемый для соединения полуэлементов окисления и восстановления гальванического элемента (гальванического элемента), типа электрохимического элемента . [1] [2] Короче говоря, он функционирует как связующее звено, соединяющее анодные и катодные полуэлементы внутри электрохимической ячейки. [3] Он также поддерживает электрическую нейтральность во внутренней цепи и стабилизирует потенциал перехода между растворами в полуэлементах. [4] Кроме того, он служит для минимизации перекрестного загрязнения между двумя полуэлементами и помогает сосредоточить наше внимание на раскрытии функции рабочих электродов полуэлементов. [1] [5]
Солевой мостик обычно состоит из трубок, заполненных раствором электролита. Эти трубки часто имеют на концах диафрагмы, такие как стеклянные фритты, которые помогают удерживать раствор внутри трубок и предотвращают чрезмерное смешивание с окружающей средой. [3] При создании солевого мостика между различными растворителями полуэлементов крайне важно убедиться, что электролит, используемый в мостике, растворим в обоих растворах и не взаимодействует с какими-либо веществами, присутствующими в обоих растворах. [3]
Существует несколько типов солевых мостиков: мостики из стеклянных трубок (традиционные солевые мостики типа KCl и солевые мостики из ионной жидкости), мостики из фильтровальной бумаги, солевые мостики из пористой фритты, солевые мостики из коллоидного кремнезема и солевые мостики из агарового геля.
В следующих разделах более подробно рассматриваются характеристики и применение мостиков из стеклянных трубок, мостиков из фильтровальной бумаги, мостиков из коллоидной кварцевой соли и мостиков из древесно-угольной соли.
Солевые мостики из стеклянных трубок обычно состоят из U-образных трубок Vycor, заполненных относительно инертным электролитом. [6] Раствор электролита обычно содержит комбинацию катионов, таких как аммоний и калий, и анионов, включая хлорид и нитрат, которые имеют одинаковую подвижность. [1] [3] Выбирается такая комбинация, которая не вступает в реакцию ни с одним из химических веществ, используемых в клетке.
Традиционно концентрированный водный раствор хлорида калия (KCl) десятилетиями использовался для нейтрализации потенциала жидкостного перехода. [1] При сравнении растворов других солей, таких как бромид калия и йодид калия, с хлоридом калия, хлорид калия наиболее эффективно сводит на нет потенциал перехода. [1] Тем не менее, эффективность этого солевого мостика снижается по мере увеличения ионной силы раствора образца. [1]
Из-за многочисленных недостатков солевых мостиков типа KCl для решения проблем потенциометрии, возникающих из-за солевых мостиков типа KCl в электрохимических ячейках, использовались мостики из ионной жидкости (ILSB). [1] [4] ILSB демонстрируют эффективную работу в водных растворах гидрофильных электролитов. Это связано с тем, что ионные жидкости не смешиваются с водой (они несмешивающиеся), что делает их пригодными в качестве солевых мостиков для водных растворов. [1] Кроме того, они химически инертны и очень стабильны в воде. [1]
Для создания солевого мостика из стеклянной трубки изготавливают U-образную трубку Vycor, содержащую подходящий раствор электролита. [3] Обычно концы трубки покрывают стеклянные фритты, пористый материал, или электролит часто гелеобразуется с помощью агар-агара , чтобы предотвратить смешивание жидкостей, которое могло бы произойти в противном случае. [3]
Проводимость стеклянного трубчатого моста в первую очередь зависит от концентрации раствора электролита. При концентрациях ниже насыщения увеличение концентрации увеличивает проводимость. Однако содержание электролита, превышающее насыщение, и узкий диаметр трубки могут снизить проводимость. [4]
Пористая бумага, такая как фильтровальная бумага, может использоваться в качестве солевого мостика, если она пропитана соответствующим электролитом, например электролитами, используемыми в мостиках из стеклянных трубок. Гелеобразующий агент не требуется, поскольку фильтровальная бумага обеспечивает твердую среду для проводимости. [7]
Проводимость такого рода солевого мостика зависит от ряда факторов: концентрации раствора электролита, текстуры бумаги и поглощающей способности бумаги. Как правило, более гладкая текстура и более высокая впитывающая способность соответствуют более высокой проводимости. [7]
Для создания солевого мостика такого типа можно использовать лабораторную фильтровальную бумагу, которую свернуть в форму, соединяющую две полуклетки, обычно свернутые в цилиндрическую форму. [7] Затем свернутую фильтровальную бумагу замачивают в соответствующем инертном солевом растворе. [7] С помощью соломинки можно придать свернутой фильтровальной бумаге U-образную трубку, придавая механическую прочность пропитанной фильтровальной бумаге. [7] [8] Теперь эту фильтровальную бумагу можно использовать в качестве солевого мостика и соединять две полуячейки. [7]
Хотя солевые мостики из фильтровальной бумаги недороги и легко доступны, одним из недостатков отказа от использования соломинки для обеспечения механической прочности является то, что для каждого эксперимента необходимо использовать новую свернутую и пропитанную фильтровальную бумагу. [7] Кроме того, фильтровальная бумага имеет ограниченный срок службы и представляет высокий риск загрязнения. [3]
Недавняя разработка — угольно-солевой мост. Считается отличным вариантом пористого перехода для электрода сравнения в щелочном растворе. [9]
Пористый переход служит солевым мостиком между двумя полуэлементами раствора сравнения и электролита. [9] Другие материалы, используемые для пористых соединений, такие как стекло, тефлон и агаровый гель, имеют свои преимущества, но также и некоторые существенные недостатки, такие как высокая стоимость и высокий риск загрязнения. [9] [3]
Таким образом, преимущества использования древесного угля в качестве фритт включают его низкую стоимость и легкую доступность, поскольку древесный уголь можно получать из пористых углеродных материалов. [9] Несмотря на свою хрупкость, древесный уголь способствует эффективному переносу ионов благодаря своей высокопористой структуре. [9]