Водневий електрод. Будова, принципи роботи, призначення

Стандартний водневий електрод – це платинова пластина, занурена у розчин сірчаної кислоти з активністю іонів водню, що дорівнює одиниці при температурі 298К. Платинова пластинка насичується воднем під тиском 101,3 кПа = 1атм. Схематично стандартний водневий електрод записують так: Рt, H2 │ 2H^+ (Рн2 = 101,3 кПа; а Н^+ = 1 моль/л). На електроді відбувається реакція: 2Н3О^+ + 2е^-  Н2 + 2Н2О Рівняння Нернста для потенціалу водневого електрода при 298К і Рн2 = 101,3 кПа має вигляд: Еводн = Е^0 + 0,059 lg a(Н3О^+). Враховуючи, що Е^0водн = 0,00В остаточно одержуємо: Еводн = 0,059 lg a(Н3О^+). Для визначення стандартних електродних потенціалів складають таке гальванічне коло: Рt, H2 │ 2H3О^+││ Ме^n+│Ме ЕРС (електрорушійна сила) цього кола є величиною позитивною, дорівнює алгебраїчній різниці електродних потенціалів: ЕРС = е^+ ‑ е^-, де е^+ і е^- ‑ потенціали позитивного та негативного електродів. Оскільки Е^0водн = 0,00В, то ЕРС = Е^0 Меn+│Ме

• Якщо потенціал металевого електроду має позитивне значення, то запис електрохімічного кола має вигляд:

(-)Рt, H₂ │ 2H₃О⁺ ││ Cu²⁺│Cu (+)

Н₂ + 2Н₂О -2e^-  2Н₃О⁺

Cu²⁺ +2e^-  Cu⁰

Сумарна реакція: 2Н₂О + Н₂ + Cu²⁺  2Н₃О⁺ + Cu⁰ ЕРС = Е⁰ _Cu2+│Cu = + 0,34В

• Якщо потенціал металевого електрода має негативне значення і гальванічне коло для визначення стандартного потенціалу записується так:

Меⁿ⁺ │Ме ││ 2H₃О⁺ │ H₂, Рt

Приклад: (-) Cu │ Zn │ ZnSO₄ ││ 2H₃О⁺ │ H₂, Рt│ Cu (+)

Zn⁰ ‑2е^-  Zn²⁺

2Н₃О⁺ + 2е^-  Н₂ + 2Н₂О

Сумарна реакція: Zn⁰ + 2Н₃О⁺  Zn²⁺ + Н₂ + 2Н₂О

ЕРС = Е⁰ _Zn2+│Zn = ‑ 0,76В

Розрізняють методи потенціометрії: прямі потенціометричні методи (пряма потенціометрія). Пряма потенціометрія ґрунтується на прямому визначенні потенціалу індикаторного електрода і обчисленню концентрації визначуваного іона за рівняння Нернста. Цей метод широко використовується в рН-метрії. Найчастіше використовують скляний електрод. Індикаторний електрод – скляний електрод, добре працює у будь-яких агресивних середовищах, у широкому діапазоні рН, не чутливий до окислювально-відновних процесів, індиферентний до ПАР, білків. Скляний електрод – іонно-селективний електрод мембранного типу. Воднева функція скляного електрода пояснюється особливим хімічним складом скла. Інтервал вимірювання рН = 0,5 – 12. Вимірювання рН застосовують в технохімічному контролі харчових продуктів в їх виробництві, де біохімічні та мікробіологічні процеси дуже залежать від рН середовища. Прилади: потенціометри, шкала яких проградуйована в одиницях рН: рН-340, рН-262, рН-673, П-261, іономір ЕВ-74.
непрямі методи (потенціометричне титрування). Потенціометричне титрування – це варіант титриметричного аналізу, в якому кінцеву точку титрування визначають за різкою зміною потенціалу індикаторного електрода поблизу точки еквівалентності. З цією метою будують криву титрування – графік залежності ЕРС вимірювального кола від об’єму добавленого титранту. Потім проецирують точку перегину кривої титрування на вісь абсцис. Застосовують для визначення: загальної концентрації розчину, кількох речовин в одному розчині без їх попереднього розділення, проводять титрування каламутних і забарвлених розчинів. Широко використовують іонно-селективні електроди – це індикаторні електроди, які мають високу специфічність до певних іонів (електроди з твердими іонними мембранами, рідкі іонні мембрани, газові електроди). Іонно-селективна потенціометрія використовується для аналізу харчових продуктів: NaCІ, нітрат-іонів, іонів кальцію – у дитячому харчуванні, фторид-іонів – у питній воді; йодид-іонів‑ в морській капусті, хлорид-іонів – у молоці., сирах, маргарині, хлібі.
	Установка для потенціометричного титрування

• Вольтамперометрія – фізико-хімічний метод аналізу. Запропонований чеським вченим Я.Гейровським (1922р.).

В основі методу лежить одержання автоматично записаних вольт-амперних кривих (полярограм). Полярограми виражають залежність струму від напруги у колі, що складається з досліджуваного розчину і занурених у цей розчин електродів. Один з них поляризується, а інший – ні. Речовин у розчині можуть окислюватися або відновлюватися на електроді, що поляризується (крапельний ртутний електрод). Допоміжним електродом (другим) служить ртутний електрод із великою поверхнею, що практично не поляризується.

Вольтамперометрія з використанням ртутного крапельного електрода називається полярографією. Вольт-амперні криві (полярограми) отримують за допомогою приладів – полярографів.

Вольтамперометрія – чутливий метод аналізу, дозволяє визначати до 0,0001% речовини. Для проведення дослідження достатньо 3 – 5мл розчину. Проведення аналізу на полярографах займає 10 хвилин.

 Електрофізичні методи обробки харчових продуктів

Запровадження на харчових підприємствах електрофізичних і електрохімічних методів обробки харчових продуктів сприяє випуску якісної продукції при безвідходній переробці сировини.

Енергію надвисокочастотного змінного електромагнітного поля почали використовувати в харчовій промисловості з 1960р. Такий спосіб нагрівання називається: ВЧ-нагрівання, НВЧ-нагрівання, діелектричний, мікрохвильовий, об’ємний, без градієнтний, холодний.

• діелектричне нагрівання використовують для теплової обробки діелектриків (продуктів, що погано проводять електричний струм);

• мікрохвильове нагрівання ‑ довжина хвилі НВЧ поля складає 10^-3 – 10^-1м;

• об’ємне нагрівання ‑ при використанні НВЧ поля відбувається одночасне нагрівання всього об’єму продукту;

• безградієнтне нагрівання – при звичайному нагріванні відсутній градієнт температур;

• холодне НВЧ-нагрівання супроводжується підвищенням температури продукту, однак камера апарату залишається холодною;

Серед способів наближених до варіння виділяють:

• електроконтактний спосіб нагрівання струмом високої частоти (ВЧ-нагрівання): електричний струм пропускають через харчових продукт, який завдяки наявності електричного опору нагрівається. Зокрема свіжа або солена риба має невелике значення електричного опору (провідник), однак морожена риба має значення діелектричного опору у тисячу разів більше і за своїми електричними властивостями наближається до діелектриків. Електрична провідність м’яса залежить від вмісту жиру та температури.

• НВЧ-нагрівання харчових продуктів. При розморожуванні харчових продуктів у НВЧ-полі волога, утворена з кристалів льоду, розподіляється в них так же як і в не розморожених продуктах. Експериментально встановлено, що найбільша нерівномірність розподілу вологи спостерігається при розморожуванні продукту в інтервалі температур від -5 до 0 С. Це пояснюється розчиненням солей, що містяться в кристалах льоду, і у вигляді розчину виходять з продукту. Для запобігання втрат солей і розчинних харчових речовин необхідно швидко нагріти продукт від ‑5 до 0 С і вище, що дозволяє НВЧ-нагрівання. Також спостерігається крайовий ефект: нагрівання поверхні продукту відбувається швидше, ніж його центральних шарів. Пояснюється різним поглинанням НВЧ-енергії талими та замороженими шарами продукту. Наприклад, при розморожуванні продуктів у соусі (соус має більший коефіцієнт поглинання і швидше розморожується) використовують обдування холодним повітрям і перфоровані перетинки.

• електростатичне поле. В установках для обробки продуктів за цим методом за рахунок наявності електродів створюється електростатичне поле, що обумовлює спрямований рух компонентів, які беруть участь у процесі. В електростатичному полі здійснюється копчення та панірування м’ясних і рибних продуктів.

132