I elektroanalytisk kemi er forståelsen af elektrolytiske celler, deres opførsel og de reaktioner, der finder sted, afgørende for korrekt at kunne analysere og bestemme koncentrationer af forskellige ioner. Dette kræver, at vi dykker ned i begreber som elektrodepotentialer, cellepotentialer og de termodynamiske sammenhænge, der styrer disse processer. For at forstå disse teknikker bedre, er det nødvendigt at beskæftige sig med både den teoretiske og praktiske anvendelse af elektrolyse.

Når en elektrolytisk celle dannes, kræves der ofte to elektroder, som hver involverer en halvreaktion, der enten reducerer eller oxiderer bestemte ioner i opløsning. For eksempel, i en galvanisk celle, som består af en Cu²⁺/Cu elektrode og en hydrogen elektrode ved standardbetingelser, kan cellepotentialet beregnes ved hjælp af de involverede elektrodesystemers elektrodepotentials. I et givet eksempel blev den elektromotoriske kraft (EMF) målt til 0,8138 V ved 298 K, hvilket kan bruges til at bestemme pH i den opløsning, hvor elektroden er nedsænket. Her er den estimerede pH 7.97, hvilket er et direkte resultat af den elektriske spænding, som cellepotentialet angiver.

Elektrolytiske celler, som dem der involverer Fe(II) og Fe(III), samt dichromat og Cr(III), fungerer ved at balancere de elektroder, hvor oxidering og reduktion finder sted. I et eksempel, hvor en galvanisk celle består af en platin elektrode i en opløsning af 0,01M Fe²⁺ og 0,01M Fe³⁺ på den ene side og en anden platin elektrode i en opløsning af 0,02M dichromat og 0,02M Cr³⁺ på den anden, kan den globale reaktion skrives som:
6Fe²⁺(aq) + Cr₂O₇²⁻(aq) + 14H⁺(aq) → 6Fe³⁺(aq) + 2Cr³⁺(aq) + 7H₂O(l).
Her er den katalytiske proces drevet af de elektrodepotentialsforskelle, som opstår mellem de to reaktioner. Et vigtigt aspekt ved beregning af cellens potentiale, som i dette tilfælde er 0,478 V, er, at den termodynamiske proces skal være negativ for at sikre en spontan reaktion. Dette er et af de grundlæggende principper i elektroanalytisk kemi, hvor cellepotentialet og Gibbs frie energi er tæt forbundet.

Derudover spiller pH en væsentlig rolle i mange elektrolytiske reaktioner, da ionkoncentrationer og dermed cellepotentialet kan påvirkes af pH-værdien i opløsningen. I tilfælde af et galvanisk celle, der involverer Fe²⁺ og Cr₂O₇²⁻, vil ændringer i pH nødvendigvis påvirke cellepotentialet. I tilfælde af at pH ændres, kan cellepotentialet også ændres, hvilket bør tages i betragtning ved eksperimentelle målinger. Det er derfor vigtigt at forstå, hvordan pH påvirker cellepotentialet og de reaktioner, der finder sted ved elektroderne.

Den praktiske anvendelse af elektrolytiske celler strækker sig også til analytiske teknikker som titrering og bestemmelse af ionkoncentrationer i vandprøver. For eksempel kan indholdet af calciumioner i drikkevand bestemmes ved at præcipitere calciumionerne som calciumoxalat og derefter titrere oxalationerne med permanganat. I et praktisk forsøg, hvor 12 mL af en 0.100 N kaliumpermanganatopløsning bruges til at titrere 200 mL drikkevand, kan indholdet af calciumioner beregnes til at være 0,168 g/L. Denne teknik er et godt eksempel på, hvordan elektrolytiske metoder kan anvendes til at bestemme ionindhold i komplekse løsninger.

En vigtig faktor at forstå i elektrolytisk analyse er, hvordan opløsningsmidlet og koncentrationen af de relevante ioner påvirker elektrodepotentialerne. For eksempel, når man beregner opløselighedsproduktet (Ksp) for sølvjodid (AgI), skal man overveje de relevante halvreaktioner og bruge disse til at bestemme den elektriske spænding, der er nødvendigt for at opnå opløsning af AgI. Når man kombinerer disse halvreaktioner og beregner cellepotentialet, kan man bestemme opløselighedsproduktet.

For andre elektrolytiske eksperimenter som elektroplatering, kræves der præcise beregninger for at bestemme den nødvendige elektriske ladning for at opnå den ønskede tykkelse af plateringen. For eksempel, hvis en 12,5 cm² metaloverflade skal sølvplateres med en 1 mm tyk belægning ved en strømstyrke på 0,5 A, kan den nødvendige elektricitet beregnes til 11.726 C, og den tid, det tager at udføre elektrolysen, er 6 timer og 31 minutter.

For at analysere sådanne elektrolytiske processer kræves det også, at man forstår de praktiske konsekvenser af elektrodevoltaer og forholdene omkring elektrolyseprocessen. Ved at bruge metoder som voltmetri og kalibrering af elektroder, kan man pålideligt bestemme koncentrationerne af de relevante ioner i opløsningen.

For læseren er det vigtigt at huske, at elektroanalytiske teknikker er kraftfulde redskaber i analytisk kemi, men at de kræver præcise kontrolforhold. Elektrodepotentialer og pH har en afgørende indflydelse på eksperimentets udfald, og det er derfor essentielt at tage højde for disse faktorer ved design og udførelse af eksperimenter. De teknikker, der anvendes, afhænger ikke kun af de fysiske kemiske egenskaber af materialerne, men også af de termodynamiske sammenhænge, der driver de reaktioner, vi studerer.

Hvordan skal koncentrationen af en opløsning beskrives og forstås?

Begrebet koncentration refererer til sammensætningen af en blanding, hvor det er nødvendigt at beskrive mængden af en eller flere stoffer (ofte kaldet "komponenter" eller "konstituenter"), der er til stede. IUPAC definerer koncentration som et udtryk for fire kvantiteter, der karakteriserer sammensætningen af en blanding i forhold til volumen: masse, mængde, volumen og tal-koncentration. Desuden anvendes begrebet koncentration som en forkortelse for "mængde-af-stof koncentration" eller "mængdekoncentration".

Enheden for mængden af stof er mol (n), som defineres som den mængde stof i et system, der indeholder lige så mange elementære enheder som der er atomer i 0,012 kilogram af kulstof-12. Det er vigtigt at bemærke, at IUPAC anbefaler, at termen "antal mol" ikke længere anvendes, ligesom termen "masse" ikke bør kaldes "antal kilogram". Denne enhed er valgt, så den atomare masse (udtrykt i en enhed kaldet enheden u) og den molære masse (i gram/mol) har samme numeriske værdi. I dag bør udtrykkene "atomvægt" og "molekylvægt" undgås, da de er forældede. De er blevet erstattet af de mere præcise begreber "relativ atommasse" og "relativ molekylmasse", som er enkle, dimensionsløse tal.

Når man udfører beregninger, der involverer mol af et stof, er det nødvendigt at bruge stoffets molære masse. Koncentration, eller mængde-af-stof koncentration (cA), er mængden af et stof, A, divideret med volumen af blandingen, hvori det er til stede. Den almindelige enhed er mol/dm³ eller mol/L, og udtrykket molaritet (M) bruges ofte til at beskrive koncentrationen. For eksempel vil en opløsning med en koncentration på 0,5 mol/dm³ blive kaldt en 0,5 M opløsning (0,5 molar opløsning). Selvom dette udtryk er meget udbredt i kemien, anbefaler NIST-guiden at bruge det oprindelige udtryk, da det er klart og entydigt. Molaritet og symbolerne M og N er dog blevet så grundlæggende i kemien, at det vil være svært at ændre på dette.

Der findes også flere relaterede begreber, såsom stofindhold, som er mængden af stof af en komponent (n) divideret med massen af systemet (m), og antal-koncentration, som er antallet af enheder af en komponent i en blanding divideret med volumen af blandingen. Derudover findes mass-koncentration, som er massen af en komponent divideret med volumenet af blandingen, og volumenfraktion, som beskriver forholdet mellem volumenet af en komponent i en blanding og den samlede volumen af alle komponenter, før blandingen finder sted.

IUPAC Gold Book giver en detaljeret definition af disse termer, som kan være nyttig, når man arbejder med koncentrationer i kemisk analyse.

En opløsning er en væske eller en fast fase, der indeholder flere stoffer, hvoraf én kaldes opløsningsmiddel, mens de andre kaldes opløste stoffer (solutter). Når summen af molfraktionerne af solutterne er lille i forhold til en, kaldes opløsningen ofte en fortyndet opløsning. Det vil sige, at solutterne er de mindre komponenter, og opløsningsmidlet er den primære komponent. En koncentreret opløsning er derimod en, der indeholder store mængder solut i forhold til opløsningsmidlet. En standardopløsning er en opløsning, hvor koncentrationen er kendt med stor præcision og er forberedt ved hjælp af standardiserede stoffer.

En primær standard er et stof af kendt høj renhed, som kan opløses i et kendt volumen opløsningsmiddel for at danne en primær standardopløsning. En sekundær standard er et stof, hvis aktive komponent er blevet bestemt ved sammenligning med en primær standard. Standardopløsningernes koncentrationer udtrykkes ofte i mol/dm³, selvom de af tradition ofte rapporteres som M (molaritet) eller N (normalitet).

Koncentrationen af en opløsning defineres som mængden af solut (mængde af stof) per en given mængde opløsning. Det er muligt at udtrykke koncentrationen på forskellige måder, og nogle af de mest almindelige udtryk, der anvendes af kemikere, omfatter molaritet, masseprocent, volumenprocent, molalitet og normalitet. En af de mest udfordrende aspekter for studerende er at konvertere mellem de forskellige udtryk for koncentration. Det er afgørende at kende definitionerne af de enkelte enheder for koncentration og kunne omskrive dem til deres enkleste former.

Der er også nogle gamle udtryk for koncentration, som stadig er meget udbredte i reguleringer, lærebøger og videnskabelige rapporter. For eksempel er normalitet (og dens symbol, N) et forældet udtryk, som ikke længere bør anvendes, da det ikke har en entydig beregningsformel. Normalitet har dog stadig en praktisk anvendelse i titrimetri og elektrokemiske målinger, hvor det bruges til at beskrive ækvivalente mængder af reaktive stoffer. Det er vigtigt at bemærke, at den ækvivalente værdi af en art skal specificeres i forhold til den reaktion, der finder sted.

Det er også vigtigt at understrege, at når man arbejder med koncentrationer, skal præcision og nøjagtighed være i højsædet. Enhver afvigelse i koncentrationen kan have betydelige konsekvenser for de eksperimentelle resultater, og det er derfor nødvendigt at forstå de grundlæggende principper bag måling og beregning af koncentrationer for at opnå pålidelige og reproducerbare resultater i kemisk analyse.

Hvordan påvirker migration og metamorfose dyrearters livscyklus og økosystemer?
Hvordan kan indfødte metodologier og data styre deres egne fremtidige fortællinger?
Hvordan kan supply chain risici håndteres effektivt?
Hvordan Hellenismen og Christianisme Mødes: En Vejledning til Forståelse af Guds Frihed og Teologisk Udvikling
Hvordan teknologi og opfindelser formede den tidlige middelalder