Potentsiostaat

Potentsiostaadi skeem

Potentsiostaat on seade, mis mõõdab ning reguleerib potentsiaali tööelektroodi ja võrdluselektroodi vahel. Potentsiostaat juhib elektrivoolu elektrokeemilisse mõõterakku läbi abielektroodi. Enamasti on potentsiostaadi kasutamiseks tarvis kolme elektroodi, milleks on tööelektrood, võrdluselektrood ning abielektrood.

Potentsiostaat hoiab tööelektroodi ja võrdluselektroodi vahelist potentsiaali konstantsena, reguleerides elektrivoolu abielektroodil. 

Potentsiostaadi tööpõhimõte

Potentsiostaat asendab vooluringi, mis reguleerib potentsiaali elektrokeemilises rakus varieerides voolutugevust, mida rakendatakse süsteemile, suuremal takistusel on voolutugevus nõrgem ning väiksemal takistusel on voolutugevus suurem.

Seda kirjeldab Ohmi seadus:

R=E/I,

kus R on takistus, E potentsiaal ning I voolutugevus.

Voolu-pinge võimendi (CA) abil hoitakse pinget tööelektroodi ja võrdluselektroodi vahel võimalikult ligilähedasena sisemisest vooluallikast (Ei) tuleva pingega. Voolu-pinge võimendi ülesandeks on võimendada potentsiaalide erinevust positiivse sisendi ning negatiivse sisendi vahel.

Elektrokeemiline rakk ja voolu mõõtetakisti on asendatud kahe näivtakistusega

Seda kirjeldab järgmine võrrand:

E_out=A*(E⁺+E^-)=A*(E_i-E_r) ₍₁₎,

kus A on voolu-pinge võimendi võimendustegur

Sellest saab teha järelduse, et elektrivool ei läbi võrdluselektroodi ning see vastab olukorrale, kus kasutatakse elektrokeemilist rakku, sest võrdluselektrood on ühendatud kõrge näivtakistusega elektromeetriga.

Raku elektrivoolu kohta saab kirjutada võrrandid kahel viisil:

I_c=E_out/Z₁+Z_{2 (2)}

või

I_c=E_r/Z_{2 (3)}

Võrranditest 2 ja 3 saab järgmise võrrandi:

E_r=Z₂/(Z₁+Z₂₎*E_{out (4)},

Asendades Z₂/(Z₁+Z₂₎ võrrandis β-ga,

Z₂/(Z₁+Z₂₎₌β₍₅₎ saab võrrandi:

E_r=β*E_{out (6)}

kus β on osa voolu-pinge võimendi väljundi pingest, mis läheb tagasi voolu-pinge võimendi sisendile.

Võrranditest 1 ja 5 saab järgmise võrrandi:

E_r/E_i=β*A/1+β*A ₍₇₎

Kui βA korrutis on väga suur siis võrrand 7 taandub kujule:

E_r=E_{i (8)},

mis on tõestus sellest, et voolu-pinge võimendi töötab sellisel kujul, et hoida pinget tööelektroodi ja võrdluselektroodi vahel sisemise vooluallika pingega võrdsel tasandil.

Elektroodide tööülesanded

• Tööelektrood on elektrood, millel uuritakse reaktsiooni toimumist. Sellel elektroodil mõõdetakse voolutugevust ning reguleeritakse potentsiaali tugevust. Laialdaselt on elektrokeemilistel katsetel kasutusel inertsest materjalist tööelektroodid (kuld, plaatina, klaassüsinik) ning sellel juhul toimub elektrokeemiline reaktsioon elektroodi pinnal.
• Võrdluselektrood on elektrood, mille potentsiaal ei sõltu uuritavas lahuses olevate ioonide kontsentratsioonist. Põhiliselt kasutatakse võrdluselektroodidena hõbe/hõbekloriid elektroodi (Ag/AgCl) ning kalomelektroodi (SCE).
• Abielektrood on elektrood, mille abil juhitakse vajalik vooluhulk elektrokeemilises rakus läbi tööelektroodi. Abielektroodina kasutatakse enamasti inertsest materjalist elektrijuhti (plaatina, grafiit).

Põhilised kasutusalad

Potentsiostaat on oluline tänapäevases elektrokeemias ning selle abil uuritakse erinevaid redoksreaktsioone.

Potentsiostaati kasutatakse elektrokeemiliselt aktiivsete ainete ning mikroobide uurimiseks lahuses, millel on rakendusi näiteks keskkonnaseirel, toksiinide või saasteainete kindlaks tegemisel vees ning toksiinide ja koostisosade määramisel toidus.

Voltamperomeetrias, voolutugevust (amprites) mõõdetakse elektrilise potentsiaali (voltides) suhtes. Lahusti elektrolüüsil mõõdetakse üleminevat elektrilaengut aja suhtes, seda tehakse selleks, et teada saada kas üleminev elektrilaeng on lähedane oodatud kulonite arvule.

Olulised funktsioonid

Elektrokeemilistel eksperimentidel kasutatavad elektroodid on otseses kontaktis analüüsitava lahusega, sellel põhjusel on elektroodid väga olulised katsetulemusel. Elektroodi pind võib käituda katalüsaatorina või mitte käituda katalüsaatorina keemilistel reaktsioonidel. Elektroodi suurus mõjutab elektrivoolu suurusjärku, mis võib omakorda mõjutada müra hulka. Elektroodid ei ole ainsateks limiteerivateks faktoriteks elektrokeemilisel analüüsil, potentsiostaadid erinevad samuti töövõime poolest.

Olulised funktsioonid, mis võivad erineda erinevate potentsiostaatide vahel:

• Elektriline potentsiaalide vahemik: (mõõdetav ning rakendatav), kuigi potentsiaali vahemik sõltub enamasti lahustist on ka erinevatel potentsiostaatidel limiteeritud potentsiaalide vahemikud.
• Rakendatava potentsiaali täpsus: (mõõdetav ning rakendatav)erinevus mõõdetava elektrovoolu ning reaalselt rakendatava elektrivoolu vahel.
• Skaneerimiskiiruse vahemik: on väga oluline elektrokeemiliste eksperimentide läbiviimisel, mis nõuavad kiiret skaneerimist, sellistes eksperimentides kasutatakse näiteks ultramikroelektroode
• Elektrivoolu vahemik: (mõõdetav ning rakendatav) maksimaalne vahemik elektrovoolu rakendamiseks.Suur elektrivool on oluline eksperimentide korral, kus on suures hulgas elektrolüüsitavat lahust ning väike elektrivool on oluline eksperimentide korral, milles kasutatakse näiteks ultramikroelektroode.
• Elektrivoolu täpsus: (mõõdetav ning rakendatav): erinevus mõõdetava elektrivoolu ning reaalselt rakendatava elektrovoolu vahel.
• Liides: kas potentsiostaat töötab iseseisvalt või on oluline arvuti olemasolu.
• Pöörlev ketaselektrood: osad potentsiostaadid ei opereeri pöörleva ketaselektroodiga.
• Elektroodide arv, millega on potentsiostaat võimeline tööd tegema: Bipotentsiostaadiga saab läbi viia eksperimente, milles on vaja kahte elektroodi. Polüpotentsiostaat on vajalik selliste eksperimentide läbi viimiseks, milles on tarvis kolme või enam elektroodi.  
• Faili suurus:  võib olla limiteerivaks faktoriks, mis mõjutab potentsiaali valimikiirust ning potentsiaalide vahemiku kustutamist.

Ajalugu

Esimest potentsiostaati esitles Hickling 1942. aastal. Hickling tuli idee peale kontrollida raku potentsiaali kolmanda elektroodi abil. Potentsiostaadi tutvustamine oli oluline edasiminek voltamperomeetrias ning polarograafiliste meetodite kasutamisel.

Enamik varajastest potentsiostaatidest töötasid iseseisvalt, väljundades andmeid läbi füüsilise andmevahetuse, kuid modernsed potentsiostaadid on tehtud selliselt, et need ühilduvad arvutiga ning neid saab opereerida vastava programmiga. Automatiseeritud programmi abil saab eksperimendi läbiviija vahetada erinevate eksperimentide ning eksperimendi tingimuste vahel. Arvuti laseb andmeid hoiustada ning analüüsida kiiremini ning efektiivsemalt kui varasemad meetodid.