Basic principles of electroanalytical methods and their classification. Theoretical background and systematic, critical description of the most important methods, i.e., equilibrium (potentiometry), steady-state (polarography, voltammetry, coulometry), non-steady state voltammetry, bulk solution measurements (conductometry, impedance measurements), flow detection and continuous monitoring, combinations of electrochemical measurements with high-performance separations and with other physico-chemical techniques (spectroscopy). Typical examples of applications.
Learning Outcomes:
Upon completion of the course, the student will:
1. Describe the term electroanalytical chemistry, describe the structure of the electrode/electrolyte interphase, explain the electrode potential, describe the electrochemical cell and explain the passage of electric current through the cell, describe the effect of transport on the electrode process, describe the importance of the redox potential.
2. Explain the technique of equilibrium potentiometry, describe the main types of electrodes used in potentiometry, explain the principle of ion selective electrodes and describe their use, explain the selectivity coefficient, explain the principle of pH measurement using a glass electrode, explain the basic principles of potentiometric biosensors, explain the use of indirect potentiometry.
3. Explain the technique of conductometry, explain the term conductivity, describe the principle of conductivity measurement, describe the instrumentation used in conductometry, explain the use of indirect conductometry, explain the technique of dielectrometry and its application.
4. Explain the technique of polarography and describe the main points of its discovery and development, describe the polarograph and the mercury drop electrode, explain the types of electric currents in polarography, describe the static mercury drop electrode and variations of modern polarographic techniques.
5. Explain the technique of voltammetry, describe the electrode materials used, compare electrode surface restoration options, describe the rotating disk and ring electrode and explain the theoretical description of the transport of a substance to the electrode, describe the different types of microelectrodes and explain the theoretical description of the transport of a substance to the microelectrode.
6. Explain the technique of amperometry, describe the working parameters of amperometric detectors, explain the theoretical description of the transport of a substance to an electrode, describe the different types of amperometric sensors and detectors, explain the basic principles of amperometric biosensors.
7. Explain the techniques of electrogravimetry and coulometry, compare their common and different features, describe the geometric arrangement of the cell, compare the performance of constant potential and constant current techniques, describe the different types of coulometric analyzers.
8. Explain the principle of titrations with polarizable electrodes, explain the techniques of amperometric titration and biamperometric titration, describe the determination of water according to Karl Fischer, explain the techniques of potentiometric and bipotentiometric titration.
9. Explain non-stationary voltammetric techniques, describe the principle of chronoamperometry, linear and cyclic voltammetry, pulse voltammetric techniques and electrochemical dissolution analysis.
Last update: Vyskočil Vlastimil, prof. RNDr., Ph.D. (12.02.2024)
Principy a klasifikace elektroanalytických metod. Teoretický základ a systematický a kritický popis nejdůležitějších metod: rovnovážné metody (potenciometrie), stacionární metody (polarografie, voltametrie, coulometrie), nestacionární voltametrické metody, metody založené na vlastnostech roztoku (konduktometrie, impedanční měření). Průtoková měření a spojité monitorování, kombinace elektrochemických měření s vysokoúčinnými separačními metodami a s ostatními fyzikálně-chemickými metodami (spektroskopie). Příklady typických aplikací.
Výstupy z učení:
Po absolvování předmětu student/ka:
1. Popíše termín elektroanalytická chemie, popíše strukturu mezifází elektroda/elektrolyt, vysvětlí elektrodový potenciál, popíše elektrochemický článek a vysvětlí průchod elektrického proudu článkem, popíše vliv transportu na elektrodový proces, popíše význam redoxního potenciálu.
2. Vysvětlí techniku rovnovážné potenciometrie, popíše hlavní typy elektrod používaných v potenciometrii, vysvětlí princip iontově selektivních elektrod a popíše jejich použití, vysvětlí koeficient selektivity, vysvětlí princip měření pH pomocí skleněné elektrody, vysvětlí základní principy potenciometrických biosenzorů, objasní použití nepřímé potenciometrie.
3. Vysvětlí techniku konduktometrie, vysvětlí termín vodivost, popíše princip měření vodivosti, popíše instrumentaci využívanou v konduktometrii, objasní použití nepřímé konduktometrie, vysvětlí techniku dielektrimetrie a její použití.
4. Vysvětlí techniku polarografie a popíše hlavní body jejího objevu a rozvoje, popíše polarograf a rtuťovou kapající elektrodu, vysvětlí druhy elektrických proudů v polarografii, popíše statickou rtuťovou kapkovou elektrodu a varianty moderních polarografických technik.
5. Vysvětlí techniku voltametrie, popíše používané elektrodové materiály, porovná možnosti obnovy elektrodového povrchu, popíše rotující diskovou a prstencovou elektrodu a vysvětlí teoretický popis transportu látky k elektrodě, popíše různé druhy mikroelektrod a vysvětlí teoretický popis transportu látky k mikroelektrodě.
6. Vysvětlí techniku ampérometrie, popíše pracovní parametry ampérometrických detektorů, vysvětlí teoretický popis transportu látky k elektrodě, popíše různé druhy ampérometrických senzorů a detektorů, vysvětlí základní principy ampérometrických biosenzorů.
7. Vysvětlí techniky elektrogravimetrie a coulometrie, porovná jejich společné a odlišné rysy, popíše geometrické uspořádání článku, porovná provedení technik za konstantního potenciálu a konstantního proudu, popíše různé typy coulometrických analyzátorů.
8. Vysvětlí princip titrací s polarizovatelnými elektrodami, vysvětlí techniky ampérometrické titrace a biampérometrické titrace, popíše stanovení vody podle Karla Fischera, vysvětlí techniky potenciometrická a bipotenciometrické titrace.
9. Vysvětlí nestacionární voltametrické techniky, popíše princip chronoampérometrie, lineární a cyklické voltametrie, pulzních voltametrických technik a elektrochemické rozpouštěcí analýzy.
Last update: Vyskočil Vlastimil, prof. RNDr., Ph.D. (12.02.2024)
Literature -
K. Štulík, J. Barek: Elektrochemické analytické metody, SPN Praha, 1985 (skriptum). Z. Samec: Elektrochemie, UK, Karolinum, Praha 1999 (skriptum).
Last update: Nesměrák Karel, doc. RNDr., Ph.D. (28.10.2019)
K. Štulík, J. Barek: Elektrochemické analytické metody, SPN Praha, 1985 (skriptum). Z. Samec: Elektrochemie, UK, Karolinum, Praha 1999 (skriptum). Elektronické podklady jsou poskytovány vyučujícím na požádání.
Last update: Kotek Jan, prof. RNDr., Ph.D. (20.03.2018)
Requirements to the exam -
The course is concluded with an oral examination (with written preparation) with questions on the topics covered throughout the course.
Last update: Vyskočil Vlastimil, prof. RNDr., Ph.D. (06.09.2023)
Přednáška je zakončena ústní zkouškou (s písemnou přípravou) s otázkami na problematiku přednášenou v rámci celého kurzu.
Last update: Vyskočil Vlastimil, prof. RNDr., Ph.D. (06.09.2023)
Syllabus -
1) Introduction: basic principles of electroanalytical methods and their classification.
2) Theoretical background: basic terms, electrochemical properties of solutions, mechanism and rate of electrochemical processes (charge transfer reaction, transport mechanisms, homogeneous and heterogeneous chemical reactions coupled with electrode reactions, adsorption of compounds from solution or produced by electrochemical reaction on the electrode surface).
4) Polarography: classical polarography, types of polarographic currents, diagnostic criteria, various kinds of mercurial electrodes, analytical applications.
5) Modern polarographic and voltammetric methods: tast polarography, normal pulse and differential pulse polarography, anodic stripping analysis, adsorption stripping analysis.
6) Non-stationary methods: DC voltammetry, cyclic voltammetry.
7) Voltammetry with solid electrodes: properties of electrodes from solid materials, typical polarization curves, electrode history elimination, rotating disk electrode, rotating ring-disk electrode. Microelectrodes and their arrays.
8) Conductometry: low-frequency conductometry, two- and four-electrodes conductometric cells, contactless conductometry, high-frequency conductometry and dielectrometry.
9) Electrochemical methods in flowing systems.
10) Methods based on exhausting electrolysis: potentiostatic coulometry, galvanostatic coulometry, coulometric titrations, coulometry in flowing systems, thin-layer coulometry.
11) Titrations with polarizable electrodes: amperometric titrations, biamperometric titrations, bipotentiometric titrations, potentiometric titrations with one polarizable electrode.
Last update: Vyskočil Vlastimil, prof. RNDr., Ph.D. (03.04.2018)
1. Úvod. Základní principy elektroanalytických metod a jejich klasifikace.
2. Teoretické základy: základní pojmy, elektrochemické vlastnosti roztoků, mechanismus a rychlost elektrochemických dějů (reakce přenosu náboje, transport v roztocích, interakce spřažené s elektrodovými reakcemi jako jsou homogenní či heterogenní chemické reakce či adsorpce výchozích látek či reakčních produktů na elektrodě).
4. Polarografie - klasická polarografie, typy polarografických proudů, diagnostická kriteria, typy používaných rtuťových elektrod, analytické využití.
5. Moderní polarografické a voltametrické metody - tast polarografie, normální pulsní polarografie, diferenční pulsní polarografie, anodická rozpouštěcí voltametrie, adsorpční rozpouštěcí voltametrie.
6. Nestacionární metody - voltametrie s lineárně rostoucím napětím, cyklická voltametrie.
7. Voltametrie na tuhých elektrodách - vlastnosti elektrod z tuhých materiálů, polarizační křivky, eliminace vlivu historie, rotující disková elektroda, disková elektroda s prstencem. Mikroelektrody a soubory mikroelektrod.
8. Konduktometrie a vysokofrekvenční měření - kontaktní konduktometrie, dvou a víceelektrodové detekční cely, bezkontaktní konduktometrie, vysokofrekvenční měření vodivosti a dk-metrie.
9. Elektrochemické metody v průtokových systémech.
10. Metody založené na vyčerpávající elektrolýze - potenciostatická coulometrie, galvanostatická coulometrie, coulometrické titrace, coulometrie v průtokovém uspořádání, coulometrie v tenkovrstevných celách.
11. Titrace s polarizovatelnými elektrodami - amperometrické titrace, biamperometrické titrace, bipotenciometrické titrace, potenciometrické titrace s jednou polarizovanou elektrodou.
Last update: Vyskočil Vlastimil, prof. RNDr., Ph.D. (03.04.2018)
