Sensori chimici

Un sensore è un dispositivo che, tramite la trasdux del segnale, consente di determinare certe proprietà chimiche e/o fisiche.

La trasdux prevede la conversione dell'informa x chimica in un segnale elettrico.

I sensori si classificano in base al meccanismo di trasdux:

• sensori elettrici (elettrochimico)
• sensori ottici
• sensori di massa
• sensori termici

I sensori ottici misurano assorbimento ed emissione, quelli di massa misurano la massa.

Sono costituiti da:

• reattore: una cavità in grado di riconoscere e interagire con l'analita in base a reax chimiche o tramite proprietà fisiche.La massima intera x tra molecole e reattore consente di catturare una elevata quantità di analita, il sensore è molto sensibile.
• trasduttore: trasforma l'informa x chimica in un segnale elettrico basandosi su certi principi fisici o chimico-fisici e ampifica il segnale
• attuatore (extra): trasforma un input (segnale elettrico solitamente) in un'azione (es: motori)

Analita: xRecettore: s

Quando tra i due che interagiscono si forma x-s si misura il grado di forma della molecolasa,

x + s ⇌ x-sΔ_G=0    k= ^a_xs/_axas

Se l'equile. è postrato a dx, si ho forte interax e il sensore è molto sensibile anche a basse concentr.x.

Se e le substrato con molti recettori, sulla superficie del sensore l'attività dei recettore i e: a_s+a_xs.

Il recettore ha attività a_t = a_s + a_xs

a_s= a_t - a_xs      k=^a_xs/_{ax(at - axs)}

S mi da il segnale corrispondente alla sua attività

a_xs = K_a(a_t - a_xs) = k_aa_t - k_aa_xs

a_xs(1 + k_a) = k_aa_t

a_xs = ^k_aa_t/ _{1 + ka}     → il segnale è dato solo da a_xs.

① k_a >>> 1    a_xs ≃ a_tIl segnale raggiunge un valore costanteSe forte interax saturà tutti i siti, non e' più sensibile a nessuna variax. Diventa inutilizzabile.

② k_a <<< 1 → a_xs = k_aa_t . cst. a_x

L'equile. nen e' molto spostato a destra, e' andamento lineare.

In questa situax una forte interax e valutà, oppure velote no perchè anche se k e' basso posso lavorare a bassi segnali e basse concentrat di x.

ΔG_i^° = ΔG_i° + RT ln a_j + z_iFV

μ_i^° (potenziale elettrochimico molare) = μ_i + RT ln a_j + z_iFV

pot. elettroc. di e^- nel pt

μeslx = μFe2+slx - μFe3+slx

Si stabilisce un eq tra gli e^- sul pt e le pot. elettroc. degli e^- in slx

μ_e^pt = μ_e^slx

Ho una membrana che separa 2 slx.

La membrana è permeabile agli ioni dalla slx + con i quali ioni si spostano in quella meno conc. H⁺ si muove molto +

veloce di Cl^- (μ_H⁺ > μ_cl^-) per cui si avrà accumulo di carica.

Si stabilisce, in questo modo, una ddp di giunx liquida.

Per calcolare le potenziali di giunx si può usare una pila a concentrar.

es. Co²⁺ + 2e^- ⇌ Co⁰

E_cella = E₊ + E_-

E_cella = E_c2+ + E_c0

E_cella = E_c2+^° + RT ln a_c2+⁰ + E_c0^° a_c2+c⁰

ΔG = -nFE_cella

Helmholtz double layer

Questi ioni sono naturalmente solvatati dall’acqua in soluz,

per cui essi si avvicinano all’elettrodo ad una certa

distanza d, a causa della sfera di solvatazione che li

circonda.

HP: piani di Helmholtz

Questo puó essere visto come le armature di un condensatore

piano a facce parallele:

Un condensatore è caratterizzato

dalla sua capacitá elettrica:

(F=Farad ) C = q A

V d

Per l’interfaccia elettrodo-slx C = 10-40 mF

cm2

La capacitá del condensatore è costante, invece quella

all’interfaccia puó variare a seconda del potenziale a

cui è polarizzato l’elettrodo.

Il potenziale cala linearmente man mano che aumenta

la distanza dall’elettrodo:

Per avere un trasferimento elettronico all’interfaccia, lo

ione più vicino all’elettrodo sente N 106/107V come

campo elettrico e puó modificare la nube elettronica intorno

alla molecola.

Si osserva che a seconda del potenziale in cui si trova la coppia di reagenti, ΔG_r varia.

Se il potenziale Φ varia, varia ΔG_f. Il potenziale dell'elettrodo Φ se variato provoca uno spostamento dall'eq quindi δ_R e δ_P.

Il potenziale è stato cambiato di F(E - E⁰), ossia siamo sullo stesso potenziale e potenziale tra E⁰ dove si ha eq:

e^- + O_x2[ox] → [red]1

spostandosi dal valore di E⁰, i.e. punto di intersec tra le 2 curve (che indica lo stato di transix) si sposta e i 2 ΔG_f non coincidono.

ΔG^‡_R cresce mentre ΔG^‡_P cala.

ΔG^‡_R = ΔG^‡ + α nF (E - E⁰)

termine che dipende dal potenziale xk^‡ tra i reac ho anche specie auxilche (qui E).

ΔG^‡_P = ΔG^‡ + β nF(E - E⁰) dove 0 < α < 1 (di disliato α + β = 1)

α = ¹/₂ indica che metà dell'energia fornita all'elettrodo fa aumentare ΔG^‡ (αn) e metà fa diminuire ΔG^‡ per (1-α-nln).

All'intersec delle 2 curve:

Questa nuova situazione fa si che, essendo ΔG^‡ maggiore (aumenta di αn) allora il processo diretto è piu lento.

Mentre un ΔG^‡ minore fa si che il processo inverso (red → ox + ne^-) sia piu veloce.

Sapendo I = -nFA (k_f [ox] - k_b [red]) e applicando Arrhenius

3) PER CONVEZIONE (naturale o forzata)

forzata se c'è mescolamento meccanico o naturale

se c'è differenza di T nella six.

Non considero 2) e 3) perché nel nostro corso, non c'è dip. nella six e sono in eq. termico.

Nel trasporto di massa x diffusione:

Le specie sono in 2 regioni distinte R ed S.

In condiz d'equilibrio (NO TM!)μ̄_i (r) = μ̄_i (s)i 2 potenziali elettrochimici sono uguali

Quando c'è TM:μ̄_i

In μ̄_i (r) c'è minore attività di i sicchéμ̄_i (r) è minore e μ̄_i (s) aumenta finché si raggiunge e i_x,y,z

μ̄_i = μ̄_i + RTen_Ai + zi FΦ

Il flusso di materia da R → S sarà proporzionale a ∇ C(gradiente di conc)

J (flusso materia) ∝ ∇ C

J_i = - D_i C_i ∇ μ̄_i / RT + C_i v_i

D_i = coeff. di diffusione proporzionale a Dione e alla viscosità del mezzo

aura va da regione a μ̄)1 a quella con < μ̄

il gradiente di conc è opposto

dovuto al mescolamento