Oxidation-Reduction Potential of the Ferro-Ferricyanide System in Buffer Solutions

5/19/2018 Oxidation-Reduction Potential of the Ferro-Ferricyanide System in Buffer Solutions

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Biochimica et Biophysica Aeta, 292 (1973) 509-515

Elsevier Scientific Publishing Com pany, A msterdam - Printed in The Netherlands

BBA 46499

O X I D A T I O N - R E D U C T I O N P O T E N T I A L O F T H E F E R R O - F E R R I C Y A N I D E

S Y S T E M I N B U F F E R S O L U T I O N S

J A M ES E . O R EI LLY

Department of Chemistry, University of lllinois at Urbana-Champaign, Urbana, Ill. 61801 U.S.A.)

(Recived October 2nd, 1972)

S U M M A R Y

T h e r e d o x p o t e n t i a l ( E o ) o f t h e p o t a s s iu m f e r r o c y a n i d e - p o t a s s i u m f e r r ic y a n i d e

o x i d a t i o n - r e d u c t i o n p o t e n t i a l b u f f e r w a s m e a s u r e d i n f o u r p H b u f f e r s o l ut io n s ,

a c e t a t e , T r i s , p h o s p h a t e , a n d b o r a t e , u n d e r s p e c if ie d c o n d i t i o n s o f p H , s o l u t i o n

c o m p o s i t i o n , a n d t e m p e r a t u r e . T h e p o t e n t i a l s r e p o r t e d s h o u l d b e a c c u r a t e , o n t h e

h y d r o g e n e l e c t r o d e s c a le , t o w i t h in a b o u t 2 m V a n d p r e c i se t o w i t h i n a t l e a s t + 0 . 3 m V .

A l t h o u g h t h e p o t e n t i a l o f t h e f e r r o - f e r r i c y a n i d e c o u p l e i s se n s it iv e to f a i r l y s m a l l

c h a n g e s i n e x p e r i m e n t a l c o n d i t io n s , s e v e r a l m e t h o d s a r e d i s c u ss e d b y w h i c h t h i s

p o t e n t i a l c a n b e e s t im a t e d w i th a r e a s o n a b l e d e g r e e o f a c c u r a c y ( a b o u t 2 - 1 0 m V )

i n s o l u ti o n s w h i c h d i ff e r s o m e w h a t f r o m t h e p a r t i c u l a r s o l u t io n s r e p o r t e d h e r e .

A t t e n t i o n i s c a l l e d t o th e n e e d f o r g r e a t e r c a r e i n s p e c i f y in g e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s

i n t h e d e t e r m i n a t i o n o f r e d o x p o t e n t i a l s o f v a r i o u s b i o l o g i c a l sp e c ie s .

I N T R O D U C T I O N

T h e f e r r o - f e r r i c y a n i d e re d o x c o u p l e is a w i d e ly u se d o x i d a t i o n - r e d u c t i o n

p o t e n t i a l b u f f e r f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f r e d o x p o t e n t i a ls o f v a r i o u s b i o l og i c a l

s y st em s . I t h a s b e e n u s e d , f o r e x a m p l e , i n t h e s t u d y o f m a m m a l i a n c y t o c h r o m e c

( re f s 1 a n d 2 ), v a r i o u s b a c t e r i a l a n d a l g a l c y t o c h r o m e s o f t h e c - t y p e - 5 , c y t o c h r o m e

f ( re f. 6 ) a n d o t h e r b i o lo g i c a l c o m p o u n d s . S o m e o f t h e a d v a n t a g e s o f th e f e r r o -

f e r r i cy an i d e s y s t em i s t h a t i t is r e l a t iv e l y ea s y t o p r ep a r e , i ts p o t e n t i a l is q u i t e s t ab l e

w i t h t im e , a n d i ts u s e a l lo w s t h e e m p l o y m e n t o f re l a t iv e l y s i m p l e s p e c t r o p h o t o m e t r i c

m e t h o d s , a s o p p o s e d t o t h e r a th e r t e d i o u s p o t e n t i o m e t r i c t i tr a t i o n m e t h o d s p i o n e e r e d

b y M i c h a e l is , C l a r k , a n d o t h e r s i n t h e 1 9 2 0 s a n d 1 9 30 s .

I n t h e c o u r s e o f a n i n v e s t i g a t i o n c o n c e r n i n g t h e r e d o x p o t e n t i a l s o f c e r t a i n

b a c t e r ia l c y t o c h r o m e s o f t h e e - t yp e , t h e p u r p o s e o f w h i c h w a s t o d e t e r m i n e i f i t

w o u l d b e p o s s i b le t o c o r r e l a t e k n o w n d i f fe r e n c e s i n s tr u c t u r e w i t h r a t h e r s m a l l

v a r i a t i o n s in r e d o x p o t e n t i a l, i t q u i c k l y b e c a m e e v i d e n t t h a t a g o o d d e a l o f a m b i g u i t y

e x is ts i n t h e k n o w l e d g e o f th e a c t u a l r e d o x p o t e n t i a l o f t h e f e r r o - f e r r i c y a n i d e c o u p l e .

A l t h o u g h a g o o d m a n y w o r k e r s h a v e i n v e s ti g a te d t h e r e d o x p o t e n t i a l o f t h e

f e r r o - f e r r i c y a n i d e s y s te m 7 -9 , m o s t i n v e s t i g a t o r s i n t h e b i o c h e m i c a l f i e ld m a k e r e f e r -

e n c e t o t h e m e t h o d o f D a v e n p o r t a n d H i ll 6 w h i c h a s s u m e s a n E o f o r t h e f e r r o -

f e r r ic y a n i d e s y s te m o f + 0 . 4 3 V a t 3 0 C - - t a k e n f r o m t h e d a t a o f C l a rk et al. 8. U n -


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510 J .E . O ' R EI LLY

f o r t u n a t e l y t h e o x i d a t i o n p o t e n t i a l o f t h is s y s t e m is v e r y d e p e n d e n t o n t h e t o t a l i o n i c

s t r e n g t h a s w e l l a s t h e i n d i v i d u a l s o l u t i o n c o m p o n e n t s 7 ,~ in c r e a s i n g f r o m a b o u t

+ 0 . 3 6 V a t z e r o i o n i c s t r e n g t h t o + 0 . 4 5 V a t a b o u t 1 M i o n i c s tr e n g t h 7. C l a r k ~

h i m s e l f h a s s t r o n g l y c a u t i o n e d a g a i n s t t h e u n c r i ti c a l u s e o f th e v a l u e o f 0 .4 3 V .

I t is t h e p u r p o s e o f t h e p r e s e n t p a p e r , t h e r e f o r e , t o p r e s e n t e x p e r i m e n t a l v a l u e s

f o r t h e p o t e n t ia l o f t he f e r r o - f e r r i c y a n i d e s y s te m i n f o u r c o m m o n l y u s e d b u f fe r s a t

s p e c if ie d p H v a l u e s, a s w e l l a s t o o f f e r a r a t i o n a l m e t h o d f o r e s t i m a t i n g t h e p o t e n t i a l

i n b u f f e r s o l u t i o n s o f s l i g h t l y d i f f e r en t p H an d i o n i c s t r en g t h .

E X P E R I M E N T A L

C h e m i c a l s

A l l s o l u ti o n s w e r e p r e p a r e d w i t h d o u b l e d i st il le d w a t e r . P o t a s s i u m f e r r i c y a n i d e

[ K 3 F e ( C N ) 6 ] a n d p o t as s iu m f e r ro c y a n i d e d ih y d r a te [ K 4 F e ( C N ) 6 . 2 H z O ] w e re

e a c h r e c r y s t a l l iz e d tw i c e f r o m w a t e r ; t h e f e r r i c y a n i d e w a s a i r d r i e d a n d s t o r e d o v e r

a n h y d r o u s C a C I 2 , a n d t h e f e r r o c y a n i d e w a s q u i c k l y a i r d r i e d a n d s t o r e d i n a t i g h tl y

s e a le d b o t t le . A n a l y s i s o f t h e p o t a s s i u m f e r r o c y a n i d e b y p e r m a n g a n a t e t i t r a t i o n 11

i n d ic a t e d a p u r i ty o f 9 9 . 7 + 0 . 2 . S t o c k s o lu t io n s o f fe r r o - a n d f e r r i c y a n i d e w e r e

p r e p a r e d f r e s h d a i l y a n d p r o t e c t e d f r o m l i g h t .

Q u i n h y d r o n e w a s o b t a i n e d f r o m E a s t m a n a n d r e c ry s ta l li z e d t w ic e f r o m w a t e r

a t 7 0 C a s r e c o m m e n d e d b y B a t e s 12.

A l l b u f f e r s o l u t i o n s w e r e p r e p a r e d f r o m a n a l y t i c a l r e a g e n t g r a d e c h e m i c a l s

w i t h o u t f u r t h e r p u r i fi c a t i o n . T h e f o l l o w i n g b u f f e r s y s te m s w e r e u s e d : p H 4 . 2 0 a n d

4 .7 5, a c e ta t e ( C H 3 C O O H + N a O H ) ; p H 7 .0 0 a n d 8 .0 0, T r is ( t r is h y d r o xy m e t h y l -

a m i n o ) m e t h a n e + H C 1); p H 7 .0 0 a n d 7 .8 0, p h o s p h a t e ( K H 2 P O 4 + N a O H ) ; p H 9 .0 0

a n d 1 0.0 0, b o r a t e ( H 3 B O , ~ + N a O H ) . T h e p H v a l u e s o f a ll s o l u t io n s w e r e c h e c k e d

w i t h a p H m e t e r a n d w e r e w i t h in 0 .0 3 u n i t o f t h e n o m i n a l v a lu e .

I o n i c s t r e n g t h s ( I ) w e r e c a l c u l a t e d u s i n g th e s t a n d a r d e x p r e s s i o n I = 1 /2 S C I Z i 2

w h e r e C i is th e c o n c e n t r a t i o n o f a p a r t i c u l a r i o n i c sp e c ie s a n d Z i is t h e c h a r g e o f t h a t

s p e ci e s, a n d a s s u m i n g n o a s s o c i a t i o n o f c h a r g e d s p e ci e s. T h e f o l l o w i n g p K a v a l u e s

w e r e u s e d i n th e c a l c u l a t i o n o f io n i c s t r e n g t h v a l u e s : a c e t i c a c id , 4 . 7 5 7 ; d i h y d r o g e n

p h o s p h a t e i o n , 6 . 8 6 5 ; T r i s i o n , 8 . 0 8 0 ; b o r i c a c i d , 9 . 1 9 4 . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t

p a r t i c u l a r l y in s o l u t i o n s o f h i g h i o n ic s t r e n g t h a n d b u f f e r c o n c e n t r a t i o n s , w h e r e i o n

p a i r in g a n d o t h e r i o n ic - a s s o c ia t io n p h e n o m e n a b e c o m e in c r e a si n g ly i m p o r t a n t ,

t h e l a s t tw o d i g it s in t h e p K , v a l u e s a r e m o s t c e r t a i n l y n o t s i g n if ic a n t, b u t w e r e r e t a i n e d

s i m p l y f o r c a l c u l a t i o n p u r p o s e s .

N i t r o g e n , u s e d t o d e o x y g e n a t e te s t s o lu t io n s a n d b l a n k e t t h e m d u r i n g p o t e n t i a l

m e a s u r e m e n t s , w a s p u r i fi e d a n d p r e s a t u r a t e d w i t h w a t e r v a p o r b y b u b b l i n g s u c c es s iv e ly

t h r o u g h t w o a c i d ic v a n a d o u s s o l u t io n s 13, s a t u r a t e d c a l c i u m h y d r o x i d e , a n d d i st il le d

w a t e r .

R e f e r e n c e e l e c t r o d e

A l l p o t e n t i a l s w e r e m e a s u r e d vs a q u i n h y d r o n e r e f e r e n c e e l e c t r o d e in 0. 01 M

H C 1 , 0 . 0 9 M K C 1 , a n d c o r r e c t e d t o p o t e n t i a l s vs t h e n o r m a l h y d r o g e n e l e c t r o d e .

A l l p o t e n t i a l s q u o t e d i n t h i s p a p e r a r e i n V vs t h e n o r m a l h y d r o g e n e l e c t r o d e . T h e

b e s t v a lu e f o r t h e s t a n d a r d p o t e n t i a l o f t h e q u i n h y d r o n e e l e c tr o d e is + 0 . 6 9 9 7 6 V

a t 2 5 C ( re f . 1 2). T o o b t a i n t h e p o t e n t i a l o f th e p a r t i c u l a r r e f e r e n c e e l e c t r o d e u s e d


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F E R R O - F E R R I C Y A N I D E R E D O X P O T E N T I A L 511

0 . 0 0 0 20 V is s u b t r a c t e d f r o m t h e f o r m e r v a l u e d u e t o t h e s a l t e r r o r o f t h e e l e c t r o l y t e

s o l u t i o n u s e d x4, a n d t h e n 0 .1 2 4 1 t V i s s u b t r a c t e d s i n c e th e p H o f t h e s o l u t i o n i s 2 . 09 8

( a N a t i o n a l B u r e a u o f S t a n d a r d s s e c o n d a r y p H s t a n d a r d ) 15. T h e r e f o r e , + 0 .5 7 54 5 V

is t h e p o t e n t i a l o f t h e p a r t i c u l a r r e f e r e n c e e l e c tr o d e u s e d .

E q u i p m e n t

A l l p o t e n t i a l s w e r e m e a s u r e d w i t h a L e e d s a n d N o r t h r u p 8 6 8 7 V o l t P o t e n t i o -

m e t e r . T e s t s o l u t i o n s w e r e c o n t a i n e d i n a w a t e r - j a c k e t e d t h r e e - c o m p a r t m e n t c e l l ~ 6 :

o n e e n d c o m p a r t m e n t c o n t a i n e d t h e f e r r o - f e r r i c y a n i d e t e st s o l u ti o n , t h e o t h e r

c o n t a i n e d t h e q u i n h y d r o n e r e f er e n c e e l e ct r od e , a n d th e m i d d l e c o m p a r t m e n t c o n -

t a i n e d a n a p p r o p r i a t e s a l t s o l u t i o n ( u s u a l l y 0 .1 M K C 1 ) w h i c h a l l o w e d e l e c t r ic a l

c o n t a c t b e t w e e n t h e r e fe r e n ce - a n d t e s t- e le c t ro d e c o m p a r t m e n t s w i t h o u t a p p r e c i a b l e

m i x i n g a n d c o n t a m i n a t i o n o f th e t w o s o l u t io n s . T e m p e r a t u r e o f t h e e n ti r e ce ll w a s

m a i n t a i n e d a t 2 5 . 00 + 0 . 02 C , u n le s s o t h e r w i s e s t a t e d .

E l e c t ro d e s w e r e s h in y p l a t i n u m f la g s, a b o u t 1 cm i n a r e a .

P r o c e d u r e s

A t t h e s t a r t o f m e a s u r e m e n t s , q u i n h y d r o n e w a s a d d e d t o th e 0.0 1 M H C 1,

0 .0 9 M K C 1 i n o n e e n d c o m p a r t m e n t o f th e w a t e r - j a c k e t e d c el l, t h e p l a t in u m - f l a g

e l e c t r o d e i n s e r t e d , a n d t h e s o l u t i o n d e o x y g e n a t e d w i t h p u r i f i e d n i t r o g e n f o r a t l e a s t

1 5 m i n . T h e e l e c t r o l y t e s o l u t i o n w a s a d d e d t o t h e m i d d l e c o m p a r t m e n t ; a n d t h e

p a r t i c u l a r f e r r o - f e r r i c y a n i d e t es t s o l u ti o n t o t h e o t h e r e n d c o m p a r t m e n t , t h e e l e ct r o d e

i n s e r t e d , a n d t h e s o l u t i o n d e o x y g e n a t e d . C a r e w a s t a k e n t o k e e p t h e s o l u t i o n l e v e l s

e q u a l i n t h e t h r e e c o m p a r t m e n t s t o a v o i d g r o s s s o l u t i o n t r a n s f e r .

P o t e n t i a l s o f t h e i n d i v i d u a l s o l u t i o n s w e r e m e a s u r e d a t le a s t t h r e e d i f f er e n t

t i m e s o n s e p a r a t e d a y s ; i n d i v i d u a l m e a s u r e m e n t s u s u a l l y a g r e e d w i t h i n 0 . 2 m V .

S e v e ra l m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e o n e q u i m o l a r m i x tu r e s o f f e rr o - f e r r ic y a n i d e w i t h o u t

b u f fe r . T h e v a l ue s o b t a i n e d a g r e e d w i t h t h o s e r e p o r t e d b y K o l t h o f f a n d T o m s i c e k 7

t o w i t h i n a b o u t 2 m V ; h o w e v e r , 1 .3 6 m V o f th i s is a s y s t e m a t i c d i f f er e n c e d u e t o

t h e i r u s e o f 2 .0 7 5 a s t h e p H o f th e 0 .0 1 M H C 1 , 0 .0 9 M K C 1 s o l u t i o n , r a t h e r t h a n t h e

c u r r e n t l y a c c e p t e d N . B . S . v a l u e o f 2 .0 9 8.

T h r o u g h o u t t h i s p a p e r t he f e r r o - f e r r i c y a n i d e s y s t e m s tu d i ed i s a n e q u i m o l a r

10 m M p o t a s s i u m f e r r o c y a n i d e a n d p o t a s s i u m f e r r i c y a n i d e

i . e .

5 m M o f e a c h s p e c ie s ),

o f i o n i c s t r e n g t h 0 . 0 8 0 M .

R E S U L T S

T h e e x p e r i m e n t a l re s u lt s f o r th e o x i d a t i o n p o t e n t i a l o f e q u i m o l a r ( 1 0 m M )

f e r r o - f e r r i c y a n i d e i n s e v e r a l c o m m o n b u f f e r sy s t e m s is p r e s e n te d i n T a b l e I . I t c a n

b e s e e n t h a t t h e r e d o x p o t e n t i a l v a r i e s f r o m a b o u t 0 . 4 0 V t o a l m o s t 0.5 1 V a s t h e

c o n c e n t r a t i o n o f th e b u f f e r s y s t e m is i n c r e a s e d f r o m 0 .0 1 t o 0 . 90 M . A l s o p r o v i d e d ,

f o r c o m p a r i s o n p u r p o s e s , i s a v a l u e f o r E 0 ' - E k, w h e r e E L is t h e v a l u e f o r t h e p o t e n t i a l

o f a n e q u i m o l a r f e r r o - f e r r i c y a n i d e s o l u t i o n w h o s e t o t a l c o n c e n t r a t i o n i s s u c h t h a t

t h e i o n i c s t r e n g t h o f t h e s o l u t i o n i s e q u a l t o t h e t o t a l i o n i c s t r e n g t h o f t h e f e r r o -

f e r r ic y a n i d e b u f f e r s y s t e m s t u d ie d * . I t c a n b e s e en t h a t t h e m e a s u r e d p o t e n t i a l s o f

* The potentials reported by K olthoff and T omsicek 7 were plotted on a large sheet o f graph

pape r vs 1, and the potential a t any given ionic strength was then determined from the resultant

E v s I ~

plot.


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5 12 J . E . O ' R E I L L Y

T A B L E I

O X I D A T I O N P O T E N T I A L S A T 25 C F O R E Q U I M O L A R (1 0 m M ) P O T A S S I U M F E R R O -

F E R R I C Y A N I D E A S A F U N C T I O N O F B U F F E R

C O N C E N T R A T I O N

T he i on i c s t r eng t h , I , o f t he so l u t i on i s the t o t a l i on i c s t r eng t h , i.e. t he ca l cu l a t ed i on i c s t r eng t h o f

t he bu f fe r sy s t em p l u s 0 .080 M due t o t he f e r ro - f e r r i cy an i d e . E k r e fe r s t o t he po t en t i a l r epo r t ed

b y K o l t h o f f a n d T o m s i c ek 7 f o r a s o l u t i o n c o n t a i n in g o n l y e q u i m o l a r p o t a s s i u m f e r r o - a n d f e r r i -

cyan i de a t a t o t a l concen t r a t i on so a s t o have an i on i c s tr eng t h equa l t o t ha t r ep o r t ed i n t he I

c o l u m n .

Buf fer

concn

( M )

A c e t a t e ( p H 4 .2 0 ) T r is ( p H 7 .0 0 ) P h o sp h a te ( p H 7 .0 0 ) B o r a t e ( p H 9 .0 0 )

1 E o E o ' - E k 1 E o E o ' - - E k 1 E o ' E o ' - - E k 1 E o ' E o ' - - E k

( M ) ( V ) ( m V ) ( M ) ( V ) ( m V )

(M ) (V)

( m V ) ( M ) ( V ) ( m V )

0.90

0.50

0.20

0.10

0.05

0.02

0.01

0.525 0 .4280 3 .2 0 .954 0 .5012 54 .9 1 .4 2 0 .4559 - 8 .8 0 .656 0 .4310 - 2 .0

0 .434 0 .4224 4 .2 0 .736 0 .4798 42 .6 1 .08 0 .4460 - 5 .2 0 .524 0 .4246 - 0 .2

0.353 0.4157 4.7 0.514 0.4522 28.0 0.716 0.4332 - 2 . 9 0.398 0.4160 1.0

0.319 0.4120 4.1 0.415 0.4356 19.0 0.544 0.4247 - 1 . 4 0.345 0.4103 0.0

0.301 0.4098 3.6 0.355 0.4232 12.2 0.434 0.4182 0.1 0.315 0.4075 - 0 .1

0.290 0.4074 2.3 0.314 0.4127 5.2 0.351 0.4106 - 0 . 3 0.296 0.4056 - 0 .1

0.287 0.4065 1.6 0.299 0.4084 2.4 0.319 0.4075 - 0 . 4 0.290 0.4043 - 0 .8

t h e f e r r o - f e r r i c y a n i d e b u f f er sy s t em s a g r e e r e a s o n a b l y w e l l w i t h t h o s e r e p o r t e d

f o r t h e p u r e f e r r o - f e r r i c y a n i d e s o l u t i o n s , p a r t i c u l a r l y a t l o w b u f f e r c o n c e n t r a t i o n s .

T h e s o m e w h a t l a r g e r p o s i t iv e d if f e re n c e s i n T r i s b u f f e r a r e p r o b a b l y d u e t o a h i g h e r

d e g r ee o f a s s o c i a t i o n o f t h e T r i s c a t i o n [ ( H O C H 2 ) 3 C N H 3 + ] w i th t h e f e r r o c y a n i d e

a n i o n t h a n i s t h e c a s e w i t h K + o r N a + .

D u e t o t h e n a t u r e o f t h e p r o c e d u r e s u s e d i n th i s s tu d y , t h e r e fe r e n c e e l e c t r o d e ,

e t c . i t is e s t i m a t e d t h a t t h e p o t e n t i a l s r e p o r t e d i n T a b l e I a n d e l s e w h e r e i n t h i s p a p e r

a r e a c c u r a t e t o w i t h in a b o u t 2 m V , w i t h r e s p e c t t o th e n o r m a l h y d r o g e n e l e c t r o d e .

B e c a u s e o f t h e e x c e l l en t r e p r o d u c i b i l i t y o f t h e r e s u lt s , a n i n d i v i d u a l p o t e n t i a l i s

e s t i m a t e d t o b e p r e c i s e w i t h i n a t l e a s t _+ 0 . 3 m V .

A l t h o u g h t h e r e d o x p o t e n t i a l s s h o w n in T a b l e I f o r f o u r p a r t i c u l a r b u f f e r

s y s t e m s s h o u l d b e u s e f u l to o t h e r w o r k e r s , i t w o u l d b e h i g h l y d e s i r a b l e to b e a b l e to

p r e d i c t t h e r e d o x p o t e n t i a l o f th e f e r r o - f e r r i c y a n i d e s y s t e m u n d e r a w i d e v a r i e t y o f

e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s .

T o w a r d t h i s e n d , f u r t h e r m e a s u r e m e n t s w e re m a d e o n t he f e r r o - f e r r i c y a n i d e

s y s t e m i n t h e s a m e f o u r b u f f e r s a t d i f f e r e n t p H v a l u e s . T a b l e I I p r e s e n t s t h e s e d a t a , a s

w e l l a s a c o m p a r i s o n w i t h t h e v a lu e s r e p o r t e d b y K o l t h o f f a n d T o m s i c e k 7 (ER ) a n d

w i t h t h o s e o b t a i n e d w i t h t h e s t a n d a r d b u f f er s i n T a b l e I . A s ca n b e s e en , a m e a s u r e d

E o ' v a l u e i s u s u a l l y f a i r l y c l o s e

( i . e .

w i t h i n a b o u t 3 m V ) t o th e o t h e r t w o p o t e n t i a l

v a l u e s . S i n c e , a s w i ll b e d i s c u s s e d l a t e r , b e s t r e s u lt s a r e a c h i e v e d w h e n t h e c o n t r i -

b u t i o n o f t h e b u f f e r t o t h e t o t a l i o n i c s t r e n g t h i s f a i r l y s m a l l , o n l y 0 .0 5 a n d 0 . 1 0 M

b u f f e r s y s t e m s w e r e s t u d i e d .

V a r i o u s t y p e s o f c o r r e c t i o n p r o c e d u r e s w e r e t r i e d i n a n a t t e m p t t o c o r r e l a t e

m e a s u r e d E o ' v a l u e s w i th E k o r E o ' ( T a b l e I ) , b y t r y i n g t o a c c o u n t f o r c h a n g e s i n

p o t e n t i a l d u e t o t h e ( k n o w n ) d i f fe r e n c e s i n i o n i c s t r e n g t h s . A l t h o u g h s e v e r a l s u c h

p r o c e d u r e s w e r e t r ie d , n o n e o f f e re d a n y s i g n i f i ca n t a d v a n t a g e o v e r a n e s t i m a t i o n

b a s e d o n E k v a l u e s o r E o ' v a lu e s f r o m T a b l e I .


5/7

FERR O-F ERRI CYA NID E REDOX POTENTIAL 513

TABLE II

OXIDATION POTENTIALS AT 25 C FOR EQUIMOLAR (10 mM) POTASSIUM FER RO-

FERRICYA NIDE IN SEVERAL BUFFE R SYSTEMS

Ek and I have the same meaning as in Table I. E0' (Table I) is the potential of the ferro-ferricyanide

couple in the standard acetate, Tris, phosphate, or borate buffer at 0.05 or 0.10 M concentration

taken from Table I.

Bu ffer Bu ffer 1 ( M ) Eo

V)

Ek (V) Eo ' (Tab le l )

conch (M ) (V)

Acetate (pH 4.75) 0.05 0.324 0 . 4 1 0 3 0.4084 0. 40 98

0.10 0. 443 0.4142 0 . 4 1 8 9 0.4120

Tris (pH8.00) 0.05 0. 321 0.4200 0 . 4 0 8 1 0.4232

0.10 0.354 0 . 4 3 1 1 0 . 4 1 1 2 0.4356

Phosphate (pH7.80) 0.05 0.4 68 0.4192 0 . 4 2 0 8 0.4 182

0.10 0.599 0 . 4 2 6 3 0.4297 0.4247

Borate (pHI0.00) 0.05 0.35 1 0.4106 0 . 4 1 0 9 0.40 75

0.10 0.408 0 . 4 1 5 1 0.4160 0.4 103

TABLE III

OXIDATION POTENTIAL FOR EQUIMOLAR (10 mM) POTASSIUM FERRO-FERRI-

CYANIDE AS A FUNCTION OF TEMPERATURE

E (reference electrode) is the value of the quinhydrone 0.01 M HCI, 0.09 M KC1 reference electrode

used at the temperature indicated. This was calculated using the E0 values compiled by Bates 12

and assuming that the salt error remained constant at - 0. 20 mV and the pH constant at

2.098. The experimental Eo values fit the equation E0 = 0.4032-2.52' 10 3 (T - 2 5 ) - 6 54 10 6

( T - 25) 2 to within 0.2 mV.

T (C) Eo (V) E (reference electrode)

(V)

20 0.4157 0.5812

25 0.4031 0.5754

30 0.3907 0.5697

35 0.3773 0.5639

40 0.3641 0.5581

Since it would be of interest to know the potential of the ferro-ferricyanide

couple as a function of temperature, for example, man y redox potential measurement s

of biological compounds are made at 30 C, the data presented in Table III for equi-

mola r (10 mM) f erro-fer ricyanide were obtained. To a first approximati on, this redox

couple has a temperature coefficient of -2 .5 2. 10 -a V/C ; this temperature coefficient

can now be used, in con junc tio n with the data presented in Tables I and II , to estimate

the potential of the ferro-ferricyanide redox buffer at temperatures different from

25 C. For example, the potential in 0.05 M phosphate (pH 7.00) at 30 C should be

0.4182 V- 5 C(0.00252 V/C )=0.4 056 V.


6/7

514 J . E . O ' R E I L L Y

D I S C U S S I O N

I n g e n e ra l , t h e r e d o x p o t e n t i a l o f th e f e r r o - f e r r i c y a n i d e c o u p l e i n a q u e o u s

b u f f e r s o l u t io n s is l e a s t a f f e c te d b y v a r i o u s e x p e r i m e n t a l v a r i a b l e s w h e n t h e b u f f e r

s y s t e m i s a t a l o w c o n c e n t r a t i o n , h e n c e , l o w i o n i c s t r e n g t h . I t i s t h e r e f o r e r e c o m -

m e n d e d t h a t t h e f e r r o - f e r r i c y a n i d e o x i d a t i o n - r e d u c t i o n b u f f e r b e u s ed i n l o w c o n -

c e n t r a t i o n ( < 0 . 0 5 M ) b u f f e r s y s te m s .

F o r a n i n v e s t i g a t o r w h o w i s h e s t o u s e t h e f e r r o - f e r r i c y a n i d e s y s t e m i n t h e

s t u d y o f r e d o x p o t e n t i a ls o f s o m e b i o l o g i c al c o m p o u n d , t h e p a r t i c u l a r E o ' s e le c te d

u n d e r a g i v e n s e t o f e x p e r i m e n t a l c o n d i t io n s m u s t , o f ne c e ss i ty , d e p e n d o n t h e d e g r e e

o f p re c i s io n a n d a c c u r a c y d e s ir e d. I f p o t e n t i a l s a r e to b e d e t e r m i n e d t o a n a c c u r a c y

b e t t e r t h a n a b o u t 1 m V , i t is n e c e s s a ry t h a t t h e o x i d a t i o n p o t e n t i a l o f e a ch p a r t i c u l a r

s o l u t i o n b e m e a s u r e d i n s o m e a p p r o p r i a t e f a s h i o n , s i n c e i t h a s b e e n s h o w n t h a t t h e

E 0 ' o f t h is s y s t e m , c a l c u l a t e d u s i n g t h e N e r n s t e q u a t i o n , d e p e n d s o n t h e r a t i o o f

f e r r o c y a n i d e : f e rr i c y a n id e , e v e n w h e n a l l o w a n c e is m a d e f o r t h e d i f f e r e n c e i n i o n i c

s t r e n g t h 7. F o r e x a m p l e , w h e n t h e r a t i o i s 1 : 10 , t h e c a l c u l a t e d E o ' i s a l i tt l e h i g h e r

( a b o u t 1 - 3 m V ) th a n t h a t f o r th e e q u i m o l a r s o l u t i o n ; c o n v e r s e l y , w h e n t h e r a ti o i s

1 0 : 1, t h e c a l c u l a t e d E 0 ' i s a f ew m V l o w e r . I t i s o b v i o u s l y i m p r a c t i c a l , h o w e v e r , t o

m e a s u r e t h e r e d o x p o t e n t i a l o f ea c h a n d e v e r y s o l u ti o n .

I f t h e i n v e s t i g a t o r i s s a ti s fi e d i n k n o w i n g t h e p o t e n t i a l w i t h i n a f e w m V , t h a t

is , a b o u t + 3 - 1 0 m V , t h e E o ' v a lu e s in T a b l e s I a n d I I c an b e u s e d e v e n i f t h e f e r r o -

c y a n i d e : f e r r i c y a n i d e r a t i o d i ff e rs f r o m 1 : I , a s is u s u a l ly t h e c a s e , a s l o n g a s t h e

b u f f er c o n c e n t r a t i o n is f a ir ly l o w ( < 0 . 0 5 M ) . A b o u t t h e s a m e d e g r e e o f e r r o r o r

u n c e r t a i n t y c a n b e e x p e c t e d i n E o ' v a l u e s e s t i m a t e d f r o m t h e s e t a b l e s f o r s o l u t i o n s

t h a t d i f f e r o n l y a s m a l l a m o u n t f r o m t h o s e l i s te d . F o r e x a m p l e , t h e E 0 ' i n 0 . 0 2 M

a c e t a t e b u f f e r ( p H 4 . 5 0 ) s h o u l d n o t d i f f e r s i g n i f i c a n t l y f r o m t h a t f o r 0 . 0 2 M a c e t a t e

( p H 4 .2 0) . F u r t h e r m o r e , a s l o n g a s t h e b u f fe r c o n c e n t r a t i o n i s l o w ( < 0 . 0 5 M ) , t h e

d a t a o f K o l t h o f f a n d T o m s i c e k 7 c a n b e u s e d t o o b t a i n a r e a s o n a b l e e s t i m a t e o f th e

E 0 ' f o r f e r r o - f e r r i c y a n i d e b y c a l c u l a t in g t h e t o t a l i o n i c s t r e n g t h o f t h e s o l u t i o n . I f it is

d e s i ra b l e t o u s e h i g h e r c o n c e n t r a t i o n s o f f e r ro - f e r r i c y a n i d e , e g 2 0 o r 5 0 m M , t h e

d a t a o f K o l t h o f f a n d T o m s i c e k 7 s h o u l d b e j u s t a s u s e fu l . A l t e r n a t i v e ly a s m a l l

c o r r e c t i o n f a c t o r c a n b e a p p l i e d t o t h e p o t e n t i a l v a l u e s in T a b l e s I a n d I I d u e t o t h e

i n c r e a s e d i o n i c s t r e n g t h .

F i n a l l y , t h e i n v e s t i g a t o r c a n n o w e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e , w i t h r e l a t i v e e a s e ,

t h e r e d o x p o t e n t i a l o f f e r r o - f e r r i c y a n i d e u n d e r a p a r t i c u l a r s e t o f e x p e r i m e n t a l

c o n d i t i o n s b y u s i n g o n e o f t h e a c c u r a t e ly d e t e r m i n e d s y s t e m s in T a b l e s I a n d I I a s a

r e f e r e n c e e l e c t r o d e a n d m e a s u r i n g th e r e d o x p o te n t i a l o f t h e u n k n o w n s y s t e m

w i t h a p o t e n t i o m e t e r o r o t h e r s u i ta b l e h ig h i m p e d a n c e d e v ic e . F o r e x a m p l e , t he r e d o x

p o t e n t i a l o f f e r r o - f e r r i c y a n i d e i n 0 .0 4 M a m m o n i a b u f f e r ( p H 9 .2 7 ) c o u l d b e m e a s u r e d

r e l a t iv e t o t h a t o f t h e 0 .0 5 M T r i s b u f f e r ( p H 8 .0 0 ) l i s te d in T a b l e I I . T h i s e l i m i n a t e s

t h e n e e d f o r p r e p a r i n g a n d c h e c k i n g a d i f f e r e n t r e f e r e n c e e l e c t r o d e .

T h e i n v e s t i g a t o r is c a u t i o n e d a g a i n s t t h e u n c r i t i c a i u s e o f t h e v a l u e o f 0 .4 3 V

f o r t h e E o ' o f f e r r o - f e r r i c y a n i d e a t 3 0 C . F r o m i n s p e c t io n o f T a b l e I a n d a c o n s i d er -

a t i o n o f t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e p o t e n ti a l , it w o u l d a p p e a r t h a t t h i s v a l u e

is e v en m o d e r a t e l y a c c u r a t e o n l y a t fa i rl y h i g h b u f f er c o n c e n t r a t i o n s ( 0 . 1 - 0 . 9 M )

o r h i g h f e r r o - f e r r i c y a n i d e c o n c e n t r a t i o n s ( a b o u t 0 . 08 M ) , a t a b o u t 0 . 0 2 M b u f f e r

a n d 0 . 0 1 M f e r r o - f e r r i c y a n i d e , t h i s v a l u e m u s t b e t o o h i g h b y s o m e 3 0 m V o r s o .


7/7

F E R R O - F E R R I C Y A N I D E R E D O X P O T E N T IA L 515

A l t h o u g h i t m a y s e em t o s o m e t h a t t h i s p a p e r i s c o n c e r n e d w i th a p p a r e n t l y

s m a l l v a r i a t i o n s i n p o t e n t i a l , i t s h o u l d b e n o t e d t h a t a l t h o u g h t h e r e d o x p o t e n t i a l s o f

v a r i o u s b a c t e r i a l c y t o c h r o m e s c 2, s u c h a s t h o s e f r o m

Rhodospirillum rubrum, Rho-

dopseudomonas capsulata,

o r

Rhodopseudomonas palustris,

a r e h i g h e r t h a n t h a t o f

m a m m a l i a n c y t o c h r o m e c b y o n l y a b o u t 5 0 - 8 0 m V a t p H 7 ( re fs 1 a n d 3 ), t h es e

d i f f e r e n c e s in p o t e n t i a l r e f l e c t a p p r e c i a b l e d i f f e r e n c e s in b i o l o g i c a l f u n c t i o n . P a r t i c u -

l a r l y w i th r e g a r d t o a t t e m p t s t o r e l a te c h e m i c a l s t r u c t u r e t o b i o l o g i c a l f u n c t i o n

i.e. r e d o x p o t e n t i a l ) , a g r e a t d e a l o f c a r e a n d a t t e n t i o n m u s t b e p a i d t o t h e e ff ec ts o f

f a i r l y s m a l l d if f e re n c e s i n e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s o n t h e E o o f t h e f e r r o - f e r r i c y a n i d e

o x i d a t i o n r e d u c t i o n p o t e n t i a l b u f f e r .

A C K N O W L E D G E M E N T S

T h e a u t h o r w o u l d l ik e t o e x p re s s h is g r a t i t u d e t o D r K a r l M . D u s o f t h e

D e p a r t m e n t o f B i o c h e m i s t r y f o r m a n y h e l p f u l d i sc u s s io n s a n d t o th e E s s o C o m p a n y

f o r f i n a n c i a l a s s i s ta n c e .

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Oxidation-Reduction Potential of the Ferro-Ferricyanide System in Buffer Solutions