电位分析及离子选择性电极分析.pptx
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1、第一节 概述 什么是电位分析法? 以测量原电池的电动势为基础,根据电动势与溶液中某种离子的活度之间的定量关系来测定待测物质浓度的一种电化学分析方法。第1页/共95页 电位分析是通过在零电流条件下测定两电极间的电位差(电池电动势)所进行的分析测定。 E = E+ - E- + E液接电位 装置:参比电极、指示电极、电位差计; 当测定时,参比电极的电极电位保持不变,电池电动势随指示电极的电极电位而变,而指示电极的电极电位随溶液中待测离子活度而变。第2页/共95页 根据原理的不同分为: 直接电位法 电位滴定法第3页/共95页离子选择性电极分析法的特点 选择性好 灵敏度高 设备简单、操作方便 分析快速
2、 不破坏试液,易于实现分析自动化第4页/共95页第二节 离子选择性电极及其主要性能参数 离子选择性电极是电位分析中应用最广泛的指示电极,属于膜电极。 由特殊材料的固态或液态敏感受膜构成,对溶液中特定离子有选择性响应。 电极电位与溶液中给定离子活度的对数呈线性关系。第5页/共95页一、电极的基本构造 电极腔体玻璃或高分子聚合物材料做成 内参比电极通常为Ag/AgCl电极 内参比溶液由氯化物及响应离子的强电解质溶液组成 敏感膜对离子具有高选择性的响应膜 第6页/共95页二、 离子选择电极与膜电位1 扩散电位C2 C1膜电位的产生自由扩散,没有强制性和选择性第7页/共95页2 道南电位膜KCl1KC
3、l2C2 C1 离子扩散具有强制性和选择性。 存在于膜与溶液的两相界面上第8页/共95页膜电位: : 膜内外被测离子活度的不同而产生电位差。 将膜电极和参比电极一起插到被测溶液中,则电池为: : 外参比电极被测溶液( ( ai i未知) ) 内充溶液( ( ai i一定) ) 内参比电极(敏感膜) 内参比电极的电位值固定,且内充溶液中离子的活度也一定,则膜电极电位为:MISElnZFRTk 膜膜内内参参第9页/共95页离子选择电极的电位离子选择电极的电位导线电极腔体内参比电极内参比溶液敏感膜)(M)(M1lnZFRTk外外外外外外 )(M)(M2lnZFRTk内内内内内内 对MZ+产生响应时,
4、第10页/共95页)(M)(MlnZFRT内内外外内内外外膜膜 )(MlnZFRT外外常数常数 MISElnZFRTk 膜膜内参内参第11页/共95页对RZ-产生响应时,RISElnZFRTk )(R)(RlnZFRT外外内内膜膜 )(RlnZFRT外外膜膜常数常数 第12页/共95页三、离子选择性电极的主要类型 离子选择性电极( (又称膜电极) )。 19761976年IUPACIUPAC基于膜的特征,推荐将其分为以下几类: 原电极(primary electrodes) 晶体膜电极(crystalline membrane electrodes) 均相膜电极(homogeneous mem
5、brane electrodes) 非均相膜电极( (heterogeneous membrane electrodes) ) 非晶体膜电极(crystalline membrane electrodes) 刚性基质电极(rigid matrix electrodes) 流动载体电极( (electrodes with a mobile carrier) ) 敏化电极(sensitized electrodes) 气敏电极(gas sensing electrodes) 酶电极(enzyme electrodes)第13页/共95页1.1.晶体膜电极晶体膜电极 结构: :(氟电极)敏感膜:(氟
6、化镧单晶):掺有EuFEuF2 2 的LaFLaF3 3单晶切片;内参比电极:Ag-AgClAg-AgCl电极(管内)内参比溶液: 0.1 mol/L NaCl + 0.1 mol/L NaF 混合溶液 F-用来控制膜内表面的电位,Cl-用以固定内参比电极的电位。第14页/共95页原理: LaF LaF3 3的晶格中有空穴,在晶格上的F F-可以移入晶格邻近的空穴而导电。对于一定的晶体膜,离子的大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶体膜内,故膜电极一般都具有较高的离子选择性。 当氟电极插入到F F- -溶液中时,F F- -在晶体膜表面进行交换。2525时: E膜 = K - 0.059 lga
7、F- = K + 0.059 pF 高选择性,需要在pH57之间使用, pH高时:溶液中的OH-与氟化镧晶体膜中的F-交换; pH较低时:溶液中的F - -生成HF或HF2 - - 。 第15页/共95页2.2.玻璃膜电极玻璃膜电极 非晶体膜电极,玻璃膜的组成不同可制成对不同阳离子响应的玻璃电极。 H+响应的玻璃膜电极:敏感膜是在SiO2基质中加入Na2O、Li2O和CaO烧结而成的特殊玻璃膜。厚度约为0.05mm。 水浸泡时,表面的Na+与水中的H+交换,表面形成水合硅胶层 。 玻璃电极使用前,必须在水溶液中浸泡。第16页/共95页玻璃膜第17页/共95页第18页/共95页玻璃膜电位的形成:
8、 玻璃电极在水溶液中浸泡,形成一个三层结构,即中间的干玻璃层和两边的水化硅胶层。浸泡后的玻璃膜示意图: 水化硅胶层具有界面,构成单独的一相,厚度一般为0.0110 m。在水化层,玻璃上的Na+与溶液中的H+发生离子交换而产生相界电位。 水化层表面可视作阳离子交换剂。溶液中H+经水化层扩散至干玻璃层,干玻璃层的阳离子向外扩散以补偿溶出的离子,离子的相对移动产生扩散电位。 两者之和构成膜电位。第19页/共95页玻璃膜电位: 将浸泡后的玻璃电极放入待测溶液,水合硅胶层表面与溶液中的H+活度不同,形成活度差,H+由活度大的一方向活度小的一方迁移, 平衡时: H+溶液= H+硅胶 E内 = k1 + 0
9、.059 lg( a2 / a2 ) E外 = k2 + 0.059 lg(a1 / a1 )a1 1 , ,a2 2 外部试液、电极内参比溶液的H H+活度;a1 1, a2 玻璃膜外、内水合硅硅胶层表面H H+活度;k k1 1 , ,k k2 则是由玻璃膜外内表面性质决定的常数。 由于玻璃膜内、外表面的性质基本相同,则: k1=k2 , a1 = a2 E膜 = E外 - E内 = 0.059 lg( a1 / a2)第20页/共95页玻璃膜电位:由于内参比溶液中的H H+活度( ( a2) )是固定的,则: : E膜 = K + 0.059 lg a1 = K - 0.059 pH试液
10、 第21页/共95页讨论: (1)玻璃膜电位与试样溶液中的pH成线性关系。式中K是由玻璃膜电极本身性质决定的常数; (2)电极电位应是内参比电极电位和玻璃膜电位之和: (3)不对称电位: E膜 = E外 - E内 = 0.059 lg( a1 / a2) 如果: a1= a2 ,则理论上E膜=0,但实际上E膜0 产生的原因: 玻璃膜内、外表面含钠量、表面张力以及机械和化学损伤的细微差异所引起的。长时间浸泡后(24hr)恒定(130mV);E膜 = K + 0.059 lg a1 = K - 0.059 pH试液第22页/共95页讨论: (4)高选择性 :膜电位的产生不是电子的得失。其它离子不能
11、进入晶格产生交换。当溶液中Na+浓度比H+浓度高1015倍时,两者才产生相同的电位; (5) 酸差:测定溶液酸度太大(pH12产生误差,主要是Na+参与相界面上的交换所致; (7)改变玻璃膜的组成,可制成对其它阳离子响应的玻璃膜电极; (8) 优点:是不受溶液中氧化剂、还原剂、颜色及沉淀的影响; (9)缺点:是电极内阻很高,电阻随温度变化。第23页/共95页3.3.流动载体膜电极流动载体膜电极( (液膜电极液膜电极 钙电极钙电极) ): 内参比溶液: : CaCa2+2+水溶液。 液膜( (内外管之间) ):0.1mol/L0.1mol/L二癸基磷酸钙( (液体离子交换剂) )的苯基磷酸二辛酯
12、溶液。其极易扩散进入微孔膜,但不溶于水,故不能进入试液溶液。 二癸基磷酸根可以在液膜- -试液两相界面间来回迁移,传递钙离子,直至达到平衡。由于CaCa2+2+在水相(试液和内参比溶液)中的活度与有机相中的活度差异,在两相之间产生相界电位。 钙电极适宜的pH范围是511,可测出10-5-5 mol/L的Ca2+ 2+ 。第24页/共95页4.4.敏化电极敏化电极 敏化电极 气敏电极、酶电极、细菌电极及生物电极等。 电极的结构特点: 在原电极上覆盖一层膜或物质,使得电极的选择性提高。第25页/共95页 试样中待测组分气体扩散通过透气膜,进入离子选择电极的敏感膜与透气膜之间的极薄液层内,使液层内离
13、子选择电极敏感的离子活度变化,则离子选择电极膜电位改变,故电池电动势也发生变化。气敏电极也被称为:探头、探测器、传感器。(1)气敏电极 基于界面化学反应的敏化电极; 结构特点: 在原电极上覆盖一层膜或物质,使得电极的选择性提高。 对电极:指示电极与参比电极组装在一起;第26页/共95页(2 2)酶电极 基于界面酶催化化学反应的敏化电极; 酶特性:酶是具有特殊生物活性的催化剂,对反应的选择性强,催化效率高,可使反应在常温、常压下进行; 可被现有离子选择性电极检测的常见的酶催化产物: CO2,NH3,NH4+,CN-,F-,S2-,I-,NO2-第27页/共95页 酶催化反应: CO(NH2 )2
14、 + H2O 2NH3 + CO2 氨电极检测尿酶葡萄糖氧化酶氨基酸氧化酶葡萄糖 + O2 + H2O 葡萄糖酸 + H2 O2 氧电极检测R-CHNH2 COO- +O2 +H2 O R-COCOO- +NH4+ +H2 O2 氨基酸通过以上反应后检测,或进一步氧化放出CO2 ,用气敏电极检测。第28页/共95页四、离子选择性电极的主要性能参数 1、检测限和响应斜率 线性范围 AB段对应的检测离子的活度(或浓度)范围。 斜率 AB段的斜率: 即活度相差一数量级时,电位改变的数值,用S表示。理论上S=2.303 RT/nF , 25时, 一价离子S=0.0592 V, 二价离子S=0.0296
15、 V。离子电荷数越大,级差越小,测定灵敏度也越低,电位法多用于低价离子测定。第29页/共95页2、电极的选择性系数 共存的其它离子对膜电位产生有贡献吗? ? 若测定离子为i i,电荷为z zi i;干扰离子为j j,电荷为z zj j。考虑到共存离子产生的电位,则膜电位的一般式可写成为: jizz)(lnjijiaKanFRTKE膜膜第30页/共95页a 对阳离子响应的电极,K 后取正号;对负离子响应的电极,K 后取负号。b Ki J称之为电极的选择性系数, 其意义为:在相同的测定条件下,待测离子和干扰离子产生相同电位时待测离子的活度i i与干扰离子活度j j的比值: : Ki j = = i
16、 / / j jizz)(lnjijiaKanFRTKE膜膜第31页/共95页讨论讨论c c 通常Ki j 1 Vs,可认为溶液体积基本不变。 浓度增量为:c = cs Vs / V0)lg(303. 21xiicxnFRTKE 第42页/共95页标准加入法再次测定工作电池的电动势为E E2 2:可以认为2 21 1。,2 21 1 , ,则电位变化量:)lg(303. 222222cxcxnFRTKEx )1lg(303. 212xccnFRTEEE 1/) 110()1lg(;303. 2sExxccccSEnFRTS则:令:第43页/共95页3.3.影响电位测定准确性的因素影响电位测定准
17、确性的因素 (1) (1) 测量温度:影响主要表现在对电极的标准电极电位、直线的斜率和离子活度的影响上。 仪器可对前两项进行校正,但多数仅校正斜率。 温度的波动可以使离子活度变化,在测量过程中应尽量保持温度恒定。 (2) 线性范围和电位平衡时间:一般线性范围在10-110-6 mol / L;平衡时间越短越好。测量时可通过搅拌使待测离子快速扩散到电极敏感膜,以缩短平衡时间。 测量不同浓度试液时,应由低到高测量。第44页/共95页 (3) 溶液特性:溶液特性主要是指溶液离子强度、pH及共存组分等。溶液的总离子强度应保持恒定。溶液的pH应满足电极的要求。避免对电极敏感膜造成腐蚀。 (4) 电位测量
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