第九章电位分析法PPT讲稿.ppt
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1、第九章电位分析法2022/9/19第1页,共34页,编辑于2022年,星期二第一节第一节 电位分析原理与离子选择电极电位分析原理与离子选择电极一、电位分析原理一、电位分析原理二、离子选择性电极的种类、原理和结构二、离子选择性电极的种类、原理和结构三、离子选择电极的特性三、离子选择电极的特性 第2页,共34页,编辑于2022年,星期二一、电位分析原理一、电位分析原理 电位分析电位分析是通过在零电流条件下测定两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)所进行的分析电极间的电位差(电池电动势)所进行的分析测定。测定。E=E+-E-+E液接电位 装置:装置:参比电极、指示电极、电位差计;参
2、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,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而指示电极的电极电位随溶液中待测离子活度而变。度而变。第3页,共34页,编辑于2022年,星期二电位分析的理论基础电位分析的理论基础 理论基础理论基础:能斯特方程(电极电位与溶液中待测离子间的:能斯特方程(电极电位与溶液中待测离子间的定量关系)。定量关系)。对于氧化还原体系:对于氧化还原体系:Ox +ne-=Red 对于金属电极(还原态为金属,活度定为对于金属电极(还原态为金属,活度
3、定为1 1):):第4页,共34页,编辑于2022年,星期二二、二、离子选择性电极的种类、原理与结构离子选择性电极的种类、原理与结构 离子选择性电极离子选择性电极(又称膜电极又称膜电极)。1976年IUPAC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 membrane electrodes)非均相膜电极(heterogeneous membrane electrodes)非晶体膜电极(crystalline membrane electrodes
4、)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5页,共34页,编辑于2022年,星期二离子选择性电极的原理与结构离子选择性电极的原理与结构 离子选择性电极又称膜电极。离子选择性电极又称膜电极。特点特点:仅对溶液中特定离子有选择性响应。:仅对溶液中特定离子有选择性响应。膜电极的关键:是一个称为膜电极的关键:是一个称为选择膜选择膜的敏感元件。的敏感
5、元件。敏感元件:单晶、混晶、液膜、功能膜及生物膜等构成。敏感元件:单晶、混晶、液膜、功能膜及生物膜等构成。膜电位膜电位:膜内外被测离子活度的不同而产生电位差。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,则电池结构为将膜电极和参比电极一起插到被测溶液中,则电池结构为:外参比电极外参比电极被测溶液被测溶液(ai未知未知)内充溶液内充溶液(ai一定一定)内参比电极内参比电极 内外参比电极的电位值固定,且内充溶液中离子的活度也一定,内外参比电极的电位值固定,且内充溶液中离子的活度也一定,则电池电动势为:则电池电动势为:(敏感膜)(敏感膜)第6页,共34页,编辑于2022
6、年,星期二1.晶体膜电极(氟电极)结构:右图结构:右图 敏感膜敏感膜:(氟化镧单晶氟化镧单晶)掺有掺有EuF2 的的LaF3单晶切片;单晶切片;内参比电极:内参比电极:Ag-AgCl电极电极(管内管内)。内参比溶液内参比溶液:0.1mol/L的的NaCl和和0.10.01mol/L的的NaF混合溶液混合溶液(F-用来控制膜内表面的电位,用来控制膜内表面的电位,Cl-用以固定内参比电极的电位)。用以固定内参比电极的电位)。第7页,共34页,编辑于2022年,星期二原理:LaF LaF3 3的晶格中有空穴的晶格中有空穴,在晶格上的,在晶格上的F F-可可以移入晶格邻近的空穴而导电。对于一定的以移入
7、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。较高的离子选择性。当当氟氟电电极极插插入入到到F F-溶溶液液中中时时,F F-在在晶晶体体膜表面进行交换。膜表面进行交换。2525时:时:E膜膜=K-0.059 lgaF-=K+0.059 pF 具有较高的选择性,需要在具有较高的选择性,需要在pH57之间使用,之间使用,pH高时,溶液中高时,溶液中的的OH-与氟化镧晶体膜中的与氟化镧晶体膜中的F-交换,交换,pH较低时,溶液中的较低时,溶液中
8、的F-生成生成HF或或HF2-。第8页,共34页,编辑于2022年,星期二2.玻璃膜(非晶体膜)电极 非晶体膜电极非晶体膜电极,玻璃膜的组成不同可制成对,玻璃膜的组成不同可制成对不同阳离子响应的玻璃电极。不同阳离子响应的玻璃电极。H+响应的玻璃膜电极:敏感膜厚度约为响应的玻璃膜电极:敏感膜厚度约为0.05mm。SiO2基质中加入基质中加入Na2O、Li2O和和CaO烧结烧结而成的特殊玻璃膜。而成的特殊玻璃膜。水水浸浸泡泡后后,表表面面的的Na+与与水水中中的的H+交交换,换,表面形成水合硅胶层表面形成水合硅胶层。玻玻璃璃电电极极使使用用前前,必必须须在在水水溶溶液液中中浸浸泡。泡。第9页,共3
9、4页,编辑于2022年,星期二玻璃膜电极第10页,共34页,编辑于2022年,星期二玻璃膜电位的形成玻璃膜电位的形成 玻玻璃璃电电极极使使用用前前,必必须须在在水水溶溶液液中中浸浸泡泡,生生成成三三层层结结构构,即中间的干玻璃层和两边的水化硅胶层:即中间的干玻璃层和两边的水化硅胶层:水化硅胶层厚度:水化硅胶层厚度:0.0110 m。在水化层,玻璃上的在水化层,玻璃上的Na+与溶与溶液中液中H+发生离子交换而产生发生离子交换而产生相界电位相界电位。水化层表面可视作阳离子交换剂。溶液中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
10、离子,离子的干玻璃层,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相对移动产生扩散电位扩散电位。两者之和构成膜电位。两者之和构成膜电位。第11页,共34页,编辑于2022年,星期二玻璃膜电位 玻璃电极放入待测溶液,玻璃电极放入待测溶液,2525平衡后:平衡后:H+溶液溶液=H+硅胶硅胶 E内内=k1+0.059 lg(a2/a2)E外外=k2+0.059 lg(a1/a1)a1、a2 分别表示外部试液和电极内参比溶液的分别表示外部试液和电极内参比溶液的H+活度;活度;a1、a2 分别表示玻璃膜外、内水合硅胶层表面的分别表示玻璃膜外、内水合硅胶层表面的H+活度;活度;k1、k2
11、则是由玻璃膜外、内表面性质决定的常数。则是由玻璃膜外、内表面性质决定的常数。玻璃膜内、外表面的性质基本相同,则玻璃膜内、外表面的性质基本相同,则k1=k2,a1=a2 E膜膜=E外外-E内内=0.059 lg(a1/a2)由于内参比溶液中的由于内参比溶液中的H+活度活度(a2)是固定的是固定的,则则:E膜膜=K+0.059 lg a1=K-0.059 pH试液试液 第12页,共34页,编辑于2022年,星期二讨论:(1)玻璃膜电位与试样溶液中的玻璃膜电位与试样溶液中的pH成线性关系成线性关系。式中式中K是由玻璃膜是由玻璃膜电极本身性质决定的常数;电极本身性质决定的常数;(2)电极电位应是内参比
12、电极电位和玻璃膜电位之和电极电位应是内参比电极电位和玻璃膜电位之和;(3)不对称电位不对称电位(2525):E膜膜=E外外-E内内=0.059 lg(a1/a2)如果如果:a1=a2,则理论上,则理论上E膜膜=0,但实际上,但实际上E膜膜0 产生的原因产生的原因:玻璃膜内、外表面含钠量、表面张力以及机玻璃膜内、外表面含钠量、表面张力以及机械械 和化学损伤的细微差异所引起的。长时间浸泡后(和化学损伤的细微差异所引起的。长时间浸泡后(24hr)恒恒定(定(130mV);第13页,共34页,编辑于2022年,星期二讨论:(4)高选择性高选择性:膜电位的产生不是电子的得失膜电位的产生不是电子的得失。其
13、它离子不能进。其它离子不能进入晶格产生交换。当溶液中入晶格产生交换。当溶液中Na+浓度比浓度比H+浓度高浓度高1015倍时,两者才产倍时,两者才产生相同的电位;生相同的电位;(5)酸差:酸差:测定溶液酸度太大(测定溶液酸度太大(pH12产生误差,主要是产生误差,主要是Na+参与相参与相界面上的交换所致;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;极;(8)优点:优点:是不受溶液中氧化剂、还原剂、颜色及沉淀的影响,是不受溶液中氧化剂、还原剂、颜色及沉淀的影响,不易中毒不易中毒;(9)缺点:缺点:是电极内阻很高,电
14、阻随温度变化。是电极内阻很高,电阻随温度变化。第14页,共34页,编辑于2022年,星期二3.流动载体膜电极(液膜电极)钙电极钙电极:内参比溶液为含内参比溶液为含 Ca2+水溶液。水溶液。内外管之间装的是内外管之间装的是0.1mol/L二癸基磷酸二癸基磷酸钙钙(液体离子交换剂液体离子交换剂)的苯基磷酸二辛酯溶液。的苯基磷酸二辛酯溶液。其极易扩散进入微孔膜,但不溶于水,故不其极易扩散进入微孔膜,但不溶于水,故不能进入试液溶液。能进入试液溶液。二癸基磷酸根可以在液膜二癸基磷酸根可以在液膜-试液两相界面间传递钙离子,直至达到平衡。由于试液两相界面间传递钙离子,直至达到平衡。由于Ca2+在水相(试液和
15、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。液膜两面发生的离子交换反应:界电位。液膜两面发生的离子交换反应:(RO)2PO2-Ca2+(有机相有机相)=2(RO)2PO2-(有机相有机相)+Ca2+(水相水相)钙电极适宜的钙电极适宜的pH范围是范围是511,可测出,可测出10-5 mol/L的的Ca2+。第15页,共34页,编辑于2022年,星期二流动载体膜电极(液膜电极)的讨论 (1)流动载体膜电极(液膜电极)的机理与玻璃膜电极相似;流动载体膜电极(液膜电极)的机理与玻璃膜电极相似;(2)离子载体(
16、有机离子交换剂)被限制在有机相内,但可在相离子载体(有机离子交换剂)被限制在有机相内,但可在相内自由移动,与试样中待测离子发生交换产生膜电位;内自由移动,与试样中待测离子发生交换产生膜电位;(3)具有具有R-S-CH2COO-结构的液体离子交换剂,由于含有硫和羧基,可结构的液体离子交换剂,由于含有硫和羧基,可与重金属离子生成五元内环配合物,对与重金属离子生成五元内环配合物,对Cu2+、Pd2+等具有良好的选择性;等具有良好的选择性;第16页,共34页,编辑于2022年,星期二流动载体膜电极(液膜电极)的讨论 (4)采用带有正电荷的有机液体离子交换剂,如邻菲罗啉与二价采用带有正电荷的有机液体离子
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