电位分析及离子选择电极优秀PPT.ppt
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1、电位分析及离子选择电极2023/2/23你现在浏览的是第一页,共37页一、电位分析原理一、电位分析原理 principle of potentiometry analysis 电位分析电位分析是通过在零电流条件下测是通过在零电流条件下测定两电极间的定两电极间的电位差电位差(电池电动势)所进(电池电动势)所进行的分析测定。行的分析测定。E 电池电池=E +-E -装置:装置:参比电极、指示电极、电位参比电极、指示电极、电位差计;差计;分为:分为:直接电位法和电位滴定法直接电位法和电位滴定法 当测定时,当测定时,参比参比电极的电极电位保持电极的电极电位保持不变不变,电池,电池电动势随指示电动势随指
2、示电极的电极电位电极的电极电位而变而变,而,而指示指示电极(离子选择性电极)的电极电位电极(离子选择性电极)的电极电位随随溶液中溶液中待测待测离子离子活度而变活度而变。2023/2/23你现在浏览的是第二页,共37页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:能斯特方程能斯特方程能斯特方程能斯特方程(电极电位电极电位与溶液中待测离子活度与溶液中待测离子活度间的定量关系)。间的定量关系)。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(还原态为纯金属,活度定为对于金属电极(还原态为纯金属,活度定为1 1):):由此可见,测定了电极电位,就可确定离子的活度(或
3、在一定由此可见,测定了电极电位,就可确定离子的活度(或在一定条件下确定其浓度),这就是电位分析法的理论依据。条件下确定其浓度),这就是电位分析法的理论依据。2023/2/23你现在浏览的是第三页,共37页二、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 type,principle and structure of ion selective electrode 离子选择性电极离子选择性电极(又称膜电极又称膜电极)。19761976年年IUPACIUPAC基于基于膜的特征膜的特征,推荐将其分为以下几类:,推荐将其分为以下几类:原电极原电极(primary electro
4、des)晶体膜电极(晶体膜电极(crystalline membrane electrodes)均相膜电极均相膜电极:如氟电极、氯电极:如氟电极、氯电极 非均相膜电极:如硫电极非均相膜电极:如硫电极 非晶体膜电极(非晶体膜电极(crystalline membrane electrodes)刚性基质电极刚性基质电极:如:如pHpH电极电极 流动载体电极流动载体电极:如硝酸根电极、钙电极、钾电极:如硝酸根电极、钙电极、钾电极 敏化电极敏化电极(sensitized electrodes)气敏电极:如氨电极气敏电极:如氨电极 酶电极:如尿素电极酶电极:如尿素电极2023/2/23你现在浏览的是第四
5、页,共37页1.1.非晶体膜电极(玻璃电极)非晶体膜电极(玻璃电极)玻璃膜电极玻璃膜电极,它的核心部分是,它的核心部分是玻璃玻璃膜膜,是在,是在SiO2基质中加入基质中加入Na2O和少量和少量CaO烧制而成,膜厚烧制而成,膜厚0.5mm,呈球泡型。球泡,呈球泡型。球泡内充注内充注内内参比溶液参比溶液(含有与待测离子相同的含有与待测离子相同的离子离子),再插入一根),再插入一根AgCl-AgAgCl-Ag电极作内参电极作内参比电极。比电极。玻璃膜(敏感膜)的组成不同可制成对玻璃膜(敏感膜)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。如如H H+,Na,Na+,K,K+,
6、Li,Li+,Ag,Ag+离子响应电极离子响应电极(p139)(p139)。其中。其中H H+离子响应离子响应电极(即电极(即pHpH玻璃电极)被最早最广泛应用。下面以玻璃电极)被最早最广泛应用。下面以pHpH玻璃电极玻璃电极为例,详细阐述玻璃电极的工作原理。为例,详细阐述玻璃电极的工作原理。2023/2/23你现在浏览的是第五页,共37页pHpHpHpH玻璃电极玻璃电极玻璃电极玻璃电极 H+响应的玻璃膜电极:内充响应的玻璃膜电极:内充0.1mol/LHCl溶溶液,液,敏感膜敏感膜厚度约为厚度约为0.10mm。SiO2基质中加入基质中加入Na2O、Li2O和和CaO烧结而烧结而成的成的特殊玻璃
7、膜特殊玻璃膜。水水浸浸泡泡后后,表表面面的的Na+与与水水中中的的H+交换,交换,表面形成表面形成水合硅胶层水合硅胶层。H+Na+Gl-NaNa+H+H+GlGl-溶液玻璃膜溶液玻璃膜溶液玻璃膜溶液玻璃膜 所所以以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浸泡。中浸泡。2023/2/23你现在浏览的是第六页,共37页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,在在水水溶溶液液中中浸浸泡泡后后,生生成成三三层层结结构构,即即中中间的干玻璃层和两边的水化硅胶层: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
8、化层,玻璃上的H+与溶液中与溶液中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:E内内与与E外外。H+水化层水化层 H H+溶液溶液2023/2/23你现在浏览的是第七页,共37页玻璃膜电位玻璃膜电位 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 H+水化层水化层 H H+溶液溶液 E内内=k内内+0.059v lg(a2/a2)E外外=k外外+0.059v lg(a1/a1)a1、a2 分别表示分别表示外部试液外部试液和和电极内参比溶液电极内参比溶液的的H+活度活度;a1、a2 分别表示玻璃膜分别表示玻璃膜外、内水合外、内水合硅胶硅胶层层表面的表面的H+
9、活度活度 k外外、k内内 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k外外=k内内,a1=a2 E膜膜=E外外-E内内=0.059 lg(a1/a2)+-+2023/2/23你现在浏览的是第八页,共37页玻璃电极电位玻璃电极电位 作为玻璃电极的整体,玻璃电极的电位应包括内参比电极作为玻璃电极的整体,玻璃电极的电位应包括内参比电极的电位,即的电位,即 E玻 =E内参比+E E膜膜于是 E玻 =E内参比+0.059v lg(a1/a2)由于内参比溶液中的由于内参比溶液中的H H+活度活度(2 2)
10、是固定的是固定的,则则:E玻=K+0.059vlg a1 =K0.059vpH试液试液 上式表明:在上式表明:在25 时,时,试液试液pH的每改变的每改变1个单位,电位变化个单位,电位变化59mv,这是玻璃电极成,这是玻璃电极成为氢离子指示电极的依据。为氢离子指示电极的依据。2023/2/23你现在浏览的是第九页,共37页玻璃电极的特性玻璃电极的特性(1)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、表面张力以及玻璃膜内、外表面
11、含钠量、表面张力以及机械机械 和化学损伤的细微差异所引起的。长时间浸泡(和化学损伤的细微差异所引起的。长时间浸泡(24hr)恒定(恒定(130mV);(2)2)酸差:酸差:测定溶液酸度太大(测定溶液酸度太大(pH1pH10pH10产生误差,主要是产生误差,主要是NaNa+参与相界面上参与相界面上的交换所致,的交换所致,pHpH降低降低;2023/2/23你现在浏览的是第十页,共37页pH的测定的测定组成电池的表示形式为:组成电池的表示形式为:(-)Ag,AgCl缓冲溶液缓冲溶液(pH 4或或7)膜膜H+(x mol/L)KCl(饱和饱和)Hg2Cl2,Hg (+)玻璃电极玻璃电极玻璃电极玻璃电
12、极 外参比电极外参比电极外参比电极外参比电极 玻璃膜玻璃膜玻璃膜玻璃膜 内参比电极内参比电极内参比电极内参比电极 指示电极指示电极指示电极指示电极 待测溶液待测溶液 用用玻璃电极玻璃电极作为测量溶液中氢离作为测量溶液中氢离子活度的子活度的指示电极指示电极,饱和甘汞电极饱和甘汞电极作为作为参比电极参比电极,两者插入待测溶液,两者插入待测溶液中组成原电池。中组成原电池。2023/2/23你现在浏览的是第十一页,共37页(-)Ag,AgCl|HCl|玻璃膜玻璃膜|试液溶液试液溶液 KCl(饱和)饱和)|Hg2Cl2(固),固),Hg(+)E玻璃E液接E甘汞电池电动势为:电池电动势为:故原电池的电动势
13、与溶液的故原电池的电动势与溶液的pHpH之间呈线性关系,之间呈线性关系,其其(响应)斜率为响应)斜率为2.303RT/F2.303RT/F,此值与温度有关,在此值与温度有关,在25 25 时为时为0.059v0.059v。2023/2/23你现在浏览的是第十二页,共37页 但由于但由于K K值无法测量,实际上,试样的值无法测量,实际上,试样的pHxpHx是同已知是同已知pHspHs的标准缓的标准缓冲溶液相比求得的。冲溶液相比求得的。两两种种溶溶液液,pHpH已已知知的的标标准准缓缓冲冲溶溶液液s s和和pHpH待待测测的的试试液液x x。测测定定各各自自的的电电动动势势为:为:若测定条件完全一
14、致,则若测定条件完全一致,则Ks=Kx,两式相减得:两式相减得:式中式中pHs已知,实验测出已知,实验测出Es和和Ex后,即可计算出试液的后,即可计算出试液的pHx。所以用电所以用电位法测定溶液位法测定溶液pHpH时,先用标准缓冲溶液定位(校正),然后可直接在时,先用标准缓冲溶液定位(校正),然后可直接在pHpH计上计上读出试液的读出试液的pHpH。使用时,尽量使温度保持恒定并选用与待测溶液使用时,尽量使温度保持恒定并选用与待测溶液pH接近的标准缓接近的标准缓冲溶液来校正。冲溶液来校正。2023/2/23你现在浏览的是第十三页,共37页2.2.晶体膜电极(氟电极晶体膜电极(氟电极)结构:右图结
15、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0.001mol/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)。2023/2/23你现在浏览的是第十四页,共37页原理原理:LaFLaF3 3的晶格中有的晶格中有空穴空穴,靠近靠近空穴的可空穴的可移动移动离子离子可以可以移入移入至空穴而导电。对于一定至空穴而导电。对于一定的晶体膜,空穴的大
16、小、形状和电荷分布,的晶体膜,空穴的大小、形状和电荷分布,只能容纳一定只能容纳一定的可移动离子,而其它离子则的可移动离子,而其它离子则不能进入。晶体膜就是这样限制了除待测离子不能进入。晶体膜就是这样限制了除待测离子外其它离子的移入而显示其选择性,故膜电极外其它离子的移入而显示其选择性,故膜电极一般都具有较高的离子选择性。一般都具有较高的离子选择性。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-在在晶晶体膜表面进行交换。体膜表面进行交换。2525时:时:E膜膜=K-0.059 lgaF-=K+0.059 pF 氟电极的电位为氟电极的电位为:EF-=E内参比内参比+E膜膜=K-0.
17、059 lgaF-2023/2/23你现在浏览的是第十五页,共37页氟电极的特性氟电极的特性 因为没有其它离子进入晶格,具有较因为没有其它离子进入晶格,具有较高的选择性,干扰只是在晶体高的选择性,干扰只是在晶体表面表面的化学的化学反应引起。反应引起。需要在需要在pH5pH57 7之间使用,之间使用,pHpH高时,溶液中高时,溶液中的的OH-OH-与氟化镧晶体膜中的与氟化镧晶体膜中的F F-交换:交换:LaFLaF3 3+3OH+3OH-La(OH)3+3F-pHpH较低时,溶液中的较低时,溶液中的F F-生成生成HFHF或或HFHF2 2 -。2023/2/23你现在浏览的是第十六页,共37页
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