第三章、电位分析法

1、第三章 电位分析法 3-1 概述概述电位分析法是电化学分析的一个重要分支，它电位分析法是电化学分析的一个重要分支，它是利用是利用电极电位和溶液中某种离子的活度或浓电极电位和溶液中某种离子的活度或浓度度之间的关系来测定待测物含量的方法之间的关系来测定待测物含量的方法 电位分析法电位分析法 直接电位法：适用于微量组分测定直接电位法：适用于微量组分测定 电位滴定法：适用于常量组分测定电位滴定法：适用于常量组分测定直接电位法：通过测量电池电动势直接求出待测直接电位法：通过测量电池电动势直接求出待测 物质含量的方法物质含量的方法电位滴定法：通过滴定过程中电池电动势的突变来电位滴定法：通过滴定过程中电池电

2、动势的突变来 确定滴定终点从而求出待测物质的含量确定滴定终点从而求出待测物质的含量 电位滴定装置示意图特点1. 灵敏度高2. 选择性好3. 适用于微量、常量组分测定 3-2 离子选择性电极离子选择性电极 离子选择性电极和金属基电极离子选择性电极和金属基电极是电位分析中常是电位分析中常用的指示电极。用的指示电极。金属电极：金属电极：是以金属为基体，共同特点是电极是以金属为基体，共同特点是电极上有电子交换即氧化还原反应的存在。上有电子交换即氧化还原反应的存在。膜电极：膜电极：即离子选择性电极是以敏感膜为基体，即离子选择性电极是以敏感膜为基体，特点是电极上有离子交换。特点是电极上有离子交换。敏感膜是

3、一种能分开两种电解质溶液，并对某敏感膜是一种能分开两种电解质溶液，并对某种物质有选择性响应的薄膜，它能形成膜电位。种物质有选择性响应的薄膜，它能形成膜电位。离子选择性电极是一种电化学传感器，是电位离子选择性电极是一种电化学传感器，是电位分析中应用最广泛的指示电极。分析中应用最广泛的指示电极。一、电极的基本构造一、电极的基本构造 组成、浓度固定，组成、浓度固定， 定定值值 薄膜：对特定离子有选择薄膜：对特定离子有选择性响应性响应内参当敏感膜两边分别与当敏感膜两边分别与两个不同浓度或不同两个不同浓度或不同组成的电解质相接触组成的电解质相接触时，时，膜两边交换、扩膜两边交换、扩散离子数目不同散离子数

4、目不同，形，形成了双电层结构，在成了双电层结构，在膜的两边形成两个相膜的两边形成两个相界电位界电位 外外和和 内内，产，产生电位差生电位差 内外膜内膜外二、膜电位内外膜内外膜内膜外膜电位产生的原因膜电位产生的原因液相中离子活度膜相中离子活度液相中离子活度膜相中离子活度k1k2与膜有关的常数外外外mmaanFRTklg303. 21内内内mmaanFRTklg303. 22内外膜内外膜内膜外二、膜电位k1=k2 ， am外=am 内内参比溶液固定内外内外膜mmaanFRTlg303. 2）（常数膜manFRTlg303. 2)(lg303. 2lg303. 2manFRTKmanFRTm内参比内

5、参比离子）（常数)(lg303. 2manFRTK 阳离子)(lg303. 2RanFRTK 阴离子 三、三、离子选择性电极的离子选择性电极的分类分类*(一）一） pH玻璃电极玻璃电极 （非晶膜电极）非晶膜电极） pH玻璃电极是电位法测定溶液pH的指示电极内参比电极内参比电极 AgAgCl电极。电极。内参比溶液：内参比溶液： pH一定的缓冲溶液。一定的缓冲溶液。（0.1mol.L-1HCl）玻璃泡：敏感膜玻璃泡：敏感膜，膜的厚度为0.5mm1. 玻璃电极的结构玻璃电极的结构(一）一） pH玻璃电极玻璃电极 （非晶膜电极）非晶膜电极）2. 玻璃电极敏感膜的特性玻璃电极敏感膜的特性玻璃膜的组成不同

6、可制成对不同阳离子响应玻璃膜的组成不同可制成对不同阳离子响应的玻璃电极。的玻璃电极。H+响应的玻璃膜电极：敏感膜是在响应的玻璃膜电极：敏感膜是在SiO2基质基质中加入中加入Na2O、Li2O和和CaO烧结而成的特殊玻烧结而成的特殊玻璃膜。璃膜。用水浸泡膜时，表面的用水浸泡膜时，表面的Na+与水中的与水中的H+交换，交换， 表面形成水合硅胶层表面形成水合硅胶层 。玻璃电极使用前，必。玻璃电极使用前，必须在水溶液中浸泡须在水溶液中浸泡24小时。小时。3.3.玻璃电极的水化硅胶玻璃电极的水化硅胶层层玻璃电极在水溶液中浸泡后，形成一个三层结玻璃电极在水溶液中浸泡后，形成一个三层结构，即中间的干玻璃层和

7、两边的水化硅胶层。构，即中间的干玻璃层和两边的水化硅胶层。玻璃膜示意图：玻璃膜示意图： 水化硅胶层的厚度大约为水化硅胶层的厚度大约为10-410-5mm。10-410-5mm10-410-5mm10-1mm 内内 膜膜 外外4. 玻璃电极的膜电位玻璃电极的膜电位 将浸泡后的玻璃电极插入待测溶液，水合层将浸泡后的玻璃电极插入待测溶液，水合层与溶液接触，由于水合硅胶层表面与溶液中的与溶液接触，由于水合硅胶层表面与溶液中的H+活度不同，形成活度差活度不同，形成活度差，H+由活度大的一由活度大的一方向活度小的一方迁移，方向活度小的一方迁移， 达到平衡时：达到平衡时： H+溶液溶液 H+硅胶硅胶层层 改

8、变了硅胶层改变了硅胶层溶液两相界面的电荷分布，溶液两相界面的电荷分布，产生了一定的相界电位。产生了一定的相界电位。 5.玻璃膜电位与溶液玻璃膜电位与溶液pH值的关系值的关系由于玻璃膜内、外表面的性质基本相同，由于玻璃膜内、外表面的性质基本相同，则则 k1=k2 ， a1 = a2 膜膜 = 外外 - 内内 = 0.05916 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( ( a2) )是固定的是固定的, ,则则: : 膜膜 = K + 0.05916 lg a试液试液 膜膜 = K 0.05916 pH试液试液 K 是由玻璃膜电极本身性质决定的常数。是由玻璃膜

9、电极本身性质决定的常数。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呈线性关系呈线性关系 作为玻璃电极的整体，玻璃电极的电位应包含有内参比电极的电位，即 玻 = 内参 + 膜于是 玻 = 内参 + k + 0.059lga (H+)外所以上式简化为 玻 = K + 0.059lg a (H+)外 或 玻 = K - 0.059 pH 玻璃电极的电位6. 玻璃电极的优点玻璃电极的优点 选择性高选择性高 ：膜电位的产生不是电子的得失，其它：膜电位的产生不是电子的得失，其它离子不能进入晶格产生交换。当溶液中离子不能进入晶格产生交换。当溶液中Na+浓度比浓度比H+浓度高浓度高1011倍时，两者

10、才产生相同的电位；倍时，两者才产生相同的电位； 不受溶液中氧化剂、还原剂、颜色、沉淀及胶体、不受溶液中氧化剂、还原剂、颜色、沉淀及胶体、杂质的影响，不易中毒；杂质的影响，不易中毒； 改变玻璃膜的组成，可制成对其它阳离子响应的改变玻璃膜的组成，可制成对其它阳离子响应的玻璃膜电极。玻璃膜电极。7. 使用玻璃电极的注意事项使用玻璃电极的注意事项 酸差酸差：测定溶液酸度太大（：测定溶液酸度太大（pH10或或Na+浓度较高浓度较高时产生误差，主要是时产生误差，主要是Na+参与相界面上的交换所参与相界面上的交换所致致pH降低；降低；不对称电位：不对称电位：膜两侧膜两侧1= a2时，则：时，则：膜膜 =0

11、，但实际上但实际上膜膜0 此电位称为不对称电位此电位称为不对称电位 产生的原因产生的原因: 玻璃膜内、外表面含钠量、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（起的。长时间浸泡后（24小时）恒定（小时）恒定（130mV）8. pH的测定（-）Ag|AgCl,0.1molL-1HCl|玻璃膜玻璃膜|试液或标准试液或标准缓冲溶液缓冲溶液KCl(饱和饱和),Hg2Cl2|Hg（+）E电池电池= SCE- 玻玻+ 不对称不对称+ 液接液接 = SCE - AgCl/Ag- 膜膜+ 不对称不对称+ 液接液接在测定条件下，在测

12、定条件下， SCE、 不对称不对称、 液接液接及及 AgCl/Ag可视为常数，合并为可视为常数，合并为K,于是上式写为于是上式写为E电池电池 = K - 0.059VlgaH+或或 E电池电池 = K + 0.059V pHE电池电池 = K + 0.059VpH由于式中由于式中K无法测量，在实际测定中无法测量，在实际测定中,溶液的溶液的pHx是通过与标准缓冲溶液的是通过与标准缓冲溶液的pHs相比较而相比较而确定的。确定的。若测的若测的pHs的标准缓冲溶液的电动势为的标准缓冲溶液的电动势为Es，则，则 Es = K + 0.059V pHs 在同样条件下在同样条件下, 测的测的pHx的试样溶液

13、的电动势的试样溶液的电动势为为Ex，则则 Ex = K + 0.059V pHx 由上两式得由上两式得 pHx = pHs +(Es-Ex)/0.059V 8. pH的测定 若以若以pH玻璃电极作为正极，饱和甘汞电极作为玻璃电极作为正极，饱和甘汞电极作为负极，则有关系式负极，则有关系式 pHx = pHs +(Ex - Es)/0.059V 上两式成为溶液上两式成为溶液pH的操作定义，亦称的操作定义，亦称pH标度。标度。注：注： (1)用电位法测定溶液的用电位法测定溶液的pH时时，直接在，直接在pH计上读出试液的计上读出试液的pH，先用标准缓冲溶液定位，先用标准缓冲溶液定位，再在再在pH计上读

14、出试液的计上读出试液的pH(称直读法称直读法)。 (2)选择的标准缓冲溶液的选择的标准缓冲溶液的pHs应尽量与应尽量与未知液的未知液的pHx接近，这样可减小误差。接近，这样可减小误差。8. pH的测定离子选择性电极的膜电位离子选择性电极的膜电位 对阳离子有响应的电极，其膜电位为：对阳离子有响应的电极，其膜电位为： 对阴离子有响应的电极，其膜电位为：对阴离子有响应的电极，其膜电位为：讨论：讨论：1、不同电极的、不同电极的K值不同，其数值与薄膜及内部溶液有关。值不同，其数值与薄膜及内部溶液有关。2、离子选择性电极在其工作范围内、离子选择性电极在其工作范围内, 膜电位符合能斯特方程膜电位符合能斯特方

15、程式，与待测离子活度的对数值呈直线关系。式，与待测离子活度的对数值呈直线关系。阳离子膜anFRTKlg303. 2阴离子膜anFRTKlg303. 2anFRTKlg303. 2离+ 阳离子- 阴离子3-3-3 3 离子选择性电极的性能参数离子选择性电极的性能参数 一、线性范围和检测限一、线性范围和检测限响应：响应：电极的电位随离子活度变化的特征电极的电位随离子活度变化的特征通过实验可绘制任一离子选择性电极的通过实验可绘制任一离子选择性电极的E lga关系曲关系曲线线lg aEElga关系曲线曲线的直线部分所对应的离子活度范围称为离子选择曲线的直线部分所对应的离子活度范围称为离子选择电极响应的

16、线性范围。电极响应的线性范围。该直线的斜率称为实际响应斜率。该直线的斜率称为实际响应斜率。实际响应斜率实际响应斜率 2121lglgaaEES实nFRTS303. 2理E2E1lg a1lg a2lg aEElga关系曲线检测限E2E1lg a1lg a2检测下限：表明电极能够检检测下限：表明电极能够检测的待测离子的最低浓度，测的待测离子的最低浓度，图中两直线外推交点图中两直线外推交点A所对所对应的待测离子活度为电极的应的待测离子活度为电极的检测下限检测下限检测上限：电极电位与待测检测上限：电极电位与待测离子活度的对数呈线性关系离子活度的对数呈线性关系所对应的离子的最大活度为所对应的离子的最大

17、活度为电极的检测上限电极的检测上限线性范围：检测上限、下限线性范围：检测上限、下限为电极的线性范围为电极的线性范围实验时，待测离子活度必须实验时，待测离子活度必须在电极的线性范围内在电极的线性范围内Elga关系曲线二、响应时间、稳定性、重现性1. 响应时间响应时间 响应时间是指离子选择性电极和参比电响应时间是指离子选择性电极和参比电极一起从接触试液开始到电极电位变化稳极一起从接触试液开始到电极电位变化稳定（波动在定（波动在lmV以内）所经过的时间。以内）所经过的时间。 该值与膜电位建立的快慢、参比电极该值与膜电位建立的快慢、参比电极的稳定性、溶液的搅拌速度有关。常常通的稳定性、溶液的搅拌速度有

18、关。常常通过搅拌溶液来缩短响应时间过搅拌溶液来缩短响应时间 一般响应时间为一般响应时间为2 15min2.稳定性指电极的稳定程度，用指电极的稳定程度，用“漂移漂移”来标度来标度漂移：是指在恒定组成和温度的溶液中，电位随时间漂移：是指在恒定组成和温度的溶液中，电位随时间的改变程度，一般漂移的改变程度，一般漂移2mv / 24 h3. 3. 重现性重现性反映电极的反映电极的“滞后现象滞后现象”或或“记忆效应记忆效应”将电极从将电极从10-3molL-1 10-2 mol L-1，分别测定其，分别测定其电位值，来回三次，用测得的电位值的平均偏差表示电位值，来回三次，用测得的电位值的平均偏差表示重现性

19、重现性一般实验，插入电极后，需平衡几分钟再读数，测定一般实验，插入电极后，需平衡几分钟再读数，测定时从稀时从稀 浓。浓。1 1、离子选择性电极一般用于测定较低浓度、离子选择性电极一般用于测定较低浓度试液（试液（1.0mol/L1.0mol/L），高浓度溶液对敏感），高浓度溶液对敏感膜腐蚀溶解严重。膜腐蚀溶解严重。2 2、若有多个样品要测定时，测定的次序应、若有多个样品要测定时，测定的次序应从稀到浓。从稀到浓。3 3、应用离子选择性电极进行在线（或连续、应用离子选择性电极进行在线（或连续自动测定）测定时，特别要考虑响应时间自动测定）测定时，特别要考虑响应时间的影响因素。的影响因素。离子选择性电极

20、使用原则离子选择性电极使用原则图为：电位测定法的装置图为：电位测定法的装置一、电位滴定法一、电位滴定法1.电位（电位（pH）计）计2.工作电池工作电池由参比电极，指示电由参比电极，指示电极，被测试液组成。极，被测试液组成。3.磁力搅拌器磁力搅拌器(附磁力附磁力搅拌子搅拌子)。可直接测定溶液的可直接测定溶液的pH值或离子的活度。值或离子的活度。二、直接电位法通过测量电池电动势直接求通过测量电池电动势直接求出待测物含量的方法出待测物含量的方法1. 直接比较法直接比较法2. 标准曲线法标准曲线法3. 标准加入法标准加入法公式推导依据公式推导依据 E = K+s lgCi测未知液： Ex = K+s

21、lgCx （1） 测标准液测标准液 Es = K+s lgCs （2）（1）-（2） E=Ex-Es=slgCx/CsCsCxsElgsECsCxCssECx10lglg或要求要求:(1) 标准液与待测液的测定条件完全一致标准液与待测液的测定条件完全一致 (2) Cs与与Cx尽量接近尽量接近1. 直接比较法直接比较法2.标准曲线法标准曲线法 配制一系列含有不同浓度的被测离子的标配制一系列含有不同浓度的被测离子的标准溶液，加入准溶液，加入TISAB溶液。用选定的指示电溶液。用选定的指示电极和参比电极插入以上溶液，测得电动势极和参比电极插入以上溶液，测得电动势E, 作作Elg C或或EpM图。在一

22、定范围内它是一图。在一定范围内它是一条直线。条直线。 ElgCi 1 2 3 4 5 试液标准溶液 C1 C2 C3 C4 C5 Cx 加 TISAB 加入相同量的TISAB(15,试液) 测 E E1 E2 E3 E4 E5 ExEExlgCilgCx 从稀浓测定, 测得E, 绘制ElgC标准曲线, 从而求得Cx 要求:标准溶液与试液的离子强度保持一致 简单, 适合大批量样品的测定电位滴定法 电位滴定的基本原理与普通容量分析相电位滴定的基本原理与普通容量分析相似，其区别在于确定终点的方法不同，因而似，其区别在于确定终点的方法不同，因而具有下述特点：具有下述特点： （l）准确度较电位法高，与普

23、通容量分析）准确度较电位法高，与普通容量分析一样，测定的相对误差可低至一样，测定的相对误差可低至 0.2 (2) 可用于难以用指示剂判断终点的浑浊可用于难以用指示剂判断终点的浑浊或有色溶液的滴定或有色溶液的滴定 （3）用于非水溶液的滴定某些有机物的滴定）用于非水溶液的滴定某些有机物的滴定需在非水溶液中进行，一般缺乏合适的指示需在非水溶液中进行，一般缺乏合适的指示剂，可采用电位滴定剂，可采用电位滴定 （4）能用于连续滴定和自动滴定，并适用于微）能用于连续滴定和自动滴定，并适用于微量分析量分析 电位滴定装置电位滴定装置电位滴定的装置电位滴定的装置电位计电位计滴定装置滴定装置工作电池工作电池磁力搅拌

24、器磁力搅拌器(附附磁力搅拌子磁力搅拌子)1.电位滴定分析法的装置电位滴定分析法的装置电位滴定分析法的装置电位滴定分析法的装置1. 手动电位滴定装置手动电位滴定装置 2. 自动电位滴定装置自动电位滴定装置2.电位滴定法终点确定方法电位滴定法终点确定方法E-V 曲线法曲线法E/V - V 曲线法曲线法2E/V 2 - V 曲线法曲线法根据所得数据，按以下三种方法来确定终点：根据所得数据，按以下三种方法来确定终点：实验数据实验数据（1）加入加入AgNO3的的体积体积V（mL） E/VE/VV平均平均2E/V25.000.0620.00210.0015.000.0850.00417.5020.000.1070.00821.0022.000.1230.01522.5023.000.1380.01623.5024.000.1460.05024.05以以0.1000mol/LAgNO3滴定滴定25.00mL NaCl试样溶液，试样溶液，E为电池电动势（为电池电动势（v-伏或伏或mv-毫伏），毫伏），V为体积为体积mL实验数据实验数据（2）加入加入AgNO3的的