2025年大学《资源化学》专业题库- 离子选择电极在离子传感器中的应用

2025年大学《资源化学》专业题库——离子选择电极在离子传感器中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填入括号内）1.离子选择电极的电位响应主要遵循（）。A.非平衡态热力学B.静态平衡热力学C.酸碱理论D.沉淀平衡理论2.对于能斯特响应良好的离子选择电极，其膜电位与活度的关系呈（）关系。A.线性B.指数C.对数D.平方3.下列哪种类型的离子选择电极主要用于测量pH值？（）A.基于金属离子交换的ISEB.基于气体分压的ISEC.基于薄膜离子电导的ISED.基于金属氧化物膜的ISE4.选择性系数K_ij表示（）。A.电极对i离子的响应对j离子活度的敏感程度B.电极对j离子的响应对i离子活度的抑制程度C.在相同条件下，产生与测量i离子相同电位响应时所需j离子的活度比D.电极对i离子和j离子的电位响应之差5.下列哪项不属于离子选择电极的主要性能指标？（）A.响应斜率B.检测限C.稳定性D.离子强度调节缓冲液（ISIB）6.液接电位是离子选择电极电位中的一种干扰电位，通常出现在（）之间。A.膜内相与膜外相B.内参比电极的盐桥与主溶液C.内参比电极的金属与内参比溶液D.多孔膜的多孔通道内7.均相膜离子选择电极通常由（）构成。A.具有离子交换功能的液体薄膜B.多孔性固体颗粒膜C.氧化还原膜D.离子选择性吸附剂涂覆的载体8.在资源化学领域，利用离子选择电极监测矿山酸性排水（AMD）中的（）浓度，对于环境保护至关重要。A.Ca²⁺B.Mg²⁺C.Fe²⁺D.H⁺9.为了减小液接电位和离子强度对离子选择电极响应的影响，常使用（）。A.去离子水B.氯化钾溶液C.离子强度调节缓冲液（ISIB）D.乙酸盐缓冲液10.离子传感器通常由离子选择电极和（）组成。A.指示剂B.电极去极化剂C.信号转换与处理装置D.离子交换树脂二、填空题（请将答案填入横线上）1.离子选择电极的电位响应遵循______方程，但在实际应用中，尤其是在离子活度较高或较低时，响应可能偏离理想线性关系。2.内参比电极通常由______和内参比溶液组成，其作用是提供一个与被测溶液离子活度无关的、稳定的参比电位。3.影响离子选择电极选择性系数的主要因素包括______、膜的类型和结构以及溶液中的其他组分。4.为了保证离子选择电极测量的准确性和重现性，常需要使用______来匹配主溶液和内参比溶液的离子强度。5.除了传统的电位测量，离子选择电极还可以与______结合，构成能够进行连续在线监测的离子传感器系统。6.离子选择电极的优点包括响应速度快、______、操作简便、成本相对较低等。7.离子选择电极的缺点主要包括选择性有限（受______影响）、易受共存离子干扰、电位漂移、寿命有限等。8.在资源化学研究中，离子选择电极可用于______、______和______等分析任务。9.根据膜的性质，离子选择电极可分为均相膜电极、______膜电极和离子交换膜电极。10.当测量高浓度离子时，离子选择电极的响应可能偏离能斯特线性关系，这种现象有时被称为______。三、简答题1.简述离子选择电极的基本工作原理。为什么说其电位响应是基于膜电位和液接电位共同作用的结果？2.简要说明Nernst响应范围和检测限（LOD/LOQ）这两个性能指标的意义及其对离子选择电极应用的影响。3.比较均相膜离子选择电极和多孔膜离子选择电极在结构、选择性、响应时间和对干扰离子的耐受性方面的主要区别。4.简述离子强度调节缓冲液（ISIB）的作用机制及其在离子选择电极分析中的重要性。四、论述题1.离子选择电极在资源化学领域的应用十分广泛。请选择一种你熟悉的离子（例如，在矿产资源勘查、冶炼过程控制或环境监测中常见的离子），论述利用离子选择电极进行测量的基本过程，并分析影响测量准确性的主要因素以及可能采取的改进措施。2.试论述离子选择电极作为传感器的优势与局限性，并设想一种结合离子选择电极和现代分析技术（如微流控、生物传感器或数字信号处理）的新型离子传感器的可能构型和应用前景。试卷答案一、选择题1.A*解析思路：离子选择电极的电位测量基于电化学原理，属于非平衡态热力学范畴。2.C*解析思路：根据能斯特方程，对于理想电极，膜电位与被测离子活度的对数呈线性关系。3.C*解析思路：pH电极利用氢离子选择性玻璃膜，属于基于薄膜离子电导的ISE。4.C*解析思路：选择性系数K_ij定义为产生与测量i离子相同电位响应时所需j离子的活度比，反映了电极对其他共存离子的响应程度。5.D*解析思路：离子强度调节缓冲液（ISIB）是用于调节溶液离子强度的试剂，本身不是电极的性能指标。其他选项均为ISE的重要性能指标。6.B*解析思路：液接电位产生于两种不同电解质溶液（或固体电极与液体电解质）接触界面，在ISE中，主要存在于内参比电极的盐桥与主溶液之间。7.A*解析思路：均相膜电极由具有离子交换或络合功能的均匀液体薄膜构成。8.D*解析思路：矿山酸性排水（AMD）的主要危害来自于其中的高浓度氢离子（H⁺），监测pH或H⁺浓度至关重要。9.C*解析思路：ISIB通过加入与内参比溶液离子种类和浓度相同的电解质到主溶液中，使内参比溶液与主溶液的离子强度基本匹配，从而消除或减小液接电位和离子强度变化对测量电位的影响。10.C*解析思路：离子传感器需要将ISE产生的微弱电位信号转换为可读、可记录的信号，因此需要信号转换与处理装置。二、填空题1.能斯特2.离子选择性电极（或敏感膜、内部金属）3.共存离子4.离子强度调节缓冲液（ISIB）5.信号转换与处理装置（或相关技术）6.选择性7.选择性系数（或共存离子）8.矿产资源成分分析、环境监测、过程控制9.多孔膜10.能斯特偏离（或非线性响应）三、简答题1.简述离子选择电极的基本工作原理。为什么说其电位响应是基于膜电位和液接电位共同作用的结果？*解析思路：离子选择电极由内部参比电极、内参比溶液、盐桥、离子选择性膜和外部参比电极（通常是甘汞电极或银/氯化银电极）组成。当待测离子从主溶液穿过选择性膜到达膜相，再与膜相中的可交换离子发生交换，直至膜内、膜外两侧的离子活度（或浓度）达到平衡，此时膜两侧产生一个稳定的电位差，即膜电位（E_mem）。同时，内参比电极的电位（E_int）取决于内参比溶液中特定离子的活度。电极总电位E_cell=E_ext+E_int=E_ext+E_mem。其中E_ext是外部参比电极的电位。液接电位（E_LP）存在于内参比电极的盐桥与主溶液的界面。因此，总电位响应E_cell=E_ext+E_mem+E_LP。总电位响应包含了膜电位和液接电位两部分，共同决定了电极的最终读数。2.简要说明Nernst响应范围和检测限（LOD/LOQ）这两个性能指标的意义及其对离子选择电极应用的影响。*解析思路：Nernst响应范围是指离子选择电极能够保持其电位响应符合能斯特方程关系的离子活度（或浓度）区间。超出此范围，响应会偏离线性关系。检测限（LOD/LOQ）是衡量电极灵敏度的重要指标，LOD（检测限）指能检测到待测离子存在但信号不太可靠的最低浓度或活度；LOQ（定量限）指能用该方法准确定量测定待测离子的最低浓度或活度。这两个指标直接影响电极的应用价值，较宽的Nernst响应范围和较低的LOD/LOQ意味着电极适用性强、灵敏度高，能够满足更广泛的分析需求。3.比较均相膜离子选择电极和多孔膜离子选择电极在结构、选择性、响应时间和对干扰离子的耐受性方面的主要区别。*解析思路：结构上，均相膜由均匀的液体薄膜构成，而多孔膜由多孔性固体颗粒（通常含有离子识别功能材料）压制或涂覆在载体上构成。选择性上，均相膜的选择性通常较高且稳定，因为膜是均匀的；多孔膜的选择性可能受膜颗粒分布、孔隙率等影响，有时选择性相对较低。响应时间上，均相膜响应通常更快，因为离子可以直接穿过液膜；多孔膜由于离子需通过孔隙扩散，响应时间相对较长。对干扰离子的耐受性上，均相膜通常较差，因为干扰离子易与待测离子在膜内发生竞争交换；多孔膜由于存在“离子筛分”效应（根据离子半径大小选择透过），对某些干扰离子的耐受性相对较好。4.简述离子强度调节缓冲液（ISIB）的作用机制及其在离子选择电极分析中的重要性。*解析思路：ISIB的作用机制是通过在待测溶液中加入一种含有与内参比溶液中相同种类和较高浓度的惰性离子（通常是K⁺）的缓冲液，使得主溶液和内参比溶液的离子强度（特别是主要离子强度贡献者）趋于一致。根据能斯特方程和液接电位理论，当两种溶液的离子强度相同时，液接电位和由离子强度变化引起的电位变化均可忽略或得到有效补偿，从而消除了液接电位和离子强度对电极电位响应的干扰，保证了测量的准确性和重现性。在离子选择电极分析中，使用ISIB是保证测量准确性的重要步骤。四、论述题1.离子选择电极在资源化学领域的应用十分广泛。请选择一种你熟悉的离子（例如，在矿产资源勘查、冶炼过程控制或环境监测中常见的离子），论述利用离子选择电极进行测量的基本过程，并分析影响测量准确性的主要因素以及可能采取的改进措施。*解析思路：选择离子：例如，测量矿石或浸出液中Cu²⁺浓度。基本测量过程：1.准备工作：选择合适的铜离子选择电极（如基于CuInS₂膜的电极）和参比电极（如饱和甘汞电极SCE），配置合适的pH缓冲溶液（如pH5的醋酸盐缓冲液）作为离子强度调节缓冲液（ISIB），并配制一系列已知浓度的Cu²⁺标准溶液和待测样品溶液。2.校准曲线绘制：将电极对插入不同浓度的Cu²⁺标准溶液中，记录稳定的电位值（E），用标准溶液浓度（C）对电位值（E）进行线性回归，绘制校准曲线（Evs.logC）。3.样品测定：将电极对插入含有适量ISIB的待测样品溶液中，记录稳定的电位值，根据校准曲线或回归方程计算待测样品中Cu²⁺的浓度。影响准确性的因素：1.干扰离子：共存离子可能产生正或负干扰，可通过选择高选择性电极、使用ISIB、控制样品pH或采用掩蔽剂等方法消除或减小干扰。2.液接电位：选择合适的盐桥和参比电极，使用ISIB有助于减小其影响。3.膜电位不稳定：电极老化、污染、受光照或温度影响。需定期校准、清洁电极、控制使用条件。4.离子强度变化：样品与标准溶液离子强度差异导致响应偏离能斯特方程。必须使用ISIB。5.pH影响：对于某些金属离子，pH会改变其形态，影响电极响应。需控制样品pH或在测量时使用pH补偿。改进措施：针对上述因素，选择高选择性电极、使用合适的ISIB、控制样品条件（pH、温度）、定期维护电极、进行空白和平行样测定、必要时采用化学分离或掩蔽技术。2.试论述离子选择电极作为传感器的优势与局限性，并设想一种结合离子选择电极和现代分析技术（如微流控、生物传感器或数字信号处理）的新型离子传感器的可能构型和应用前景。*解析思路：优势：1.灵敏度和速度：对特定离子响应快，可达到秒级甚至更快，灵敏度相对较高，尤其对于痕量离子检测。2.选择性：针对特定离子具有高选择性。3.成本：相比色谱、光谱等大型仪器，ISE传感器成本较低，易于操作。4.应用范围广：可用于多种离子的检测，适合现场、在线监测。局限性：1.选择性相对有限：易受结构相似或能发生竞争交换的离子干扰。2.稳定性差：电位易受温度、时间、介质pH等因素影响而漂移，寿命有限。3.校准需求：通常需要校准才能定量，且校准曲线有效期短。4.共存离子影响：离子强度、共存配位体等会影响响应。设想新型传感器构型：结合微流控技术和数字信号处理的新型离子传感器。构型：微流控芯片集成流