第六章电位分析法12-3-4.

第六章电位法和永停滴定法第一节电化学分析概述1．电化学分析：根据被测溶液所呈现的电化学性质及其变化而建立的分析方法2．分类：根据所测电池的物理量性质不同分为（1）电导分析法：测量电导值；（2）电解分析法：测量电解过程电极上析出物重量；（3）电位分析法(直接电位法，电位滴定法)：测量电动势；（4）库仑分析法：测量电解过程中的电量；（5）极谱分析法：使用滴汞电极时的伏安分析。（6）伏安分析法：测量电流与电位变化曲线；依据应用方式不同可分为：直接法和间接法。电位分析法：利用电极电位与化学电池电解质溶液中某种组分浓度的对应关系而实现定量测量的电化学分析法电位滴定:用电位测量装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变化，通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法。3．特点：（1）准确度高，重现性和稳定性好（2）灵敏度高，被测物最低可达10-12mol/L（3）选择性好（排除干扰）（4）应用广泛（常量、微量和痕量分析）（5）仪器设备简单，易于实现自动化４、电化学分析的应用领域（1）化学平衡常数测定（2）化学反应机理研究（3）化学工业生产流程中的监测与自动控制（4）环境监测与环境信息实时发布（5）生物、药物、食品分析（6）活体分析和监测（超微电极直接刺入生物体内）1970BergveldISFET电极(离子敏场效应晶体管)1976Updike酶电极1893Behrend电位滴定1906M.CremerpH玻璃电极1930Corning公司生产pH玻璃电极1965E.Pungor卤素离子选择性电极M.S.Frant氟离子选择性电极Oring公司商品化第二节电位法基本原理一、几个概念二、化学电池三、可逆电极和可逆电池四、指示电极和参比电极五、电极电位的测量一、几个概念1．相界电位：两个不同物相接触界面上的电位差。2．液接电位：两个组成或浓度不同的电解质溶液相接触的界面间所存在的微小电位差。3．金属的电极电位：金属电极插入含该金属的电解质溶液中产生的金属与溶液的相界电位。4．电池电动势：构成化学电池的相互接触的各相界电位的代数和。Zn→Zn2+双电层动态平衡稳定的电位差二、化学电池：一种电化学反应器，由两个电极插入适当电解质溶液中组成（一）分类：1．原电池：将化学能转化为电能的装置（自发进行）应用：直接电位法，电位滴定法2．电解池：将电能转化为化学能的装置（非自发进行）应用：永停滴定法原电池双电极是电源flash阳极：发生氧化反应的电极（负极）；阴极：发生还原反应的电极（正极）；阳极≠正极阴极≠负极电极电位较正(趋势较大)的为正极电解电池（双电极是外电路）阳极：发生氧化反应的电极（正极）；阴极：发生还原反应的电极（负极）；阳极=正极阴极=负极原电池与电解池的对比原电池电解池电子流动方向由负极→正极由阳极→阴极电极名称负极(电子流出)正极(电子流入)阴极(电源负极)阳极(电源正极)电极反应氧化反应还原反应还原反应氧化反应（二）电池表示形式与电池电极反应1．表示形式：1）溶液注明活度2）用︱表示电池组成的每个接界面3）用‖表示盐桥，表明具有两个接界面4）发生氧化反应的一极写在左发生还原反应的一极写在右Daniel电池——铜锌电池结构2．原电池：(-)Zn︱Zn2+(1mol/L)‖Cu2+(1mol/L)︱Cu(+)VCuCu377.02VZnZn763.02电极反应（-）Zn极Zn–2eZn2+（氧化反应）（+）Cu极Cu2++2eCu（还原反应）电池反应Zn+Cu2+Zn2++Cu（氧化还原反应）（有液接电位）jEE（无液接电位）100.1)763.0(337.0E盐桥的组成和特点：高浓度电解质溶液正负离子迁移速度差不多*盐桥的作用：1）防止两种电解质溶液混和，消除液接电位，确保准确测定2）提供离子迁移通道（传递电子）3．电解池：（阳）Cu︱Cu2+(1mol/L)‖Zn2+(1mol/L)︱Zn（阴）电极反应——外加电压（阴极）Zn极Zn2++2eZn（还原反应）（阳极）Cu极Cu-2eCu2+（氧化反应）电池反应Zn2++CuZn+Cu2+（被动氧化还原反应）三、可逆电极和可逆电池可逆电极：无限小电流通过时，电极反应可逆可逆电池：由两个可逆电极组成四、指示电极和参比电极（一）指示电极：电极电位随电解质溶液的浓度或活度变化而改变的电极（φ与C有关）（二）参比电极：电极电位不受溶剂组成影响，其值维持不变（φ与C无关）（一）指示电极1．金属-金属离子电极：应用：测定金属离子例：Ag︱Ag+Ag++e→Ag2．金属-金属难溶盐电极：应用：测定阴离子例：Ag︱AgCl︱Cl-AgCl+e→Ag+Cl-AgAgCalg059.0lg059.0'ClClCalg059.0lg059.0'3．惰性电极：应用：测定氧化型、还原型浓度或比值例：Pt︱Fe3+(aFe3+)，Fe2+(aFe2+)Fe3++e→Fe2+4．膜电极：应用：测定某种特定离子例：玻璃电极、各种离子选择性电极特点（区别以上三种）：1）无电子转移，靠离子扩散和离子交换产生膜电位2）对特定离子具有响应，选择性好**对指示电极的要求：电极电位与待测离子浓度或活度关系符合Nernst方程23lg059.0FeFeaa（二）参比电极(swf)1．标准氢电极（SHE）：电极反应2H++2e→H2基准，电位值为零(任何温度)。但是标准氢电极制作麻烦，氢气净化，压力控制等难于满足要求，而且铂黑容易中毒。因此直接用SHE作参比很不方便，实际常用参比电极是甘汞电极和银-氯化银电极。2．甘汞电极：Hg和甘汞糊，及一定浓度KCl溶液电极表示式Hg︱Hg2Cl2(s)︱KCl(xmol/L)电极反应Hg2Cl2+2e→2Hg+2Cl-0SHEVSCE2412.0甘汞电极的构造外形图示意图3．银-氯化银电极：电极表示式Ag︱AgCl︱Cl-(xmol/L)电极反应式AgCl+e→Ag+Cl-**对参比电极的要求：1）电极电位稳定，可逆性好2）重现性好3）使用方便，寿命长)25(lg059.0lg059.00'CCaClClVKCL2000.0溶液饱和五、电极电位的测量经与参比电极组成原电池，测得电池电动势，扣除参比电极电位后求出待测电极电位IREEjxSCE液接可忽略导线电压降第三节直接电位法直接电位法（离子选择性电极法）：利用电池电动势与被测组分浓度的函数关系直接测定试样中被测组分活度的电位法一、氢离子活度的测定（pH值的测定）二、其他离子活度的测量酸度计PHS-3F型PH计PHSJ-3F型PH计PHS-2C型PH计酸度计(续)便携式PH计在线检测型PH计一、氢离子活度的测定（pH值的测定）指示电极——玻璃电极(-)；参比电极——饱和甘汞电极(SCE)(+)（一）玻璃电极（二）测量原理与方法（三）注意事项（一）玻璃电极1．构造2．组成电池的表示形式3．工作原理4．性能1．构造软质球状玻璃膜：含Na2O、CaO和SiO2厚度小于0.1mm对H+选择性响应内部溶液：pH6~7的膜内缓冲溶液0.1mol/L的KCl内参比溶液内参比电极：Ag-AgCl电极2．组成电池的表示形式(-)Ag,AgCl︱缓冲溶液(PH4或7)︱膜︱H+(xmol/L)‖KCl(饱和)︱Hg2Cl2,Hg(+)玻璃电极外参比电极玻璃膜内参比电极指示电极待测溶液pH玻璃电极的构造外形图示意图玻璃电极的使用特点（1）使用前用蒸馏水泡1天以上.（2）电极内阻大，100～500兆欧，采用高输入阻抗专用电位计（酸度计）。输入电阻要＞1012欧姆。玻璃膜电极水浸泡后，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。玻璃膜电位的形成玻璃电极使用前，必须在水溶液中浸泡，生成三层结构，即中间的干玻璃层和两边的水化硅胶层：水化硅胶层厚度：0.01～10μm。在水化层，玻璃上的Na+与溶液中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。3．工作原理水泡前→干玻璃层水泡后→水化凝胶层→Na+与H+进行交换→形成双电层→产生电位差→扩散达动态平衡→达稳定相界电位(膜电位）++++--------++++H+→H+→H+→H+→←H+←H+←H+←H+注：φ玻与pH成线性关系，因而可用于测定溶液pH值)25('lg059.001111CaaK界电位膜外溶液与外凝胶层相)25('lg059.002222CaaK界电位膜内溶液与内凝胶层相的活度膜内参比溶液分别为膜外待测溶液和和的活度；凝胶层中分别为膜外层和膜内层和注：HaaHaa21'2'1为定值时，，当20'2'121)25(aCaaKK12121lg059.0'lg059.0aKaam膜电位1lg059.0''aKmAgAgCL玻玻璃电极的电极电位pHK059.0''玻]lg[059.0''HK玻或4．性能（1）只对H+有选择性响应，可以测定[H+]（2）转换系数或电极斜率：溶液中pH变化一个单位引起玻璃电极的电位变化pHS)25(5910CmVpH（3）线性与误差：φ玻与pH在一定浓度范围（pH1～9）成线性关系碱差或钠差：pH9，pHpH实→负误差（电极选择性不好，对Na+也有响应）酸差：pH1，pHpH实→正误差（4）不对称电位：当a1=a2（膜内外溶液pH值一致）时，Em却不为0，称～产生原因：膜两侧表面性能不一致造成注：若Em存在，必须稳定，才不影响电极的使用（5）膜电位来自离子交换（无电子交换），不受待测溶液有无氧化还原电对的影响（6）应用特点优点：测量直接方便，不破坏溶液，适于有色、浑浊液体的pH值的测定缺点：玻璃膜薄，易损（二）测量原理与方法1．原理（-）玻璃电极︱待测溶液（[H+]xmol/L）‖饱和甘汞电极(+)pHKpHKE059.0''059.0'参玻参059.0''059.0)'(KEKEpH参（-）玻璃电极︱标准缓冲溶液‖饱和甘汞电极(+)液接电位1液接电位22．方法——两次测量法(flah1、flash2、)（将两个电极先后一起插入pH已知的标液和未知的待测溶液）应用两次测定法前提→消除残余液接电位（两个液接电位之差）否则要用两点校正法（或者说三次法[视频]）•pHx与pHs应接近•待测液与标液测定温度T应相同XXXpHKpHKE059.0''059.0'参玻参SSSpHKpHKE059.0''059.0'参玻参)(059.0SXSXpHpHEE059.0SXSXEEpHpH玻璃电极定义式注：K”随玻璃电极不同、使用时间不同及内充物组成不同而变化，使pHX不确定，应采用标准缓冲溶液（pHs一定）校准仪器，以消除K’’不确定引起的误差，得到准确的pHX3、pH标准溶液温度t℃0.05M草酸25℃饱和酒石酸氢钾0.05M邻苯二甲酸氢钾0.01mol/L硼砂25℃Ca(OH)2101.6713.9969.33013.011151.6733.9969.27612.820201.6763.9989.22612.637251.6803.5594.0039.18212.460301.6843.5514.0109.14212.292351.6883.5474.0199.10512.130401.6943.5474.0299.07211.975（三）注意事项1．玻璃电极的使用范围：pH=1~9（不可在有酸差或碱差的范围内测定）2．标液pHs应与待测液pHx接近：⊿pH≤±33．标液与待测液测定T应相同（以温度补偿钮调节）4．电极浸入溶