电位分析法-课件

§1概述一、电位分析法及其分类1含义——在零电流条件下，以测定电池电动势或其变化为基础的电化学分析法。具体地讲，将一个电极电位与待测组分活度有定量关系的指示电极与另一个电极电位稳定不变的参比电极浸入待测试液中组成电化学池，用电极电位仪（pH计或离子计）在零电流条件下，测量所组成的电池电动势进行定量分析的方法。电化学池{测量对象电极{参比电极指示电极电位分析法指示电极的分类电位分析法指示电极的种类繁多，但大致可以分为两类：1.金属基指示电极——在电极上能发生电子交换的金属基指示电极（前面已做过介绍）2.离子选择性电极——在电极上不发生电子交换的离子选择性电极，也称为膜电极理想的指示电极：快速、稳定、有选择性地响应被测离子，且重现性好、寿命长。3甘汞电极Hg2Cl2+2e-=2Hg+2Cl-SCE:饱和甘汞电极1标准氢电极（SHE）2银-氯化银电极AgCl+e-=Ag+Cl-重现性好要求可逆性好－交换电流大稳定性高V2444.0V2223.0参比电极常用的参比电极2分类电位分析{直接电位法电位滴定法本章介绍的电位分析法是以离子选择电极（膜电极）作指示电极，即主要介绍离子选择电极电位分析法。二、离子选择电极特点及其应用1含义——离子选择电极(ion-selectiveelectrode,ISE)是指具有普遍实用价值、能选择性地测量某种离子活度的指示电极。2特点ISE是一种指示电极，对给定离子有Nernst响应ISE电极电位不是由于电子交换所形成的，而是离子在膜与溶液两相界面上扩散的结果。ISE与金属基指示电极在基本原理上有本质区别3应用用于测定阴阳离子（包括碱金属离子及一价阴离子）、有机离子、生物物质，并用于气体分析适用的浓度范围宽医疗卫生部门、工业流程自动控制、环境监测等各种传感器微型及超微型电极用于单细胞等活体分析与化学平衡理论相结合测定有关常数§2离子选择电极电位法基本原理液接电池SCEISEE电位分析法的理论依据是能斯特公式，它是通过测量电池电动势进行定量分析。那么，ISE（离子选择电极，膜电极）的电极电位是多少？ISE一、膜电位的产生1含义——膜的一侧或两侧与电解质溶液接触而产生的电位差，它实质上是一种相间电位。2产生膜电位的产生是由于离子在溶液与膜相内的扩散产生的。扩散有自由扩散和非自由扩散两种，其产生的电位分别称扩散电位和界面电位(道南电位)。扩散电位C2C1自由扩散，无强制性和选择性在ISE中，扩散电位是膜电位的组成部分，存在于膜相内部在两种不同离子或离子相同而活度不同的液/液界面或固体内部，由于离子扩散速度的不同造成的电位差，称为扩散电位。特点道南电位（界面电位）膜KCl1KCl2C2C1扩散具有强制性和选择性在ISE中，道南电位是膜电位的组成部分，存在于膜与溶液两相界面上特点综上所述：膜电位是膜内扩散电位和膜与电解质溶液形成的内外界面的界面电位（道南电位）的代数和。二、离子选择电极的作用原理（膜电极的电极电位数学表达式）1离子选择电极基本构造敏感膜（传感膜）—将待测离子活度转变成电位信号内导体系—将膜电位引出电极腔体系（电极杆）—固定敏感膜，常采用高绝缘的、化学稳定性好的玻璃或塑料制成带屏蔽的导线—将内导体系传输出的膜电位输送至仪器的输入端{内参比电极内参比溶液导线电极腔体内参比电极内参比溶液敏感膜2离子选择电极作用原理内参比液膜内表面膜相内部膜外表面外测试液α内αˊ内αˊ外α外Φ内，DΦ外，DΦ内，扩Φ外，扩敏感膜敏感膜内外表面与内外溶液两相界面上，均产生道南型相间电位膜相内部与膜内外两个表面的界面上均产生扩散电位，两者大小相等，方向相反，相互抵消故Φ膜＝（Φ外，D－Φ内，D）＋（Φ外，扩－Φ内，扩）＝（Φ外，D－Φ内，D）设膜对MZ+产生响应时，外外D外,D外,α'αlnZFRTk内内内内'ln,,ZFRTkDD外内外外内内外内外膜ln'ln''ln,,ZFRTkZFRTZFRTkkDD(膜内外表面相同，k外,D=k内,Dα’外＝α’内)(k’由膜内界面上的相间电位和内外膜表面不完全相同的不对称电位决定)同理，膜对RZ-产生响应时，外膜ln'ZFRTklnZFRTkISE膜内参外膜ln'ZFRTk故对阴、阳离子产生响应时:3离子选择电极的电极电位(k由膜内界面上的相间电位、内外膜表面不完全相同的不对称电位和内参比电极电位决定)膜电位和膜电极的电极电位（ISE的电极电位）有不同的含义三、离子选择电极电位法基本原理lnlnZFRTKZFRTkESCESCEISE液接液接电池K由膜内界面上的相间电位、内外膜表面不完全相同的不对称电位、内参比电极电位、外参比电极和液接电位决定§3离子选择电极的类型及响应机理ISE原电极敏化电极pH玻璃电极pM玻璃电极非晶膜电极（玻璃电极）晶体膜电极非均相晶膜电极均相晶膜电极多晶膜电极单晶膜电极固体膜电极液体膜电极（流动载体电极）生物电极气敏电极以及后期发展起来的离子敏感场效应晶体管（ISFET）、免疫电极、化学修饰电极（CME）等等。一、玻璃膜电极(非晶膜电极)（二）pH玻璃电极采用特定配方的玻璃吹制而成的膜电极1.构造（一）种类pH、pM玻璃电极如考宁015玻璃组成：Na2O21.4,CaO6.4,SiO272.22玻璃膜的响应机理O)(SiO)(SiOⅣⅣNaO)(SiOⅣGl-Na+＋H+Gl-H＋＋Na＋使用前浸泡，在水中通过离子交换形成稳定水化层水化胶层溶液溶液干玻璃玻璃膜中离子分布示意图≡SiO－H+＋H20≡SiO-＋H30+水化胶层水化胶层溶液溶液浸泡好的玻璃电极，水化层与溶液间存在着上面稳定离解平衡使用时：当试液的H+活度大于水化层的H+活度时，此时上述离解平衡被破坏，H+自溶液向水化层扩散（X-、Mz+不能被扩散进入膜内），形成道南电位；水化层与干玻璃层中的H+和Na+浓度不同产生扩散电位，大小相等，符号相反，结果互相抵消。)(HlnFRT外玻璃膜常数玻璃膜内参玻璃电极HlnFRTkpH059.0k故Ag︱AgCl︱0.1molL-1HCl︱玻璃膜︱试液‖KCl(饱和)︱Hg2Cl2︱Hg不对称电位如果,则但实际上，即存在不对称电位。)(H)(HlnZFRT内外内外膜)(H)(H内外使用前，需长时间浸泡，形成稳定的水化层，使不对称电位趋于稳定。0膜0膜几点讨论（使用条件）：酸差和碱差考宁015玻璃电极：pH1~10。当pH1，测定值偏高，即存在酸差。原因：由于在强酸性溶液中，水分子活度减小，而H+以H3O+形式传递，结果到达电极表面的H+减少，使测定的pH值增加。当pH10，测定值偏低，即存在碱差（或钠差）。原因：由于在水化凝胶层与溶液界面间的离子交换过程中，不仅有H+，而且还有Na+参与，结果由电极电位值反映出来的是H+活度增加，使测定的pH值下降。锂玻璃电极，pH13时，才发生碱差。（三）阳离子玻璃电极主要响应离子玻璃膜组成(摩尔分数，%)Na2OAl2O3SiO2Na+111871K+27568Ag+1128.81819.17152.1Li+Li2O152560通过改变玻璃组成（如向玻璃膜中引入三价元素Al、Ga、B等氧化物），制成对其它一价阳离子具有选择性的pM电极。该类电极使用前，必须在该待测例子的稀溶液中浸泡活化2h以上，使水化层充分形成，以利于离子的稳定扩散。二、晶体膜电极1种类均相晶膜电极（单晶膜、多晶膜）和非均相晶膜电极2晶体膜的响应机理主要利用晶体中离子半径最小、电荷数最少的晶格离子传导原理及膜表面上相同离子间的扩散作用进行解释。膜电位的产生由于溶液中的待测离子能扩散进入膜相的缺陷空穴，而膜相中的晶格缺陷上的离子也能进入溶液相，因而在两相界面上建立双电层结构所致。选择性以LaF3为例：LaF3+空穴→LaF2＋＋F－由于缺陷空穴的大小、形状、电荷分布，只能容纳特定的可移动的晶格离子，而其它离子不能进入空穴参与导电过程，从而使晶格敏感膜具有选择性。使用方法由于不存在离子交换作用，不需浸泡活化干扰来自化学反应，即共存离子与晶格离子形成难溶盐或配合物，从而改变了膜表面的性质。Ag-AgCl电极内充液(NaF+NaCl)LaF3晶体膜3氟电极0.001mol/LNaF0.1mol/LNaClAg-AgCl电极构造敏感膜:LaF3单晶薄片内导体系原理Flg059.0k氟电极5×10-7～1×10-1mol/L电池表达式Ag︱AgCl︱0.1molL-1NaCl，0.001molL-1NaF︱LaF3︱F－试液‖KCl(饱和)︱Hg2Cl2︱Hg氟离子选择电极︱F－试液‖参比电极LaF3+3OH-=La(OH)3+3F-适用的pH范围：5~7干扰：酸碱的干扰2HF使用条件F-+H+=HFF-+HF=阳离子干扰Al3+,Fe3+,Be2+等消除干扰方法：加入柠檬酸钠、EDTA等络合剂掩蔽4硫、卤素离子电极构造：S2-(Ag+)电极敏感膜：Ag2S粉末AglnFRTk电极21S)SAg(spAg22K2SlnF2RT'k电极原理：氯电极敏感膜：AgCl+Ag2S溴电极敏感膜：AgBr+Ag2S碘电极敏感膜：AgI+Ag2SXlnFRT'k电极原理：构造：AgX+2CN-=Ag(CN)2-+X-可用于测定CN-Ag-AgCl电极内参比溶液（凝胶）液体离子交换剂（活性物质溶液）多孔膜三、流动载体(液膜)电极(一)种类(二)构造带电荷（正、负）的液膜电极中性液膜电极S-I+IS膜I+I+内参比溶液待测溶液I++S-IS响应离子(水相)载体离子(有机相)离子缔合物(有机相)(三)带电荷的液膜电极响应机理X-X-由于只有响应离子能通过膜与溶液的界面进行扩散，因此破坏了两相界面附近电荷分配的均匀性，产生相间电位。例：Ca2+电极电活性物质：二癸基磷酸钙溶剂：苯基磷酸二正辛酯；内参比溶液：CaCl2电极的选择性决定于缔合物的稳定性及响应离子在有机溶剂中的淌度；电极的灵敏度取决于活性物质（缔合物）在有机相和水相中的分配系数，分配系数越大，灵敏度越高。流动载体测定阳离子采用带负电荷的流动载体，测定阴离子采用带正电荷的流动载体，形成离子缔合物(四)中性液膜电极OOOOOOOOOOH3CCH3二甲基二苯并30-冠醚-10响应机理：溶液中的响应离子扩散并被萃取进入膜相，与膜相中的中性载体分子生成带正电荷的络阳离子，使上述平衡趋向于正方向进行。由于络阳离子的过量存在，破坏两相界面附近电荷的均匀性，产生相间电位。络阳离子越稳定，电极选择性越好；响应离子的萃取常数越大，电极的灵敏度越高（IS*）+I++S*响应离子(水相)中性载体分子(有机相)络离子(有机相)四、气敏电极透气膜玻璃膜Ag-AgCl电极0.1mol·L-1NH4Cl溶液(中介溶液)玻璃电极内参比溶液氨气敏电极相当于一个电池：指示电极（pH玻璃电极）和参比电极（Ag-AgCl电极）插入中介溶液中构成构造NH3+H2ONH4++OH-KsHNHWNHNHOHNHs3434PKPK334NHsNHWNHHP'kKPK3NHHPlnFRTlnFRTk常数玻璃电极原理CO2气敏电极中介溶液：0.01mol·L-1NaHCO3写出电极电位与二氧化碳分压的关系式23COHCOHPK232'COHCOCOHPkaKP2lnlnCOHPFRTFRTk常数玻璃电极HCO3-+H+CO2+H2O五、生物电极酶层内参比电极内参比溶液232222CONHOH)NH(CO尿素酶1酶电极3423222HCONHOHOH)NH(CO尿素酶构造原理将生物