第八章 电位分析法

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第八章 电位分析法
Potentiometric analysis
8.1 概述
一、什么是电化学分析? 依据物质在溶液中的电化学性质及其变
化来测定物质组成及含量的分析方法称为电 化学分析。
电位分析法:
利用电极电位与浓度的关系测定物质含量的 电化学分析法称为电位分析法。 电位分析法分为直接电位法和电位滴定法。 电位分析法最显著特点是:仪器设备简单,操 作简便,价格低廉。现已广泛普及应用。
• 2)选择性系数 Kij :
• 选择性系数表示干扰离子j对待测离子i的干扰 程度。它越大,干扰就越大,它越小,干扰也就 越小。
• 离子选择性电极除对特定待测离子有响应外, 共存(干扰)离子亦会响应,此时电极电位为:


K

0.059 zi
lg(ai

j
Kija j )
• 3)响应时间:离子选择性电极的响应时间是 指从离子选择性电极和参比电极一起接触试液 (或试液中待测离子活度发生变化)算起,到 电极电位值变稳定时为止所需的时间。
8.3离子选择电极的类型及作用原理
一. 分类
二.离子选择性电极(膜电极)
具有敏感膜并能产生膜电位的电极。 是一种电化学传感器。
应用:测定某种特定离子 例:pH电极;各种离子选择性电极 特点: 1)无电子转移,靠离子扩散和离子交换产生膜电位。 2)仅对溶液中特定离子有选择性响应(离子选择性电极), 选择性好。 膜电极的关键:是一个称为选择膜的敏感元件。 敏感元件:单晶、混晶、非晶、液膜、高分子功能膜及生物 膜等构成。
• 球状玻璃膜是由特殊配比的玻
璃(Na2SiO3,厚0.1~0.5mm)
构成,结构为:
• 玻璃电极特点: ❖ 对H+有高度选择性的指示电极,使用范围
广,不受氧化剂还原剂影响,适用于有色
、浑浊或胶态溶液的 pH 测定;响应快(达 到平衡快)、不沾污试液。
• 膜太薄,易破损,且不能用于含F- 的溶液; 电极阻抗高,须配用高阻抗的测量仪表。
方便 • (3)应用广泛
8.2 电位法基础
一.电位分析 的一些重要概念 1.半反应式的写法及电极符号
Ox + ne- = Red
2、化学电池
1.化学电池及其图解表示式
(1)化学电池:化学能与电能互相转变的电池称为化学电池 它有原电池和电解池之分。 原电池:能自发地将本身的化学能转变为电能的化学电池。 电解池:电池发生的电化学反应所需要的能量是由外部电源提供的。 IUPAC(国际纯粹与应用化学委员会)规定的电池图解式: 以铜锌电池为例:
是指金属及其离子与另一种金属离子具有共同 阴离子的难溶盐或难离解的络离子组成的电极体系, 典型例子是草酸盐:
Ag2C2O4,CaC2O4 Ca2+︱Ag
(4)零类电极
指惰性金属电极,Pt,C,Au等。 Fe3+,Fe2+︱Pt
(5) 膜电极
膜电极组成的半电池,没有电极反应;相界间 没有发生电子交换过程。表现为离子在相界上的 扩散,造成双电层存在,产生界面电位差。该类
Zn|ZnSO4(xmol·L-1) CuSO4(ymol·L-1)|Cu
铜-锌化学电池装置
原电池
电解池
电池的表示方法
• 一般把作为阳极的电极和有关的溶液体系写 在左边,把作为阴极的电极和有关的溶液体系 写在右边。每一个不同相的界面用一竖线表示, 盐桥用两条竖线表示。
• (-) 电极a 溶液(a1) 溶液(a2) 电极b (+)
3.盐桥 盐桥是“联接”和“隔离”不同电解质的重要装置
(1)作用 接通电路,消除或减小液接电位。
(2)使用条件 a.盐桥中电解质不含有被测离子。 b.电解质的正负离子的迁移率应该基本相等。 c.要保持盐桥内离子浓度的离子强度5~10倍于被测溶液。常 用作盐桥的电解质有:KCl,NH4Cl,KNO3等。
• 阳极
E
阴极
• 电池电动势:
• E = c - a+液接 = 右 - 左+液接
• 电池图解式的规定:
(1)进行氧化反应的电极写在左边,进行还原反应的电极 写在右边;
(2)相界面用单竖线“|”表示,盐桥用双竖线“ ”表示;
(3)气体或均相的电极反应,反应物本身不能直接作为电 极,要用惰性材料(如铂、金、银或石墨)作电极,以传 导电流;
主指离子选择性电极。
2.参比电极
对参比电极的要求有: (1)可逆性 有电流流过(μA)时,反转变号时,电
位基本上保持不变。 (2)重现性 溶液的浓度和温度改变时,按Nernst 响
应,无滞后现象。 (3)稳定性 测量中电位保持恒定、并具有长的使用寿
命。例: 甘汞电极(SCE), 银-氯化银电极等。
• 4)分析快速简便: • 5)能用于几十种阴阳离子的测定,对于用
其它方法难以测定的某些离子,也可用此 法进行测定。
• 6)将离子选择性电极制成微型和超微型, 可用于医学生物学等特殊领域内的分析。
• §8,4 电位分析法的应用
• 一、直接电位法
• 直接根据电极电位值与离子活度之间 的关系来求得待测离子活度(或浓度) 的方法,叫直接电位法。
• E电池= 0,电池处于动态平衡状态。 2.液接电位
二.电极电位及其测量
什么是电极电位?例如一金 属棒插入其盐溶液中,在金属 与溶液界面建立起“双电层”, 引起位差,即为电极电位。
电极电位的测定,单个电极 电位无法测定!所以规定氢电 极,在任何温度下的电位为零。
标准氢电极
(3)双电层
当电极插入溶液中后,在电极和溶液之间便有一个界 面。如下图,如果导体电极带正电荷会对溶液中的负离子 产生吸引作用同时对正离子也有一定的排斥作用。结果在 靠近电极附近呈现出如图中的浓度分布。紧密层(IHP)存在 静电作用和其它较静电作用更强的作用(如特性吸附、键 合等),将出现电荷过剩,即阴离子总数超过阳离子总数; 分散层(OHP)只有静电引力的作用在此区域内也有电荷过 剩;这种结构称为双电层。
• 4)电极内阻:离子选择性电极的内阻都很高。
• 5.常用离子选择性电极: • 1) pH 玻璃膜电极: pH玻璃膜电极属于非晶
体膜电极中的固定基体电极。它是最早使用、最 重要和使用最广泛的氢离子指示电极,用于测量 各种溶液的pH值。
• PH玻璃电极的构造:PH玻璃电极是由一 种特定的软玻璃(在SiO2基质中加入Na2O 和少量CaO烧制而成)吹制成的球状的 膜电极,其结构一般为:
内参比电极、内参比溶液、电极腔体构
成,
内参比电极
电极腔体 内参比溶液
电极薄膜
• 2.离子选择性电极的电极电位:对阳离 子,电极电位为:
E

K
ຫໍສະໝຸດ Baidu

0.059 n
lg
aM
对阴离子,电极电位为:
E

K

0.059 n
lg
aN
式中:E为离子选择性电极的电极电位;K 为常数;aM、aN为阳离子和阴离子的活度; n 为离子的电荷数。
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将膜电极和参比电极一起插到被测溶液中,组成电池。 则电池结构为:
外参比电极‖被测溶液( ai未知)∣ 内充溶液( ai一定)∣ 内参比电极
(敏感膜) 内外参比电极的电位值固定,且内 充溶液中离子的活度也一定,则电池电 动势为:
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• 1.电极构造:
• 离子选择性电极基本上都是由薄膜、
• (一)、标准曲线法:
• 1.活度的测定:把指示电极和参比电极一起分别
插入一系列巳知待测离子准确活度的标准溶液中, 测定不同活度下的电位值。以测得的电位值对相应 的活度的对数作图,得到标准曲线(为一直线)。
• 然后再在相同条件下测定试液的电位值,由测 得的电位值就可从标准曲线上查得试液中待测离子 活度的对数,从而求得其活度。
• 存在酸差和碱差(或钠差)
• 6.离子选择性电极的优点:
• 1)电极构造简单,测定时不需要复杂仪 器,且操作简便。
• 2)灵敏度高,适用的浓度范围广,一般 可达到相差几个数量级。如氟电极,它可 用于测定的浓度范围为10-1~10-6mol/L。
• 3)选择性好:用离子选择性电极进行测 定时的干扰是比较少的。特别是它对测定 环境的要求较低,有利于测定的进行。
(4)电解质位于两电极之间,溶液的活度或浓度应写在电 解质的化学式后面的括号内。气体电极应在括号内注明温 度、压力。
例如:锌-氢电极
Zn|ZnSO4(0.1mol·L-1) H+(1.0mol·L-1)|H2(101325Pa),Pt
例1: Cu + AgNO3(α2) CuSO4(α1)+Ag
阳极 Cu – 2e → Cu2+ 阴极 Ag- + e → Ag 原电池表示:
•1)线性范围与检测极限:
•离子选择性电极的电位与溶液中特定离子
活度之间的关系可用能斯特方程式表示,
即:
E K 0.0592 lg a
n
C E
G FD
检测下限 -lgai
线性范围:图中的直线部分CD所对应的活度 范围。
检测下限:E与lgα的关系符合能斯特方程式 的最低离子活度,叫离子选择性电极的检测下限。
电池的正、负极与阴、阳极的关系:
电池类型 正极 负极
原电池
阴极 阳极
电解池
阳极 阴极
• 可逆电池的条件:(1)电池反应可逆; (2)能量转变可逆。
二、电池的电压和电池的电动势
• E电池>0,为原电池,反应按所写方程式向右自发进行; • E电池< 0,为电解池,只有外加电压才使反应按所写方
程式向右进行;
甘汞电极和银-氯化银电极
●甘汞电极的构造


物 内部电极 质
导线 铂丝 汞 甘汞
导线 绝缘帽 橡皮帽 内部电极 饱和KCl盐桥
多孔物质 下橡皮帽
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●使用甘汞电极注意的问题
(1)使用时要去掉上、下皮帽; (2)使用时首先要检查液面是否漫过了 内部电极; (3)检查有无结晶析出; (4)检查有无霉变现象; (5)检查拐弯处有无气泡。
三.标准电极电位与式量电位或条件电位
1.标准电极电位
当活度比为1时,此时,即为标准化电极电位。
如果考虑活度系数,写成:
即为式量电位。决定于溶液的离子强度。 如果说考虑络合效应等,可能称为条件电位。
四.指示电极与参比电极
1. 指示电极的类型
(1) 第一类电极 指金属与该金属离子溶液组成的体系,
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离子选择性电极的定量基础
被测溶液( aMn+未知)∣内充溶液( ai一定)∣内参比电极
用离子选择性电极测定有关离子时,一般都是基于膜 内外被测离子活度的不同而产生电位差,即所谓的膜电位。
因此离子选择性电极法的定量依据是:
式中,n为被测离子所带的电荷数; ±号取值:对阳离子取“+”号,而阴离子则取“-”号。
Cu∣CuSO4(α1)‖AgNO3(α2)∣Ag
• 任何化学电池都是由两个电极同时插入电解质溶液中构成 • 根据电极反应的性质把电极分为阴极和阳极: 阴极: 在反应方程式中,得到电子,发生还原反应的电极; 阳极:在反应方程式中,失去电子,发生氧化反应的电极。 • 电池的正负极根据电池中各个电极的电位高低来确定: 正极:电极电位高的电极; 负极:电极电位低的电极。
• 直接电位法:根据电极电位与待测组分活度之
间的关系,利用测得的电位差值(或电极电位值) 直接求得待测组分的活度(或浓度)的方法。
• 电位滴定法:根据滴定过程中电位差(或电极
电位)的变化来确定滴定终点的容量分析法。
三、电化学分析的特点
• (1)灵敏度、准确度高,选择性好 • (2)电化学仪器装置较为简单,操作
其电极电位决定于金属离子的活度。
这类电极主要有Ag,Cu、Zn、Cd、Pb等及其离子。
(2) 第二类电极
指金属及其难溶盐(或络离子)所组成的电极 体系。它能间接反映与该金属离子生成难溶盐(或 络离子)的阴离子的活度。
这类电极主要有AgX及银络离子,EDTA络离子, 汞化合 物等。甘汞电极属此类。
(3) 第三类电极
• 3.离子选择性电极的种类:由于离 子选择性电极敏感膜的性质、材料 和形式不同,所以我们可以按下列 方式进行分类:
离 子 选 择
原 电
晶体 膜电极
单晶膜电极 多晶膜电极

固定基体

非晶体 电极

膜电极 流 动 载 体

电极
敏化离子选
气敏电极
择性电极
酶电极
• 4.离子选择性电极的特性参数:对于离子 选择性电极的性能可以用它的特性参数来 表示。
而在此以外,超出了静电引力的作用范围或者因其作 用力太小可以忽略不计将不再有电荷过剩现象。
• 一般情况下,电极电位由三种方法得到: • (1)由欲测电极与标准氢电极组成电池,测出该
电极的电极电位; • (2)电热力学数据计算出; • (3)再是可利用稳定的参比电极作为欲测电极的
对比电极测出电位后,再推算出该电极的电极电位。
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