电化学分析法
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15:48:02
1、原电池
负极:发生氧化反应,电极电位较低 正极:发生还原反应,电极电位较高 负极反应: Cu-2e=Cu2+ 正极反应:Ag+ + e= Ag
电池反应
Cu + 2Ag+= Cu2++ 2Ag
15:48:02
2、电解池
阳极:与直流电源正极相连,发生氧化反应。 阴极:与直流电源负极相连,发生还原反应。 阳极反应:Ag-e=Ag+ 阴极反应:Cu2++2e=Cu
15:48:02
产生原因是玻璃膜内、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起的。
长时间浸泡后(24h)即可活化电极,又可降低且 恒定(1~3mV)不对称电位。 (4)高选择性 :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。只有当溶液中 Na+浓度比H+浓度高1015倍时,两者才产生相同的电 位,这种情况实际中不存在
液接电位大小与界面两侧溶液中离子种类和浓度有
关,通常可达30~40mv。
盐桥:在U型细玻璃管中装入用琼脂固定的饱和KCl
(KNO3)溶液,然后与两溶液相连。
稀HCl H+ ClClClCl-
浓度 4mol/ L 饱和KCl K+ K+
浓HCl H+
15:48:02
由于饱和KCl溶液浓度高(4mol/L),液接处扩散
15:48:02
2、离子选择电极性能
1)膜电位选择性
共存其它离子对膜电位产生有贡献吗? 若测定离子为i,电荷为zi;干扰离子为j,电荷为zj。 考虑共存离子也产生电位,则膜电位表达式可修正 为:
2.303RT 膜 K lg ai K ij (a j ) ZF
zi zj
(1)电位符合Nernst方程
(2)对待测离子活度变化响应迅速 (3)线性范围宽、重现性好 (4)对待测组分具有选择性
15:48:02
1)金属电极:基于电子转移的氧化还原电极 【第一类电极】:金属-金属离子电极 如Ag-AgNO3电极,表示为:M│Mn+(xmol/l)
M
n
ne M
M
n
2 2 2 2
O Hg 2 Cl 2 /Hg
O Hg Cl /Hg Hg 0 . 059 lg a ( Cl ) Cl /Hg
(1.0mol/L),高浓度溶液对敏感膜腐蚀溶解严重,也不易
获得稳定的液接电位。
3)响应时间
电极浸入试液后达到稳 电位(±0.1mv)所需时
间
15:48:02
液接电位和膜电位有何区别? 3 、参比电极:一定温度压力条件下,电极电位恒 定不变的电极。 (1)电位已知、恒定,不随试样溶液组成而改变 (2)与试样溶液接触时的液接电位小 (3)便于使用和保存
一、化学电池
二、指示电极和参比电极
三、电极电位
一、化学电池 电极:将金属放入对应溶液后所组成的系统。
化学电池:由两支电极、电解质溶液、导线构成、
化学能与电能相互转换装置。
原电池:自发地将化学能转变成电能装置。
电解池:将电能转变成化学能装置。 化学电池工作时,电流必须在电池内部和外部构成 闭合的回路时电池才能工作。
15:48:02
(5)酸差:pH<1时, 电位值偏离线性关系,使测
定pH比实际的高,产生正误差
(6)“碱差”或“钠差” : pH>9时,使测定pH比
实际的低,产生负误差
(7)pH=1~9范围电极电位与pH呈线性关系。
(8)不受溶液中氧化剂、还原剂、颜色及沉淀影 响,不易中毒;电极内阻很高,电阻随温度变化,
15:48:02
(2)响应机制:LaF3晶格中有空穴,在膜表面上,溶液中F可以进入到这些空穴中,使得在膜和待测溶液间形成双电层,
产ຫໍສະໝຸດ Baidu膜电位。
膜 K - 0.059lg F K 0.059pF
对于一定膜,离子大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶
体膜内。 (3)使用条件:在pH5~7之间使用,若pH高时溶液中OH-与 LaF3晶体膜中F-交换;pH低时溶液中F-会生成HF或HF2-,均影 响测定,测定线性范围10-1~10-6mol/l,离子强度一定。
aNO3- ≥4.1×10-5×1.0 1/2/5%, aNO3- ≥8.2×10-4mol/L。
测定的硝酸根离子的活度应大于8.2×10-4mol/L。
15:48:02
2)线性范围和检测限
①线性范围:电位符合 Nernst关系,AB段对应检测
离子活度(或浓度)范围。
② 级差(响应斜率) AB段斜率: 即活度相
主要是KCl向两边溶液的扩散, K+、Cl-扩散速度几
乎相等,在每一个界面形成的液接电位都很小,且
两个界面上形成的液接电位大小相近符号相反,这
两个液接电位又相互抵消一部分,最后的液接电位
基本恒定在1~2mV。
盐桥的作用:减小体系的液接电位;维持氧化还原
反应继续进行
15:48:02
15:48:02
二、指示电极和参比电极 1、指示电极:电极电位随被测离子的活度变换而 变化的电极。
流动载体电极
敏化电极(sensitized electrodes) 气敏电极:氨气敏电极
酶电极
15:48:02
15:48:02
15:48:02
15:48:02
pH玻璃电极(最早、最成功电极)
(1)结构
敏感膜:玻璃膜。厚度约为0.05~0.1mm
内参比电极:Ag-AgCl电极(管内)
内参比溶液:含0.1mol/LHCl溶液
/M
M
n
/M
2.303 RT lg a M n nF
【第二类电极】:金属-金属难溶盐电极 如Ag-AgCl电极,表示M│MnXm(难溶物)│X
MnXm + ne = mM + nX15:48:02
0.059 aM n 0.059 0.059 K sp lg lg aM n lg n aM n n (a x ) n
(4)结构简单、重现性和稳定性好
15:48:02
1)饱和甘汞电极
电极反应:Hg2Cl2 + 2e = 2Hg + 2 Cl-
表示:Hg│Hg2Cl2(固)│KCl
电极电位(25℃):
0.059 a(Hg 2Cl2 ) lg 2 2 a (Hg ) a 2 (Cl )
Hg Cl /Hg
15:48:02
2)离子选择电极:基于离子在膜内外迁移或扩散
所形成电极(ISE)--重要且常用指示电极
2.303RT 膜 K lg a ZF Z 离子电荷数 a 离子活度(m ol/ L)
该指示电极没有电子得失,不发生电极 反应,靠敏感膜对离子的选择性响应产 电极电位—膜电位。
15:48:02
构成膜的电活性物质必须满足以下条件
(1)在水中的溶解度要足够小
(2)有良好化学稳定性耐酸碱、抗氧化还原干扰
(3)具有离子导电性和不易被损坏 (4)选择性高 离子选择性电极的构成: 敏感膜、内参比电极、内参比溶液、电极管
15:48:02
离子选择性电极(又称膜电极)。
原电极(primary electrodes) 晶体膜电极:F-电极 均相膜电极 非均相膜电极 非晶体膜电极:玻璃电极 刚性基质电极
15:48:02
一、电化学分析法的类型 按测量参数分为 (1)电位分析法:测量电池电动势 (2)电导分析法:测量溶液电导值 (3)电解分析法:测量电解过程电极上析出物质量 (4)库仑分析法:测量电解过程中消耗电量; (5)伏安分析:电解过程中电流与电位变化曲线 (6)极谱分析:在伏安中使用滴汞电极。
【惰性金属电极】:铂或石墨与含有可溶性氧化态
和还原态物质的溶液组成。电极不参与反应,只起
导电作用。故惰性金属电极可作为溶液中氧化态和
还原态获得电子或释放电子的场所。
如:Pt│Ce4+,Ce3+;
0.059 aCe 4 lg 1 aCe3
金属指示电极较少使用,原因是它们易受溶液中共存 氧化、还原物干扰,电位值不稳定,重现性差。
阴极 阳极
电池反应
2Ag+Cu2+===2Ag++Cu
15:48:02
电解
3、液接电位与盐桥
在组成相同(浓度不同)或不同两溶液界面上,由
于离子扩散而形成的电位差--液接电位。
多 孔 膜 多 孔 膜 多 孔 膜 多 孔 膜
稀HCl + + + + + + -
浓HCl H+
Cl-
双电 层
15:48:02
差一数量级时,电位改变的数值,用S表示。理论上S=2.303
RT/zF , 25℃时, 一价离子S=0.0592 V, 二价离子S=0.0296 V。 离子电荷数越大,级差越小,测定灵敏度也越低,电位法多 用于低价离子测定。
15:48:02
③ 检测限:能检测出待测离子的最低浓度
图中AB与CD延长线的交点M所对应的测定离子的活度 (或浓度) 。离子选择性电极一般不用于测定高浓度试液
第八章 电化学分析法 第一节 电化学分析法概述
一、电化学分类 二、电化学特点
应用电化学基本原理和实验技术,依据物质电化学 性质来测定其组成和含量的一类方法称为电化学分
析或电分析化学。
本章重点:
(1)化学电池组成
(2)各类电极反应及相应Nernst方程式的表达 (3)pH玻璃电极和氟离子电极结构和工作原理 (4)直接电位法和电位滴定法应用
(5)Kij可用来估计干扰离子存在时产生的测定误差或确定
电极的适用范围(选择性电极误差)
zi zj
相对误 差
15:48:02
K ij (a j ) ai
100%
例1 用pNa玻璃膜电极(KNa+,K+=0.001)测定pNa=3的试液
时,如试液中含有pK=2的钾离子,则产生的误差是多少?
15:48:02
由于内参比溶液中的H+活度( a内)是固定的,则:
膜 K 0.059lga1 K 0.059pH
‘ '
pH玻璃电极特性
测量溶液pH定量依据
(1) 膜电位与试样溶液中pH成线性关系,K´由玻
璃膜本身性质决定常数
(2) pH电极电位由内参比电极电位和膜电位之和
(3) 不对称电位(25℃)
(2)响应机制: 水浸泡玻璃电极后,玻璃膜表面Na+与水中H+ 发生交换,
膜表面几乎全被 H+ 占据,形成水化凝胶层 (10-5~10-4mm) 。
当电极浸入待测溶液时,由于待测溶液H+浓度与水化凝胶
15:48:02
层H+浓度不同,产生浓差扩散形成双电层,产生电位差(膜
电位)
-
+ +
+
-
+ + + 双电 层
15:48:02
(1)对阳离子响应的电极,K 后取正号;对阴离子响应的
电极,K 后取负号。 (2)Ki j称为电极选择性系数 其意义为:在相同测定条件下,待测离子和干扰离子产
生相同电位时待测离子活度αi与干扰离子活度αj的比值。由
于受各种实验条件影响,Kij目前还没有理论计算值,只有 在一定实验条件下进行测量。 (3)通常K
ij<<1,
K
ij值越小,表明电极的选择性越高。例
如:Kij= 0.001时, 意味着干扰离子j 的活度比待测离子i
15:48:02
i的活度大1000倍 时, 两者才产生相同的电位。
attention: Zi、Zj分别为被测离子和干扰离子的电荷数 (4)选择性系数严格来说不是一个常数,在不同离子活度 条件下测定的选择性系数值各不相同。
解: 误差%=(KNa+,K+× aK+ )/aNa+×100%
=(0.001×10-2)/10-3×100% =1%
K NO 例2某硝酸根电极对硫酸根的选择系数:
3
, SO4
2
4.1 10 5
用此电极在1.0mol/L硫酸盐介质中测定硝酸根,如果要求测量 误差不大于5%,试计算可以测定的硝酸根的最低活度为多少 解: KNO3- ,SO42-×(aSO42- )z i/z j /aNO3- ≤5%
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氟离子选择电极
(1)结构:
敏感膜:氟化镧单晶膜(掺有EuF2 的
LaF3单晶切片晶格缺陷增多,
膜导电性增强)
内参比电极:Ag-AgCl电极(管内)
内参比溶液:0.1mol/L的NaCl和0.10mol/L 的NaF混合溶液(F-用来控制膜内表面的电位, Cl-用以固定内参比电极的电位)。
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二、电化学分析法的特点
(1)灵敏度高、选择性好、分析速度快
(2)仪器设备简单,操作方便 (3)应用广泛:卫生分析、医药分析、环境保护 传统电化学:无机离子分析H+、F-、Cl-、K+、NO2现代电化学:蛋白质、氨基酸、尿素、葡萄糖、胰
岛素、多巴胺、肌苷、酶活性等
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第八章 电化学分析法 第二节 电位法基本原理
1、原电池
负极:发生氧化反应,电极电位较低 正极:发生还原反应,电极电位较高 负极反应: Cu-2e=Cu2+ 正极反应:Ag+ + e= Ag
电池反应
Cu + 2Ag+= Cu2++ 2Ag
15:48:02
2、电解池
阳极:与直流电源正极相连,发生氧化反应。 阴极:与直流电源负极相连,发生还原反应。 阳极反应:Ag-e=Ag+ 阴极反应:Cu2++2e=Cu
15:48:02
产生原因是玻璃膜内、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起的。
长时间浸泡后(24h)即可活化电极,又可降低且 恒定(1~3mV)不对称电位。 (4)高选择性 :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。只有当溶液中 Na+浓度比H+浓度高1015倍时,两者才产生相同的电 位,这种情况实际中不存在
液接电位大小与界面两侧溶液中离子种类和浓度有
关,通常可达30~40mv。
盐桥:在U型细玻璃管中装入用琼脂固定的饱和KCl
(KNO3)溶液,然后与两溶液相连。
稀HCl H+ ClClClCl-
浓度 4mol/ L 饱和KCl K+ K+
浓HCl H+
15:48:02
由于饱和KCl溶液浓度高(4mol/L),液接处扩散
15:48:02
2、离子选择电极性能
1)膜电位选择性
共存其它离子对膜电位产生有贡献吗? 若测定离子为i,电荷为zi;干扰离子为j,电荷为zj。 考虑共存离子也产生电位,则膜电位表达式可修正 为:
2.303RT 膜 K lg ai K ij (a j ) ZF
zi zj
(1)电位符合Nernst方程
(2)对待测离子活度变化响应迅速 (3)线性范围宽、重现性好 (4)对待测组分具有选择性
15:48:02
1)金属电极:基于电子转移的氧化还原电极 【第一类电极】:金属-金属离子电极 如Ag-AgNO3电极,表示为:M│Mn+(xmol/l)
M
n
ne M
M
n
2 2 2 2
O Hg 2 Cl 2 /Hg
O Hg Cl /Hg Hg 0 . 059 lg a ( Cl ) Cl /Hg
(1.0mol/L),高浓度溶液对敏感膜腐蚀溶解严重,也不易
获得稳定的液接电位。
3)响应时间
电极浸入试液后达到稳 电位(±0.1mv)所需时
间
15:48:02
液接电位和膜电位有何区别? 3 、参比电极:一定温度压力条件下,电极电位恒 定不变的电极。 (1)电位已知、恒定,不随试样溶液组成而改变 (2)与试样溶液接触时的液接电位小 (3)便于使用和保存
一、化学电池
二、指示电极和参比电极
三、电极电位
一、化学电池 电极:将金属放入对应溶液后所组成的系统。
化学电池:由两支电极、电解质溶液、导线构成、
化学能与电能相互转换装置。
原电池:自发地将化学能转变成电能装置。
电解池:将电能转变成化学能装置。 化学电池工作时,电流必须在电池内部和外部构成 闭合的回路时电池才能工作。
15:48:02
(5)酸差:pH<1时, 电位值偏离线性关系,使测
定pH比实际的高,产生正误差
(6)“碱差”或“钠差” : pH>9时,使测定pH比
实际的低,产生负误差
(7)pH=1~9范围电极电位与pH呈线性关系。
(8)不受溶液中氧化剂、还原剂、颜色及沉淀影 响,不易中毒;电极内阻很高,电阻随温度变化,
15:48:02
(2)响应机制:LaF3晶格中有空穴,在膜表面上,溶液中F可以进入到这些空穴中,使得在膜和待测溶液间形成双电层,
产ຫໍສະໝຸດ Baidu膜电位。
膜 K - 0.059lg F K 0.059pF
对于一定膜,离子大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶
体膜内。 (3)使用条件:在pH5~7之间使用,若pH高时溶液中OH-与 LaF3晶体膜中F-交换;pH低时溶液中F-会生成HF或HF2-,均影 响测定,测定线性范围10-1~10-6mol/l,离子强度一定。
aNO3- ≥4.1×10-5×1.0 1/2/5%, aNO3- ≥8.2×10-4mol/L。
测定的硝酸根离子的活度应大于8.2×10-4mol/L。
15:48:02
2)线性范围和检测限
①线性范围:电位符合 Nernst关系,AB段对应检测
离子活度(或浓度)范围。
② 级差(响应斜率) AB段斜率: 即活度相
主要是KCl向两边溶液的扩散, K+、Cl-扩散速度几
乎相等,在每一个界面形成的液接电位都很小,且
两个界面上形成的液接电位大小相近符号相反,这
两个液接电位又相互抵消一部分,最后的液接电位
基本恒定在1~2mV。
盐桥的作用:减小体系的液接电位;维持氧化还原
反应继续进行
15:48:02
15:48:02
二、指示电极和参比电极 1、指示电极:电极电位随被测离子的活度变换而 变化的电极。
流动载体电极
敏化电极(sensitized electrodes) 气敏电极:氨气敏电极
酶电极
15:48:02
15:48:02
15:48:02
15:48:02
pH玻璃电极(最早、最成功电极)
(1)结构
敏感膜:玻璃膜。厚度约为0.05~0.1mm
内参比电极:Ag-AgCl电极(管内)
内参比溶液:含0.1mol/LHCl溶液
/M
M
n
/M
2.303 RT lg a M n nF
【第二类电极】:金属-金属难溶盐电极 如Ag-AgCl电极,表示M│MnXm(难溶物)│X
MnXm + ne = mM + nX15:48:02
0.059 aM n 0.059 0.059 K sp lg lg aM n lg n aM n n (a x ) n
(4)结构简单、重现性和稳定性好
15:48:02
1)饱和甘汞电极
电极反应:Hg2Cl2 + 2e = 2Hg + 2 Cl-
表示:Hg│Hg2Cl2(固)│KCl
电极电位(25℃):
0.059 a(Hg 2Cl2 ) lg 2 2 a (Hg ) a 2 (Cl )
Hg Cl /Hg
15:48:02
2)离子选择电极:基于离子在膜内外迁移或扩散
所形成电极(ISE)--重要且常用指示电极
2.303RT 膜 K lg a ZF Z 离子电荷数 a 离子活度(m ol/ L)
该指示电极没有电子得失,不发生电极 反应,靠敏感膜对离子的选择性响应产 电极电位—膜电位。
15:48:02
构成膜的电活性物质必须满足以下条件
(1)在水中的溶解度要足够小
(2)有良好化学稳定性耐酸碱、抗氧化还原干扰
(3)具有离子导电性和不易被损坏 (4)选择性高 离子选择性电极的构成: 敏感膜、内参比电极、内参比溶液、电极管
15:48:02
离子选择性电极(又称膜电极)。
原电极(primary electrodes) 晶体膜电极:F-电极 均相膜电极 非均相膜电极 非晶体膜电极:玻璃电极 刚性基质电极
15:48:02
一、电化学分析法的类型 按测量参数分为 (1)电位分析法:测量电池电动势 (2)电导分析法:测量溶液电导值 (3)电解分析法:测量电解过程电极上析出物质量 (4)库仑分析法:测量电解过程中消耗电量; (5)伏安分析:电解过程中电流与电位变化曲线 (6)极谱分析:在伏安中使用滴汞电极。
【惰性金属电极】:铂或石墨与含有可溶性氧化态
和还原态物质的溶液组成。电极不参与反应,只起
导电作用。故惰性金属电极可作为溶液中氧化态和
还原态获得电子或释放电子的场所。
如:Pt│Ce4+,Ce3+;
0.059 aCe 4 lg 1 aCe3
金属指示电极较少使用,原因是它们易受溶液中共存 氧化、还原物干扰,电位值不稳定,重现性差。
阴极 阳极
电池反应
2Ag+Cu2+===2Ag++Cu
15:48:02
电解
3、液接电位与盐桥
在组成相同(浓度不同)或不同两溶液界面上,由
于离子扩散而形成的电位差--液接电位。
多 孔 膜 多 孔 膜 多 孔 膜 多 孔 膜
稀HCl + + + + + + -
浓HCl H+
Cl-
双电 层
15:48:02
差一数量级时,电位改变的数值,用S表示。理论上S=2.303
RT/zF , 25℃时, 一价离子S=0.0592 V, 二价离子S=0.0296 V。 离子电荷数越大,级差越小,测定灵敏度也越低,电位法多 用于低价离子测定。
15:48:02
③ 检测限:能检测出待测离子的最低浓度
图中AB与CD延长线的交点M所对应的测定离子的活度 (或浓度) 。离子选择性电极一般不用于测定高浓度试液
第八章 电化学分析法 第一节 电化学分析法概述
一、电化学分类 二、电化学特点
应用电化学基本原理和实验技术,依据物质电化学 性质来测定其组成和含量的一类方法称为电化学分
析或电分析化学。
本章重点:
(1)化学电池组成
(2)各类电极反应及相应Nernst方程式的表达 (3)pH玻璃电极和氟离子电极结构和工作原理 (4)直接电位法和电位滴定法应用
(5)Kij可用来估计干扰离子存在时产生的测定误差或确定
电极的适用范围(选择性电极误差)
zi zj
相对误 差
15:48:02
K ij (a j ) ai
100%
例1 用pNa玻璃膜电极(KNa+,K+=0.001)测定pNa=3的试液
时,如试液中含有pK=2的钾离子,则产生的误差是多少?
15:48:02
由于内参比溶液中的H+活度( a内)是固定的,则:
膜 K 0.059lga1 K 0.059pH
‘ '
pH玻璃电极特性
测量溶液pH定量依据
(1) 膜电位与试样溶液中pH成线性关系,K´由玻
璃膜本身性质决定常数
(2) pH电极电位由内参比电极电位和膜电位之和
(3) 不对称电位(25℃)
(2)响应机制: 水浸泡玻璃电极后,玻璃膜表面Na+与水中H+ 发生交换,
膜表面几乎全被 H+ 占据,形成水化凝胶层 (10-5~10-4mm) 。
当电极浸入待测溶液时,由于待测溶液H+浓度与水化凝胶
15:48:02
层H+浓度不同,产生浓差扩散形成双电层,产生电位差(膜
电位)
-
+ +
+
-
+ + + 双电 层
15:48:02
(1)对阳离子响应的电极,K 后取正号;对阴离子响应的
电极,K 后取负号。 (2)Ki j称为电极选择性系数 其意义为:在相同测定条件下,待测离子和干扰离子产
生相同电位时待测离子活度αi与干扰离子活度αj的比值。由
于受各种实验条件影响,Kij目前还没有理论计算值,只有 在一定实验条件下进行测量。 (3)通常K
ij<<1,
K
ij值越小,表明电极的选择性越高。例
如:Kij= 0.001时, 意味着干扰离子j 的活度比待测离子i
15:48:02
i的活度大1000倍 时, 两者才产生相同的电位。
attention: Zi、Zj分别为被测离子和干扰离子的电荷数 (4)选择性系数严格来说不是一个常数,在不同离子活度 条件下测定的选择性系数值各不相同。
解: 误差%=(KNa+,K+× aK+ )/aNa+×100%
=(0.001×10-2)/10-3×100% =1%
K NO 例2某硝酸根电极对硫酸根的选择系数:
3
, SO4
2
4.1 10 5
用此电极在1.0mol/L硫酸盐介质中测定硝酸根,如果要求测量 误差不大于5%,试计算可以测定的硝酸根的最低活度为多少 解: KNO3- ,SO42-×(aSO42- )z i/z j /aNO3- ≤5%
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氟离子选择电极
(1)结构:
敏感膜:氟化镧单晶膜(掺有EuF2 的
LaF3单晶切片晶格缺陷增多,
膜导电性增强)
内参比电极:Ag-AgCl电极(管内)
内参比溶液:0.1mol/L的NaCl和0.10mol/L 的NaF混合溶液(F-用来控制膜内表面的电位, Cl-用以固定内参比电极的电位)。
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二、电化学分析法的特点
(1)灵敏度高、选择性好、分析速度快
(2)仪器设备简单,操作方便 (3)应用广泛:卫生分析、医药分析、环境保护 传统电化学:无机离子分析H+、F-、Cl-、K+、NO2现代电化学:蛋白质、氨基酸、尿素、葡萄糖、胰
岛素、多巴胺、肌苷、酶活性等
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第八章 电化学分析法 第二节 电位法基本原理