离子选择性电极PPT参考课件.ppt

,单击此处编辑母版样式,单击此处编辑幻灯片母版样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,离子选择电极的类型及作用原理,一,.,分类,1,知识要点,膜电位产生的原理,电位法测定,pH,的原理,离子选择电极的类型,离子选择电极性能的重要参数：检测限、响应斜率、响应时间和电位选择性系数。,常用的离子选择电极的定量方法：直接比较法、校正曲线法、标准加入法,电位滴定反应的类型及其指示电极的选择,2,一膜电极,1.,膜电位,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,Dinann,电,位的代数和。,3,2.,扩散电位,在两种不同离子或离子相同而活度不同的液液界面上，由于离子扩散速度的不同，能形成液接电位，它也可称为扩散电位。扩散电位不仅存在于液液界面，也存在于固体膜内，在离子选择电极的膜中可产生扩散电位。,4,3.Donann,电位,若有一种带负电荷载体的膜（阳离子交换物质）或选择性渗透膜，它能交换阳离子或让被选择的离子通过，如膜与溶液接触时，膜相中可活动的阳离子的活度比溶液中的高，膜让阳离子通过，不让阴离子通过，这是一种强制性和选择性的扩散，从而造成两相界面的电荷分布不均匀，产生双电层形成电位差，这种电位称为,Donann,电位，在离子选择电极中膜与溶液两相界上的电位具有,Dinann,电位性质。,5,4,膜电位,M,、,Donnan,电位,D,和扩散 电位,d,的 定量关系,膜相,溶液（外）,d,溶液（内）,D,外,D,内,6,当研究物质在相界上达到平衡时，电化学势相等，即：,*,=,*,这时，,o,+RTln,+ZF,=,o,+RTln,+ZF,设,Z=1,，,o,=,o,，则：,F,（,-,）,=RTln,/,D,=,-,=RT/Fln,/,7,M,=,D,外,+,d,+,D,内,8,选择电极电位,ISE,ISE,=,内参,+,M,k*RT/Fln,I,外,k*,内包括了,d,，,内参,，,，,I,内,常数。,E,电,=,SCE,ISE,9,膜电极的共性,低溶解性：膜在溶液介质,(,通常是水,),的溶解度近似为,0,，因此，膜材料多为玻璃、高分子树脂、低溶性的无机晶体等；,导电性,(,尽管很小,),：通常以荷电离子的在膜内的迁移形式传导；,选择性：膜或膜内的物质能选择性地和待测离子“结合”。通常所见到的“结合”方式有：离子交换、结晶、络合。,10,二,.,玻璃膜电极,最早也是最广泛被应用的膜电极就是,pH,玻璃电极。它是电位法测定溶液,pH,的指示电极。玻璃电极的构造如图（玻璃电极），下端部是由特殊成分的玻璃吹制而成球状薄膜。膜的厚度为,0,1mm,。玻璃管内装一定,pH,值（,PH=7,）的缓冲溶液和插入,Ag,AgCl,电极作为内参比电极。,11,干玻璃,Ag+AgCl,内参比液,水化层,水化层,外部试液,电极构造,球状玻璃膜,(Na2SiO3,0.1mm,厚,)+,内参比电极,(Ag/AgCl)+,缓冲液,膜电位产生机理,当内外玻璃膜与水溶液接触时，,Na2SiO3,晶体骨架中的,Na+,与水中的,H+,发生交换：,G-Na+H+=G-H+Na+,，因为平衡常数很大，因此，玻璃膜内外表层中的,Na+,的位置几乎全部被,H+,所占据，从而形成所谓的“水化层”。,12,G,-,Na,+,H,+,G,-,H,Na,SiO,H,+,H,2,0 SiO,-,H,3,0,+,13,目前有,H,+,，,Na,+,，,K,+,，,Ag,+,，,Li,+,的玻璃电极。,14,玻璃膜,=,水化层,+,干玻璃层,+,水化层,电极的相,=,内参比液相,+,内水化层,+,干玻璃相,+,外水化层,+,试液相,膜电位,M,=,外,(,外部试液与外水化层之间,),+,玻,(,外水化层与干玻璃之间,),-,玻,(,干玻璃与内水化层之间,),-,内,(,内水化层与内部试液之间,),PH,测定的电池组成为：,Ag,AgCl,pH,溶液,(,已知浓度,),玻璃膜,pH,试液,KCl(,饱和,),Hg2Cl2,Hg,15,玻璃电极特点,不对称电位：,当玻璃膜内外溶液,H+,浓度或,pH,值相等时，从前述公式可知，,M=0,，但实际上,M,不为,0,，这说明玻膜内外表面性质是有差异的，如表面的几何形状不同、结构上的微小差异、水化作用的不同等。由此引起的电位差称为不对称电位。其对,pH,测定的影响可通过充分浸泡电极和用标准,pH,缓冲溶液校正的方法加以消除。,酸差：,当用,pH,玻璃电极测定,pH0,此时,p-nd,间构成反向偏置，因,d-s,间无导电沟道，故,Id=0,当,Ugs0,g-p,间形成电场，空穴受斥移向,p,内，而,Uds,将载流子,(,电子,),吸引到表面，形成导电沟道。用电极敏感膜代替栅极,g,，当此敏感膜与试液接触时，其表面电荷分布改变，产生的膜电位迭加到,s-g,上，从而使,Id,发生变化，该响应与离子活度之间的关系遵循,Nernst,公式。,在栅极上涂,PVC,膜，可得到对,K+,，,Ca,2+,，,H,+,，,X,-,等,29,14,4,离子选择性电极的性能参数,（）,Nernst,响应、线性范围、检测下限,以离子选择电极的电位对响应离子活度的负对数作图（见图），所得曲线称为校正曲线。若这种响应变化服从于,Nernst,方程，则称它为,Nernst,响应。此校准曲线的直线部分所对应的离子活度范围称为离子选择电极响应的线性范围。该直线的斜率称为级差。当活度较低时，曲线就逐渐弯曲，,CD,和,FG,延长线的交点,A,所对应的活度,a,；称为检测下限。,30,31,其中,i,为特定离子，,j,为共存离子，,Zi,为特定离子的电荷数。第二项正离子取,+,，负离子取。,K,ij,pot,称为选择性系数，该值越小，表示,i,离子抗,j,离子的干扰能力越大。,K,ij,pot,有时也写成,K,ij,，它虽为常数，数值也可以从某些手册中查到，但无严格的定量关系，常与实验条件有关。它可以通过分别溶液法和混合溶液法测定。,（二）选择性系数,离子选择电极除对某特定离子有响应外，溶液中共存离子对电极电位也有贡献。这时，电极电位可写成,32,1,分别溶液法,分别配制活度相同的响应离子,i,和干扰离子,j,的标准溶液，然后用离子电极分别测量电位值。,i,k+Slg,i,j,k+SlgK,ij,j,因为,，,i,=,j,33,式中,S,为电极的实际斜率，对不同价态的离子，则,34,2,混合溶液法,混合溶液法是在对被测离子与干扰离子共存时，求出选择性系数。它包括固定干扰法和固定主响应离子法。,35,如固定干扰法。该法先配制一系列含固定活度的干扰离子,j,和不同活度的主响应离子,i,的标准混合溶液，再分别测定电位值，然后将电位值,E,（,）,对,p,i,作图。从图中求得,i,=K,ij,j,Zi/Zj,K,ij,=,i,/,j,Zi/Zj,36,（三）响应时间,响应时间是指离子电极和参比电极一起从接触试液开始到电极电位变化稳定（波动在,lmV,以内）所经过的时间。该值与膜电位建立的快慢、参比电极的稳定性、溶液的搅拌速度有关。常常通过搅拌溶液来缩短响应时间,37,（四）内阻,离子选择电极的内阻，主要是膜内阻，也包括内充液和内参比电极的内阻。各种类型的电极其数值不同。晶体膜较低、玻璃膜电阻较高。该值的大小直接影响测量仪器输入阻抗的要求。如玻璃电极为,10,8,，若读数为,1mV,，要求误差,0,l,，测试仪表的输人阻抗应为,10,11,。,38,14,5.,定量方法,由于液接电位和不对称电位的存在，以及活度系数难以计算，一般不能从电池电动势的数据通过,Nernst,方程式来计算被测离子的浓度。被测离子的含量还需通过以下几种方法测定。,39,（）校准曲线法,配制一系列含有不同浓度的被测离子的标准溶液，其离子强度用惰性电解质进行调节，如测定,F,-,时，采用的,TISAB,溶液。用选定的指示电极和参比电极插入以上溶液，测得电动势,E,作,E,lg C,或,E,pM,图。在一定范围内它是一条直线。待测溶液进行离子强度调节后，用同一对电极测量它的电动势。从,E,lg C,图上找出与,Es,相对应的浓度,Cx,。由于待测溶液和标准溶液均加人离子强度调节液，调节到总离子强度基本相同，它们的活度系数基本相同，所以测定时可以用浓度代替活度。由于待测溶液和标准溶液的组成基本相同，又使用同一套电极，液接电位和不对称电位的影响可通过校准曲线校准。,40,（,二）,标准加入法,待测溶液的成分比较复杂，难以使它与标准溶液相一致。标准加人法可以克服这方面的困难。,先测定体积为,Vx,、浓度为,Cx,的样品溶液的电池电动势，即,Ex=k+SlgCx,然后,加入一定量标准溶液,测定,E=K+Slg,（,Cx+Cs,）,41,当加入的标准溶液的体积较小时，,Vx,Vs,，则,Vs+VxVx,，上式简化为,42,（三）,直接电位法的准确度,在直接电位法中，浓度相对误差主要由电池电动势测量误差决定。它们之间是对数关系，即,43,微分，可得,对一价离子，,E=1mV,，则浓度相对误差可达,4%,，对二价离子，则高达,8%,。,44,14,6.,电位滴定法,电位滴定的基本原理与普通容量分析相同，其区别在于确定终点的方法不同，因而具有下述特点：,（,l,）准确度较电位法高，与普通容量分析一样，测定的相对误差可低至,0,2,(2),能用于难以用指示剂判断终点的浑浊或有色溶液的滴定,（,3,）用于非水溶液的滴定某些有机物的滴定需在非水溶液中进行，一般缺乏合适的指示剂，可采用电位滴定,（,4,）能用于连续滴定和自动液定，并适用于微量分析,45,46,滴定曲线,以,pX(,或电动势,),对滴定体积作图所绘制的曲线，称为滴定曲线。发生电位突变时所对应的体积即为终点时所消耗的滴定剂体积。,47,48,微分曲线,对上述滴定曲线微分或以,pX(,或电动势,),对,E/,V,作图所绘制的曲线，称为微分曲线。终点时出现的尖峰所对应的体积为滴定体积。滴定曲线可进行多次微分而得到不同阶次的微分曲线，这些曲线均可用于滴定终点的指示。,49,二、,Gran,作图法确定终点,将,E,直接对,lgC,作图，可得一不通过原点的校正曲线；,Elgc10E/ScAB,将,E=K+Slgc,改为，以,10,E/S,对,c,作图，可得一通过原点的直线。,加入标准待测物，以,E lg(1+,C/Cx),作图，为,Nernst,式标准加入法。,加入标准待测物，以,(Vx+Vs),10E/S,Vs,作图,为,Gran,式加入法。,50,滴定终点的确定,于含有浓度为,cx,的试液加入浓度为,cs,的待测物,X,。随滴定剂的加入，,X,的浓度渐渐降低,(c,5,c,4,c,3,c,2,c,1,),，这相当于在标准加入法中，在样品中加入了一系列不同体积,Vs,的滴定剂。以滴定剂体积对,(Vs+Vx),10E/S,作图，并将直线外延至与,Vs,相交于一点，该点即为滴定终点所对应的体积。,51,Gran,作图法具有几个优点,不须作出整个滴定曲线，只要作四五个点即可通过外推法确定终点；,可以克服当溶度积常数大或配合物稳定常数差时，滴定终点不明显、测量误差大的缺点；,如果使用,Gran,作图纸，则不须进行繁杂的指数计算。,52,