电位分析法（临床医学八年制）

null电位分析法电位分析法(Potentiometry)化学电池　chemical cell化学电池　chemical cell原电池　galvanic cell 电极反应能自发进行的化学电池E＝E正－E负＋－阳极阴极电解池　electolytic cell 在两电极上施加一定电压电极反应才能进行的化学电池化学电池的分析应用化学电池的分析应用　　固定一个电极的电极电势不变(参比电极)，原电池的电动势只随另一个电极(指示电极)的变化而变化：　直接电势法 测出原电池的电动势，可计算出Mn+的活度。电势滴定法 滴定Mn+时，计量点附近Mn+的活度发生突变，E发生突变，指示终点。电化学分析法概述电化学分析法概述电化学分析法(electroanalytical methods)　利用物质的电学和电化学性质进行分析的方法 方法概要　将被测溶液组成一个化学电池，根据电池的某个物理量和物质化学量之间的关系进行测定 1.　试液浓度与电池物理量关系 电位分析　电导分析　库仑分析　伏安分析 2.　物理量突变指示滴定终点 电位滴定　电流滴定　电导滴定 3.　将待测组分在电极上电解析出　电解分析法　 特点：灵敏　准确　能进行形态分析　易实现自动化　 方法多　应用广电位分析法基本原理电位分析法基本原理.相界电势与(金属)电极电势△E=ES－ELESEL 相界电势 phase boundary potential 电极电势 electrode potential 电极 electrode 化学双电层 chemical double layer液接界面 liquid junction boundary液接界面 liquid junction boundary液接界面相界面液接界面　组成不同的溶液间的接触面液接电位　液接界面间的电位差参比电极 reference electrode参比电极 reference electrode 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 氢电极standard hydrogen electrode，SHE是一级参比电极，制作和使用不便，实际使用少。 甘汞电极 Ag－AgCl电极参比电极　　电极的电位不受溶液组成和变化的影响，其电势基本固定不变的电极。　饱和甘汞电极 saturated calomal electrode，SCE饱和甘汞电极 saturated calomal electrode，SCE汞石棉饱和KCl溶液素烧瓷片Hg，HgCl(s) | KCl(aq)饱和甘汞电极在温度改变时常显示出滞后效应，当温度在353K以上时变得不稳定。Ag－AgCl电极 silver－silver chloride electrodeAg－AgCl电极 silver－silver chloride electrode素烧瓷片Ag－AgClAg饱和KClAg，AgCl(s) | KCl(aq)指示电极 indicator electrode指示电极 indicator electrode对指示电极的要求：1. 对待测离子的活度产生灵敏的能斯特响应 2. 响应速度快 3. 干扰物质少，较易消除一、金属电极 金属－金属离子电极(第一类电极)　Cu/Cu2+ 金属－金属难溶盐电极(第二类电极) Hg,Hg2Cl22+ / Cl－ 汞电极(第三类电极) Hg | HgY，MY，Mn+ 惰性金属电极(零类电极) Pt | Fe3+，Fe2+ 二、膜电极－－离子选择性电极指示电极　电极的电势随溶液中待测离子的活度变化而变化的电极。　电极的分类离子选择性电极的分类离子选择性电极的分类pH玻璃膜电极pH玻璃膜电极绝缘套内参比溶液 0.1mol·L-1HClAg－AgCl 内参比电极高阻玻璃H+敏感膜 50～100μm. 玻璃膜组成 NaO 22% CaO 6% SiO2 72% | | O O 　　　| | －O－Si－O－Si－O－ Na+ | | O O | | 玻璃膜内外表面与水接触时能吸收水分形成厚度为10-4～10-5 mm的水化层，此层中的Na+可与溶液中的H+交换，使膜内外表面上的Na+点位几乎全被H+占据。越深入凝胶层内部，交换的越少。膜电位的产生膜电位的产生　在两相界面上含有带电粒子如离子、电子和双极分子等，它们在两相中的分布不均匀，就会出现正负电荷的分离，界面上产生电位差，这一电位差称为膜电位。扩散电位特点：由离子在溶液中扩散速度的差异。与离子的浓度、电荷数、迁移速度、溶剂和性质有关。属自由扩散，正负离子都可以扩散通过界面，没有强制性和选择性。液体接界电势 liquid junction potential液体接界电势 liquid junction potential液体接界电势　两种组成不同，或组成相同浓度不同的电解质溶液接触界面两边存在的电势。简称液接电势。消除方法：在两溶液间连接内充高浓度KCl(或其它电解质)溶液的盐桥。 　　因高浓度KCl溶液与稀电解质溶液接触时，扩散作用以K+、Cl－向稀溶液扩散为主，而K+、Cl－的淌度十分接近，形成的液接电势仅1～2mV。膜电位的产生－－道南电位膜电位的产生－－道南电位1 KCl c12 KCl c2+ + +－ － －c2＞c1　　设有一渗透膜，它至少能阻止一种离子从一个液相扩散至另一液相，于是造成两相界面电荷分布不均匀，产生双电层结构而有电位差。这一电位差称为道南电位。特点：扩散具有强制性和选择性。 电位公式为：正离子负离子设膜只容许K＋扩散通过玻璃膜电势产生机理玻璃膜电势产生机理　　水化层允许直径很小而活动能力强的H+进入，而阴离子及高价阳离子难以进入。 　　水化层与溶液接触时，因水化层表面和溶液中的H+活度不同，H+从活度大的一方向活度小的一方扩散，　　扩散达到动态平衡时，原来H+活度大的一方余下过剩的阴离子， H+活度小的一方有多余的阳离子。在相界面上产生稳定的双电层，相界电势达到稳定值。膜两侧相界电势的产生不是由于电子的转移，而是H+在溶液和水化层界面间的转移。玻璃膜电势玻璃膜电势膜电势　在膜内外的固－液界面上电荷分布不同使膜两侧产生的电势差。+ + +－ － － －+ + + +－ － －a(H+)内a(H+)试a’(H+)试a‘(H+)内10-4～10-510-4～10-5　mm10-1E(内)E(试)H+H+E试＝k1+0.05916lgaH+ (试)/a’H+(试)E内＝k2+0.05916lgaH+ (内)/a’H+(内)E(膜)=E(试)－E(内).内外水化膜表面性质基本相同 　　k1=k2 所有Na+已被H+取代a’(H+)内=a’(H+)外pH玻璃电极的不对称电势pH玻璃电极的不对称电势不对称电势 玻璃膜内外表面性质不同产生的电　　　　　　势　　反映在k1、k2的大小上 大小范围：1～30mV 产生原因：内外两侧的表面张力、含Na+浓度、　　 机械或化学腐蚀等原因的不同。 特性：随时间缓慢改变 消除：用标准缓冲溶液给仪器定位，并经常校验。pH玻璃电极的碱差和酸差pH玻璃电极的线性范围　　pH 1～9 pH<1时 测出的pH值偏高 pH>9时　测出的pH值偏低 Na+、K+进入水化层比较法测定溶液pH的原理比较法测定溶液pH的原理E＝ESCE －(EAgCl/Ag＋ΔEM)＋ΔE不对称＋ΔEL ＝K’ +(2.303RT/F)pH＝K’ + 0.05916pH（25oC）EX=K’ + 0.05916VpHX ES=K’ + 0.05916VpHS水溶液pH值的操作定义(pH标度)： 以标准缓冲溶液为基准，通过比较EX和ES，而按上式计算出的pHx值。Ag|AgCl|HCl(0.1mol·L-1)|玻璃膜|试液||KCl(饱和)|Hg2Cl2|Hg比较法测定pH值应注意的问题比较法测定pH值应注意的问题 应进行温度补偿并测定过程中保持恒定 EX－ES与pHX－pHS成直线关系，斜率2.303RT/F 是温度的函数 选择pH值与待测液相近的标准缓冲溶液定位 某些因素改变使K’变化，应使KX’与KS’尽可能一致 读数完毕，应立即断路。 玻璃电极与待测液接触的时间应尽可能短 读数时要分清酸度计的分度值 玻璃电极不用时要浸在蒸馏水中保存离子选择性电极的选择性离子选择性电极的选择性共存的其它离子也产生膜电势。对于pH电极：一般要求Kij ≥10-2 。Ki,j 的大小随i，j的活度、实验条件、测定方法等变化。可粗略判断杂质离子对电极的干扰程度为电极的Na+对H+的选择性系数。即，在其它条件相同时，提供相同电位的H+活度与干扰离子Na+活度的比值。K越小，选择性越高。测定Mi 离子时，若有干扰离子Mj，　则：利用选择性系数计算测定误差利用选择性系数计算测定误差当Ki,j=10-2， aj = ai，ni=nj=1时当Ki,j=20，aj=ai/100，ni=nj=1时例题　 某NO3－选择电极的Ki,j=4.1×10-5，在1mol·L-1硫酸盐溶液中测定NO3－，若要求SO42－产生的误差不超过5%，估计待测溶液的NO3－活度应不低于多少？解：晶体膜电极晶体膜电极以难溶盐晶体代替玻璃膜制成的离子选择性电极 特点：　离子导电 测定主要对象：组成该难溶盐晶体的构晶离子 如F-、Cl-、Br-、I-、S2-、SO42-、Cu2+、Pb2+、Cd2+ 单晶膜电极　用难溶盐的单晶薄膜作敏感膜。　 　如　F－选择电极　LaF3晶体膜 多晶膜电极　用难溶盐的粉末在高压下压制而成 的薄膜作敏感膜 如 AgCl、AgBr、AgI、Ag2S多晶膜电极，对Cl-、 Br-、I-、S2-有响应。 膜电势受它们各自的Ksp所控制单晶膜电极　F－选择电极单晶膜电极　F－选择电极 Ag-AgCl 内参比电极 NaF-NaCl 内参比溶液LaF3单晶LaF3晶体有空穴，晶格上的F-可入晶格附近空穴而导电。E(膜)＝K－0.05916lgaF- ＝K＋ 0.05916pF 线性范围： c(F-)=10-2～10-6 mol·L-1 检测下限：由Ksp决定 10-7mol·L-1 适用酸度：pH＝5～6 pH>7，OH－参与交换(正干扰) LaF3+OH－===La(OH)3+3F－ pH＜5，生成HF H2F－(负干扰) 干扰：　少。但与F－生成配合物、难溶化合物的离子有干扰。Ag2S电极Ag2S电极离子接触型全固态型Ag+检测下限：理论上10-16mol·L-1也可测定CN－，在试液中加入10-5－10-6 mol·L-1 Ag(CN)2－可用来测定S2－aCN-改变10倍，aAg+改变100倍。测定aCN-变化时aAg+的变化，从而测定aCN- 由于膜和容器壁对Ag+的吸附，实际检测下限为10-7mol·L-1 。晶体膜电极的导电机理晶体膜电极的导电机理固体膜电极的活性材料都是离子晶体，导电过程是由电荷较少、半径较小的阴离子或阳离子实现，离子利用空穴或填隙位置运动通过晶体网格而传导电荷。在LaF3、Ag2S、AgX晶体中，由于阳离子和阴离子半径相差大，从而形成弗伦开尔缺陷(Frenkel defect)。LaF3晶体是F－导电， Ag2S晶体是Ag＋导电液体膜电极（活动载体电极）液体膜电极（活动载体电极）　　敏感膜由待测离子的盐类、配合物等溶解在不与水混溶的有机溶剂中，再使该有机溶剂渗入惰性多孔物质而制成。 特点：电阻小，响应快，选择性不如晶体膜电极。 如Ca2+电极在膜两侧的界面上发生离子交换反应测定下限：　10-5 mol·L-1 Ca2+ 适用pH范围：　5～11 干扰：　少，1000倍Na+、K+的不干扰。 选择性:取决于液体离子交换剂对阴、阳离子的交换选择性其它流体膜电极其它流体膜电极　载体带负电荷　阳离子电极　如烷基磷酸盐　Ca电极 　羧基硫醚R－S－CH2COO－　铜电极　铅电极 　四苯硼酸盐(C6H5)4B－　与有机阳离子缔合，药物电极 　载体带正电荷　阴离子电极　 1.　鎓类阳离子　季铵　季鏻　季鉮盐大阳离子 2.　邻二氮杂菲－过度金属配阳离子 3.　碱性染料类阳离子　如次甲基蓝　结晶紫　乙基紫 　中性载体　有未成对电子　能与响应离子配位形成配阳离子　如抗生素　冠醚等。 　主要对碱金属和碱土金属响应　　M＋＋S＝＝MS＋　　平衡趋向正向进行，产生界面双电层。MS＋越稳定，电极选择性越高，响应离子的萃取常数越大，灵敏度越高。Ca2+液体膜电极构造示意图Ca2+液体膜电极构造示意图 Ag-AgCl 内参比电极内参比溶液 0.1mol·L－1 CaCl2水溶液液体离子交换剂S 　　0.1mol·L－1二癸基膦酸钙[(RO)2POO]2Ca的苯基膦酸二辛酯溶液外壳浸有液体离子交 换剂的多孔性膜液体离子交换剂流体膜电极的导电机理流体膜电极的导电机理　　aCa,试越大，进入膜中的Ca2+越多，膜表面带正电荷越多，改变了膜界面的电荷分布而改变相间电位E试。如果aCa,试与aCa,内不同，则产生跨越膜的膜电位。[(RO)2POO]2Ca　　载体与响应离子生成的缔合物越稳定，响应离子在有机溶剂中的淌度越大，选择性越好。活性物质在有机相和水相中的分配系数越大，电极的灵敏度越高。敏化电极敏化电极 气敏电极　由离子选择性电极与参比电极组成的复合电极 如由pH玻璃膜电极外加一层透气膜组成氨电极 酶电极　将酶固定在胶层中，再履盖在离子选择性电极敏感膜外面组成的电极。　能对某一特定的基质具有选择性，能响应反应过程中某一组分的活度变化。 将脲酶固定在氨电极上制成脲酶电极，可测定血中尿素。可用氨电极测定反应生成的NH4+。中介液中 因中介液中c(NH4+) 大，可视为不变，因此，玻璃膜电极的电势为：脲酶氨电极构造示意图氨电极构造示意图参比电极中介液 (0.1mol·L-1NH4Cl)敏感膜电极头电极管内参比液透气膜pH玻璃膜电极内参比电极酶电极结构示意图酶电极结构示意图酶基体层离子选择剂膜内参比液内参比电极组织电极(tissue based membrane electrodes)组织电极(tissue based membrane electrodes)　以动植物组织代替酶作为生物膜材料所构成的电极1.组织中含有大量酶，2.组织中的酶稳定，功效强，电极寿命长，3.　组织适于制膜，有机械强度。直接电位法直接电位法方法一：标准对照测量法方法一：标准对照测量法由SCE，离子选择电极和待测溶液组成电池　　分别测定浓度为CS的标准溶液和浓度为CX的待测溶液的电池电动势ES、EX，相减得：代入CS值，解出CX。 测阳离子，取“－”号；测阴离子取“＋”号。氟离子选择电极测定F－氟离子选择电极测定F－E＝(EAgCl/Ag＋ΔELaF3膜)－ ESCE＋ΔEL＋ΔE不对称Hg|H2gCl2|KCl(饱和)|试液||LaF3膜|NaF,NaCl,AgCl|Ag方法二：标准曲线法方法二：标准曲线法操作步骤： 测定被测离子系列浓度标准溶液和参比电极的电动势ES，作E－lgc 标准曲线。　　为保证γ不变，加入总离子强度调节缓冲液TISAR(Total ionic strength adjustment buffer) 测F－时，NaCl 0.1、HAc 0.25、NaAc 0.75、柠檬酸钠　0.001mol·L-1，pH5.0 I=1.75。 在同样条件下测定试样溶液的EX，在标准曲线上查出与EX相对应的CXlgciExc方法三　标准加入法方法三　标准加入法被测试液成分复杂、离子强度大时采用标准加入法取一份待测试液，测得电动势E1往此试液加入浓度是其100倍，体积约为1/100的标准溶液　　两次测定在同一体系中进行，Ej、γ、x等影响因素相同。令：则：测定时，CS、V0、VS必须准确测量，并控制△E≈20～50mV 优点：不需系列标准溶液，不需加TISAR，操作简便快速。测得电动势E2，忽略体积变化思考题：推导考虑体积变化的计算公式。x1 　游离（未配位）离子的摩尔分数。方法四　格氏(Gran)作图法方法四　格氏(Gran)作图法在V0mL试液中，加入不同体积Vs的标准溶液，分别测定E，以(V0+Vs)10E/S为纵坐标，Vs为横坐标作图得一直线，延长直线与横坐标轴相交得Vs(负值)。因(V0+Vs)10E/S=0，则k(cxV0+csVs)=0空白试样空白试验　不加样品按同样操作 进行的试验，可以校正试剂等引起的误差。用半对数格氏坐标纸作图法用半对数格氏坐标纸作图法规定V0＝100mL，Vs=0－10mL，考虑10%稀释效应的半对数格氏坐标纸如图。横坐标1mL·格-1，纵坐标5mV·格-1.空白试液注意 1.　若V0为100mL的A倍，横坐标上每大格应变为AmL 2.　纵坐标为10nE/S，一价离子取S=58mV，每大格代表5mV，二价离子的S=29mV，就将测得的电动势乘2。 3.　空白试验的目的是消除电极的斜率误差和试剂空白。 　作图法实为多次标准加入法，麻烦，但可提高准确度。影响直接电位法测定准确度的因素影响直接电位法测定准确度的因素 溶液的pH值　　　　　干扰离子 待测离子浓度　10-1～10-6mol·L-1　 响应时间　电极浸入试液后得到稳定电势95%所需时间 　待测离子浓度越大，响应越快 　待测离子的扩散速度　搅拌可缩短平衡时间 　离子强度　一般含大量非干扰离子时　响应较快 　膜越薄　响应越快　膜越光洁　响应越快 温度　E=K’ ±(2.303RT/nF)lga K’包含Ej、E(参)、E(内) 电动势测量误差　对 E=K’ ±(RT/nF)lnc 微分得　　1mV=0.001V电位的测量误差，一价离子的浓度误差为4%，二价离子为8%，只宜于测定低价离子。离子选择电极的检测限与响应斜率离子选择电极的检测限与响应斜率　　以离子电极的电位E对响应离子活度的负对数pa作图，所得曲线叫做校准曲线。电极的线性响应范围　直线部分CD。当斜率与理论值2.303RT/nF基本一致时，称为有能斯特响应。A检测限　是灵敏度的标志，实际应用中定义为CD与FG两外推线交点A处的活度或浓度值。测试仪器测试仪器1.　有高输入阻抗的电子毫伏计　输入阻抗是指测量时横跨在离子计输入端的等效电阻。即为保证1/1000的测量准确度，仪器的输入阻抗应是电池内阻的1000倍以上。离子电极最大内阻为5－10×109欧。 2.　测量精度达到0.2mV，对应误差2%。RE%=3900nΔE 3.　稳定性良好　8－10小时或电压波动10%时零点漂移为±2mV以内。当要求测量的相对误差小于1/1000时测量相对误差为离子计测量电池离子选择性电极在生物学中的应用离子选择性电极在生物学中的应用1. 仪器阻抗与测量误差仪器阻抗与测量误差　　设pH玻璃电极的内阻为108欧，检流计的灵敏度为10-9A，即可能造成的电流的测量误差为10-9A ，由此产生的电动势测量误差为接近2个pH单位的电位。 　　若仪器的阻抗为1011欧，则相当于0.002pH单位。电位滴定法电位滴定法电势滴定法电势滴定法电势滴定法　根据指示电极在滴定过程中发生相 对的电势突跃指示终点的滴定分析方法 可用于有色、浑浊溶液的滴定 滴定反应条件 计量关系确定 平衡速度快 终点确定方法 E－V曲线法 △E/ △V－V曲线法 △2E/ △V2－V(二级微商)法指示电极参比电极直流毫伏计搅拌器搅拌子0.1000mol·L-1 AgNO3 溶液滴定0.1000mol·L-1的NaCl溶液在化学计量点附近的电势滴定数据0.1000mol·L-1 AgNO3 溶液滴定0.1000mol·L-1的NaCl溶液在化学计量点附近的电势滴定数据E－V滴定曲线E－V滴定曲线操作方法 绘制E－V曲线3.作两平行线的等分线4.确定平分线与曲线的交点5.交点对应的V 即终点体积2.作两条与曲线 相切的平行行线△E/△V－V曲线△E/△V－V曲线操作方法 1. 绘制△E/△V－V曲线2.曲线峰值对应的V 即终点体积△2E/△2V－V曲线△2E/△2V－V曲线作图法 绘出△2E/△2V －V曲线计算法 计算出计量点前后两体积V1,V2的△2E/△2V 内插法求出V计量V2V1V.△2E/△2V＝0所对应的体积即V计量电势滴定法的应用电势滴定法的应用　　解决浑浊　有色　突跃范围小的滴定问题 　　　　　　　　　　酸碱滴定 　参比电极　甘汞电极　指示电极　pH玻璃电极 水溶液、非水溶液中弱酸　弱碱　多元酸碱　混合酸碱　 　　　　　　　　　　配位滴定 EDTA滴定　汞电极　其它滴定　离子选择性电极　　 　　　　　　　　　　沉淀滴定 银量法　指示电极　Ag电极　卤化银(或硫化银)膜电极 　　　　　　　　　氧化还原滴定 指示电极　惰性金属电极电势分析法小结电势分析法小结相界电势　定义　产生机理　液体接界电势 参比电极　甘汞电极　Ag-AgCl电极　构成　特性 指示电极　金属电极　金属－金属难溶盐电极　汞电极 　　惰性金属电极　 　　膜电极　pH玻璃电极　单晶体膜电极(F-电极)　 　　液体膜电极(Ca2+电极)　　气敏电极(氨电极) 各种膜电极产生膜电势的机理　膜电势公式 离子选择性电极的主要性能 直接电势法　比较法　标准曲线法　标准加入法 　　　　　　原理　操作步骤　计算公式　pH值的测定 电势滴定法　指示滴定终点的方法、原理、计算公式 　　E－V曲线　 △E/△V－V曲线　 △2E/△2V－V曲线 电势分析法的应用 作业　9　10　11　12　13金属－金属离子电极金属－金属离子电极　　简称金属电极，由能发生氧化还原反应的金属插在该金属离子的溶液中组成，其电极电势决定于溶液中金属离子的活度(或浓度)用于测定金属离子的活度或浓度。Ag－Ag+电极常用于银量法指示终点金属－金属离子电极只有一个相介面，称为第一类电极金属－金属难溶盐电极金属－金属难溶盐电极　　由表面涂有一层同种金属难溶盐的金属插在该难溶盐的阴离子溶液中构成。其电极电势随溶液中阴离子活度(浓度)改变而改变。 　　可用于测定难溶盐阴离子的浓度Ag，AgCl(s) | KCl(aq)金属－金属难溶盐电极含有两个相介面称为第二类电极第三类电极第三类电极　　由金属与两种具有相同阴离子的难溶盐(或难离解的配合物)，再与含有第二种难溶盐(或难离解配合物)的阳离子组成的电极体系。 　　如在以草酸银和草酸钙饱和过的含有钙离子的溶液中，用银电极可以指示钙离子的活度。 Ag|Ag2C2O4,CaC2O4,Ca2+有三个相界面称第三类电极汞电极汞电极　由汞电极或镀汞银电极浸入含有被测离子Mn+的溶液中，并加入少量(3－5滴0.05mol·L-1)的HgY2－配合物组成。常在EDTA配位滴定中作指示电极。 　　　　　　Hg | HgY2－，MY(n－4)，Mn+　详见P141　图－18汞电极指示配位滴定终点的原理汞电极指示配位滴定终点的原理　　滴定过程中虽然a(MYn-4)逐渐变化，但a(HgY2-)基本不变。因此：应用条件：KMY＜KHgY　Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+、Al3+ (pH2－11)。pH>11，生成HgO　pH<2，HgY2-不稳定 溶解氧有影响，特别是在碱性溶液中，通氮气除去。KMY＜KHgY惰性金属电极惰性金属电极　　由惰性金属（Pt 或 Au）插入含有某氧化形和还原形电对的溶液中组成。 　　如 Pt | Fe3+，Fe2+惰性电极也称氧化还原电极，又称零类电极。　　惰性金属不参与氧化还原反应，只起传递电子的作用。电极电势决定于电对氧化形和还原形活度（或浓度）的比值。可用于测定的氧化形浓度或还原形浓度或它们的比值。