电位法及永停滴定法 仪器分析.ppt

仪器分析,南方医科大学药学院 段文军 Tel: 18665601160 E-mail: wendyduan126.com,课程安排,理论课：46学时 考试：2学时 总评成绩：期末考试成绩6080测验成绩2010 平时成绩2010,课 程 目标,1. 要求学生掌握常用分析仪器的原理、基本结构和分析方法。 要求学生熟悉常用仪器分析方法的特点和应用范围，具有根据样品性质和分析目的选择适宜的分析方法的能力。 要求学生熟悉常用分析仪器的使用（酸度计、分光光度计、高效液相色谱仪等）。,学习要求,动脑 动手 动嘴,带着？来听课,提问 作业 查文献,预习,听课,课后,参考书目,1. 刘密新主编. 仪器分析（第2版）. 北京：清华大学出版社，2006。 2. 方惠群等. 仪器分析.北京：科学出版社，2013。 3. 汪尔康主编. 生命分析化学. 北京：科学出版社，2006。 4. 赵怀清主编. 分析化学学习指导与习题集（第3版）. 北京：人民卫生出版社，2012。 5. 庄乾坤主编. 分析化学学科前沿及展望. 北京：科学出版社，2012。 6. 段文军主编. 分析化学实验教程. 西安：第四军医大学出版社, 2007。 7. 常建华等.波谱原理及解析(第三版).北京：科学出版社，2012。,参考期刊和网站,1. Sciencedirect数据库 http:/www.sciencedirect.com/science/journal 2. Analytical Chemistry(美国化学会期刊): http:/pubs.acs.org/journals/ancham/ 3. PubMeb期刊全文库 http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/ 4. 英国皇家化学学会 ttp:/www.rsc.org/is/journals/current/analyst/anlpub.htm 5. 中国期刊全文数据库（CNKI） http:/dlib.edu.cnki.net/kns50/ 6.超星数据库 http:/hn.sslibrary.com/login.jsp,仪器分析法简介,定义 分类 特点 发展,1.电化学分析法：电位分析法、电解分析法、电导分析法、伏安法。 2.光学分析法： 发射光谱、吸收光谱、散射光谱、折光分析、旋光分析、旋光色散分析等。 3.分离分析法：气相色谱、液相色谱、电泳。 4.质谱法 5.其他：热分析、放射分析、免疫分析等。,1.灵敏度高，选择性较强。 2.操作简便快速，易于实现自动化及与计算机相连。 3.能够提供物质更多、更全面的信息，如结构、价态、空间构型、微区分布等。 4.相对误差较大，一般15 5.需要昂贵的专用仪器。,仪器分析的发展三次变革,第一次变革： 1620世纪初 16世纪，天平的出现，分析化学有了科学的内涵。 20世纪初，根据物理化学溶液四大反应平衡理论，形成了自己的理论基础，分析化学从此由一门操作技术变成为一门科学。,仪器分析的发展三次变革,第二次变革：1940年代后 由于物理学电子技术精密仪器制造技术的发展被引入到分析化学中，出现了由经典的化学分析发展为仪器分析的新时期。,Bloch 和Purcell 核磁共振法，1952诺贝尔物理奖 Matin 和Synge 分配色谱法， 1952诺贝尔化学奖 Heyrovsky 极谱法， 1959诺贝尔化学奖,仪器分析的发展三次变革,第三次变革：1980年代后 以计算机应用为主要标志 计算机控制的分析数据采集与处理，实现分析过程的连续、快速、实时、智能化。 以计算机为基础的新仪器的出现：傅里叶变换红外光谱仪，色-质联用仪等。 促进了数理统计理论渗入分析化学，出现了化学计量学， 化学信息学。,仪器分析的发展方向,高灵敏度、高选择性、高准确性、自动化或智能化 、最大可能地获取复杂体系的多维化学信息 。,仪器分析的发展方向,生命科学研究的进展，需要对多肽、蛋白质、核酸等生物大分子进行分析；对生物药物、超微量生物活性物质，如单个细胞内神经传递物质的分析以及对生物活体进行分析，这些促使了质谱、电化学微电极、高效液相色谱、毛细管电泳的发展。,Brain Implant Could Help People With Memory Loss,仪器分析的发展方向,联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。将几种方法结合起来，特别是分离方法（如色谱法）和检测方法（如红外光谱、质谱、核磁共振波谱法）的结合，汇集了各自的优点、弥补了各自的不足，可以更好地完成试样的分析任务。,GC：气相色谱， MS：质谱，HRMS：高分辨质谱， LC：液相色谱 UV：紫外分光光度法，GC/ C/ IRMS：气相色谱/ 燃烧/ 同位素比质谱,第八章 电位法和永停滴定法,第一节 电化学分析法概述 第二节 电位法的基本原理 第三节 直接电位法 第四节 电位滴定法 第五节 永停滴定法,教学目标,掌握化学电池、电极电位、液接电位、指示电极、参比电极、膜电极等基本概念。掌握玻璃电极的构造、响应原理、电极特性。 掌握玻璃电极的构造、响应原理、电极特性。 了解膜电极的分类、响应原理，熟悉氟电极、钙电极、氨电极的结构、响应原理及应用。 掌握直接电位法的三种定量方法：两次测量法、校正曲线法和标准加入法。 熟悉电位滴定法的原理及确定滴定终点的方法。,电化学分析法概述,将试样溶液和适当的电极组成电化学电池，测量电池的电化学参数（电动势、电流、电阻、电量等），根据电化学参数强度或变化对被测组分进行分析的方法。,何谓电化学分析法? (Electrochemical analysis),电化学分析法概述,分类： 电位分析法(potentiometry)：直接电位法、电位滴定法。 电解分析法(electrolytic analysis)：电重量法、库仑法、库仑滴定法。 电导分析法(conductometry)：直接电导法、电导滴定法。 伏安法(voltammetry)：溶出伏安法、电流滴定法、 极谱法。,电化学分析法概述,特点： 分析检测限低（10-12mol/L) 仪器简单、便宜, 易于微型化和实现在线分析和自动化控制。 可得到许多有用的信息：元素形态分析，界面电荷转移的化学计量学和速率，传质速率，吸附或化学吸附特性，化学反应的速率常数和平衡常数测定等。 重现性不佳。,电位法 ( potentiometry analysis )： 利用测量原电池的电动势来测定样品液中被测组分含量的电化学分析法。分为直接电位法和电位滴定法。,电位法的基本原理,阳离子,阴离子,Zn2+,Cu2+,铜锌原电池,_,+,Cu2+2e=Cu,还原反应,Zn2e=Zn2,氧化反应,几个概念,双电层（double electric layer) 相界电位(phase boundary potential） 金属电极电位（electrode potential） 液体接界电位（liquid junction potential) 盐桥（salt bridge）,电极电位形成示意,把金属晶体插入它的盐溶液中： M(s) Mn+(aq) + n e,溶解占优势,沉积占优势,双电层,相界电位,金属电极电位,液接电位,两种不同组分的溶液，或组成相同而浓度不同的溶液接触界面两边存在的电位。是由于离子在通过相界面时扩散速度不同形成的。,液接电位形成示意图,问题：盐桥为何可消除原电池中的液接电位？,指示电极和参比电极 (Indicator electrode and reference electrode),指示电极：电位值随离子活度（浓度）变化而改变的电极。可分为金属基电极和膜电极。 参比电极：在一定条件下,电位值已知并基本保持不变的电极。常用有标准氢电极、饱和甘汞电极和银-氯化银电极。,1.金属基电极（metallic indicator electrode)： 以金属为基体的电极。电极电位的建立基于电子转移反应。 （1）金属-金属离子电极：M Mn+，如 Cu Cu2+、Zn Zn2+、Cd Cd2+、Bi Bi3+、 Tl Tl+、Pb Pb2+ 、Ag Ag+ 。,指 示 电 极,Ag+ e Ag,指 示 电 极,1.金属基电极 （2）金属-金属难溶盐电极： M MmXn Xm_ 如：Ag AgCl(s) Cl,AgCl e Ag Cl-,指 示 电 极,1.金属基电极 （3）惰性金属电极：Pt Mm+ ,Mn+，如 Pt Fe3+ , Fe2+,Fe3 e Fe2,指 示 电 极,2.膜电极(membrane electrode)（离子选择性电极,ion selective electrode;ISE） 以固体膜或液体膜为传感器，对溶液中某特定离子产生选择性相应的电极。 电极电位的建立基于离子的扩散和交换反应。,参比电极,参比电极,饱和甘汞电极(SCE),Hg Hg2Cl2(s) KCl,直接电位法(direct potentiametry),根据电池电动势和有关离子浓度之间的关系直接测出有关离子的浓度。,pH 玻璃膜电极最早使用的膜电极 1906年: M. Cremer首先发现玻璃电极可用于测定； 1909年: F. Haber对其进行系统的实验研究； 1930年代:玻璃电极测定pH的方法成为最为方便的方法； 1950年代:由于真空管的发明，很容易测量阻抗为100M以上的电极电位，因此其应用开始普及； 1960年代:对pH敏感膜进行了大量而系统的研究，发展了许多对K+、Na+、Ca2+、F-、NO3-响应的膜电极并市场化。,玻璃电极,电极构造： 球状玻璃膜 (Na2O 21.4%、CaO 6.4%、SiO2 72.2%, 厚0.1mm) +内参比电极(Ag/AgCl) +缓冲液(pH4或7，含KCl),水化层,水化层,干玻璃,Ag/AgCl内参比电极,内部参比溶液,外部待测溶液,水化层,水化层,干玻璃, , , , ,a内,a内',a外,a外',内凝胶层,内部溶液,外凝胶层,干玻璃层,外部溶液,膜电位形成过程: 1. 离子交换水化层 2. 离子扩散双电层 3. 扩散动态平衡后形成稳定膜电位,玻璃电极的性能,转换系数：S= - / pH，25斜率绝对值低于52mv/pH时不宜使用。 碱差和酸差：注意阅读电极说明书，了解该电极的使用酸碱范围。 不对称电位：电极使用前在水中浸泡24小时或以上，可使不对称电位降低且稳定。 电极内阻：高阻抗，必须用专门的电子电位计测量pH值。 温度：050 ，阅读电极说明书,玻璃电极的优缺点,玻璃电极对H响应敏感，达平衡快，可连续测定，也可制成很小的体积。由于响应过程无电子交换，所以其测定不受氧化剂、还原剂干扰，不玷污被测溶液，可用于浑浊、有色溶液的pH值测定。但玻璃膜很薄，容易损坏，不能用于F-含量高的溶液。,测量pH值原理和方法,（-）Ag AgCl(s),内充液 玻璃膜 试液 KCl(饱和), Hg2Cl2(s),Hg (),两次测量法,标准缓冲溶液的选择原则,一、一点定位 1. 标准缓冲溶液与待测溶液酸碱性相当; 2. pHspHx 3,以减小残余液接电位影响。 二、两点定位 酸性样品溶液：选pH6.86与pH4的缓冲溶液 碱性样品溶液：选pH6.86与pH9.18的缓冲溶液 注意：标准缓冲溶液与待测溶液的温度必须相同。,导线,电极帽,电极管,内参比电极,内充溶液,电极膜,离子选择电极示意图,离子选择性电极的响应,由于离子选择性电极并非绝对专属，当除待测离子x外，溶液中存在干扰离子Y时，上式修正为Nicolsky-Eiseman equation,离子选择性电极的性能,线性范围 检测限 选择性系数 有效pH范围 响应时间,lgCx,检测限,离子选择性电极工作曲线,选择性系数Kx,y,在相同条件下，同一电极对X(被测离子） 和Y（干扰离子离子）的响应能力之比。,Kx,y越小，电极对X的选择性越强。严格来说不是一个常数， 仅能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，不能用于干扰校正。,离子选择性电极分类 按ISE敏感膜组成和结构，IUPAC推荐分类,均相膜,晶体膜,非均相膜,如硅橡胶膜,刚性基质,pH，pNa,带正电荷,带负电荷,原电极,非晶体膜,流动载体,中性,气敏电极,如CO2、NH3电极,ISE,敏化 电极,生物电极,如酶电极，生物组织电极,F-, Cl-, Cu2+,如NO3- ,ClO4- ,BF4-,如Cu2+,Ca2+,如K+,敏感膜： 掺有EuF2 的LaF3单晶切片 内参比电极：Ag-AgCl 内参比溶液：0.1 mol/L NaCl + 0.1 mol/L NaF 混合溶液。 有效pH 范围：57 检测限：10-7mol/L 线性范围:10-1 10-6mol/L,氟离子选择电极（晶体电极）,内充溶液,内参比电极,离子交换剂,液膜,流 动 载 体 电 极,机理：膜内活性物质与待测离子发生离子交换反应，但其本身不离开膜。这种离子之间的交换将引起相界面电荷分布不均匀，从而形成膜电位。,几种流动载体电极,NO3-：季铵类硝酸盐+邻硝基苯十二烷醚 +PVC Ca2+：二癸基磷酸钙+苯基磷酸二辛酯 +微孔膜 K+：冠醚+邻苯二甲二戊酯+PVC-环已酮,中介溶液,参比电极,基本电极,透气膜,气 敏 电 极,CO2: 中介液NaHCO3 NH3: 中介液为NH4Cl 透气膜：聚四氟乙烯或 聚偏氟乙烯,生物电极（电化学生物传感器）,将生物化学与电化学结合而研制的电极。有酶电极、微生物电极、生物组织电极、免疫传感器等等。如酶电极，利用覆盖于电极表面酶活性物质(起催化作用)与待测物反应生成可被电极响应的物质，如脲素的测定： 氨基酸测定： 上述反应产生的NH4+可由铵离子电极测定。,(electrochemical biosensor),离子浓度测量方法,（-）ISE 被测溶液 SCE(),阳离子取“”，阴离子取“”,直接比较法（标准对照测量法）,分别用已知浓度的标准溶液和待测溶液与ISE和SCE组成电池，测定各自的电动势Es与Ex，则,加入总离子强度调节缓冲溶液使二溶液活度系数相等，则KxKs,注意：当SCE正极，ISE负极时，阳离子“”，阴离子“”,总离子强度调节缓冲溶液,（Totle Ionic Strength Adjustment Buffer简称TISAB）,1.保持较大且相对稳定的离子强度，使活度系数恒定。 2.维持溶液在适宜的pH范围内，满足离子电极的要求。 3.掩蔽干扰离子。 典型组成(测F-)： 1mol/L 的NaCl，使溶液保持较大稳定的离子强度。 0.25mol/L HAc和0.75mol/L NaAc, 使溶液pH在5左右。 0.001mol/L 的柠檬酸钠, 掩蔽Fe3+、Al3+等干扰离子。,校正曲线法,配制加有TISAB的待测物标准浓度系列和待测样品溶液。 用同一电极体系测定各标准和样品液的电动势E。 以测得的各标准液电动势E 对相应的浓度对数lgCs作图，得校正曲线。 通过测得的样品液的电动势，从标准曲线上查找待测物浓度。,lgC,Ex,lgCx,标准加入法,先测体积为VX待测液的电动势，,于试液中加入体积为Vs(10 Cx)的标准溶液，再测其电动势：,因加入少量待测物溶液，离子强度基本不变(x=x)， 常数K亦保持不变，故两式相减并作整理求得Cx,其中,标准加入法,S符号：SCE正极时测阳离子取“”，阴离子取“”，反之亦反。( 恒大于0)。,需要加入TISAB吗？,测量方法 标准对照法 校正曲线法 标准加入法 （TISAB）,性能： 选择系数 检测限 线性范围 pH范围 响应时间,ISE,结构： 敏感膜 中介液 内参比电极,响应机理响应方程,定义：根据滴定过程中电池电动势的变化确定化学计量点的电位法。 优点：可用于混浊或有色溶液； 用于无合适指示剂、滴定突跃小的滴定； 易于自动化。 缺点：设备较贵，操作和数据处理较费事,电位滴定法（poteniometric titration）,电位滴定 实验装置图,电位滴定法终点确定法,图解法,E-V曲线法,2.内插法,(c),E/V-V曲线法,2E/V2-V曲线法,电位滴定数据处理示例,E=0.183-0.174 =0.009,V=24.10-24.00 =0.10,E/V=0.009/0.10 =0.09,几种滴定体系的电位滴定系统,电位滴定法应用,药物分析：苯巴比妥，烟酸，门冬氨酸，格列齐特，盐酸普鲁卡因，聚维碘酮。 石油化工:油品酸值，油品碱值，硫醇硫。 食品：有机酸，脂肪酸，饲料中粗蛋白。 酒类 表面活性剂 电镀液,永停滴定法：根据滴定过程中双铂电极电流的变化来确定化学计量点的电流滴定法。,永停滴定装置示意图,I/A,V/ml,Na2S2O3滴定I2,Ve,Ve,Ve,重氮化滴定终点的确定,化学计量点前：溶液中无可逆电对，电流约为零 化学计量点后：溶液中稍过量的HNO2与其微量分解产物NO形成可逆电对HNO2/NO 阳极：H2O + NO HNO2 + H+ + e 阴极：HNO2 + H+ + e H2O + NO 电极间有电流通过，电流计指针偏转并不再回复，以此确定滴定终点。,Karl Fischer法测定微量水分,以卡氏试剂（碘、二氧化硫和吡啶按一定比例溶于无水甲醇溶液）滴定微量水分： I2SO23C6H5NCH3OHH2O2C5H5NHIC5H5NHSO4CH3 终点后溶液产生可逆电对I2/I-，产生电解电流。,小 结,电位滴定法,终点判断,装置,永停滴定法,装置,终点判断,习 题,教材：第八章习题1，2，4，6，7。 补充习题： 简述玻璃电极的基本构造和相应机制。 直接电位法测定离子浓度的方法有哪些？其中哪些方法要使用TISAB？ TISAB有哪些作用？,