基础化学实验IV （仪器分析实验） 离子选择性电极法 测定饮用水中氟含量

实验技能训练要点 离子计的使用（第一次训练） 直接电位法的基本技术（第一次训练） 参比电极的使用（第一次训练）

一、实验目的 二、直接电位法简介 三、实验原理 四、实验步骤 五、结果处理 六、思考题 七、实验延伸

一、实验目的 1、掌握离子选择性电极的响应机理。 2、学会使用离子计。 3、了解氟离子电极测定F-的条件。

二、直接电位法简介 电位分析法是通过测定在 零电流条件下的电极电位和浓度 间的关系进行分析测定的一种电 化学分析法。它包括直接电位法 和电位滴定法。电位分析法一般 使用一支指示电极和一支参比电 极。其中，指示电极的电极电位 与待测离子的活度（或浓度）符 合能斯特方程：

直接电位法与电位滴定滴定法的区别 直接电位法是选用适当的指示电极进入被测试液，测 量其相对于一个参比电极的电位，根据测出的电位， 直接求出被测物质的浓度。 电位滴定法向试液中滴加能与被测物质发生化学反应 的已知浓度的试剂，观察滴定过程中指示电极电位的 突跃，以确定滴定的终点。根据所需滴定试剂的量， 可计算出被测物的含量。

电位分析法最常使用的指示电极是离子选择性电极

离子选择性电极 离子选择性电极是一类利用膜电位测定溶液中离子的活度或浓度的电化学传感器，当它和含待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜电位。 离子选择性电极是一种简单、迅速、能用于有色和混浊溶液的非破坏性分析工具，可以分辨不同离子的存在形式，能测量少到几微升的样品，所以十分适用于野外分析和现场自动连续监测。电极对活度产生响应这一点也有特殊意义，使它不但可用作络合物化学和动力学的研究工具，而且通过电极的微型化已被用于直接观察体液甚至细胞内某些重要离子的活度变化。

离子选择电极的分类

外  内 离子选择性电极响应机理 膜相 溶液（外） 溶液（内） a外 a外′ a内′ a内 当敏感膜两边分别与两个不同浓度或不同组成的电解质 相接触时，膜两边交换、扩散离子数目不同，形成了双电 层结构，在膜的两边形成两个相界电位 外和  内，产生电 位差，即形成膜电位。 膜相 溶液（外） 溶液（内）   a外 a外′ a内′ a内 外  内

液相中离子活度 膜相中离子活度 液相中离子活度 膜相中离子活度 k1、k2是与膜有关的常数。因内参比溶液固定，am内为常数，若k1=k2 ， am´外=am ´内，则：

总离子强度调节剂 由于离子选择性电极响应的是离子活度，但离子活度只 在较稀释的溶液内和离子浓度相等。离子的活度取决于由离 子内容决定的样品溶液中的离子强度。为确保标准液和样品 液离子强度相同，需要向溶液中加入离子强度调节剂。另外， 有些离子选择性电极只能用于一定范围pH值溶液内。在离子 强度调节剂内加缓冲液可以将标准液和样品液调节至要求的 pH值。更为复杂一些的离子强度调节剂配方还会加入一些能 和可能发生的干扰的离子进行螯合的添加剂。离子强度调节 剂还含有如抗氧化剂之类的防腐剂。

三、实验原理 氟离子选择电极是目前最成熟的一种离子选择性电极。将氟化镧单晶（掺入微量氟化铕（Ⅱ）以增加导电性）封在塑料管的一端，管内装0.1mol·L-1 NaF和0.1mol·L-1 NaCl溶液，以Ag/AgCl电极为参比电极，构成氟离子选择电极。 测定时，以F-选择电极作指示电极，以饱和甘汞电极作参比电极，组成测量电池。如果忽略液接电位，电池的电动势为：

总离子强度调节剂的主要成分及作用： （1）NaCl等：高浓度电解质用以维持溶液具有相同的活度系数，消除溶液间离子强度差异对电位的影响。 （2）柠檬酸盐：比F－更强的络合剂，优先与干扰离子相结合，从而使氟离子从络合物中游离出来。 （3）醋酸、盐酸、氢氧化钠等：形成柠檬酸盐、醋酸盐的pＨ缓冲体系。pH值过低，H+与F-反应生成HF，从而降低溶液中F-含量,检测结果偏低。pH值过高，OH-与氟电极的敏感膜上的La反应生成会La(OH)3，影响氟电极响应特性。

四、实验步骤 氟离子选择电极的准备：将氟电极在去离子水中浸泡8 小时或过夜；或在1×10-3mol/L NaF溶液中浸泡1~2小 时，然后用蒸馏水清洗数次直至测得的电位值约为- 300mV(此值各支电极不同)。若氟离子选择电极暂不使 用，宜于干放。 氟离子标准系列溶液的配制：吸取0，1.0，2.0，5.0， 7.0，10.0mL氟标准液，分别置于5只50mL容量瓶中， 并于各容量瓶中加入15mL总离子强度调节剂，10mL 0.lmol/L盐酸，加水稀释至刻度，摇匀备用。

操作：将上述标准溶液依次倒入小聚乙烯塑料烧 杯中(浸没电极即可)，插入氟离子选择电极和饱 和甘汞电极，连接线路，放入搅拌子，开动搅拌 器，由稀至浓分别测量标准溶液的电位值，待电 位值(或pX值)稳定后读取读数。每次测定前用被 测试液清洗电极、烧杯以及搅拌子。标准溶液测 量完毕后将电极用蒸馏水清洗直至测得电位值- 300mV左右待用。 水样中氟的测定

五、数据处理 记录F-标准溶液的浓度及对应的E值，作E—pF工作曲线。未知样品测得E值后，带入工作曲线计算对应的pF，即得分析结果。

六、思考题 1、氟离子选择性电极为什么能反映溶液中F-的活度？ 2、实验中加入离子强度调节剂的作用是什么?离子强 度调节剂的一般组成是什么？ 3、电位分析法与循环伏安法的区别有哪些？（在完成 两个实验后回答）

七、实验延伸 某些离子选择性电极已发展成成熟的方法，应用于各行各业。参见以下国内外标准检索系统截图。 在研究领域，离子选择性电极仍然是研究热点，研究主要集中在改变敏感膜以提高电极的选择性等分析性能。请同学们阅读文献 Anal. Chem. 2012, 84, 4437−4442。