仪器分析实验-氟离子选择电极测定天然水中氟离子含量

仪器分析实验氟离子选择电极测定天然水中氟离子含量2017 年 5 月 12日氟离子选择电极测定天然水中氟离子含量许诗赫 PB14007321【实验目的】1、熟悉电位法的基本原理和一般分析方法；2、了解离子计的结构并掌握其基本操作技术；3、了解氟离子选择电极的基本功能，掌握离子计的使用方法。

【基本原理】0原理概述：氟离子选择电极对F－有选择性响应，并且在一定条件下，电池电势与试液中的氟离子浓度的对数呈线性关系。

通过氟离子选择电极可以定量测出自来水中的氟离子浓度。

0氟离子选择电极：电极底部敏感膜由LaF3单晶片制成，单晶中常加入少量的EuF2以增加其导电性，当电极插入含有F－的溶液时，F－在敏感膜与溶液界面扩散及在晶格的空穴中移动产生膜电位，电极电位的能斯特方程为：E F−= k −2.303RTF lg a F−=k−s lg a F−（k 为常数；s=2.303RTF为电极的斜率）实际测量时，F－选择电极与一支参比电极（如饱和甘汞电极）一同插入被测溶液中组成测量电池，电池的图解表示式为：氟离子选择电极︱试液（c=x）︱饱和甘汞电极（SCE）该电池的电池电势为：E = E SCE− E F−= E SCE− k s+lg a F−将E SCE和k合并，用E0表示有：E = E0+s lg a F−当溶液中加入较高浓度的TISAB溶液（总离子强度调节缓冲液）以维持恒定的离子强度时，可改写为：,E = E0+s lg c F−,25℃时，电池电势E为：E=E0+ 0.0592 lg c F−可见，在一定条件下，电池电势与试液中的氟离子浓度的对数呈线性关系。

0可以采用的实验方法：工作曲线法、标准加入法、仪器直读等其他方法。

0天然水中的氟离子：一般天然水中氟离子的含量很低。

在河流、湖泊等地表水中氟的含量通常为百分之几至十分之几毫克/升，而在地下水中氟含量则在1mg/L左右，在某些矿泉水中可能有更高的含量。

当水中的氟含量超过1mg/L时不易饮用，因长期饮用会患斑齿症。

但若饮用水中氟离子的含量过低，则又会得齿龋病。

1仪器分析实验氟离子选择电极测定天然水中氟离子含量2015 年 5 月 26 日【仪器与试剂】1、仪器：pXSJ–226 离子计；氟离子选择电极；饱和甘汞电极；电磁搅拌器。

2、试剂：NaF 标准溶液：1.00×10-1mol/L；TISAB 溶液。

【实验步骤】1、氟离子选择电极的预处理：氟离子选择电极在使用前于10-3mol/L的NaF溶液中活化1～2小时，用去离子水清洗后，与饱和甘汞电极组成测量电池，在纯水中测量电池的电动势；2、溶液配制：（1）配制氟离子的标准系列溶液：移取 1.00×10-1mol/L的NaF的标准溶液 5.00ml于50ml容量瓶中，加入10mL的TISAB溶液，用去离子水稀释到刻度摇匀，便为10¯2mol/L的F¯溶液，余此类推，用逐级稀释法再配制10-3～10-6mol/L的F-标准溶液；（2）试液的配制：移取湖水（自来水）25.00ml于50ml容量瓶中，加入10mLTISAB溶液用去离子水稀释到刻度摇匀；（3）将配制的标准溶液分别倾入20mL左右于50mL烧杯中，同时用移液管准确移取试样溶液25.00mL于50mL烧杯中待测。

将放在烧杯中的配制好的标准溶液（10-2~10-6）和未知溶液，移液管放在托盘中带入实验室，其他容器留在样品操作间；3、上机操作测量：测量前仪器要预热半小时左右。

测量有多种模式（pH模式、pX模式、直读浓度、已知添加、未知添加、GRAN 模式），本实验的测量模式为已知添加法。

操作如下：（1）选择测量离子和手动输入温度值：选择测量离子：按屏幕上的“设置”→“离子模式”→“确认”→按“上”、“下”、“左”、“右”箭头选择被测离子→“确认”；设置温度：“设置”→“手动温度”→“确认”→“手动温度”→输入要填的温度值→“确认”；（2）清洁电极：（3）标定电极斜率：按屏幕上的“测量”→“已知添加”→“标定”：仪器提示将两个电极放入标液1中→“浓度”→“确认”→“单位”：输入浓度单位（mmol/L）→按“确认”→待读数稳定后按“确认键”→记录下稳定后的电位值。

随后的标液均可点击屏幕方框中的“继续标定”，依次标液2~5→操作同1；（4）未知液测定：最后一个标液测完后，重新回到已知添加设置窗口。

充分冲洗指示电极，擦干后放入未知溶液中，触摸相应的键，输入未知溶液的体积（25.00mL）、要添加的标液的体积(0.30mL)和浓度(1.0mmol)以及浓度单位→按“确认”，待响应电位稳定后记下未知液的mV值（Ex）并按“确认”键。

尔后加入0.30mL浓度为1.0 mmol/L的标准溶液摇匀，待响应电位稳定后记下添加标液后的mV值（Es）并按“确认”键。

等待仪器自动显示试液的浓度。

【数据处理与实验结果分析】1、记录实验参数：实验前温度：25.1℃；实验后温度：25.0℃；代入s 2.303RTFs≈0.05922仪器分析实验 氟离子选择电极测定天然水中氟离子含量 2017 年 5 月 12 日2、（1）标准工作曲线法： 根据系列标准溶液测定的结果，绘制 E ～－log c F -工作曲线，再由试样测定的电位值，在曲线上求出样品中氟的含量，以毫克/升表示。

浓 c F-(mol/L) 10-610-5 10-4 10-3 10-2 U(mV) 287.3 251.3 199.5 146.1 85.4 logc F--6-5-4-3-2表 1E − log cF − 实验数据表而自来水对应的电压值为 261.1mV ，添加 0.30mL 后为 2mV50100150200250300ULinear Fit of UU (m v )lgcF-Equationy = a + Adj. R-Squ 0.9898Valu Standard ErU Intercep -9.610.91791USlope-50.2.57338E − lg cF − 曲线拟合图1从图中可以看出，第一个点与其他点偏离较大，可能与实验精度有关故舍去，作下图：U (m v )lgcF-E − lg cF − 曲线拟合图 2拟合的直线方程为 E(mV) = -55.11lg(c F-/(mol·L -1)) - 22.31线性拟合相关系数 R 2 为 0.99789，拟合度很好。

代入数据，当 E =261.1 mV 时，lg(c F-/(mol·L -1)) =- 5.143，得浓度为 c x =7.20×10-6mol/L 则湖水中氟离子含量为：c F- = 2×c x = 1.44×10-5mol/L = 0.0144mmol/L（2）标准加入法：根据公式c x c s V s E / S Vx −1= V x + V s (10 − V x +V s )数据如下：Vx=25ml ，Vs=0.3ml ，c s =10-3mol/L ，|S|=55.11mV ，E=261.1-248.8=12.3mV 得 c x =1.7344×10-5mol/L 则湖水中氟离子含量为：c F-=2×c x =3.47×10-5mol/L （3）仪器显示的结果：c x =1.6×10-5mol/L 则湖水中氟离子含量为：c F-=2×c x =2.4×10-5mol/L=0.032mg/L3、比较工作曲线法、标准加入法以及仪器显示的结果是否一致，如偏差明显，讨论可能产生的原因。

根据实验结果，有：（1）标准工作曲线法：0.0144mmol/L （2）标准加入法：0.0347mmol/L （3）仪器显示结果：0.032mmol/L由此可知：这三种不同方法得到的氟离子浓度并不相等，仪器显示浓度结果最大，标准工作曲线法结果最小。

下面是简要分析： （1）标准工作曲线法：由于浓度为 10-6mol/L 的氟离子浓度低于仪器检出限，偏差很大，因此没有进行拟合。

电极无法完全洗干净以及去离子水里仍然可能有氟离子等杂离子。

这样便造成了实际上氟离子选择电极测量的浓度偏大从而造成了拟合斜率偏小最终造成测量结果也偏小，即实际浓度大于曲线拟合结果。

而且待测样品与标定曲线时的溶液背景不同，存在误差。

（2）标准加入法：由于使用了标准工作曲线法的响应斜率，所以测量结果也应和标准工作曲线法的偏差类似，结果偏小。

但是标准加入法消除了背景误差，结果比标准工作曲线法更为准确，误差有所减小。

（3）仪器直读：由于仪器有自己的校准流程，计算所得的工作曲线，并通过构造插值函数，能求得一个相对准确的结果，这样处理工作曲线可能会比前两种更准确一些，所以准确性相对较高，更接近真实浓度。

【思考题】1、为什么要加入 TISAB 溶液？答：TISAB溶液由冰醋酸、氯化钠、柠檬酸钠溶解于蒸馏水，再用NaOH溶液调至pH 5.0～5.5，它的作用有：（1）调节溶液的pH；（2）与溶液中可能存在的干扰离子Fe3+、Al3+形成比干扰离子与F-更稳定的络合物，从而掩蔽干扰离子；（3）调节溶液的离子强度。

2、标准曲线法和标准加入法测定时，对溶液组成和电极响应有何要求？答：当样品溶液量较少时只能使用标准加入法；另外，由于标准加入法所采集的数据点比较少，所以要求电极更为灵敏。

而标准曲线法需要所配制的标准溶液与样品溶液的体系完全一致。

3、用氟离子选择性电极能否测定其他离子，如有，请说明测试原理。

答：氟离子选择电极的三氧化镧晶片只能响应氟离子，所以只有溶液中存在氟离子才能有电极电位。

但可以通过间接的办法测定其他离子，由于氟离子可以与很多半径较大氧化数高的金属离子形成稳定的配合物，如AlF63-、等。

因此在测得氟离子含量后可以根据配位数计算得到 Al 的含量。

【讨论与体会】离子选择电极是化学学科、环境学科中常见的定量测量无机离子浓度的仪器之一，实验原理较简单，操作也较轻松，通过氟离子选择电极定量测量自来水中的氟离子浓度。

以下是本实验的一些经验和体会：1、本实验在实验前最好预习相关操作，在老师讲解时认真听讲、熟悉操作过程；2、在预处理电极，测量蒸馏水电动势时，读数应在+340mV 以上，若小于此值，更换蒸馏水几次，直至电动势在＋340mV以上，电极初用时，用蒸馏水浸洗1～2天才能达到。

若无法达到，很大可能是电极漏水或单晶片玷污，必须重新装配或做相应清洗；3、移液时应注意规范，移液管都应按“一洗三润”，用滤纸擦干外部的水后，才可以进行后面的操作；4、清洗电极时应用去离子水冲洗，并用滤纸吸去残留水分；标液的测试要按浓度低向浓度高的顺序进行；5、注意仪器中的浓度单位是 mmol/L，所以应先从 0.001 开始输入；6、电极底部敏感膜由 LaF3单晶片制成，故使用电极时应轻拿轻放，防止用力过猛碰到烧杯，影响 LaF3单晶片的结构组成；7、相比循环伏安法，本实验的测量没有电流。