《过程检测技术 第六章 成分检测》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程检测技术 第六章 成分检测（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章：过程成分检测李新光李新光分类按测量原理过程分析仪器可分成八大类：按测量原理过程分析仪器可分成八大类：（1 1）电化学式，如工业酸度计）电化学式，如工业酸度计电导仪：；电导仪：； （2 2）热学式，如热导式气体分析仪；）热学式，如热导式气体分析仪； （3 3）磁学式，如磁性氧分析仪；）磁学式，如磁性氧分析仪； （4 4）光学式，如吸收式光学分析仪，发射式）光学式，如吸收式光学分析仪，发射式 光光 学分析仪；学分析仪； （5 5）射线式，如射线分析仪）射线式，如射线分析仪射线分析仪；射线分析仪； （6 6）电子光学及离子光学式，如质谱仪；）电子光学及离子光学式，如质谱仪； （7 7）传质式
2、，如色谱仪；）传质式，如色谱仪； （8 8）其他。）其他。 过程分析仪器的特点过程分析仪器必须有自动取过程分析仪器必须有自动取 样和试样预处理系统样和试样预处理系统；过程分析仪器必须是全自动过程分析仪器必须是全自动 化的；化的；过程分析仪器的精度可以低过程分析仪器的精度可以低 些，但是长时间使用其稳定些，但是长时间使用其稳定 性必须好。性必须好。 与实验室仪器相比较，它应具有三个特点与实验室仪器相比较，它应具有三个特点 ：过程分析仪器的组成过程分析仪器的组成（1 1）自动取样装置，它的任务是快速地把被分析试样取）自动取样装置，它的任务是快速地把被分析试样取 到仪表主机处；到仪表主机处；（2 2
3、）试样预处理系统，它的任务是对气体和液体试样进）试样预处理系统，它的任务是对气体和液体试样进 行过滤行过滤稳压稳压冷却冷却干燥干燥定容定容稀释稀释分离等操作，分离等操作， 对固体试样进行切割对固体试样进行切割研磨研磨粉碎粉碎缩分缩分加工成形等操加工成形等操 作；作；（3 3）检测器，它的任务是根据某种物理或化学原理把被）检测器，它的任务是根据某种物理或化学原理把被 测成分信息转换成电信息；测成分信息转换成电信息；（4 4）整机自动控制与信息处理系统，它的任务是控制各）整机自动控制与信息处理系统，它的任务是控制各 个部分自动而协调地工作，并对检测器给出的微弱电信息个部分自动而协调地工作，并对检测
4、器给出的微弱电信息 进行放大进行放大运算运算显示显示远传等信息处理工作。远传等信息处理工作。 6.1 6.1 电极电位检测器电极电位检测器电极电位检测器属于电化学式检测器电极电位检测器属于电化学式检测器, 其测量电极是一种离子选择电极其测量电极是一种离子选择电极 （ISE） . 离子选择电极与金属氧化物离子选择电极与金属氧化物- -半导体场半导体场 效应晶体管（效应晶体管（MOSFETMOSFET）相结合相结合, 形成了形成了 对离子具有选择性敏感作用的场效应晶对离子具有选择性敏感作用的场效应晶 体管（体管（ISFET） . 它是离子选择电极制造技术与固态微电它是离子选择电极制造技术与固态微电
5、 子技术相结合的产物子技术相结合的产物 6.1.16.1.1电极电位检测器电极电位检测器 1 电极反应与电极电位电极反应与电极电位溶液+ + +- - - - -Cu4C u S O2+CuCu2e能斯特（能斯特（NernstNernst）方程式方程式 一般来说，当某种金属浸入含有它的离子一般来说，当某种金属浸入含有它的离子 的溶液中时，这种金属就成为一个电极，的溶液中时，这种金属就成为一个电极， 出现电极反应。这种反应一方面是金属晶出现电极反应。这种反应一方面是金属晶 格中的离子进入溶液，而把自由电子留在格中的离子进入溶液，而把自由电子留在 金属中；另一方面，是溶液中的金属离子金属中；另一方
6、面，是溶液中的金属离子 也会得到电子而进入金属晶格。从电子得也会得到电子而进入金属晶格。从电子得 失看，这是一个可逆的氧化还原反应，即：失看，这是一个可逆的氧化还原反应，即：en还原态氧化态式中，式中，n n为电子得失的个数为电子得失的个数 能斯特（能斯特（NernstNernst）方程式方程式 * * 参与电极反应的物质浓度不同，电极电位参与电极反应的物质浓度不同，电极电位 也不同。在一般情况下，电极反应为也不同。在一般情况下，电极反应为 ：AB.PQ. eabpqn根据电化学原理，电极电位可由能斯特方程式表示：根据电化学原理，电极电位可由能斯特方程式表示： .ln0 b Ba Aq Qp
7、P nFRTVV能斯特（能斯特（NernstNernst）方程式方程式 * * 式中，式中，V V平衡时电极电位；平衡时电极电位； V V0 0电极体系的标准电极电位；电极体系的标准电极电位； R气体常数，为气体常数，为8.314J/（molk）；）； F法拉第常数，为法拉第常数，为96485 C/mol； T绝对温度；绝对温度； n电极反应中电子转移数；电极反应中电子转移数；其中其中 表示表示 A物质的活度，物质的活度，单位为单位为mol/L； a 反应方程式中反应方程式中A物质的系数。物质的系数。A活度就是指离子在化学反应中起作用的活度就是指离子在化学反应中起作用的 有效浓度（由于离子间的
8、静电引力，有效浓度（由于离子间的静电引力， 使离子不能充分发挥其效用），在稀使离子不能充分发挥其效用），在稀 浓度时，通常用浓度浓度时，通常用浓度c来代替活度。来代替活度。如如 果与电极反应的物质为固体或液态金果与电极反应的物质为固体或液态金 属，则活度为属，则活度为1；如果与电极反应的物；如果与电极反应的物 质为气体，则活度一般可用气体的分质为气体，则活度一般可用气体的分 压表示压表示。 在前边铜电极的例子中电极电位表示式在前边铜电极的例子中电极电位表示式 为为: :2ln2337. 0CucFRTV+ + +- - - - -Zn4C u S O+ + + +- - - - - - -C
9、uA-+4Zn S OIR2 原电池原电池 2ZnZn2e在两种溶液浓在两种溶液浓 度相同（例如度相同（例如 都为都为1mol/L） 时，锌电极双时，锌电极双 电层的电极差电层的电极差 比铜电极大比铜电极大2+Cu+2eCu原电池原电池按电化学的规定，产生氧化反应的电按电化学的规定，产生氧化反应的电 极称为阳极，产生还原反应的电极称极称为阳极，产生还原反应的电极称 为阴极。因此，在上述原电池中，锌为阴极。因此，在上述原电池中，锌 片称为阳极，铜片称为阴极。片称为阳极，铜片称为阴极。 ZnZnSO4CuSO4Cu 这个原电池的电动势为这个原电池的电动势为V Zn V CuCuZnEVV3 氢电极
10、与标准电极电位氢电极与标准电极电位 氢电极被选为参比氢电极被选为参比 电极，用它和其它电极，用它和其它 的电极相比较，来的电极相比较，来 确定其它电极的标确定其它电极的标 准电极电位准电极电位 + 2H2H +2e气20 HHlnRTVVcF3 标准氢电极标准氢电极当溶液温度为当溶液温度为2525，溶液中氢离子浓度为，溶液中氢离子浓度为1mol/L1mol/L， 吹入的氢气压力为一个大气压，这时的氢电极叫吹入的氢气压力为一个大气压，这时的氢电极叫 标准氢电极，而氢电极的电极电位，叫标准氢电标准氢电极，而氢电极的电极电位，叫标准氢电 极电位。极电位。 对于标准氢电极，由于氢离子浓度为对于标准氢电
11、极，由于氢离子浓度为1mol/L1mol/L，则则就是标准氢电极电位。国际上人为地规定标准氢就是标准氢电极电位。国际上人为地规定标准氢 电极电位为零。电极电位为零。 对于其它各种金属电极，在溶液的离子浓度为对于其它各种金属电极，在溶液的离子浓度为 1mol/L1mol/L，温度为温度为2525时，把这种电极和标准氢电时，把这种电极和标准氢电 极一起组成一个原电池，这时它对氢电极的电位极一起组成一个原电池，这时它对氢电极的电位 差就是它的标准电极电位差就是它的标准电极电位 20 HVV4 电极电位检测器电极电位检测器测 量 电 极参 比 电 极去放大器从能斯特方程式可看出，电极电从能斯特方程式可
12、看出，电极电 位与溶液的离子浓度有关。这样，位与溶液的离子浓度有关。这样， 可通过测量电极电位来检测溶液可通过测量电极电位来检测溶液 的离子浓度。但单独一个电极的的离子浓度。但单独一个电极的 电极电位无法测量。只有再用一电极电位无法测量。只有再用一 个电极，一起组成原电池才可能个电极，一起组成原电池才可能 测量。这后一个电极的电极电位测量。这后一个电极的电极电位 必须已知，且不随待测离子浓度必须已知，且不随待测离子浓度 改变而改变。这个与被测离子浓改变而改变。这个与被测离子浓 度无关的电极叫度无关的电极叫参比电极参比电极，而与，而与 被测离子浓度有关的电极叫被测离子浓度有关的电极叫测量测量 电
13、极或工作电极电极或工作电极。4 电极电位检测器电极电位检测器对参比电极的要求，电极电位固定并对参比电极的要求，电极电位固定并 与被测溶液组分变化无关与被测溶液组分变化无关。最常用的。最常用的 参比电极是甘汞电极，其次是银参比电极是甘汞电极，其次是银 氯化氯化 银电极。银电极。 对测量电极的最基本要求是选择性好，对测量电极的最基本要求是选择性好， 即仅对溶液中某一离子敏感，而对其即仅对溶液中某一离子敏感，而对其 他离子基本上没有反应，这就是所谓他离子基本上没有反应，这就是所谓 的离子选择电极。的离子选择电极。在工业生产流程上在工业生产流程上 得到广泛应用的测量电极是玻璃电极，得到广泛应用的测量电
14、极是玻璃电极， 它主要用来测量溶液中的氢离子浓度。它主要用来测量溶液中的氢离子浓度。5 5甘汞电极甘汞电极 1-Pt丝； 2-Hg; 3-Hg2CI2的糊状 物； 4-棉花； 5-KCI溶液； 6-多孔陶瓷膜； 7-玻璃管； 8玻璃泡。5 5甘汞电极甘汞电极 甘汞电极的电极反应发生在汞、甘汞与氯甘汞电极的电极反应发生在汞、甘汞与氯 化钾的化钾的3种物质界面上，这个半电池用符号种物质界面上，这个半电池用符号 表示为表示为:Hg Hg2Cl2（固），固），KCl它的反应方程式为它的反应方程式为:金属汞的浓度与甘汞浓度按规定都取金属汞的浓度与甘汞浓度按规定都取1，由，由 能斯特方程式，可得甘汞电极的
15、电极电位能斯特方程式，可得甘汞电极的电极电位 表示式为：表示式为：222Hg+2ClHg Cl+2e（固体）222222Hg cl00 Hg.Hg Cl.222 HgClCl1lnln22Hg Hg ClcRTRTVVVFFc cc甘汞电极电位也即也即 当温度一定时，甘汞电极的电极电位仅决当温度一定时，甘汞电极的电极电位仅决 定于氯化钾溶液中氯离子的浓度，而与盐定于氯化钾溶液中氯离子的浓度，而与盐 桥下面的被测溶液无关。桥下面的被测溶液无关。最常用的是饱和最常用的是饱和KClKCl溶液的甘汞电极，在溶液的甘汞电极，在 2525时，由上式可算出它的电极电位为时，由上式可算出它的电极电位为 V=+0.242VV=+0.242V。 220 Hg.Hg ClCllnRTVVcF固态参比电极固态参比电极在工业流程上，甘汞电极有时不能满在工业流程上，甘汞电极有时不能满 足要求。例如：足要求。例如：溶液由于剧烈地搅动很易损坏甘汞电溶液由于剧烈地搅动很易损坏甘汞电 极极溶液粘度很大，易堵塞甘汞电极下端溶液粘度很大，易堵塞甘汞电极下端 的多孔陶瓷膜的多孔陶瓷膜溶液处在高压之下，盐桥氯化钾溶液溶液处在高压之下，盐桥氯化钾溶液 会产生倒流，使之无法测量
