金屬玻璃電極的研制與測試

樓饒成，饒 敏

(上饒師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江西上饒334001)

高校化學(xué)專業(yè)的實驗教學(xué)中經(jīng)常需要使用金屬玻璃電極測量不同溶液電導(dǎo)率，求得溶液的速率常數(shù)與臨界膠束濃度。常規(guī)金屬玻璃電極具有測量精度高、操作起來方便等優(yōu)點(diǎn)，在電導(dǎo)率測量中得到廣泛的使用，但也存在性能不夠穩(wěn)定(儀器受溫度的影響較大)、壽命較短等缺點(diǎn)［1］。另外，老化的金屬玻璃電極等小型儀器發(fā)回廠家維修，等待周期長，運(yùn)輸費(fèi)較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實驗教學(xué)的需要［2］。因此研制與改進(jìn)性能、壽命均較理想的金屬玻璃電極引起了人們的廣泛興趣。我們根據(jù)在實驗室工作多年的經(jīng)驗，為解決實驗過程中存在的困難，自制出各種各樣的金屬玻璃電極，使溶液電導(dǎo)率的測定更加簡便快速，結(jié)果更加準(zhǔn)確合理。

1 實驗材料

1.1 實驗樣品

銅粉200目(99.9%(阿拉丁)－C103838);鋅粉99.995%(Sigma);“九五”材料玻璃。

1.2 試劑和儀器

CuSO4溶液(0.1 mol/Kg);ZnSO4溶液(0.1 mol/Kg);KCl飽和溶液。

飽和甘汞電極;UJ－25型直流電位差計;AC15/6直流復(fù)射式檢流計;BC9a型飽和標(biāo)準(zhǔn)電池;工作電池(3 V);電極管;電極架。

1.3 分析方法及標(biāo)準(zhǔn)

在298K和標(biāo)準(zhǔn)壓力(pθ=100 kPa)下，在水溶液中，一些電極的標(biāo)準(zhǔn)(氫標(biāo)還原)電極電勢φθ［3］:

飽和甘汞電極電勢溫度校正公式:

Cu/Zn玻璃電極相對誤差(Er)的計算公式如下:

式中，Ea和EθT分別為金屬玻璃電極的絕對誤差與標(biāo)準(zhǔn)電極電勢。

2 實驗方法

2.1 金屬玻璃電極的制備(以Cu/Zn金屬電極為例)

(1)材料及溫度的選擇。玻璃材料為厚薄均勻，青色透明硬度強(qiáng)，有一定的拉力，直經(jīng)Φ 0.4mm“九五”材料。金屬材料要求純度達(dá)到99.9%以上，細(xì)度為200目，光滑度要很好。酒精噴燈的火力要求溫度能達(dá)到800～900℃之間。

(2)玻璃材料的截割。銼刀向前劃痕(不能往復(fù)鋸)，拇指齊放在劃痕的背后向前推壓同時食指向外拉。

(3)熔光。截斷后玻璃材料的橫切面必須在酒精燈火焰上呈45°旋轉(zhuǎn)灼燒，達(dá)到光滑。

(4)彎曲玻璃管。玻璃管加熱時可在玻璃管中放入少量食鹽以保持玻璃管受熱彎管時不變形。用石棉球堵住一端，掌握火焰的最佳溫度(800～900℃)，兩手不停按同一方向轉(zhuǎn)動，待彎曲部分達(dá)到拉伸溫度時，離開火焰迅速彎成理想的狀態(tài)，冷卻變硬后再撒手。

(5)取一定數(shù)量的金屬粉末放在蒸發(fā)皿內(nèi)，酒精噴燈加熱，待其金屬粉末熔化后，取一只端口處理好的玻璃管插入金屬熔液中，用吸耳球迅速吸入一定高度的金屬熔液，待溫度稍微降低后，再用金屬導(dǎo)線從玻璃管的另一端口插入金屬熔液中。冷卻后，將玻璃管打碎，金屬電極和導(dǎo)線則較好的連在一起。

(6)將連有導(dǎo)線的金屬電極進(jìn)行表面打磨，至恰好放入事先做好的彎曲玻璃管中，用環(huán)氧樹脂與聚酰胺樹脂混合均勻后膠好。

(7)鋅電極的預(yù)處理。用6 mol·L－1硫酸浸洗鋅電極以除去表面上的氧化層，取出后用水洗滌，再用蒸餾水淋洗，然后放入含有飽和硝酸亞汞溶液和棉花的燒杯中，在棉花上磨擦3～5 s使鋅電極表面上形成一層均勻的鋅汞齊，再用蒸餾水淋洗。

(8)銅電極的預(yù)處理。將銅電極在6 mol·L－1硝酸溶液內(nèi)浸洗，除去氧化層和雜物，然后取出用水沖洗，再用蒸餾水淋洗，將銅電極置于電鍍燒杯中作陰極，另取一個經(jīng)清潔處理的銅棒作陽極，進(jìn)行電鍍，電流密度控制在10 mA·cm－2為宜，電鍍1h(圖1)。

圖1 金屬玻璃電極的成品

2.2 金屬玻璃電極的測試

2.2.1 記錄室內(nèi)溫度

往一電極管注入飽和KCl溶液，將甘汞電極放入該電極管中使飽和KCl溶液浸沒甘汞電極。往另一電極管中注入ZnSO4溶液，將鋅電極放入該電極管中使ZnSO4液體浸沒Zn電極。在另一電極管中注入CuSO4溶液，將銅電極放入該電極管中使CuSO4溶液浸沒Cu電極。

2.2.2 電動勢的測定

(1)按照電位差計電路圖(圖2)［4］，連接直流穩(wěn)壓電源供應(yīng)器開關(guān)，將電壓調(diào)為3.0 V。將工作電流、檢流計、標(biāo)準(zhǔn)電池和待測電池等連接好，接通電源，調(diào)節(jié)檢流計光點(diǎn)的零位。將選擇開關(guān)扳向N，然后將溫度補(bǔ)償旋鈕扭至相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢的數(shù)值位置上(1.0184 V)，而后按下粗測鍵(當(dāng)按下粗測鍵時，檢流計光點(diǎn)在一小格范圍內(nèi)擺動才能按細(xì)測鍵)。視檢流計光點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)情況，調(diào)節(jié)可變電阻(粗、中、細(xì))，使檢流計光點(diǎn)指示零位。

(2)將銅電極接在未知1.+極，甘汞電極接在未知2.－極。再將選擇開關(guān)撥向X1，然后分別按下粗測鍵和細(xì)測鍵，同時旋轉(zhuǎn)各測量檔旋鈕至檢流計光點(diǎn)指示零位，記錄數(shù)據(jù)，此時電位差計各測量檔所示電壓值的總和即為Cu－甘汞電池的電動勢。將電伏檔旋鈕調(diào)為零。

(3)將甘汞電極接在未知1.+極，鋅電極接在未知2.－極。再將選擇開關(guān)撥向X1，然后分別按下粗測鍵和細(xì)測鍵，同時旋轉(zhuǎn)各測量檔旋鈕至檢流計光點(diǎn)指示零位，記錄數(shù)據(jù)，此時電位差計各測量檔所示電壓值的總和即為Zn(Hg)－甘汞電池的電動勢。

圖2 電位差計工作原理示意圖

表1 Cu/Zn玻璃電極的測量電勢及誤差(293.8 K)

實驗結(jié)束后，將各旋鈕調(diào)為零，拔掉電源。

3 結(jié)果與討論

3.1 玻璃材料的選擇

燈工吹制用的玻璃材料品種很多，大致可分為一般的軟玻璃(即鈉鈣玻璃)、耐熱的硬質(zhì)玻璃(即硼硅酸鹽玻璃)和耐高溫的石英玻璃三大類［5，6］。

玻璃儀器制作常用的玻璃材料主要為:GG－17玻璃，九五玻璃，八一注射玻璃，5號量器玻璃等。

(1)GG－17玻璃是高硼硅酸鹽玻璃的一種，它的含硅量為80.48%左右。由于它具有低膨脹系數(shù)和極優(yōu)良的物理化學(xué)性能，因此是制造復(fù)雜玻璃儀器、耐熱燒器和大型化工設(shè)備較理想的玻璃材料。

(2)九五玻璃是高硼硅酸鹽玻璃的一種，它的含硅量為78.4%左右。它具有良好的物理化學(xué)性能，熱穩(wěn)定性也很好，是目前應(yīng)用較廣泛的一種優(yōu)質(zhì)玻璃，常用它制造真空玻璃儀器等。

(3)八一玻璃是制造注射器用的一種硼硅中性玻璃，它的含硅量為74.5%左右。它具有良好的燈工加工性能。由于該玻璃比較容易熔制，所以應(yīng)用方面較為廣泛。

(4)5號量器玻璃是一種鈉鈣無硼玻璃，含硅量為71%左右，化學(xué)穩(wěn)定性良好，特別是耐堿性能較其他玻璃優(yōu)越，是制造玻璃量器的良好材料。目前生產(chǎn)的滴定管、吸管、移液吸管產(chǎn)品大都采用此玻璃制造。

鑒于上述玻璃的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)，在金屬玻璃電極的制作中，我們選擇九五玻璃。

3.2 制作金屬玻璃電極的火焰要求

在通常的情況下，火焰的溫度隨著含氧量的增減而變化，如果在氧化性火焰中加入適量的純氧，燃燒較充分，則火焰溫度能達(dá)到1700℃以上。因此，燈工操作者必須熟練靈活地運(yùn)用噴燈，正確地選擇和使用火焰，以便達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。在一般噴燈火焰中，各種不同火焰性能及其使用范圍大概如下:

(1)單純煤氣火焰粗大，散熱面廣，溫度較低，這種火焰不能使玻璃軟化，在操作時，往往被用來對制品進(jìn)行預(yù)熱和退火。

(2)煤氣－空氣火焰，溫度不高，因而玻璃管熔融速度較慢，適合軟質(zhì)玻璃和普通硬質(zhì)玻璃的各種操作，以及退火。

(3)煤氣－空氣－氧氣火焰，因能達(dá)到較高的火焰溫度，火焰使用范圍較廣，適宜加工硬質(zhì)和特硬玻璃。

(4)單孔純氧火焰，當(dāng)噴燈煤氣點(diǎn)燃后，加入少量純氧，這時火焰中間形成一條尖細(xì)的白色純氧火苗，溫度極高，在加工復(fù)雜多接頭制品時，周圍火焰可保護(hù)其他接頭，避免冷卻而爆裂。并適宜對大的夾層環(huán)形接頭進(jìn)行逐段封接，使用這種火焰，燈芯需用金屬制作。

3.3 鋅電極的鋅汞齊化

鋅電極中含有其他金屬雜質(zhì)，在溶液中本身會成為微電池，鋅電極電勢較低，且鋅是較活潑的金屬，易被氧化，如果直接用鋅做電極，將嚴(yán)重影響測量結(jié)果，鋅汞齊化能使鋅溶解于汞中或鋅原子擴(kuò)散惰性金屬汞中，處于飽和的平衡狀態(tài)，此時鋅的活度仍等于1，氫在汞上的超電勢較大，在一般實驗條件下不會釋放出氫氣。故鋅汞齊化后易建立平衡。

［1］姚世芳.酸度計的檢修與維護(hù)和保養(yǎng)［J］.廣西輕工業(yè)，2011，(9):62－63.

［2］張敏.重視儀器設(shè)備維修，為教學(xué)與科研服務(wù)［J］.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(教育研究版)，2004，20(8):31－32.

［3］武漢大學(xué)，吉林大學(xué).無機(jī)化學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［4］復(fù)旦大學(xué).物理化學(xué)實驗［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［5］王承遇，陶瑛.玻璃成分的設(shè)計與調(diào)整［J］.玻璃與搪瓷，2006，34(1):54－59.

［6］潘兆祥，陳大華，陳耀.玻璃、石英玻璃與金屬封接工藝的探討［J］.玻璃與搪瓷，2006，14(6):58－59.