仪器分析实验报告：直接电位法测定牙膏中的氟离子

选择电极直接电位法测定牙膏中的氟离子含量

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(1111111院，，519072)

摘要: 本文采用氟离子选择性电极直接电位分析法测定了牙膏样品中的氟元素含量。使用TISAB（总离子强度调节缓冲溶液）稳定溶液的总离子强度及pH，测定了一系列含氟离子溶液的标准曲线，在0.01-0.00001 mol/L的围线性相关系数为1.0000。结果表明本牙膏样品中的氟含量为0.595 mg/g，符合标准规定的含氟牙膏中氟含量围。

关键词: 氟离子牙膏选择电极直接电位法

1 前言

氟为人体必需元素，若饮用水中氟含量过高，会引起牙釉和骨软症，而适量氟对预防龋齿有利。龋病是一种危害人类牙齿最常见的多发病，尤其以儿童更为普遍。如何能及早预防儿童龋病的发生，是当今口腔医学上一重大课题。目前最简便有效的方法是使用含氟化钠的牙膏刷牙，其目的是使氟离子与牙齿表面钙盐结合形成抗酸蚀能力较强的氟磷灰石保护层，以增强牙齿的抗酸蚀能力，达到预防龋齿的目的。又由于氟化钠有毒，须严格控制其用量，因此测定牙膏中氟的含量具有重要的实际意义[1]。

目前氟化物的测定方法主要有[2-3]:分光光度法、离子色谱法、滴定法、扫描极谱法、原子发射光谱法、荧光法、气相色谱法等。其中比色法方法简单，但灵敏度低；分光光度法测定时要将样品中F-转化为吸光物质，受条件影响因素较多；离子色谱法作为一种新技术, 发展很快, 但此法大多用于测定阴离子且仪器昂贵；滴定法涉及样品预处理操作，手续繁杂，特别对微量元素的测定准确度和精密度不高；气相色谱法需对分析物进行衍生。

本实验采用氟离子选择性电极法，直接溶样测定牙膏中游离氟，该法与其他方法相比，操作更简单，方便快速，灵敏度高准确，选择性好，仪器简单，成本低，是一种实用的测定氟离子方法。

自从氟离子选择电极问世以来，用该电极直接电位法测定各种水样中的氟便是一种普遍、方便和准确的方法。氟离子选择电极简称为氟电极，其敏感膜是LaF 3单晶(结构简图见图1)。 以氟电极为指示电极，Ag-AgCl 参比电极电极为参比电极，插入试液中，组成一个测量电池：

氟离子选择电极│F －试液│参比电极

当试液的离子强度为定值时，电池的电动势E 与F －试液的浓度C F －有确定的关系：

--=F C F

RT K E lg 303.2 (1) E 与C F －成线性关系，因此可以用直接电位法测定F －的浓度。

当氟电极插入到F -溶液中时，F -在晶体膜表面进行交换，25℃时有

E = K - 0. lga

F - = K + 0. pF - (2)

离子选择性电极测量的是溶液中的离子活度，通常定量分析需要测量的是离子的浓度，不是活度，所以必须控制试液的离子强度，才可以近似认为测量的是离子浓度。本实验用标准工作曲线法测定水中氟离子的含量，测量的pH 值围为5.0－6.0，加入含有氯化钠、乙酸及柠檬酸钠的总离子强度调节缓冲剂（TISAB ）以控制酸度、保持一定的离子强度和消除干扰离子对测定的影响。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

510型 pH 计/离子计；电磁搅拌器；氟离子选择性电极；Ag/AgCl 标准电极；超声波清洗器。

F-标准溶液（0.1000 mol/L ，实验室提供）：准确称取4.198 g 在 120℃干燥过后的氟化钠（A.R ），以水溶解转入 1000mL 容量瓶中用水稀释至刻度，混匀转移至塑料瓶中储备；

TISAB （总离子强度调节缓冲溶液pH 5.0~5.5，实验室提供）：在500 mL 水中，加入57 mL 冰醋酸（A.R ），58.5 g 的氯化钠和0.3 g 的柠檬酸钠（A.R ），用水稀释至1 L 。

组成

i C 2i Z NaCl (1 mol/L)

HAc (0.25 mol/L)

NaAc (0.75 mol/L)

柠檬酸三钠 （0.001 mol/L ） 1×21+Na +1×21-Cl =2 弱酸≈0 0.75×21+Na +0.75×21Ac =1.5 0.001×32

+0.003×2

1+Na =0.012 图1 氟离子选择电极结构

表1 TISAB 的组成与离子强度

TISAB 总组成 μ=1/2ΣC i Z i 2=1/2(2+0+1.5+0.012)=1.75mol/L

pH=5.0～5.5

2.2 标准曲线的制作

在50 mL 的容量瓶中，准确加入5.00 mL0.1000 mol/L 的氟标准溶液和25 mL TISAB ，纯水定容后为1.000×10-2 mol/L 的氟标准溶液。在1.000×10-2mol/L 标准溶液的基础上逐级稀释成1.000×10-3、1.000×10-4、1.000×10-5mol/L 氟标准溶液 (此三者均加入22.5mL TISAB 溶液）。配制含25 mL TISAB 的空白溶液50 mL 。设置好电位仪的参数，把电极插入去离子水中在搅拌的条件下洗涤至电位计读数稳定且换水后波动不超过5 mV 时可以进行测量。按氟离子浓度由低到高的顺序测量，记下稳定的读数。测量完毕后将电极用蒸馏水清洗直至测得电位值与第一次清洗时的电位值相近。

2.3 牙膏中氟含量的测定

准确称取1.0400 g 的牙膏样品于小烧杯中，用25ml TISAB 溶液将牙膏样品稀释后转移至50ml 容量瓶中，纯水定容，超声震荡5 min 。在相同条件下测定，记录稳定的电位读数。 3 结果与讨论

3.1 数据与处理

由实验测得的标准溶液测定电位值绘制出工作曲线（图1），得到E = -59.7* lgC F －+ 97.8，相关系数R 2 = 1.0000，可见线性较好。

根据实验测定，E 样品=288 mV ，代入工作曲线计算则有

lg(c F -)=(288－97.8)/(－59.7)=－3.

则所没溶液中的氟离子浓度为

C F -=10-3.=6.52×10-4 mol/L

又所取牙膏总质量m 为1.0400 g ，定容体积V 至50 mL ，则牙膏中氟离子含量m(F -)有

m(F -)= C F -×M(F)×V/m=6.52×10-4×18.9984×50/1.0400=0.595 mg/g

结果表明本牙膏样品中的氟含量符合标准规定的含氟牙膏中氟含量围0.4-1.5 mg/g 。

标准溶液 空白 样品液 牙膏质量/g 牙膏氟含量 mg/g F -浓度

/mol ·L -1

1×10-2 1×10-3 1×10-4 1×10-5 1.47×10-6 6.52×10-4 1.0400 0.595

E /mV 396 337 277 217 446

288 -- --

3.2 TISIB 的作用与影响[4]

第一，固定溶液的离子强度。因离子选择性电极的膜电位是依赖于离子活度而不是浓度，只有当离子的活度系数保持不变时，膜电位才与浓度成线性关系，因此必须把离子强度较高的溶液加到标准溶液和未知溶液中，使溶液的离子强度固定，从而使离子的活度系数不变用浓度表1 离子选择电极直接测定牙膏中氟含量数据与结果 图1 离子选择电极直接测定牙膏中氟含量工作曲线

代替活度。

第二，防止氢离子和氢氧根离子对测定的干扰，缓冲pH使之保证一定围。在pH < 5的酸性溶液中，氢离子和氟离子形成难离解的HF-和HF2- 而氢氧根离子与氟离子在水中的有效离子半径相近，也有可能穿过半透膜，再者氟化镧在碱性溶液中能释放出氟离子，所以必须控制被测溶液的pH值。氟化物的含量越低适应pH围越窄，一般情况控制在5～6。

第三，消除铝、铁离子的干扰。电极法测定的是游离的氟离子，而一些高价的阴离子如Al3+、Fe3+和氢离子易与氟离子形成稳定的络和物从而有干扰。在TISAB中柠檬酸钠能与Al3+、Fe3 +形成较强的络合物从而起到掩蔽作用，消除干扰。如图所示，TISAB对蒸馏水的平衡电位值影响不大因蒸馏水较纯净，含氟量极微，其它杂质也很少。TISAB 对地下含氟水电位影响最大，因地下水含较多的[OH-]、Al3+、Fe3 +等，TISAB 消除了这些干扰。

第四，加快平衡的到达，缩短电极响应时间。根据“IUPAC”的意见电极响应时间是指从离子选择性电极和参比电极接触样品溶液开始到电极电位达到稳定所经过的时间。影响电极响应时间的主要因素为:

[ a ]膜电极本身的结构、性质和光洁度；

[ b]待测溶液的浓度，通常浓度越低电极响应时间越长；

[ c ]搅拌(但不能过快以防气泡附着电极表面)；

[ d]适当升高温度有利于平衡到达；

[ e ]加入掩蔽剂。

加入TISAB后,其中柠檬酸钠对铝铁等形成较强的络合物使氟离子快速从铝铁络合物中解离出来，有利于缩短电极响应时间。

第五，TISAB 存放时间过长可造成误差。TISAB不能存放时间过长(不超过一周) ，否则掩蔽能力下降引入误差。