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對于如何選擇自動電位滴定儀，歷來有很多的討論，筆者認(rèn)為還是要回歸電位滴定儀的本質(zhì)，考量一些關(guān)鍵的因素：加液精度、觸摸屏、驅(qū)動器配置等等，究竟哪個部分是最重要的？聽筆者一一道來。

 

滴定是一種化學(xué)分析技術(shù)，用于測定樣品中溶解的被分析物含量。在選擇自動電位滴定儀之前，有些滴定基礎(chǔ)知識必須要掌握，這對我們后續(xù)使用、選擇合適的滴定儀非常重要。

 

01滴定的原理

 

向樣品中滴加已知濃度的滴定劑，使滴定劑和被測物之間發(fā)生完全的化學(xué)反應(yīng)。而后通過測定滴定劑消耗的體積，根據(jù)化學(xué)計量法計算，來確定被測物的含量。

 

02滴定的應(yīng)用

 

基于以上滴定的原理，滴定反應(yīng)的終點必須容易被觀測的，通常會采取一些方式來進行觀測，如電位法（通過電極測量電位）或使用指示劑（通過指示劑的變色）來確定終點。所以應(yīng)用滴定反應(yīng)來進行的測量實驗，通常是快速的、完全的、明確的、可觀測的。

 

例如：用氫氧化鈉（NaOH）滴定醋酸（CH3COOH）的反應(yīng)，公式如下：

CH3COOH     +     NaOH →    CH3COO- +   Na+    + H2O

被分析物                滴定劑          反應(yīng)產(chǎn)物

 

我們可以通過消耗滴定劑NaOH的量，來確定體系內(nèi)醋酸（CH3COOH）的含量。

 

滴定測量技術(shù)，由于測量成本低，精度高在分析實驗中被廣泛應(yīng)用。最早，滴定劑通過帶有刻度的玻璃管添加并記錄消耗的體積，手動調(diào)節(jié)旋塞開關(guān)來控制滴定劑的添加量，當(dāng)反應(yīng)進行到終點時，體系內(nèi)顏色發(fā)生變化。所以起初只能進行那些到終點有顏色變化的滴定實驗，隨著滴定分析的發(fā)展，人們根據(jù)經(jīng)驗開始在體系內(nèi)加入指示劑來確定反應(yīng)終點，此舉拓寬了滴定分析的范疇。后來測量電極的產(chǎn)生使得滴定實驗覆蓋的范疇又進一步擴大，目前對于實驗終點的判定大多采用這兩種方式：指示劑變色或電位的變化。

 

03滴定的分類

 

根據(jù)反應(yīng)類型的不同，滴定可分成如下幾種類型:

酸/堿反應(yīng)：

HCl + NaOH → NaCl + H2O

例如： 葡萄酒、牛奶、番茄醬中的酸含量,包括HCl、HNO3、H2SO4

 

氧化還原反應(yīng)：

2Cu2+ + 2I- → 2Cu+ + I2

例如： 銅含量、鎳、鉻電鍍液

 

絡(luò)合反應(yīng)：

Mg2+ + EDTA → Mg[EDTA]2+

Ca2+ + EDTA ↔ Ca[EDTA]2+

例如： 水的總硬度（鈣鎂離子）牛奶和奶酪中鈣的含量和水泥分析

 

沉淀反應(yīng)：

NaCl + AgNO3 → AgCl↓ + NaNO3

例如： 薯片、番茄醬和食物中鹽（NaCl）的含量，硬幣中銀的含量

 

BaCl2 + Na2SO4 → BaSO4↓ + 2NaCl

例如：礦泉水中硫酸鹽的含量，電鍍液中硫酸鹽的含量

 

膠體沉淀反應(yīng)：

Hyamine + SDS → Hyamine-SDS

例如： 洗滌劑、洗衣粉或沐浴露中陰離子表面活性劑的含量

 

根據(jù)終點類型的不同又可以分為：終點滴定和等當(dāng)點滴定

 

終點滴定（EP：Endpoint）

傳統(tǒng)滴定方式就是終點滴定：添加滴定劑至指示劑顏色發(fā)生變化，計為終點。

 

 

圖1 終點滴定曲線

 

等當(dāng)點滴定（EQP：Equivalence Point）

滴定劑與被測物按等物質(zhì)的量完全反應(yīng)，在滴定曲線上表現(xiàn)為突躍點。二維滴定曲線的橫坐標(biāo)是滴定劑的消耗體積（mL），縱坐標(biāo)可以是pH、電位（mV）、相對透光率（%T）、相對吸光度（A）、電流（I）、溫度（T）等。

 

記錄在等當(dāng)點處滴定劑消耗的體積，通過計算與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的滴定劑消耗量，得到樣品的含量。

 

 

圖2 等當(dāng)點滴定曲線

  

04自動電位滴定儀的應(yīng)用

 

隨著滴定實驗的廣泛應(yīng)用，人們開始不滿足于傳統(tǒng)的手工控制玻璃管加液的方式進行滴定實驗，這種滴定方式結(jié)果的準(zhǔn)確性、分析效率都較低，傳統(tǒng)手工滴定的結(jié)果精確性和效率主要靠化驗師的技術(shù)能力，尤其是辨別不同顏色的能力。也就是確定終點的能力。

 

近些年隨著煤化工行業(yè)的發(fā)展，實驗與分析任務(wù)量越來越大、對于與結(jié)果的準(zhǔn)確性要求越來越高，滴定實驗的操作也從手工滴定，慢慢的開始被自動的機械設(shè)備操作所取代，從手動加液，到后來的通過馬達驅(qū)動活塞滴定管加液，使滴定劑添加的精準(zhǔn)度更好；不同種類的電極取代了指示劑來確定反應(yīng)終點，大大提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

 

相對于指示劑變色的方式，測量電極的測定電位并對電位-滴定劑體積做曲線圖，通過數(shù)學(xué)模型評估滴定曲線得到的結(jié)果，更真實的反映了化學(xué)反應(yīng)的過程。整個實驗過程自動化程度較高，也大大降低實驗員的勞動強度。同時也更節(jié)省人工成本。

 

自動電位滴定儀仍在繼續(xù)發(fā)展，在滴定過程中一些步驟和方式逐漸智能化，進一步提高了儀器的工作效率和準(zhǔn)確性。比如：

直觀的觸摸屏界面：只需“一鍵”進行滴定，一次操作進行完成實驗；

智能識別滴定管：支持熱插拔，無需反復(fù)開關(guān)機，既高效快速又防止因反復(fù)開關(guān)機對儀器產(chǎn)生的影響；

智能電極：自動識別和讀寫電極芯片中的數(shù)據(jù)，防止電極的錯誤使用；

模塊化設(shè)計：可以根據(jù)不同的需求進行功能組合，如配置多個驅(qū)動器、多個滴定管等可根據(jù)實際需求自由添加；

自動進樣器：可以滿足大量樣品測試的需求，一次啟動可完成多個樣品的連續(xù)測定；

網(wǎng)絡(luò)版軟件：通過電腦端可遠程一次操控多臺設(shè)備進行實驗、方法的寫入和復(fù)制、結(jié)果收集和匯總，并帶有數(shù)據(jù)庫便于后期認(rèn)證和審核。

 

05自動電位滴定儀的選擇

 

對于如何選擇自動電位滴定儀，歷來有很多的討論，筆者認(rèn)為還是要回歸電位滴定儀的本質(zhì)，考量一些關(guān)鍵的因素，首先要考慮加液精度，加液精度實際上指的是最小一滴的加液量，傳統(tǒng)的玻璃滴定管通過手工加液，技術(shù)熟練的實驗員最小可以加半滴約0.25mL。

 

目前市面上常見的電位滴定儀，如：滴定管體積10mL搭配20000步加液驅(qū)動器，每一滴的加液量是10mL/20000=0.5uL，遠比手工加液精度高，如：滴定管體積20mL配合20000步加液驅(qū)動器，每一滴的加液量是20mL/20000=1uL，也比手工加液精度高，可見加液精度的高低取決于滴定管體積與驅(qū)動器的步數(shù)的比值，但即使滴定管體積20mL搭配10000步加液驅(qū)動器驅(qū)動器，每一滴的加液量是20mL/10000=2uL，也比手工滴加精細(xì)很多，其實在滴定管體積固定的前提下，常規(guī)的實驗無論是10000步的驅(qū)動器還是20000步的驅(qū)動器都可以很好的滿足實驗需求。

 

除此之外，例如支持中英文在內(nèi)的多語言彩色觸摸屏的設(shè)備，相對而言操作的便利性會更好些，可以直達子級菜單，編輯方法和通過快捷鍵進行一鍵啟動測量都較方便。

 

對于后期是否可拓展其他方面的應(yīng)用，是否能配置多個驅(qū)動器等方面的考量，其實應(yīng)該回歸用戶的實驗需求來看，滿足實驗需求且又經(jīng)濟的設(shè)備才是用戶需要的設(shè)備。沒有必要追求參數(shù)的領(lǐng)先，還是要注重實際的使用效果。

 

近些年國產(chǎn)的自動電位滴定儀設(shè)備成長也很快，一些品牌都完成了從無到有，從有到優(yōu)的突破和飛躍，產(chǎn)品從設(shè)計到工藝都很讓人欣喜，但由于煤化工行業(yè)的樣品較為復(fù)雜，需要更多的是廠商的經(jīng)驗，方法的調(diào)試，甚至是應(yīng)用方案的整合，在這些方面，國產(chǎn)設(shè)備還需加油。

 

綜上所述，是電位滴定儀的原理及目前現(xiàn)狀的一些介紹，實際使用中其實要關(guān)注的還有很多方面，比如標(biāo)準(zhǔn)、比如樣品前處理、比如特殊樣品的特殊性質(zhì)，都是決定分析品質(zhì)的關(guān)鍵，儀器只是分析中的一部分，選擇適合的儀器設(shè)備相當(dāng)于選擇了好的幫手，但無論幫手多優(yōu)秀，實驗還是我們來主導(dǎo)的，善用好的幫手才是提升實驗效率、提升分析質(zhì)量的不二法門，因此希望通過本次的分享讓大家能有所收獲，找到更多、更適合我們的好幫手。

 

作者介紹

 

支曉鵬， 中國化學(xué)賽鼎工程公司 高級工程師，從業(yè)二十余年以來，一直活躍在工程設(shè)計領(lǐng)域，主要近二百余項煤化工項目的中心化驗室、環(huán)境監(jiān)測站等的設(shè)計、建設(shè)與采購工作，同時還參與了高校、科研院所、質(zhì)檢、環(huán)保等部門的實驗室設(shè)計以及多部工藝包和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。