金属玻璃电极的研制与测试

楼饶成，饶 敏

(上饶师范学院化学化工学院，江西上饶334001)

高校化学专业的实验教学中经常需要使用金属玻璃电极测量不同溶液电导率，求得溶液的速率常数与临界胶束浓度。常规金属玻璃电极具有测量精度高、操作起来方便等优点，在电导率测量中得到广泛的使用，但也存在性能不够稳定(仪器受温度的影响较大)、寿命较短等缺点［1］。另外，老化的金属玻璃电极等小型仪器发回厂家维修，等待周期长，运输费较高，远远不能满足实验教学的需要［2］。因此研制与改进性能、寿命均较理想的金属玻璃电极引起了人们的广泛兴趣。我们根据在实验室工作多年的经验，为解决实验过程中存在的困难，自制出各种各样的金属玻璃电极，使溶液电导率的测定更加简便快速，结果更加准确合理。

1 实验材料

1.1 实验样品

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

1.2 试剂和仪器

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

饱和甘汞电极;UJ－25型直流电位差计;AC15/6直流复射式检流计;BC9a型饱和标准电池;工作电池(3 V);电极管;电极架。

1.3 分析方法及标准

在298K和标准压力(pθ=100 kPa)下，在水溶液中，一些电极的标准(氢标还原)电极电势φθ［3］:

饱和甘汞电极电势温度校正公式:

Cu/Zn玻璃电极相对误差(Er)的计算公式如下:

式中，Ea和EθT分别为金属玻璃电极的绝对误差与标准电极电势。

2 实验方法

2.1 金属玻璃电极的制备(以Cu/Zn金属电极为例)

(1)材料及温度的选择。玻璃材料为厚薄均匀，青色透明硬度强，有一定的拉力，直经Φ 0.4mm“九五”材料。金属材料要求纯度达到99.9%以上，细度为200目，光滑度要很好。酒精喷灯的火力要求温度能达到800～900℃之间。

(2)玻璃材料的截割。锉刀向前划痕(不能往复锯)，拇指齐放在划痕的背后向前推压同时食指向外拉。

(3)熔光。截断后玻璃材料的横切面必须在酒精灯火焰上呈45°旋转灼烧，达到光滑。

(4)弯曲玻璃管。玻璃管加热时可在玻璃管中放入少量食盐以保持玻璃管受热弯管时不变形。用石棉球堵住一端，掌握火焰的最佳温度(800～900℃)，两手不停按同一方向转动，待弯曲部分达到拉伸温度时，离开火焰迅速弯成理想的状态，冷却变硬后再撒手。

(5)取一定数量的金属粉末放在蒸发皿内，酒精喷灯加热，待其金属粉末熔化后，取一只端口处理好的玻璃管插入金属熔液中，用吸耳球迅速吸入一定高度的金属熔液，待温度稍微降低后，再用金属导线从玻璃管的另一端口插入金属熔液中。冷却后，将玻璃管打碎，金属电极和导线则较好的连在一起。

(6)将连有导线的金属电极进行表面打磨，至恰好放入事先做好的弯曲玻璃管中，用环氧树脂与聚酰胺树脂混合均匀后胶好。

(7)锌电极的预处理。用6 mol·L－1硫酸浸洗锌电极以除去表面上的氧化层，取出后用水洗涤，再用蒸馏水淋洗，然后放入含有饱和硝酸亚汞溶液和棉花的烧杯中，在棉花上磨擦3～5 s使锌电极表面上形成一层均匀的锌汞齐，再用蒸馏水淋洗。

(8)铜电极的预处理。将铜电极在6 mol·L－1硝酸溶液内浸洗，除去氧化层和杂物，然后取出用水冲洗，再用蒸馏水淋洗，将铜电极置于电镀烧杯中作阴极，另取一个经清洁处理的铜棒作阳极，进行电镀，电流密度控制在10 mA·cm－2为宜，电镀1h(图1)。

图1 金属玻璃电极的成品

2.2 金属玻璃电极的测试

2.2.1 记录室内温度

往一电极管注入饱和KCl溶液，将甘汞电极放入该电极管中使饱和KCl溶液浸没甘汞电极。往另一电极管中注入ZnSO4溶液，将锌电极放入该电极管中使ZnSO4液体浸没Zn电极。在另一电极管中注入CuSO4溶液，将铜电极放入该电极管中使CuSO4溶液浸没Cu电极。

2.2.2 电动势的测定

(1)按照电位差计电路图(图2)［4］，连接直流稳压电源供应器开关，将电压调为3.0 V。将工作电流、检流计、标准电池和待测电池等连接好，接通电源，调节检流计光点的零位。将选择开关扳向N，然后将温度补偿旋钮扭至相应的标准电池电动势的数值位置上(1.0184 V)，而后按下粗测键(当按下粗测键时，检流计光点在一小格范围内摆动才能按细测键)。视检流计光点的偏转情况，调节可变电阻(粗、中、细)，使检流计光点指示零位。

(2)将铜电极接在未知1.+极，甘汞电极接在未知2.－极。再将选择开关拨向X1，然后分别按下粗测键和细测键，同时旋转各测量档旋钮至检流计光点指示零位，记录数据，此时电位差计各测量档所示电压值的总和即为Cu－甘汞电池的电动势。将电伏档旋钮调为零。

(3)将甘汞电极接在未知1.+极，锌电极接在未知2.－极。再将选择开关拨向X1，然后分别按下粗测键和细测键，同时旋转各测量档旋钮至检流计光点指示零位，记录数据，此时电位差计各测量档所示电压值的总和即为Zn(Hg)－甘汞电池的电动势。

图2 电位差计工作原理示意图

表1 Cu/Zn玻璃电极的测量电势及误差(293.8 K)

实验结束后，将各旋钮调为零，拔掉电源。

3 结果与讨论

3.1 玻璃材料的选择

灯工吹制用的玻璃材料品种很多，大致可分为一般的软玻璃(即钠钙玻璃)、耐热的硬质玻璃(即硼硅酸盐玻璃)和耐高温的石英玻璃三大类［5，6］。

玻璃仪器制作常用的玻璃材料主要为:GG－17玻璃，九五玻璃，八一注射玻璃，5号量器玻璃等。

(1)GG－17玻璃是高硼硅酸盐玻璃的一种，它的含硅量为80.48%左右。由于它具有低膨胀系数和极优良的物理化学性能，因此是制造复杂玻璃仪器、耐热烧器和大型化工设备较理想的玻璃材料。

(2)九五玻璃是高硼硅酸盐玻璃的一种，它的含硅量为78.4%左右。它具有良好的物理化学性能，热稳定性也很好，是目前应用较广泛的一种优质玻璃，常用它制造真空玻璃仪器等。

(3)八一玻璃是制造注射器用的一种硼硅中性玻璃，它的含硅量为74.5%左右。它具有良好的灯工加工性能。由于该玻璃比较容易熔制，所以应用方面较为广泛。

(4)5号量器玻璃是一种钠钙无硼玻璃，含硅量为71%左右，化学稳定性良好，特别是耐碱性能较其他玻璃优越，是制造玻璃量器的良好材料。目前生产的滴定管、吸管、移液吸管产品大都采用此玻璃制造。

鉴于上述玻璃的特点与优点，在金属玻璃电极的制作中，我们选择九五玻璃。

3.2 制作金属玻璃电极的火焰要求

在通常的情况下，火焰的温度随着含氧量的增减而变化，如果在氧化性火焰中加入适量的纯氧，燃烧较充分，则火焰温度能达到1700℃以上。因此，灯工操作者必须熟练灵活地运用喷灯，正确地选择和使用火焰，以便达到提高产品质量的目的。在一般喷灯火焰中，各种不同火焰性能及其使用范围大概如下:

(1)单纯煤气火焰粗大，散热面广，温度较低，这种火焰不能使玻璃软化，在操作时，往往被用来对制品进行预热和退火。

(2)煤气－空气火焰，温度不高，因而玻璃管熔融速度较慢，适合软质玻璃和普通硬质玻璃的各种操作，以及退火。

(3)煤气－空气－氧气火焰，因能达到较高的火焰温度，火焰使用范围较广，适宜加工硬质和特硬玻璃。

(4)单孔纯氧火焰，当喷灯煤气点燃后，加入少量纯氧，这时火焰中间形成一条尖细的白色纯氧火苗，温度极高，在加工复杂多接头制品时，周围火焰可保护其他接头，避免冷却而爆裂。并适宜对大的夹层环形接头进行逐段封接，使用这种火焰，灯芯需用金属制作。

3.3 锌电极的锌汞齐化

锌电极中含有其他金属杂质，在溶液中本身会成为微电池，锌电极电势较低，且锌是较活泼的金属，易被氧化，如果直接用锌做电极，将严重影响测量结果，锌汞齐化能使锌溶解于汞中或锌原子扩散惰性金属汞中，处于饱和的平衡状态，此时锌的活度仍等于1，氢在汞上的超电势较大，在一般实验条件下不会释放出氢气。故锌汞齐化后易建立平衡。

［1］姚世芳.酸度计的检修与维护和保养［J］.广西轻工业，2011，(9):62－63.

［2］张敏.重视仪器设备维修，为教学与科研服务［J］.吉林工程技术师范学院学报(教育研究版)，2004，20(8):31－32.

［3］武汉大学，吉林大学.无机化学［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［4］复旦大学.物理化学实验［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［5］王承遇，陶瑛.玻璃成分的设计与调整［J］.玻璃与搪瓷，2006，34(1):54－59.

［6］潘兆祥，陈大华，陈耀.玻璃、石英玻璃与金属封接工艺的探讨［J］.玻璃与搪瓷，2006，14(6):58－59.