4-电化学分析方法-伏安分析方法

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中,电位变化很小,电解 电流变化较大,此时电极 呈现去极化现象,这是由 于被测物质的电极反应 所致。被测物质具有去 极化性质:去极剂。 Hg有毒。汞滴面积的变 化导致不断产生充电电 流(电容电流)。
二、扩散电流理论
1.扩散电流方程
设:平面的扩散过程 费克扩散定律:单位时间内通过单位平 面的扩散物质的量与浓差梯度成正比:
在1mol/L KCl底液中, 不同浓度的Cd2+极谱波
讨论
1. 同一离子在不同溶液中,半波电位不同。金属络离子 比简单金属离子的半波电位要负,稳定常数越大,半波电位 越负;
2. 两离子的半波电位接近或 重叠时,选用不同底液,可有效 分液离中,可如分离Cd(2+和CTdl2++在生N成H3络和离NH子4C)l溶;
cs; hs 标准溶液的浓度和波高;
cx
hx hs
cs
(2)标准曲线法
(3) 标准加入法
hX Kcs
H K (VX cX Vscs ) VX VS
cX
(VS
VS cS hX VX )H VX hX
三、极谱滴定法(伏安滴定法)
1. 原理
调节外加电压,使被滴定物 质或滴定剂产生极限扩散电流, 以滴定体积对极限扩散电流作图, 找出滴定终点。
一、极谱定性方法
由极谱波方程式:
E
E1/ 2
RT nF
ln
id
i
i
当i=1/2id时的电位即为半
波电位,极谱波中点。
E1/ 2
E O
RT nF
ln a KM MKa
常数
一般情况下,不同金属离子
具有不同的半波电位,且不随浓
度改变,分解电压则随浓度改变
而有所不同(如右图所示),故
可利用半波电位进行定性分析。
3.1.1 极谱分析的原理与过程
伏安分析法:以测定电解过程中 的电流-电压曲线为基础的电化学分析 方法;
极谱分析法(polarography):采 用滴汞电极的伏安分析法;
1.极谱分析过程
极谱分析:在特殊条件下进行的 电解分析。
特殊性:使用了一支极化电极和 另一支去极化电极作为参比电极;
在溶液静止的情况下进行的非完全 的电解过程。
极化电极与去极化电极
如果一支电极通过无限小的电流, 便引起电极电位发生很大变化,这样的 电极称之为极化电极,如滴汞电极,反 之电极电位不随电流变化的电极叫做理 想的去极化电极,如甘汞电极或大面积 汞层。
极谱分析过程和极谱波
电压由0.2 V逐渐增加到0.7 V 左右,绘制电流-电压曲线。
图中①~②段,仅有微小的电 流流过,这时的电流称为“残余电 流”或背景电流。当外加电压到达 Pb2+的析出电位时,Pb2+开始在滴 汞电极上迅速反应。
c πDt
(3)
(3)代入(2),得:
c
(id )t nFAD π D t
(4)
由于汞滴呈周期性增长,使其有效扩散层厚度减小,线性扩散 层厚度的 3/ 7
c
(id )t nFAD π D t 3 / 7
(5)
考虑滴汞电极的汞滴面积是时间的函数,t 时汞滴面积,:
At=8.4910-3m2/3t2/3 (cm2)
25 C 时
E
E1/ 2
0.059 n
ln
id
i
i
即极谱波方程式;
由该式可以计算极谱曲线上每一点的电流与电位值。
i= id /2 时, E=E 1/2 称之为半波电位,极谱定性的依据。
三、干扰电流与抑制
1.残余电流
(a)微量杂质等所产生的微弱电流 产生的原因:溶剂及试剂中的微量杂质及微量氧等。 消除方法:可通过试剂提纯、预电解、除氧等;
4. 滴汞电极的特点
a. 电极毛细管口处的汞滴很小,易形成浓 差极化;
b. 汞滴不断滴落,使电极表面不断更新, 重复性好。(受汞滴周期性滴落的影响,汞 滴面积的变化使电流呈快速锯齿性变化);
c. 氢在汞上的超电位较大; d. 金属与汞生成汞齐,降低其析出电位,使 碱金属和碱土金属也可分析。
e. 汞容易提纯 扩散电流产生过程
由于溶液静止,电极附近的铅离子在 电极表面迅速反应,此时,产生浓度梯度 (厚度约0.05mm的扩散层),电极反应受 浓度扩散控制。在④处,达到扩散平衡。
2. 极限扩散电流id
平衡时,电解电流仅受扩散运动控制,形成:极限扩散
电流id。(极谱定量分析的基础)
图中③处电流随电压 变化的比值最大,此点对 应的电位称为半波电位。
电化学分析方法
天津理工大学 张嘉琪
3. 伏安分析法
3.1 极谱分析原理与过程 3.2 极谱定性定量分析方法与应用 3.3 现代极谱分析技术 3.4 溶出伏安分析原理与技术 3.4 循环伏安分析原理与技术
3.1 极谱分析原理与过程
3.1.1 极谱分析原理与过程 3.1.2 扩散电流理论 3.1.3 干扰电流与抑制
(1) 快速扫描时,汞滴附近的待测物质瞬间被还原,产生 较大的电流,图中b~c段;
(2) 来不及形成扩散平衡,电流下降,图中 c ~d段;
(3) 形成扩散平衡, 电流稳定,扩散控制, 图中 d ~e段;
为了获得良好的i~E曲线, 需要满足一定的条件。
(极谱定性的依据)
3. 极谱曲线形成条件
(1) 待测物质的浓度要小,快 速形成浓度梯度。
(2) 溶液保持静止,使扩散层 厚度稳定,待测物质仅依靠扩散 到达电极表面。
(3) 电解液中含有较大量的惰性电解质,使待测离子在电 场作用力下的迁移运动降至最小。
(4) 使用两支不同性能的电极。极化电极的电位随外加电 压变化而变,保证在电极表面形成浓差极化。 为什么使用两支性能不同的电极? 为什么要采用滴汞电极?
ln
acao aHg McMo
(1)
ca 滴汞电极表面上形成的汞齐浓度; cM可还原离子
在滴汞电极表面的浓度;a, M活度系数;
由于汞齐浓度很稀,aHg不变;则:
E
E O
RT nF
ln
acao McMo
(2)
由扩散电流公式:
id KMcM
(3)
在未达到完全浓差极化前, cM不等于零;则:
i KM (cM cMo )
(n和D取决于待测物质的性质) 应与滴汞周期无关,但与实际
情况不符。原因,汞滴滴落使溶液 产生搅动。加入动物胶(0.005% ),可以使滴汞周期降低至1.5秒。
(2)被测物浓度影响
被测物浓度较大时,汞滴上析出的金属多,改变汞滴表 面性质,对扩散电流产生影响。故极谱法适用于测量低浓度 试样。
(3)温度影响
3.极谱极大
在极谱分析过程中产生的一种特殊现象,即在极谱波 刚出现时,扩散电流随着滴汞电极电位的降低而迅速增大到 一极大值,然后下降稳定在正常的极限扩散电流值上。这种 突出的电流峰之为“极谱极大”。
4.氧波、氢波、前波
氧波、氢波、前波等产生干扰。
3.2 极谱定性定量分析方法与应用
一、极谱定性方法 二、极谱定量方法 三、极谱滴定 四、极谱分析应用
(6)
将(6)代入(5),得:
(id)t=708nD1/2m2/3t1/6c
(7)
扩散电流的平均值:
(id
)平均
1 τ
τ 0
(id
)tdt
(8)
扩散电流方程:
(id)平均=607nD1/2m2/3 t 1/6c
(id)平均 每滴汞上的平均电流(微安);n 电极反应中转移的 电子数;D 扩散系数(cm2/s); t 滴汞周期(s);c 待测物原始 浓度(mmol/L);m 汞流速度(mg/s); 讨论:
(1) n,D 取决于被测物质的特性
将607nD1/2定义为扩散电流常数,用 I 表示。越大,测定越 灵敏。
(2) m,t 取决于毛细管特性, m2/3 t 1/6定义为毛细管
特性常数,用K 表示。则:
(id)平均 = I ·K ·c
2.影响扩散电流的因素
(1)溶液搅动的影响
扩散电流常数
I= 607nD1/2 = id /( K·c )
扫描电压:在 直流可调电压上叠 加周期性的锯齿型 电压(极化电压)
示波器 X轴坐标:显示扫描电压; Y轴坐标:扩散电流(R一定,将电压转变为电流信号)
2. 直流示波极谱分析过程
扫描周期短,在一滴汞上可完成 一次扫描,电压和电流变化曲线如图 所示:
ip 峰电流; Ep 峰电流位。 ip c 定量依据
3. 极谱滴定曲线类型
电位变化范围A-B
(1)测定物质X发生电极反应,滴 定剂T不发生电极反应,图(a)
(2)测定物质X与滴定剂T都发生电
极反应,图(b)
(3)滴定剂T发生电极反应,测定 物质X不发生电极反应,图(c)
(4)测定物质X不发生电极反应, 滴定剂T发生氧化反应,图(d)
四、经典直流极谱法的应用
在药物和生物化学方面:维生素、抗生素、生物碱
经典直流极谱的缺点
(1) 速度慢 一般的分析过程需要5~15分钟。这是由于滴汞周期需要 保持在2~5秒,电压扫描速度一般为5~15分钟/伏。获得一 条极谱曲线一般需要几十滴到一百多滴汞。
(2)方法灵敏度较低
检测下限一般在10-4~10-5mol/L范围内。这主要是受干 扰电流的影响所致。
(4)
(4)-(3) 得: id i KMcMo ;
cMo
id i KM
(5)
根据法拉第电解定律:还原产物的浓度(汞齐)与通过电 解池的电流成正比,析出的金属从表面向汞滴中心扩散,则:
i Ka (cao 0) Kacao ;
cao i / Ka
(6)
将(6)和(5)代入(2)
E
E O
(b)ห้องสมุดไป่ตู้电电流(也称电容电流) 影响极谱分析灵敏度的主要因素。 产生的原因:分析过程中由于汞滴不停滴下,汞滴表面
积在不断变化,因此充电电流总是存在,较难消除。 充电电流约为10-7 A的数量级,相当于10-5~10-6mol/L的
被测物质产生的扩散电流。
2.迁移电流
产生的原因: 由于带电荷的被测离子(或带极性的分子)在静电场力 的作用下运动到电极表面所形成的电流。 消除方法: 加强电解质。 加强电解质后,被测离子所受到的电场力减小。
右图为硫酸盐滴定二价铅离 子的极谱滴定曲线
2. 极谱滴定曲线与电位选择
滴定终点前后扩散电流变化分别由试样和滴定剂提供,故 选择不同的电压扫描范围,可获得不同形状的滴定曲线,如 下图所示。
图(b)中,选 择电压在A点, 滴定终点后,过 量的滴定剂不产 生扩散电流,故 滴定曲线变平, 而图(c)中则在滴 定终点后,随滴 定剂的加入,扩 散电流增加。
f dN D c
(1)
Adt X
根据法拉第电解定律:
(id )t
nFAfX 0,t
nFAD( c X
) X 0,t
(2)
A:电极面积;D 扩散系数
(id)t 时电解开始后t 时,扩散电流的大小。
在扩散场中,浓度的分布是时间t 和距电极表面距离X 的函数 c = (t, X )
( c X
) X 0,t
如何对经典直流极谱法进行改进? 改进的途径?
3.3 现代极谱分析技术
一、单扫描极谱 二、交流极谱 三、方波极谱 四、脉冲极谱 五、交流示波极谱
一、单扫描极谱分析法
1. 原理与装置
单扫描极谱法(也称为直流示波极谱法): 根据经典极谱原理而建立起来的一种快速极谱分析方法。 其基本原理如图所示。示波器显示电压和电流信号大小。
RT nF
ln
acao McMo
得:
E EO RT ln a KM RT ln i
nF M Ka nF id i
在极谱波的中点,即: i =id / 2 时,代入上式,得:
E1/ 2
E O
RT nF
ln a KM MKa
常数
(7)
RT i E E1/ 2 nF ln id i
无机分析方面:特别适合于金属、合金、矿物及化学试 剂中微量杂质的测定,如金属锌中的微量Cu、Pb、Cd、Pb、 Cd;钢铁中的微量Cu、Ni、Co、Mn、Cr;铝镁合金中的微 量Cu、Pb、Cd、Zn、Mn;矿石中的微量Cu、Pb、Cd、Zn、 W、Mo、V、Se、Te等的测定。
有机分析方面:醛类、酮类、糖类、醌类、硝基、亚硝 基类、偶氮类
温度系数+0.013/ C,温度控制在0.5 C范围内,温度引 起的误差小于1%。
(4)汞柱的高度 id=kh1/2
3. 极谱波方程式
极谱波方程式: 描述极谱波上电流与电位之间关系。 简单金属离子的极谱波方程式: (可逆;受扩散控制;生成汞齐)
Mn+ +ne +Hg = M(Hg)(汞齐)
E
EO
RT nF
3. 极谱分析的半波电位范围 较窄(2V),采用半波电位定性 的实际应用价值不大;
二、极谱定量分析方法
依据公式: id =K c 可进行 定量计算。
极限扩散电流 由极谱图上量 出, 用波高直接进行计算。
1. 波高的测量
(1) 平行线法 (2) 切线法
2.定量分析方法
(1) 比较法(完全相同条件)
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