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&&&&&&&&第15章伏安法和极谱法(VoltammetryandPolarography)&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&工作电极的特点扩散电流和干扰电流扩散电流方程极谱波方程提高经典极谱分析灵敏度的方法循环伏安法与溶出伏安法&&&&作业:15-1,2,4,9,11&&&&&&&&&&&&第15章伏安法和极谱法(VoltammetryandPolarography)&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&伏安和极谱分析是一种特殊的电解方法,它以小面积的工作电极与参比电极组成电解池,电解被分析物质的稀溶液,根据所得到的电流-电压曲线来进行分析。工作电极:液态电极---极谱法(滴汞电极)工作电极:固定或固态电极----伏安法(悬汞电极,石墨电极,铂电极等)&&&&&&&&&&&&?电解电池&&&&&&&&?工作电极:极化电极(小面积的工作电极)&&&&?参比电极:去极化电极&&&&&&&&?电解溶液通常保持静止&&&&?测量对象:工作电极的电极电位-电解电流曲线&&&&&&&&?定量分析的依据:扩散电流方程(尤考维奇方程)&&&&?定性分析的依据:半波电位&&&&&&&&&&&&工作电极(小)&&&&&&&&参比电极&&&&&&&&待测样品溶液&&&&&&&&电解&&&&&&&&极化曲线&&&&&&&&定量:扩散电流方程(尤考维奇方程)&&&&定性:半波电位&&&&&&&&&&&&应用&&&&?&&&&&&&&分析方法&&&&?&&&&&&&&能在电极上被还原或被氧化的无机离子和有机物质。研究化学反应机理及动力学过程络合物的组成化学平衡等&&&&&&&&?&&&&&&&&研究手段&&&&?&&&&&&&&&&&&海洛夫斯基(JaroslavHeyrovsk?)&&&&-959London大学毕业在Donnan教授指导下从事研究“铝电极电位的测定”部队医院工作(electroaffinityofaluminum)获得Czech大学博士学位(Ph.D.)Charles大学副教授Charles大学教授获London大学科学博士(D.Sc.)发明极谱法获诺贝尔化学奖&&&&&&&&&&&&15-1伏安法的电流&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&法拉第电流电流的符号电极电位对法拉第电流的影响物质的传递对法拉第电流的影响非法拉第电流残余电流&&&&&&&&&&&&一、法拉第电流&&&&?&&&&&&&&在工作电极和辅助电极上发生氧化-还原反应而产生的电流&&&&&&&&&&&&二、电流的符号&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&阳极电流:在电极(阳极)上起纯氧化反应而产生的电流阴极电流:在电极(阴极)上起纯还原反应而产生的电流IUPAC规定:阳极电流(+)阴极电流(-)习惯:阳极电流(-)阴极电流(+)&&&&&&&&&&&&三、电极电位对法拉第电流的影响&&&&Fe(CN)63-在工作电极上还原为Fe(CN)64-:?对应的能斯特方程:&&&&&&&&?0.356?0.059lg&&&&&&&&[Fe?CN?][Fe?CN?]&&&&&&&&4?6x?03?6x?0&&&&&&&&?&&&&&&&&x=0表示电极表面的浓度。&&&&&&&&&&&&电极电位对法拉第电流的影响&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&Fe(CN)63-浓度为1.0mmol/L,控制工作电极电位为+0.356V电极电位决定氧化-还原对的浓度:&&&&若没有电极反应物和产物的传递则电极反应迅速产生法拉第电流,且很快降为零。&&&&&&&&[Fe(CN)63-]x=0=[Fe(CN)64-]x=0=0.5mmol/L&&&&?&&&&&&&&&&&&?&&&&&&&&由于电极反应物和产物的传递,法拉第&&&&电流不会马上降为零。&&&&&&&&[Fe(CN)63-]本体=[Fe(CN)64-]本体=0.5mmol/L&&&&?&&&&&&&&法拉第电流=0&&&&&&&&&&&&电极电位对法拉第电流的影响&&&&?&&&&&&&&电极电位的大小,决定能否产生法拉第电流。&&&&法拉第电流的大小取决于电极的电化学反应速度。&&&&&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&电极的电化学反应速度&&&&?&&&&&&&&电极与反应物或产物之间的电子交换速度电极反应的反应物和产物的传递速度&&&&&&&&?&&&&&&&&&&&&四、物质传递对法拉第电流的影响&&&&?&&&&&&&&物质传递(传质)有三种途径:&&&&?&&&&&&&&扩散(diffusion)&&&&&&&&?&&&&?&&&&&&&&对流(convection)&&&&迁移(migration)&&&&&&&&&&&&1.扩散(diffusion)&&&&&&&&&&&&扩散指物质在介质中由于其浓度的不同而产生的定向运动。扩散的方向总是由浓度大的区域向浓度小的区域。电解:外加电压分解电压&&&&外加电压分解电压&&&&&&&&?&&&&&&&&溶液中的浓度=电极表面浓度&&&&&&&&溶液中的浓度?电极表面浓度浓度梯度(扩散层)&&&&&&&&&&&&扩散层厚度随电解时间的变化&&&&&&&&&&&&?&&&&&&&&随电解时间的延迟,电极表面反应物的消耗,扩散层厚度增加。&&&&扩散对物质传递速率的贡献与时间有关&&&&&&&&?&&&&&&&&&&&&2.对流(convection)&&&&?&&&&&&&&液体或气体的流动所造成的物质传递现象称为对流传质。&&&&搅拌电解溶液可产生对流传质现象。紧靠电极表面的一层溶液(0.001-0.01cm)内部传质,不受对流的影响。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&3.迁移&&&&?&&&&&&&&溶液中带电粒子受电极的吸引或排斥作用下的移动。&&&&&&&&?&&&&&&&&迁移只影响带电离子的传递。&&&&&&&&&&&&电子交换速度&&&&&&&&法拉第电流&&&&&&&&电极反应速度&&&&&&&&物质传递速度&&&&&&&&扩散对流迁移&&&&&&&&&&&&4.扩散控制的法拉第电流&&&&?&&&&&&&&当迁移和对流对传质的影响可忽略时,法拉第电流由扩散过程控制:&&&&i?AnFDicio,ciscio?cis&&&&&&&&?&&&&&&&&分别为被电解物质在本体溶液中和电极表面上的浓度&&&&&&&&A电极的表面积i扩散电流&&&&&&&&&&&&迁移和对流的消除&&&&&&&&&&&&迁移的消除:加入过量的惰性电解质对流的消除:不搅拌溶液&&&&&&&&&&&&5.电流-电压曲线(伏安图)的形状&&&&扩散层厚度不变的伏安图扩散层厚度变化的伏安图&&&&i?AnFDicio,ciscio?cis&&&&&&&&&&&&&&&&?&&&&&&&&分别为被电解物质在本体溶液中和电极表面上的浓度&&&&&&&&A电极的表面积i扩散电流&&&&&&&&&&&&扩散层厚度不变的伏安图&&&&i?AnFDicio?cis&&&&&&&&?&&&&&&&&&&&&扩散层厚度变化的伏安图&&&&i?AnFDicio?cis&&&&&&&&?&&&&&&&&&&&&定量基础&&&&&&&&&&&&极限扩散电流id峰电流ip&&&&&&&&极限扩散电流id&&&&被测离子浓度&&&&&&&&峰电流ip&&&&&&&&&&&&定性基础&&&&半波电位E1/2被测物的特性峰电位Ep&&&&&&&&&&&&五、残留电流(residualcurrent)&&&&?&&&&&&&&没有被测离子存在时,通过电解池的微小电流&&&&&&&&&&&&微量杂质电解产生的法拉第电流充电电流&&&&&&&&&&&&核心问题&&&&极谱和伏安法&&&&&&&&扩散控制的法拉第电流&&&&&&&&&&&&15-2直流极谱法&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&极谱仪装置极谱波的形成扩散电流方程式影响扩散电流的因素极谱分析中的干扰电流极谱定量方法&&&&&&&&&&&&一、极谱仪装置&&&&&&&&&&&&滴汞电极&&&&&&&&&&&&滴汞电极的特点?电极表面不断更新,分析结果重现性高。&&&&&&&&?多数金属可生成汞齐,不沉积在电极表面。&&&&?氢在汞电极上的过电位高,可避免H+的干扰。?汞电极作为阳极时,由于自身可被氧化,因此电极电位不能正于+0.4V(vs.SCE).&&&&&&&&&&&&铅和镉的极谱图&&&&&&&&&&&&二、极谱波的形成&&&&&&&&&&&&极谱波的形成示意图&&&&&&&&单一汞滴&&&&&&&&&&&&i残留电流?il极限电流?id极限扩散电流&&&&?r&&&&&&&&id=il-ir&&&&?&&&&&&&&?&&&&&&&&极限扩散电流与被电解物质之间存在定量关系----定量分析的基础不同物质在一定条件下具有不同的半波电位E1/2------定性分析的依据&&&&&&&&&&&&三、扩散电流方程式&&&&?尤考维奇(Ilkovic)方程&&&&&&&&&&&&(一)尤考维奇(Ilkovic)方程&&&&&&&&?最大扩散电流(汞滴寿命的最后时刻t=?)&&&&&&&&i?=708nD1/2qm2/3?1/6cn:电极反应电子转移数&&&&D:被测组分的扩散系数(cm2/s)&&&&&&&&qm:汞滴流量(mg/s)?:汞滴生长周期(s)c:被测物的浓度(mmol/L)&&&&&&&&&&&&(一)尤考维奇(Ilkovic)方程&&&&?&&&&&&&&平均极限扩散电流id=607nD1/2qm2/3?1/6c&&&&id=Kcid=i?6/7&&&&&&&&&&&&四、影响扩散电流的主要因素&&&&(一)毛细管特性的影响&&&&毛细管特性:qm2/3?1/6&&&&&&&&qm?hid?h&&&&1/2&&&&&&&&1/h&&&&&&&&a.分析实验过程保持h恒定&&&&b.用于检验电极反应是否扩散速度控制&&&&&&&&&&&&(二)扩散电流常数&&&&&&&&id=607nD1/2qm2/3?1/6c&&&&id&&&&2qm/3?1/6c&&&&&&&&I?607nD&&&&I扩散电流常数&&&&&&&&1/2&&&&&&&&?&&&&&&&&判断数据的重现性&&&&&&&&&&&&(三)温度&&&&温度主要影响D&&&&扩散电流的温度系数:1.3%/C?&&&&&&&&标样和试样在同一环境中测定&&&&&&&&&&&&(四)电极反应的电子转移数n&&&&如果D,qm,?,c已知,&&&&&&&&id估算电极反应的电子数n&&&&&&&&n&&&&&&&&&&&&(五)溶液组份的影响&&&&溶液组份&&&&&&&&溶液的粘度&&&&&&&&扩散系数&&&&要求试液和标准溶液的组份基本保持一致&&&&&&&&&&&&五、干扰电流及其消除方法&&&&尤考维奇方程:idc&&&&&&&&干扰电流&&&&&&&&残余电流迁移电流&&&&&&&&极谱极大氧波&&&&&&&&波的重叠&&&&&&&&前放电物质&&&&&&&&氢放电&&&&&&&&&&&&(一)残余电流&&&&达到被测物的分解电压之前,通过电解池的微小电流称为残余电流。&&&&?电解电流:溶液中微量的杂质电解?充电电流chargingcurrent(电容电流capacitycurrent)汞滴表面与溶液间形成的双电层,在与参比电极连接后,随着滴汞表面周期性变化而发生充电现象引起的电流。&&&&&&&&&&&&充电电流的产生&&&&&&&&0.1mol/LKCl&&&&&&&&&&&&0.1mol/LKCl溶液的残留电流&&&&&&&&&&&&1.滴汞电极未与外加电源或电极相连接时&&&&&&&&汞滴电位与溶液的电位一致&&&&&&&&2.当电解池与极谱装置相连接,但外加电压为零时&&&&&&&&两电极短路,甘汞电极向滴汞电极充正电,产生充电电流----正电流(由于滴汞面积不断改变)&&&&&&&&&&&&3.当外加电压逐渐加大时&&&&汞滴从外加电源获得负电荷&&&&&&&&汞滴(正电)&&&&&&&&汞滴(零点荷)(c点)&&&&&&&&充电电流=0&&&&&&&&4.当外加电压继续增大时&&&&汞滴荷负电,充电电流又产生,但方向相反(负电流)且外加电压愈大,充电电流也相应增加&&&&&&&&&&&&充电电流值&&&&&&&&ic?0.85q&&&&ic&&&&C0?de?0&&&&&&&&2/3m&&&&&&&&C0(?de0)?&&&&&&&&?1/3&&&&&&&&平均充电电流&&&&双电层单位面积上的电容(F/cm2)滴汞电极的电位汞滴不带电荷时的零电荷电位&&&&&&&&&&&&充电电流值的估算&&&&&&&&已知C0=20F/cm2若qm=1mg/s;?dc-?0=1V;?=4sic=0.85?(1?10-3)2/3?20?10-6?1.0?4-1/3=0.11?A&&&&&&&&&&&&平均极限扩散电流的估算&&&&(C=1&&&&&&&&?10-5mol/L)&&&&&&&&若n=1;D=1?10-5cm2/sid=607nD1/2qm2/3?1/6C=0.024?0.11?AA&&&&&&&&idic&&&&&&&&&&&&结论&&&&充电电流(电容电流)的存在,限制了经典极谱法分析检测限&&&&&&&&&&&&(二)迁移电流&&&&电解池中,由于电极对待测离子的静电吸引或排斥所产生的电流称为迁移电流。迁移电流的特点:&&&&&&&&与待测物质的浓度之间无一定的比例关系&&&&消除方法:加入惰性电解质(支持电解质)如KCl,HCl,H2SO4等&&&&&&&&支持电解质浓度/待测离子浓度=50---100&&&&&&&&&&&&(三)极谱极大&&&&?&&&&&&&&在极谱分析中,常常会出现一种特殊现象,即在电解开始后,电流随电位的增加而迅速增大到一个很大的数值,但电位变得更负时,这种现象就消失而趋于正常,这种现象称为极谱极大。&&&&&&&&&&&&(三)极谱极大&&&&&&&&?de&&&&与被测物浓度之间无简单的关系影响扩散电流和半波电位的测量&&&&&&&&&&&&对电极反应有屏蔽作用&&&&&&&&?&&&&汞滴切向运动搅动溶液加速扩散形成极大电流&&&&&&&&&&&&汞滴切向运动的产生&&&&毛细管末端的屏蔽作用阻碍被测离子接近汞滴上部汞滴表面电荷分布不均匀&&&&&&&&?&&&&汞滴表面表面张力分布不均匀&&&&&&&&汞滴切向运动&&&&&&&&&&&&汞滴表面张力与电荷的关系&&&&&&&&&&&&极谱极大的抑制&&&&极谱极大的存在影响半波电位和扩散电流的测量&&&&?抑制方法:在电解溶液中加入少量抑制剂?抑制剂(maximumsuppressor):&&&&&&&&动物胶、聚乙烯醇、羧甲基纤维素等表面活性剂&&&&&&&&&&&&(四)氧波&&&&试液中的溶解氧在滴汞电极上被还原而产生两个极谱波----氧波第一个波:O2+2H++2eO2+2H2O+2eH2O2(酸性溶液)H2O2+2OH-(中性或碱性溶液)&&&&&&&&?1/2=-0.05V(vs.SCE)&&&&&&&&&&&&第二个波:&&&&&&&&H2O2+2H++2e&&&&&&&&2H2O(酸性溶液)&&&&&&&&H2O2+2e&&&&&&&&2OH-(中性或碱性溶液)&&&&&&&&?1/2=-0.94V(vs.SCE)&&&&&&&&干扰:氧波覆盖电位范围宽(0---1.2V)消除方法:&&&&1.电解前向电解液通惰性气体(如N2,H2)10-20min2.加少量的亚硫酸钠(中性和碱性溶液)&&&&&&&&&&&&(五)氢放电(氢波)&&&&酸性溶液中&&&&H+-1.2-----1.4V极谱波&&&&&&&&对半波电位较负的离子有干扰&&&&Co2+,Ni2+,Zn2+,Mn2+等消除方法:碱性介质如:在季铵碱(N(CH3)4OH)溶液中,可测定钾离子(半波电位-2.13V)&&&&&&&&&&&&(六)波的重叠&&&&半波电位差值200mV极谱波重叠&&&&&&&&消除方法:1.通过化学反应(如络合),改变半波电位值2.测定前,进行化学分离&&&&&&&&&&&&(七)前放电物质(前波)&&&&溶液中含有大量比被测物较易还原的物质,其&&&&&&&&产生的极谱波很大,对被测物有干扰。&&&&&&&&&&&&“底液”&&&&极谱分析把电解池内的溶液体系称为“底液”&&&&&&&&?支持电解质&&&&&&&&迁移电流&&&&&&&&?极大抑制剂&&&&?除氧剂?pH缓冲剂?络合剂?。。。。&&&&&&&&极谱极大&&&&氧波&&&&改善极谱波形状消除其他干扰&&&&&&&&&&&&六、极谱定量方法&&&&&&&&?直接比较法&&&&&&&&?标准曲线法&&&&?标准加入法&&&&&&&&&&&&极谱波高的测量&&&&&&&&i&&&&&&&&V三切线法测量波高&&&&&&&&&&&&(一)直接比较法&&&&标准溶液的浓度:Cs未知溶液的浓度:Cx极谱波高:hs极谱波高:hx&&&&&&&&由尤考维奇方程可得:&&&&hs(id)=KCs&&&&&&&&hx(id)=KCx&&&&&&&&hxCxCshs&&&&&&&&&&&&(二)标准曲线法&&&&&&&&h&&&&&&&&C&&&&&&&&&&&&(三)标准加入法&&&&&&&&&&&&未知溶液的体积&&&&&&&&Vx&&&&&&&&加入标准溶液的体积Vs&&&&&&&&h?KCxVxCx?VsCsH?KVx?VsCsVshCx?H(Vx?Vs)?hVx&&&&消除底液不同引起的误差&&&&&&&&&&&&15-3极谱波的类型及其方程&&&&?极谱波的类型?极谱波方程?半波电位与标准电极电位&&&&&&&&&&&&一、极谱波的类型&&&&&&&&&&&&可逆波和不可逆波区分按电极反应的氧化或还原过程区分按进行电极反应的物质区分涉及其它因素的极谱波&&&&?&&&&&&&&极谱催化波和络合物吸附波&&&&&&&&&&&&(一)按电极反应是否发生电化学极化分类&&&&极谱波:1.可逆波2.不可逆波&&&&&&&&可逆波:电极反应很快,极谱电流受扩散控制&&&&不可逆波:电极反应速度比扩散速度慢&&&&&&&&极谱电流主要受电极反应的电子交换&&&&速度控制。&&&&&&&&&&&&可逆波和不可逆波&&&&可逆波不可逆波&&&&&&&&&&&&(二)按电极反应的氧化或还原过程区分&&&&还原波&&&&(1)还原波(阴极波):氧化态物质在电极上被还原所产生的极谱波Ox+neRe&&&&&&&&氧化波&&&&&&&&Ti4++e&&&&还原电流习惯上规定为正电流&&&&&&&&Ti3+&&&&&&&&&&&&(2)氧化波(阳极波)&&&&还原态物质在电极上被氧化时所产生的极谱波&&&&&&&&Re-neTi3+-e习惯上规定氧化电流为负电流&&&&&&&&OxTi4+&&&&&&&&&&&&氧化波与还原波&&&&&&&&&&&&(三)按进行电极反应的物质区分&&&&?简单离子的极谱波&&&&?络合物的极谱波?有机化合物的极谱波&&&&&&&&&&&&1.简单离子的极谱波&&&&(1)Pb2++2e+HgNi2++2eFe3++ePb(Hg)(生成汞齐)(2)&&&&&&&&Ni(以金属状态沉积在汞滴上)(3)Fe2+(均相氧化还原反应)&&&&&&&&&&&&2.络合物的极谱波&&&&&&&&MXp(n-pb)+ne+HgHPbO22-+2e+H2O+Hg&&&&&&&&M(Hg)+pX-bPb(Hg)+3OH-&&&&&&&&&&&&3.有机化合物的极谱波&&&&&&&&R+nH++ne&&&&&&&&RHn&&&&&&&&(多数有H+参加)&&&&&&&&&&&&二、极谱波方程&&&&极谱波方程是表示极谱电流与滴汞电极电位之间关系的数学表达式根据电极反应(可逆或不可逆)的类型&&&&能斯特方程扩散电流方程&&&&&&&&?可逆极谱波方程?不可逆极谱波方程&&&&&&&&&&&&(一)简单金属离子的极谱波方程&&&&简单金属离子在滴汞上还原并生成汞齐Mn++ne+HgM(Hg)&&&&&&&&滴汞电极的电极电位:(电极反应可逆)&&&&&&&&?de&&&&&&&&RT?scs?lnnF?aca&&&&?&&&&&&&&(1)&&&&&&&&?活度系数&&&&cs金属离子在电极表面的浓度ca金属在汞齐中的浓度&&&&&&&&&&&&由扩散电流方程得:扩散电流:极限扩散电流:&&&&&&&&i?Ks(c0?cs)id?Ksc0&&&&&&&&由上两式得:&&&&nb&&&&&&&&id?ics?Ks&&&&&&&&(2)&&&&&&&&根据Faraday电解定律,电解还原产物与通过的电流成正比&&&&&&&&i?Kaca&&&&&&&&(3)&&&&&&&&&&&&将(2)和()代入()式得:31&&&&&&&&RT?sKaRTid?i?de?ln?lnnF?aKsnFi&&&&?&&&&&&&&(4)&&&&&&&&当i=id/2时,所对应的电位为半波电位&&&&&&&&?1/2&&&&&&&&RT?sKa?lnnF?aKs&&&&?&&&&&&&&(5)&&&&&&&&在一定的底液和实验条件下,可逆半波电位为一常数,与浓度无关,可作为定性分析的依据。&&&&&&&&&&&&将(5)代入(4)得简单离子的极谱波方程&&&&&&&&?de1/2&&&&1.?de对&&&&&&&&RTid?i?lnnFi&&&&作图,将得到一直线&&&&&&&&id?ilni&&&&&&&&2.由所得直线的斜率,可求出电极反应的电子转移数3.对数项=0时,所对应的电极电位为半波电位4.可用于判别极谱波的可逆性?不是直线关系或斜率不等于RT/nF时&&&&&&&&&&&&1?10-3mol/LTl+在0.9mol/LKCl中的极谱波及对数分析图&&&&&&&&&&&&极谱氧化波方程&&&&&&&&RTi?de1/2?lnnFid?i&&&&&&&&&&&&(二)络合物的极谱波方程&&&&金属络离子的电极反应,可看作两步进行&&&&(1)络离子的解离:MXp(n-pb)+Mn++ne+HgMn++pXb-&&&&&&&&(2)解离出的金属离子在滴汞电极上还原M(Hg)&&&&&&&&总反应为&&&&MXp(n-pb)++ne+HgM(Hg)+pXb-&&&&&&&&&&&&络离子的解离平衡络合剂浓度较大&&&&&&&&[Mn?]s[Xb?]spKc?([MXpn?pb)?]s&&&&&&&&[X]s?[X]&&&&根据能斯特方程&&&&&&&&b?&&&&&&&&b?&&&&&&&&忽略活度系数的影响&&&&&&&&RTRT(?de)c?lnKc?lnnFnF[M(Hg)]s[Xb?]p&&&&?&&&&&&&&([MXpn?pb)?]s&&&&&&&&&&&&由络离子的扩散电流方程和上式可得:&&&&&&&&RTRTKaRTRTid?ib?(?de)c?lnKc?ln?pln[X]?lnnFnFKMXnFnFi&&&&?&&&&&&&&半波电位:&&&&&&&&KaRTRTRT(?1/2)c?lnKc?ln?pln[Xb?]nFnFKMXnF&&&&?&&&&&&&&络合物的极谱波方程:&&&&&&&&(?de)c1/2&&&&&&&&id?iRT?lnnFi&&&&&&&&&&&&结论1&&&&络离子的浓度&&&&&&&&络合物的半波电位&&&&&&&&络离子的稳定常数络合剂的浓度&&&&&&&&&&&&结论2&&&&KaRTRTRT(?1/2)c?lnKc?ln?pln[Xb?]nFnFKMXnF&&&&?&&&&&&&&RT(?1/2)c?常数?pln[Xb?]nF&&&&半波电位对络合剂浓度的对数作图,得直线&&&&&&&&RT斜率(S)?p?nF&&&&&&&&nFSpRT&&&&&&&&&&&&结论3&&&&络离子的半波电位与简单金属离子的半波电位的差值&&&&&&&&(?1/2)c1/2&&&&&&&&RTRT?lnKc?pln[Xb?]nFnF&&&&&&&&已知n,p,[Xb-]&&&&&&&&络合物的解离常数&&&&&&&&Kc&&&&&&&&&&&&结论4&&&&&&&&(?1/2)c1/2&&&&Kc或[Xb-]&&&&&&&&RTRT?lnKc?pln[Xb?]nFnF&&&&络离子的半波电位越负&&&&&&&&可以通过选择络合剂或改变络合剂的浓度,调整金属离子半波电位,消除干扰&&&&&&&&&&&&15-5极谱分析的特点及应用&&&&?特点?应用?存在的问题&&&&&&&&&&&&一、特点&&&&&&&&1.灵敏度相对较高,测定的浓度范围10-2--10-4mol/L&&&&&&&&2.相对误差较小,?2%,可与比色法媲美&&&&3.可同时测定4-5种物质(合适条件下)4.试样用量少5.分析速度快,适合于同一品种大量试样的测定&&&&&&&&&&&&二、应用&&&&应用范围广1.可在滴汞电极上起氧化还原反应的物质均可用极&&&&&&&&谱法测定。这些物质包括:金属离子、金属络合物、阴离子和有机化合物等。&&&&2.还可以用于&&&&&&&&?测定络合物离子的离解常数和配位数&&&&?金属离子在溶液中的扩散系数(尤考维奇方程)&&&&&&&&?判断电极过程的可逆性等&&&&&&&&&&&&三、存在的问题&&&&(一)由于充电电流的存在,使经典极谱法的灵&&&&敏度难以提高&&&&&&&&(二)分辨率低。要求半波电位相差200mV以上&&&&(三)含有大量较易还原物质试样中微量组分的测定,经典极谱法难以实现。&&&&&&&&&&&&极谱和伏安分析技术发展&&&&灵敏度:单扫描极谱法(示波极谱法)循环伏安法交流、方波及脉冲极谱法2.提高溶液的有效利用率&&&&&&&&1.增大信噪比(提高电解电流值和(或)降低充电电流)&&&&&&&&催化极谱波&&&&配合物吸附波溶出伏安法&&&&&&&&&&&&15-6单扫描极谱法(single-sweeppolarography)&&&&经典极谱法扫描速度记录装置慢0.2V/min检流计或记录仪i-E曲线S形记录极谱图许多滴所需的汞滴(40-80滴)数&&&&Et&&&&&&&&i&&&&&&&&E&&&&&&&&&&&&单扫描极谱法扫描速度快0.25V/s记录装置示波器i-E曲线峰形记录极谱图所需的汞滴1滴数&&&&&&&&&&&&单扫描极谱仪工作原理示意图&&&&&&&&&&&&汞滴表面积、极化电压及电流与时间的关系&&&&&&&&&&&&单扫描极谱图&&&&&&&&峰值电流&&&&&&&&峰值电位&&&&&&&&&&&&峰形波产生的原因&&&&扫描速度很快电极表面的离子迅速还原瞬时大电流&&&&&&&&扩散速度与电极反应速度相比较慢&&&&&&&&扩散层加厚&&&&&&&&极谱电流迅速下降&&&&&&&&峰形&&&&&&&&&&&&单扫描极谱曲线的比较&&&&&&&&i&&&&&&&&E&&&&1.可逆波;2.部分可逆波;3.不可逆波&&&&&&&&&&&&峰电流方程&&&&可逆极谱波的峰电流方程:&&&&&&&&ip?2.69?105n3/2D1/2?1/2A?cip?Kc&&&&ip&&&&nD?A&&&&&&&&25?C&&&&&&&&峰电流(A)&&&&电子转移数扩散系数(cm2/s)电压扫描速度(V/s)汞滴表面积(cm2)&&&&&&&&c&&&&&&&&被测物浓度(mol/L)&&&&&&&&&&&&峰电位与经典极谱半波电位的关系&&&&&&&&?p1/2?p1/2&&&&&&&&RT?1.1nFRT?1.1nF&&&&&&&&阴极过程阳极过程&&&&&&&&峰电位是与半波电位有关的常数&&&&&&&&&&&&单扫描极谱法的特点&&&&(1)速度快:数秒钟可完成一次测定(扫描速度快)&&&&&&&&(2)灵敏度较高:可达10-6--10-7mol/L&&&&ipid且残余电流较小(电极面积相对固定)(3)分辨率:峰电位相差100mV即可分辨。&&&&&&&&(经典200mV)&&&&&&&&&&&&单扫描极谱法的特点&&&&&&&&(4)由于氧波为不可逆波,其干扰作用大为减小。&&&&&&&&(5)抗前放电物质能力强&&&&&&&&&&&&例1&&&&大量Cd(II)中,少量Zn(II)的测定&&&&Cd(II)?1/2=-0.6V;Zn(II)?1/2=-1.2V&&&&&&&&经典极谱法:前放电物质Cd(II)的干扰单扫描极谱法:扫描起始电压-1.0Cd(II)产生id,扫描过程不变Zn(II)则在此基础上产生大ip&&&&&&&&&&&&例2&&&&在经典极谱中,大量的U(VI)产生的前波,对Pb(II)的测定产生干扰。&&&&&&&&单扫描极谱法可消除U(VI)的干扰&&&&&&&&原因:U(VI)的可逆性Pb(II)&&&&200倍U(VI)ipPb(II)ip&&&&&&&&&&&&15-7循环伏安法(cyclicvoltammetry)&&&&一、基本原理&&&&扫描电压随时间的变化可逆循环伏安曲线&&&&&&&&还原波(阴极支)&&&&&&&&氧化波&&&&&&&&t&&&&电极:悬汞电极、铂电极、玻璃石墨电极&&&&&&&&(阳极支)&&&&&&&&&&&&二、峰电流方程与峰电位方程&&&&&&&&ip?2.69?105n3/2D1/2?1/2A?c&&&&RT?1.1nFRT?1.1nF&&&&&&&&25?C&&&&&&&&还原波&&&&&&&&?p1/2&&&&c&&&&&&&&25?C&&&&?&&&&&&&&氧化波&&&&&&&&?p1/2&&&&a&&&&&&&&25C&&&&&&&&&&&&三、应用&&&&循环伏安法是一种重要的电化学研究方法&&&&主要应用包括?无机化合物电极过程机理?有机化合物在电极上的还原过程?电极反应动力学&&&&&&&&?双电层&&&&?吸附现象等&&&&&&&&&&&&(一)电极过程可逆性的判断&&&&由峰电位方程可得&&&&&&&&p(mV)papc&&&&&&&&RT?2.2?nF56.5(55mV/n---65mV/n)?n&&&&&&&&设DO?DR则ipaipc?1&&&&&&&&&&&&A可逆电极过程;B准可逆电极过程;C不可逆电极过程&&&&&&&&&&&&(二)电极反应机理的判断&&&&2&&&&3&&&&&&&&i&&&&514&&&&&&&&S&&&&&&&&E&&&&&&&&对氨基苯酚循环伏安图&&&&&&&&&&&&1.S为起点,由较负的电位方向作阳极扫描,得到峰1&&&&&&&&2.反向作阴极扫描,得到峰2,峰3不同&&&&&&&&3.再作阳极扫描,得到&&&&峰4,峰5&&&&&&&&&&&&阳极扫描1&&&&&&&&峰1&&&&&&&&+2H++2e&&&&&&&&化学反应&&&&&&&&+H3O+&&&&&&&&+NH4+&&&&&&&&&&&&阴极扫描&&&&&&&&峰2&&&&&&&&+2H++2e&&&&&&&&峰3&&&&&&&&+2H++2e&&&&&&&&&&&&阳极扫描2&&&&&&&&峰4&&&&&&&&+2H++2e&&&&&&&&峰5&&&&&&&&+2H++2e&&&&&&&&&&&&电化学-化学耦联反应&&&&&&&&&&&&(三)可逆过程标准电极电位的测定&&&&&&&&?p1/2&&&&c&&&&&&&&RT?1.1nF&&&&1/2&&&&&&&&?p&&&&&&&&a&&&&&&&&RT?DlnnF?D?RT1/2?1.1nF&&&&?&&&&&&&&RT?1.1nF&&&&&&&&(1)&&&&&&&&RT?DlnnF?D?&&&&?&&&&&&&&1/2&&&&&&&&RT?1.1nF&&&&&&&&(2)&&&&&&&&&&&&(1)式和(2)相加&&&&&&&&?pp&&&&c&&&&&&&&a&&&&&&&&RT?D22lnnF?D?&&&&?&&&&a&&&&&&&&1/2&&&&&&&&&&&&?&&&&&&&&?pp&&&&c&&&&&&&&2&&&&&&&&RT?D2lnnF?D?&&&&&&&&1/2&&&&&&&&还原态和氧化态的扩散系数相近(D/D?1)&&&&&&&&&&&&?&&&&&&&&?pp&&&&c&&&&&&&&a&&&&&&&&2&&&&&&&&条件&&&&&&&&电极过程可逆,反应产物稳定&&&&&&&&&&&&15-8方波极谱法&&&&电解电压:非线性变化&&&&&&&&测量电流:电解池交流电流&&&&&&&&&&&&方波极谱法(square-wavepolarography)&&&&方波极谱法是一种交流极谱法&&&&电解电压:直流线形扫描电压+交流方波电压测量电流:交流电流&&&&&&&&225-250Hz10-30mV&&&&&&&&极谱波:&&&&&&&&交流电流-直流电压曲线&&&&&&&&&&&&消除充电电流的工作原理&&&&方波电压&&&&&&&&ic的变化电解电流的变化&&&&&&&&记录的电解电流&&&&&&&&&&&&方波电压叠加于直流电压时电解电流的变化&&&&&&&&&&&&1mol/LKCl溶液中含有2?10-5mol/LCu2+,Pb2+,Tl+,Cd2+,Zn2+和4?10-6mol/LIn3+的方波极谱图&&&&&&&&经典极谱波在半波电位时曲线的斜率最大,故呈峰形波&&&&&&&&&&&&可逆方波极谱波的峰电流方程&&&&&&&&nF1/2ip?k?UADcRT&&&&k方波频率及采样时间有关的常数&&&&&&&&2&&&&&&&&2&&&&&&&&?U&&&&&&&&方波振幅&&&&&&&&&&&&方波极谱法的特点&&&&&&&&1.灵敏度高&&&&&&&&4?10-8mol/L(充电电流减小和电解电流增大)。&&&&&&&&2.分辨率较高半波电位相差40mV&&&&3.方波极谱不需要加入表面活性物质消除极大&&&&&&&&4.电极反应的可逆性对灵敏度影响很大&&&&&&&&&&&&15-9脉冲极谱法(pulsepolarography)&&&&电压:直流电压+脉冲(汞滴生长后期)&&&&&&&&常规脉冲极谱&&&&&&&&恒定&&&&&&&&振幅随时间增加&&&&&&&&微分脉冲极谱&&&&&&&&线性直流电压&&&&&&&&振幅不变&&&&&&&&&&&&一、常规脉冲极谱施加的电压波形&&&&&&&&汞滴生长周期&&&&&&&&&&&&汞滴上电流-时间关系&&&&&&&&&&&&常规脉冲极谱波&&&&&&&&&&&&常规脉冲极谱法的极限电流方程&&&&&&&&il?nFAD(?tm)&&&&1/2&&&&?&&&&&&&&?1/2&&&&&&&&c&&&&&&&&?&&&&&&&&tm每个周期内从施加脉冲开始到进行采样时的时间il约为id的6-7倍&&&&&&&&&&&&Pb2+和Cu2+的常规脉冲极谱图&&&&&&&&&&&&二、微分脉冲极谱施加的电压波形&&&&&&&&&&&&汞滴上电流-时间关系&&&&&&&&&&&&微分脉冲极谱波&&&&&&&&&&&&微分脉冲极谱的峰电流最大值&&&&&&&&n2F2?ip?A(?U)D1/2(?tm)?1/2c4RT?U脉冲振幅微分脉冲极谱的峰电位与普通极谱的半波电位关系:?U?p1/2?2?还原过程;?氧化过程&&&&&&&&&&&&特点&&&&&&&&灵敏度高&&&&&&&&10-8mol/L&&&&&&&&分辨率高&&&&&&&&25-30mV&&&&&&&&前放电物质影响小&&&&&&&&&&&&15-10动力波、极谱催化波、络合物吸附波&&&&提高极谱分析灵敏度的方法:1.通过改进和发展极谱仪器,提高电解电流值和降低充电电流。如,单扫描极谱法,循环伏安法,交流、方波、脉冲极谱法。2.通过提高溶液的利用率,增大电解电流。如,催化极谱法,络合物吸附波和溶出伏安法&&&&&&&&&&&&动力波&&&&如果极谱电流受电极反应耦合的化学反应速度控制,则这类电流称为动力电流,其相应的极谱波称为动力波。&&&&按电极反应与化学反应的关系,动力波分为:&&&&&&&&1.前行动力波。化学反应先行于电极反应&&&&2.随后动力波。化学反应后行于电极反应3.平行动力波。化学反应平行于电极反应&&&&&&&&&&&&前行动力波AOx+neOxRe化学反应电极反应&&&&&&&&&&&&随后动力波Ox+neReBRe电极反应化学反应&&&&&&&&&&&&一、平行动力波(平行催化波)Ox+neRe电极反应&&&&&&&&Re+Z&&&&&&&&Ox&&&&&&&&化学反应&&&&&&&&Ox=催化剂;催化电流;平行催化波催化电流》极限扩散电流灵敏度提高&&&&&&&&Z=氧化剂,有高的超电位&&&&&&&&&&&&例1&&&&&&&&&&&&Fe(III)-H2O2催化波&&&&&&&&1.0.147mol/LH2O2&&&&2.2?10-4mol/LFe(III)+0.005%明胶&&&&&&&&3.2?10-4mol/LFe(III)&&&&4.0.147mol/LH2O2+2?10-4mol/LFe(III)&&&&&&&&&&&&例2&&&&化学反应&&&&&&&&电极反应&&&&&&&&Mo最低检测浓度:2?10-7mol/L&&&&&&&&&&&&滴汞电极上的催化电流方程&&&&&&&&ic=0.51nFD1/2qm2/3?2/3k1/2cZ1/2co&&&&k化学反应的速率常数&&&&D物质O的扩散系数cZ物质Z在溶液中的浓度co物质O在溶液中的浓度&&&&&&&&&&&&应用&&&&常用的被还原物质(Z物质):过氧化氢、氯酸盐、高氯酸(盐)、硝酸盐、亚硝酸盐、&&&&&&&&盐酸羟胺、四价钒等&&&&被分析对象:主要为具有变价性质的高价离子Mo(VI),W(VI),V(V),U(VI),Ti(IV),Te(IV),Co2+,Ni2+&&&&&&&&&&&&三、络合物吸附波&&&&&&&&络合物吸附波&&&&&&&&吸附在电极上的络合物自身被还原产生的电解电流&&&&&&&&&&&&15-11溶出伏安法(strippingvoltammetry)&&&&溶出伏安法是集电化学富集和测定为一体的高灵敏度电分析方法&&&&电解富集过程&&&&&&&&溶出过程&&&&&&&&线性扫描伏安法&&&&&&&&微分脉冲法&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&溶出伏安法原理图&&&&&&&&电富集时的电解电位&&&&&&&&&&&&一、溶出伏安法的工作电极&&&&三电极体系&&&&工作电极:&&&&&&&&?汞电极?固体电极&&&&&&&&&&&&溶出伏安分类&&&&阳极溶出伏安法:溶出时工作电极发生氧化反应&&&&&&&&阴极溶出伏安法:溶出时工作电极发生还原反应&&&&&&&&&&&&二、溶出伏安法中溶出峰电流的性质&&&&?&&&&&&&&溶出峰电流与被测物质浓度:&&&&&&&&ip=-KC0&&&&&&&&定量分析基础&&&&&&&&&&&&应用例:自来水中Zn2+,Cu2+,Pb2+的测定&&&&微分脉冲极谱法&&&&&&&&&&&&阳极溶出伏安法&&&&&&&&悬汞电极预电解时间Zn,Cu(1.25min)Pb(5.25min)&&&&&&&&&&&&三、溶出伏安法的特点&&&&1.灵敏度高2.试样用量少&&&&&&&&可达到10-7--10-11mol/L可少至1--0.1mL&&&&&&&&3.可同时测定数种物质(6-7种)4.应用十分广泛的一种电分析方法5.电解富积较费时(3-15min);重现性相对较差。&&&&&&&&&&&&思考题&&&&1.极谱分析是特殊情况下的电解,请问这特殊性是什么?2.什么是极谱分析的底液?它的组成是什么?各自的作用是什么?3.半波电位有什么特点?它有什么用途?4.如何通过配合物的极谱波方程求配合物的n,p,Kc?5.经典直流极谱的局限性是什么?脉冲极谱法在这方面有什么改进?&&&&&&&&&&&&电化学分析部分小测验&&&&&&&&?&&&&&&&&简述电位法、库仑滴定和极谱法的工作原理,并从电池、电极、实验条件的角度比较三者的异同点。&&&&&&&&&&&&冯钰锜(化西103)yqfeng@&&&&&&&&完&&&&&&&&&&&&&&&&

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