教学PPT极谱与伏安分析法.ppt
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1、第三章极谱与伏安分析法,第一节 极谱分析原理与过程第二节 极谱定性定量分析方法与应用第三节 现代极谱分析技术第四节 溶出伏安分析原理与技术,第一节 极谱分析原理与过程,一、极谱分析原理与过程二、扩散电流理论三、干扰电流与抑制,一、极谱分析的基本原理,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,海洛夫斯基,1925,1、电极的极化,此时电流与电压的关系:U外 Ud=iR,电极的极化:电流通过电极时,电极电位偏离平衡电位的现象。,阴极还原反应:,阳极氧化反应:,浓差极化:由电极表面浓度的差异而引起的极化现象。
2、,2.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工作电极;在溶液静止的情况下进行的非完全的电解过程。,极谱分析过程和极谱波-Pb2+(10-3mol/L),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。,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。在处,达到扩散平衡。,(1).极限扩散电流id,平衡时,电解电
3、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),图中处电流随电压变化的比值最大(i=1/2id时),此点对应的电位称为半波电位。(极谱定性的依据),(2).极谱曲线形成条件,a.待测物质的浓度要小,快速形成浓度梯度。b.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。,c.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。d.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?,以饱和甘汞电极为阳极(其电位为ESCE),滴汞电极为阴极(其电位为Ed
4、e),则它们与外加电压U的关系为:U=(ESCE-Ede)+iR在极谱过程中,电流一般很小(A数量级),电解线路的总电阻也不会很大,iR值可忽略则 U=(ESCE-Ede)电解过程中,阳极产生的浓差极化很小,因此阳极的电极电位实际上保持不变,U=-Ede(vs.SCE)滴汞电极的电位完全受外加电压控制,(3).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,二、
5、扩散电流理论,1.扩散电流方程 极谱定量分析的基础 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:,A:电极面积;D 扩散系数(id)t 电解开始后t 时,扩散电流的大小。,根据法拉第电解定律:,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),(3)代入(2),得:,将(6)代入(5),得:(id)t=706nD1/2m2/3t 1/6c(7),由于汞滴呈周期性增长,使其有效扩散层厚度减小为线性扩散层厚度的,扩散电流的平均值:,考虑滴汞电极的汞滴面积是时间的函数,t 时汞滴面积,At=8.4910-3m2/3t 2/3(cm
6、2)(6),(id)平均=607nD1/2m2/3 t 1/6c=Kc,(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;m 汞流速度(mg/s);t 滴汞周期(s);c 待测物原始浓度(mmol/L);K:在滴汞电极上称为尤考维奇常数,扩散电流方程:,2.影响扩散电流的因素,(1)影响扩散系数D的因素:离子淌度、离子强度、溶液的粘度、介电常数及温度等;(2)影响m、t,即毛细管特性的因素:如:毛细管直径、汞压、电极电位等;(Kh1/2),如果温度、底液(含有大量支持电解质及极大抑制剂的溶液)及毛细管特性不变,则id与c成正比极谱定量分析基础,K:706nD1
7、/2m2/3 t 1/6,3.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),滴汞电极表面:aM aHg aa,由于汞齐浓度很稀,aHg不变;则:,由扩散电流公式:id=KM cM(3)在未达到完全浓差极化前,cM不等于零;则:,(4)-(3)得:,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:,将(6)和(5)代入(2),在极谱波的中点,即:i=id/2 时,代入上式,得:,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
8、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。,注意:1、对可逆电极反应,三个方程中的 E1/2值完全相等。2、有机物和配合物电极反应的综合波方程完全不同,请参考相关专著。,三、干扰电流与抑制 interference current and elimination,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;(b)充电电流(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
9、-7 A的数量级,相当于10-510-6mol/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:加强惰性电解质。加强电解质后,被测离子所受到的电场力减小。,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”。,产生的原因:溪流运动消除方法:加动物胶,聚乙烯醇等表面活性剂,4.氧波氧波有两个:,消除方法(1)通气法:氮气、氢气。(2)还原法:在溶液中加入适
10、当的还原剂在碱性溶液中加入 NaHSO3(但当在-0.2V或更正电位时,不能使用。)在酸性溶液中加入金属、抗坏血酸注意:所加还原剂应。无副作用,即不得与支持电解质或被测物质发生化学反应。,5.氢波:H+在电极上还原产生的极谱波。酸性溶液:氢波在-1.2V-1.4V 测电位在-1.2V之前的物质,无氢波干扰,测电位在-1.2V之后的物质,氢波干扰严重。碱性溶液:要在更负的电位下才会产生氢波,波高也很小,无干扰。消除方法:测电位在-1.2V之后的物质,应在碱性溶液中测定。,6.底液及其作用 支持电解质:消除迁移电流 极大抑制剂:消除极大 除 氧 剂:消除氧波 其它试剂:络合剂 分波 缓冲剂 消除氢
11、波,改善波形。,第二节 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,一、极谱定性方法,在1mol/L KCl底液中,不同浓度的Cd2+极谱波,1.半波电位 由极谱波方程式:,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。,当i=1/2id 时的电位即为半波电位,极谱波中点。,2.影响半波电位的因素(1)支持电解质的影响 发生络合作用 E1/2(Cd2+)Tl+在1 mol.L-1KCl-0.64-0.48(vs.SCE)1 mol.L-1NH4Cl-0.81-
12、0.48(vs.SCE)不发生络合作用(2)温度的影响 温度升高1 负向移动 1mv(3)反应物质浓度过大的影响 U外=Ud+iR=SCEd.e+iR(4)极大抑制剂的影响 极谱法的底液中加入微量的表面活性剂作极大抑制剂,加入量过多会使极谱波向右倾斜,使半波电位向负向移动。,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,可有效分离,如Cd2+和Tl+在NH3和NH4Cl溶液中可分离(Cd2+生成络离子);(3).极谱分析可使用的电极电位范围较窄(2V),而且许多物质的半
13、波电位有时相差不多或重叠,因此采用半波电位定性的实际应用价值不大,极谱分析主要用来定量。,二、极谱定量分析方法quantitative methods of polarography,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)三切线法(3)矩形法,2.定量分析方法,(1)比较法(完全相同条件)cs;hs 标准溶液的浓度和波高;,(2)标准曲线法(3)标准加入法,三、单指示电极安培滴定法(极谱滴定),1.原理 在极谱仪的电解池上增加一支装有滴定剂的滴定管,组成单指示电极安培滴仪。调节外加电压,使被滴定物质或滴定剂
14、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。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。(X:试样 T:滴定剂),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)中选择电压在B点,则在滴定终点后,随滴定剂的加入,扩散电流增加。,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,(a)(2)测定物质X与滴定剂T都发生电极反应,(b)(3)滴定剂T发生电极
15、反应,测定物质X不发生电极反应,(c)(4)测定物质X不发生电极反应,滴定剂T也不发生电极反应,(d),Example,四、双指示电极安培滴定(永停滴定)1、基本原理:,在试液中浸入两个相同的微铂电极,两电极间施加恒定低电压(10-100mV),滴定时观察检流计上电流的变化来确定终点。,2、在滴定过程中电流变化的几种情况:,(2)滴定剂属可逆电对,被测物属不可逆电对I2滴定Na2S2O3,(1)滴定剂属不可逆电对,被测物属可逆电对Na2S2O3滴定I2,(3)滴定剂属和被测物属均属可逆电对Ce4+滴定Fe2+,五、双指示电极电位滴定,双指示电极电位滴定(恒电流)与双指示电极电流滴定(恒电位)很
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