电化学分析法课件.ppt

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1、第八章 电化学分析法,第一节 电化学分析法概述,一、电化学分类二、电化学特点,03:55:34,本章重点：（1）化学电池组成（2）各类电极反应及相应Nernst方程式的表达（3）pH玻璃电极和氟离子电极结构和工作原理（4）直接电位法和电位滴定法应用,应用电化学基本原理和实验技术，依据物质电化学性质来测定其组成和含量的一类方法称为电化学分析或电分析化学。,03:55:34,一、电化学分析法的类型,按测量参数分为(1)电位分析法：测量电池电动势(2)电导分析法：测量溶液电导值(3)电解分析法：测量电解过程电极上析出物质量(4)库仑分析法：测量电解过程中消耗电量；(5)伏安分析：电解过程中电流与电位

2、变化曲线(6)极谱分析：在伏安中使用滴汞电极。,03:55:34,二、电化学分析法的特点,（1）灵敏度高、选择性好、分析速度快（2）仪器设备简单，操作方便（3）应用广泛：卫生分析、医药分析、环境保护传统电化学：无机离子分析H+、F-、Cl-、K+、NO2-现代电化学：蛋白质、氨基酸、尿素、葡萄糖、胰岛素、多巴胺、肌苷、酶活性等,第八章 电化学分析法,第二节 电位法基本原理,一、化学电池二、指示电极和参比电极三、电极电位,03:55:34,一、化学电池,电极：将金属放入对应溶液后所组成的系统。化学电池：由两支电极、电解质溶液、导线构成、化学能与电能相互转换装置。原电池：自发地将化学能转变成电能装

3、置。电解池：将电能转变成化学能装置。化学电池工作时，电流必须在电池内部和外部构成闭合的回路时电池才能工作。,03:55:34,1、原电池负极：发生氧化反应,电极电位较低正极：发生还原反应,电极电位较高负极反应:Cu-2e=Cu2+正极反应：Ag+e=Ag电池反应Cu+2Ag+=Cu2+2Ag,03:55:34,2、电解池阳极：与直流电源正极相连，发生氧化反应。阴极：与直流电源负极相连，发生还原反应。阳极反应：Ag-e=Ag+阴极反应：Cu2+2e=Cu电池反应2Ag+Cu2+=2Ag+Cu,阳极,阴极,电解,03:55:34,3、液接电位与盐桥在组成相同（浓度不同）或不同两溶液界面上，由于离子

4、扩散而形成的电位差-液接电位。,浓HCl,稀HCl,H+,Cl-,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,多孔膜,双电层,多孔膜,多孔膜,多孔膜,03:55:34,浓HCl,稀HCl,H+,Cl-,液接电位大小与界面两侧溶液中离子种类和浓度有关，通常可达3040mv。盐桥：在U型细玻璃管中装入用琼脂固定的饱和KCl（KNO3）溶液，然后与两溶液相连。,饱和KCl,Cl-,Cl-,Cl-,H+,K+,K+,浓度4mol/L,03:55:34,由于饱和KCl溶液浓度高（4mol/L），液接处扩散主要是KCl向两边溶液的扩散，K+、Cl-扩散速度几乎相等，在每一个界面形成的液接电位都很小，且

5、两个界面上形成的液接电位大小相近符号相反，这两个液接电位又相互抵消一部分，最后的液接电位基本恒定在12mV。盐桥的作用：减小体系的液接电位；维持氧化还原反应继续进行,03:55:34,03:55:34,二、指示电极和参比电极,1、指示电极：电极电位随被测离子的活度变换而变化的电极。（1）电位符合Nernst方程（2）对待测离子活度变化响应迅速（3）线性范围宽、重现性好（4）对待测组分具有选择性,03:55:34,1）金属电极：基于电子转移的氧化还原电极【第一类电极】:金属-金属离子电极 如Ag-AgNO3电极，表示为：MMn+(xmol/l),【第二类电极】:金属-金属难溶盐电极如Ag-AgC

6、l电极，表示MMnXm(难溶物)X,MnXm+ne=mM+nX-,03:55:34,【惰性金属电极】：铂或石墨与含有可溶性氧化态和还原态物质的溶液组成。电极不参与反应，只起导电作用。故惰性金属电极可作为溶液中氧化态和还原态获得电子或释放电子的场所。如：PtCe4+,Ce3+；金属指示电极较少使用,原因是它们易受溶液中共存氧化、还原物干扰，电位值不稳定，重现性差。,03:55:34,2）离子选择电极：基于离子在膜内外迁移或扩散所形成电极(ISE)-重要且常用指示电极该指示电极没有电子得失，不发生电极反应，靠敏感膜对离子的选择性响应产电极电位膜电位。,03:55:34,构成膜的电活性物质必须满足以

7、下条件（1）在水中的溶解度要足够小（2）有良好化学稳定性耐酸碱、抗氧化还原干扰（3）具有离子导电性和不易被损坏（4）选择性高离子选择性电极的构成：敏感膜、内参比电极、内参比溶液、电极管,03:55:34,03:55:34,03:55:34,03:55:34,03:55:34,pH玻璃电极（最早、最成功电极）（1）结构 敏感膜：玻璃膜。厚度约为0.050.1mm 内参比电极：Ag-AgCl电极(管内)内参比溶液：含0.1mol/LHCl溶液,（2）响应机制：水浸泡玻璃电极后，玻璃膜表面Na+与水中H+发生交换，膜表面几乎全被H+占据，形成水化凝胶层(10-510-4mm)。当电极浸入待测溶液时，

8、由于待测溶液H浓度与水化凝胶,03:55:34,层H+浓度不同，产生浓差扩散形成双电层，产生电位差（膜电位）,双电层,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,03:55:34,由于内参比溶液中的H+活度（a内）是固定的，则:pH玻璃电极特性（1）膜电位与试样溶液中pH成线性关系，K由玻璃膜本身性质决定常数（2）pH电极电位由内参比电极电位和膜电位之和（3）不对称电位(25),测量溶液pH定量依据,03:55:34,产生原因是玻璃膜内、外表面含钠量、表面张力以及机械和化学损伤的细微差异所引起的。长时间浸泡后（24h）即可活化电极，又可降低且恒定（13mV）不对称电位。（4）高选择性：膜电位的

9、产生不是电子的得失。其它离子不能进入晶格产生交换。只有当溶液中Na+浓度比H+浓度高1015倍时，两者才产生相同的电位，这种情况实际中不存在,03:55:34,（5）酸差：pH9时，使测定pH比实际的低，产生负误差（7）pH19范围电极电位与pH呈线性关系。（8）不受溶液中氧化剂、还原剂、颜色及沉淀影响，不易中毒；电极内阻很高，电阻随温度变化，,03:55:34,氟离子选择电极,（1）结构：敏感膜：氟化镧单晶膜（掺有EuF2 的 LaF3单晶切片晶格缺陷增多，膜导电性增强）内参比电极：Ag-AgCl电极(管内),内参比溶液：0.1mol/L的NaCl和0.10mol/L的NaF混合溶液（F-用

10、来控制膜内表面的电位，Cl-用以固定内参比电极的电位）。,03:55:34,（2）响应机制:LaF3晶格中有空穴，在膜表面上，溶液中F-可以进入到这些空穴中，使得在膜和待测溶液间形成双电层，产生膜电位。对于一定膜，离子大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶体膜内。（3）使用条件:在pH57之间使用，若pH高时溶液中OH-与LaF3晶体膜中F-交换；pH低时溶液中F-会生成HF或HF2-,均影响测定,测定线性范围10-110-6mol/l,离子强度一定。,03:55:34,2、离子选择电极性能 1）膜电位选择性 共存其它离子对膜电位产生有贡献吗？若测定离子为i，电荷为zi；干扰离子为j，电荷为zj

11、。考虑共存离子也产生电位，则膜电位表达式可修正为：,03:55:34,（1）对阳离子响应的电极，K 后取正号；对阴离子响应的电极，K 后取负号。（2）Ki j称为电极选择性系数 其意义为：在相同测定条件下，待测离子和干扰离子产生相同电位时待测离子活度i与干扰离子活度j的比值。由于受各种实验条件影响，Kij目前还没有理论计算值，只有在一定实验条件下进行测量。（3）通常K ij1,K ij值越小,表明电极的选择性越高。例如：Kij=0.001时,意味着干扰离子j 的活度比待测离子i,03:55:34,i的活度大1000倍 时,两者才产生相同的电位。attention:Zi、Zj分别为被测离子和干扰

12、离子的电荷数（4）选择性系数严格来说不是一个常数，在不同离子活度条件下测定的选择性系数值各不相同。（5）Kij可用来估计干扰离子存在时产生的测定误差或确定电极的适用范围（选择性电极误差）,03:55:34,例1 用pNa玻璃膜电极（KNa+，K+=0.001）测定pNa=3的试液时，如试液中含有pK=2的钾离子,则产生的误差是多少?,解:误差%=(KNa+，K+aK+)/aNa+100%=(0.00110-2)/10-3100%=1%,例2某硝酸根电极对硫酸根的选择系数：用此电极在1.0mol/L硫酸盐介质中测定硝酸根,如果要求测量误差不大于5%,试计算可以测定的硝酸根的最低活度为多少,解：N

13、O-，SO（aSO）z i/z j/aNO-5%aNO-4.1101.0/5,aNO-8.210mol/L。测定的硝酸根离子的活度应大于8.2104mol/L。,03:55:34,2）线性范围和检测限,线性范围：电位符合Nernst关系，AB段对应检测离子活度（或浓度）范围。,级差（响应斜率）AB段斜率：即活度相差一数量级时，电位改变的数值，用S表示。理论上S=2.303 RT/zF,25时,一价离子S=0.0592 V,二价离子S=0.0296 V。离子电荷数越大，级差越小，测定灵敏度也越低，电位法多用于低价离子测定。,03:55:34,检测限：能检测出待测离子的最低浓度,图中AB与CD延长

14、线的交点M所对应的测定离子的活度（或浓度）。离子选择性电极一般不用于测定高浓度试液（1.0mol/L），高浓度溶液对敏感膜腐蚀溶解严重，也不易获得稳定的液接电位。,3）响应时间电极浸入试液后达到稳电位（0.1mv）所需时间,03:55:34,液接电位和膜电位有何区别？3、参比电极：一定温度压力条件下，电极电位恒定不变的电极。（1）电位已知、恒定，不随试样溶液组成而改变（2）与试样溶液接触时的液接电位小（3）便于使用和保存（4）结构简单、重现性和稳定性好,03:55:34,1）饱和甘汞电极 电极反应：Hg2Cl2+2e=2Hg+2 Cl-表示：HgHg2Cl2（固）KCl 电极电位（25）：,电

15、极内溶液Cl-活度一定，甘汞电极电位固定。SCE的电位0.2412V,03:55:34,2）银-氯化银电极（Ag-AgCl）电极反应：AgCl+e=Ag+Cl-表示：AgAgCl（固）KCl,电极内Cl-活度一定，该电极电位固定。饱和KCl的电位0.200V4、复合电极复合电极=指示电极+参比电极,03:55:34,03:55:34,三、金属电极电位1、平衡电极电位形成以锌-硫酸锌为例，当锌片与硫酸锌溶液接触时，金属锌中Zn2+化学势（能量）大于溶液中Zn2+化学势，则锌不断溶解到溶液中，而电子留在锌片上。结果金属带负电，靠近金属溶液带正电；形成双电层(图8-2所示）建立相间电位差；电位差排斥

16、Zn2+继续进入溶液；金属表面负电荷又吸引Zn2+最终达,03:55:34,达到动态平衡，相间平衡电极电位。2.电极电位测量,03:55:34,第八章 电化学分析法,第三节 电位分析法应用,一、直接电位法二、电位滴定法,03:55:34,电位分析是在零电流或趋近零电流(为什么？)条件下，测定电池电动势所进行的分析方法。装置：参比电极、指示电极、酸度计、电位滴定仪；当测定时，参比电极的电极电位保持不变，电池电动势随指示电极的电极电位而变，而指示电极的电极电位随溶液中待测离子活度而变。,电池内阻,03:55:34,一、直接电位法1、pH测定原理与实例,Ag|AgCl|HCl|玻璃膜|试液溶液 KC

17、l(饱和）|Hg2Cl2（固）|Hg,玻璃,液接,甘汞,电池电动势为：,K包括：外参比电极电位；内参比电极电位；不对称电位；液接电位,03:55:34,两种溶液，pH已知的标准缓冲溶液(s)和pH待测的试液(x)。分别测定各自溶液的电动势,若测定条件完全一致，则Ks=Kx,两式相减得：,式中pHs已知，实验测出Es和Ex后，即可计算出试液的pHx，ICPAC推荐上式为pH的实用定义式。使用时尽量保持温度恒定并选用与待测溶液pH接近（3个PH）的标准缓冲溶液。,03:55:34,实例应用-“两点校正法”1）制备两种pH标准缓冲溶液，一种PH大于并接近待测试液的pH；另一种小于并接近试液的pH。2

18、）用一种标准缓冲溶液与电极组成电池，调节定位旋钮使仪器显示该标准溶液pH。3）用另一标准溶液与电极组成电池，调节斜率旋钮，使仪器显示第二种标准溶液pH,03:55:34,4）用待测溶液与电极组成电池，插入电极测量溶液pH值,常用标准pH缓冲溶液,03:55:34,03:55:34,(-)内参比电极内充液（ai一定)被测溶液(ai未知)参比电极(+),（敏感膜）,内外参比电极的电位值固定，且内充溶液中离子的活度也一定，则电池电动势为：i为被测离子活度(浓度）,2、离子活度测定原理与实例,将离子选择性电极和参比电极插入待测试液组成原电池，通过测量电池电动势确定待测离子活度,03:55:34,实例应

19、用1）标准曲线法,用测定离子纯物质配制一系列不同浓度标准溶液，用TISAB（Totle Ionic Strength Adjustment Buffer）保持溶液离子强度、pH相对稳定下，分别测定各溶液电动势，并绘制:E-lg ai 关系曲线。,注意：离子活度系数保持不变时，膜电位才与lg ai呈线性关系。实验内容安排：直接电位法测量氟离子含量,03:55:34,总离子强度调节缓冲溶液（必记内容）（Totle Ionic Strength Adjustment Buffer简称TISAB）,TISAB的作用：保持较大且相对稳定的离子强度，使活度系数恒定；维持溶液在适宜的pH范围内，满足离子电极

20、的要求；掩蔽干扰离子。测F-过程所使用的TISAB典型组成：1mol/L的NaCl，使溶液保持较大稳定的离子强度；0.25mol/L的HAc和0.75mol/L的NaAc,使溶液pH在5左右；0.001mol/L的柠檬酸钠,掩蔽Fe3+、Al3+等干扰离子。,03:55:34,2）标准加入法(指示电极做负极）,设某一试液体积为V0，其待测离子的浓度为cx，测定的工作电池电动势为E1，则：,式中：cx 是待测离子的总浓度，z是待测离子的电荷数。往试液中准确加入一小体积Vs(大约为V0的1/100)的用待测离子的纯物质配制的标准溶液,浓度为Cs(约为cx的100倍)。由于V0Vs，可认为溶液体积基

21、本不变。浓度增量为：c=cs Vs/V0,03:55:34,再次测定工作电池的电动势为E2：,用E2-E1则：,03:55:34,例1：将钙离子选择电极和饱和甘汞电极插入100.00mL水样中，用直接电位法测定水样中的Ca2+。25时，测得钙离子电极电位为-0.0619V(对SCE)，加入0.0731mol/L的CaCl2标准溶液1.00mL，搅拌平衡后测得钙离子电极电位为-0.0483V(对SCE)。试计算原水样中钙离子浓度？解：由标准加入法计算公式 S=0.059/2 c=(Vs cs)/Vo=1.000.0731/100,03:55:34,例2：在0.10mol/LFe3+溶液中，插入P

22、t电极(+)和SCE(-)，在25测得电动势为0.395V，问有多少Fe3+被还原成Fe2+?解:=0.77+0.059 lg(Fe3+/Fe2+)-0.2412 lg(Fe3+/Fe2+)=(0.395+0.2412-0.771)/0.059=-2.254 设有 X%的 Fe3+还原为 Fe2+，则：lg(Fe3+/Fe2+)=lg（1X）/X=-2.254(1-X)/X=0.00557;X=0.557%;即有约0.56%的Fe3+被还原为Fe2+,03:55:34,例3：测定下列电池电动势为-0.272v，计算Ag2CrO4的Ksp？已知解：,03:55:34,例题4：在25时测得下列电池

23、电动势为0.512V，计算丙酸（HPrO）的解离常数?PtH2(100kPa)HPrO(0.01mol/l),NaPrO(0.05mol/l)SCE解：,03:55:34,二、电位滴定法1、电位滴定装置根据工作电池电动势在滴定过程中的变化来确定滴定终点的一种滴定分析方法。由于电位滴定法只需观测滴定过程中电位的变化情况，不用指示剂确定终点，因此它不受溶液颜色、浑浊等限制，特别是在无合适指示剂情况下，可以很方便地采用电位滴定法。,03:55:34,基本仪器装置如图所示，包括滴定管、滴定池、指示电极、参比电极、搅拌器和测量电动势的仪器。进行电位滴定时，在待测溶液中插入一支指示电极和一支参比电极组成工

24、作电池。随着滴定剂的加入由于发生,电位滴定仪,03:55:34,化学反应，待测离子的浓度将不断发生变化，因而指示电极的电位也发生相应的变化，在化学计量点附近，离子浓度发生突变，引起电位的突变，因此通过测量工作电池电动势的变化，就能确定滴定终点。溶液用电磁搅拌器进行搅拌，通常每加入一定量的滴定剂后即测量一次电池电动势，这样就得到一系列的滴定剂用量(V)和相应的电池电动势(E)的数据。,03:55:34,2、滴定终点确定,电位滴定仪,E/mv,V/ml,sp,03:55:34,0.1000 molL-1AgNO3溶液滴定NaCl溶液,03:55:34,根据上表中的实验数据，可以用下列三种方法确定滴

25、定终点。E-V曲线法EV曲线法如果E-曲线比较平坦，突跃不明显，则可绘制一级微商曲线，即EV曲线。E表示随滴定剂体积变化的电位变化值。例如当加入AgNO3溶液从24.10 mL到24.20 mL之,03:55:34,间时，,这种方法基于EV曲线的最高点正是二级微商2E2等于零处，同时EV曲线的最高点对应的V值是滴定的终点。因此计算出一些点的二级微商，并求出与2E2时相对应的V值，即得到终点时所加滴定剂的体积。,03:55:34,以上表的数据为例，对应于加入AgNO3溶24.30 mL时，,对应于24.40mL时:,03:55:34,用内插法算出对应于2E2等于零时的体积：,这就是滴定终点时消耗

26、AgNO3溶液的量。,03:55:34,3、电位滴定法的应用,用于各种滴定法的电极,03:55:34,4、自动电位滴定法,由人工操作来获得一条完整的滴定曲线及精确地确定终点等工作是很繁琐而费时的。如果采用自动电位滴定仪就可以解决上述问题，尤其对批量试样的分析更能显示其优越性。目前使用的滴定仪主要有两种类型：一种是滴定至预定终点电位时，滴定自动停止；另一种是保持滴定剂的加入速度恒定，在记录仪上记录其完 整的滴定曲线，以所得曲线确定终点时滴定剂的,03:55:34,体积。两种滴定仪原理方框图如图所示：,03:55:34,自动控制终点型仪器需事先将终点信号值(如pH或mV)输入，当滴定到达终点后10s时间内电位不发生变化，则延迟电路就自动关闭电磁阀电源，不再有滴定剂滴入。实现了滴定操作连续自动化，而且提高了分析的准确度。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,