第五章电位分析法课件.ppt
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1、2023/3/28,1,第五章,电位分析法,2,2023/3/28,目录,5-1 概述5-2 参比电极 5-3 指示电极5-4 电位测定法5-5 电位滴定法,3,2023/3/28,5-1 概述,电位分析法是电化学分析法(electroanalytical methods)的一个重要组成部份。电化学分析法:应用电化学的基本原理和技术,研究在化学电池内发生的特定现象,利用物质的组成及含量与该电池的化学量(如,电导、电位、电流、电量等)有一定关系而建立起来的一类分析方法。,4,2023/3/28,一、电化学分析法的分类,第一类:利用试液的浓度在某一特定实验条件下与化学电池中某些物理量的关系来进行分
2、析的。电极电位:电位分析法电阻:电导分析法电量:库仑分析法电流电压曲线:伏安分析法,第二类:以上述这些电物理量的突变作为滴定分析中终点的指示,所以又称为电容量分析法。电位滴定电流滴定电导滴定,5,2023/3/28,第三类:是将试液中某一个待测组分通过电极反应转化为固相(金属或其氧化物),然后由工作电极上析出的金属或其氧化物的重量来确定该组分的量。实质是一种重量分析法(不使用化学沉淀剂而已)。又称为电重量分析法,即电解分析法。,二、常见的电化学分析法 根据测量参数的不同:,电位分析法库仑分析法极谱分析法电导分析法电解分析法,6,2023/3/28,三、电化学分析法特点及现状,灵敏度、选择性和准
3、确度都很高。被分析物质的最低量接近10-12 mol数量级。近代电分析技术能对质量为10-9g的试样作出可靠的分析。适用范围广。易于实现自动化和连续分析。(电学讯号,电学仪器是关键。),实时、在线,电化学分析法在化学研究中具有十分重要的作用。它已广泛应用于电化学基础理论、有机化学、药物化学、生物化学、临床化学等领域的研究中。例如各类电极过程动力学、电子转移过程、氧化还原过程及其机制、催化过程、有机电极过程、吸附现象、大环化合物的电化学性能等等。电化学分析法对成分分析(定性及定量分析)、生产控制和科学研究等方面都有很重要的意义。,7,2023/3/28,Cu-Zn原电池装置,电子定向转移,借助于
4、自发的氧化还原反应产生电流,使化学能转变为电能的装置。,化学电池,原电池,电解池,电导池,8,2023/3/28,能斯特(Nernst)方程,电动势的能斯特方程:电极电势的能斯特方程:,对于任意给定的电极,电极反应通式为,a(氧化态)+ne-b(还原态),T=298.15K时:,电极电位与电极活性物质的活度之间的关系,利用此关系建立了一类通过测量电极电位来测定物质含量的方法电位分析法,9,2023/3/28,四、电位分析法,原理:在待测的电解质溶液中插入两只性质不同的电极,用导线相连组成原电池,利用电极电势与试液中离子的活度之间的数量关系测得离子的活度。分类:电位测定法电位滴定法,测定含有待测
5、溶液的化学电池的电动势,进而求得待测组分含量的方法。,10,2023/3/28,电位测定法,通过测量电池电动势来确定待测离子活度。例如:用玻璃电极测定溶液中H+活度。用离子选择性电极测定各种阴离子或阳离子的活度。,电位滴定法,通过测量滴定过程中电池电动势的突变来确定滴定终点,可用于酸碱、氧化还原等各类滴定反应终点的确定。应用:测定 电对的条件电极电位 酸碱的解离常数 配合物的稳定常数,11,2023/3/28,依据:能斯特(Nernst)方程,将一金属片浸入该金属离子的水溶液中,在金属与溶液界面间产生 了扩散双电层,两相之间产生了一个电位差,称之为电极电位,其大小可用能斯特方程描述:,+,电位
6、分析法的关键:如何准确测定电极电位,测量:在实际电位分析中需要用一个电极电位随待测离子活度不同而变化 的电极(称为指示电极)与一个电极电位值恒定的电极(称为参比电极)和 待测溶液组成工作电池。设电池为(-)MM n+参比电极(+),习惯上把负极写在左边,正极写在右边。用E表示电池电动势,则,12,2023/3/28,式中:代表电位较高的正极的电极电位;代表电位较低的负极的电极电位;为液体接界电位,其值很小,可以忽略。故:,(L),+(L),(-),(+),(参比)代表参比电极的电位,式中 和 在温度一定时,都是常数。只要测出电池电动势 E,就可求得,这就是直接电位法。若Mn+是被滴定的离子,在
7、滴定过程中,电极电位 将随 变化而变化,E 也随之不断变化。在化学计量点附近,将发生突变,相应的E 也有较大变化。通过测量E 的变化就可以确定滴定终点,这就是电位滴定法。,(参比),13,2023/3/28,电化学分析中常用的测量系统,两电极系统:指示电极和参比电极三电极系统:工作电极、参比电极和辅助电极,14,2023/3/28,5-2 参比电极,测量电池电动势、计算电极电位的基准。,要求:电极电位已知而且恒定。它与不同的测试溶液间的液体接界电位差异很小,可以忽略不计。容易制作,使用寿命长。,15,2023/3/28,标准氢电极(SHE),将镀有一层疏松铂黑的铂片插入c(H+)=1mol/L
8、的酸溶液中。在298.15K时不断通入p(H2)=100kPa的纯氢气流,铂黑很易吸附氢气达到饱和,同时对电化学反应有催化作用,使氢气很快与溶液中的H达成平衡。其可逆程度很高,这样组成的电极称为标准氢电极。,(H+/H2)=0.000V,电极表示:,H+/H2,电对:,电极反应:,2H+(aq)+2e-H2(g),Pt|H2(100KPa)|H+(1mol/L),标准氢电极装置图,16,2023/3/28,标准氢电极(SHE)是最精确的参比电极,是参比电极的一级标准,它的电位值规定在任何温度下都是零伏。用标准氢电极与另一电极组成电池,测得的电池的动势即是另一电极的电极电位。标准氢电极制作和使用
9、麻烦,因此直接用SHE作参比电极很不方便。实际常用的参比电极是甘汞电极和银-氯化银电极。,17,2023/3/28,甘汞电极(calomel electrode),甘汞电极是金属汞和Hg2Cl2及KCl溶液组成的电极。,甘汞电极:PtHgHg2Cl2Cl-,电极反应:Hg2Cl2+2e-2Hg+2Cl-,图5.1 甘汞电极,18,2023/3/28,电极电势(25):,而,_,19,2023/3/28,25,不同浓度的KCl溶液,使甘汞电极的电位具有不同的恒定值:,表4-1 25时甘汞电极的电极电位(对SHE),如果温度不是25,其电极电位值需要校正,对 SCE,t时电极电位为:,20,202
10、3/3/28,银-氯化银电极(silver-silver chloride electrode),银丝镀上一层AgCl,浸在一定浓度的KCl溶液中,即构成银氯化银电极。,图5.2 银-氯化银电极,Ag-AgCl电极:Ag,AgCl(固)KCl,电极反应:AgCl+e-Ag+Cl-,21,2023/3/28,电极电势(25):,而,_,令,22,2023/3/28,25,不同浓度的KCl溶液的Ag-AgCl电极的电极电位:,表4-2 25时银-氯化银电极的电极电位(对SHE),如果温度不是25,其电极电位值需要校正,标准银-氯化银电极,t时电极电位为:,23,2023/3/28,5-3 指示电极
11、,能快速而灵敏地对溶液中参与半反应的离子的活度或不同氧化态的离子的活度比产生能斯特响应。,分类:金属电极和膜电极金属电极:金属-金属离子电极,金属-金属难溶盐电极,汞电极,惰性金属电极膜电极:玻璃膜电极,其他膜电极,24,2023/3/28,一、金属-金属离子电极(第一类电极),构成:金属插入含有该金属离子的溶液中。电极反应:电极电位(25):,Mn+ne-M,25时,,应用:指示电极测。沉淀或配合等反应的电位滴定。,+,25,2023/3/28,注意:活泼金属易腐蚀,不宜。K,Na,Ca硬金属电位不稳定,不宜。Fe,Ni常见电极:Ag-AgNO3,Zn-ZnSO4,Cu-CuSO4,例:将金
12、属银浸在AgN03溶液中构成的电极其电极反应为:25时电极电位为:应用测定银离子活度。沉淀或配合等反应而引起银离子活度变化的电位滴定。,Ag+e-Ag,26,2023/3/28,二、金属-金属难溶盐电极(第二类电极),构成:金属表面带有该金属难溶盐的涂层,浸在与其难溶盐有相同阴离子的溶液中。电极反应:电极电位(25):,MaLb+ne-aM+bL,应用:指示电极,但少,多为离子选择性电极代替。参比电极,易制作,电位稳定。注意:电位值随阴离子变,温度对其值有影响。常见电极:甘汞电极,Ag-AgCl电极,_,27,2023/3/28,三、汞电极(第三类电极),构成:金属汞(或汞齐丝)浸入含少量Hg
13、2+-EDTA络合物(约10-6 mol/L)及被测金属离子的溶液中。半电池组成:HgHgY2-,MY(n-4),Mn+电极反应:电极电位(25):,HgY2-+2e-Hg+Y4-,28,2023/3/28,电极电位(25):溶液中存在如下平衡而且 时,,+,29,2023/3/28,应用:EDTA滴定Mn+时作指示电极,指示滴定终点。注意:pH值:适用范围pH 2-11。pH11,生成HgO沉淀。pH2,HgY2-不稳定。,30,2023/3/28,四、惰性金属电极(零类电极),构成:由惰性材料(如铂、金或石墨炭)作成片状或棒状,浸入含有均相、可逆的同一元素的两种不同氧化态离子的溶液中。电极
14、反应:电极电位(25):,Ox+ne-Red,应用:指示电极,31,2023/3/28,例:,将铂片插入Fe3+和Fe2+的溶液中其电极反应为:25时电极电位为:,Fe3+e-Fe2+,注意:电极起传递电子的作用,本身不参与氧化还原反应。对于含有强还原剂,如Cr()、Ti()、V(v)的溶液,不能使用铂电极。因为铂表面能催化这些还原剂对H+的还原作用,以致界面电极电位不反映溶液的组成变化,这种情况下可用其他电极代替铂电极。,32,2023/3/28,上述指示电极属于金属基电极,它们的电极电位主要来源于电极表面的氧化还原反应。这些电极受溶液中氧化剂、还原剂等许多因素的影响,选择性不如离子选择性电
15、极高,使用时应当注意。目前指示电极中用得更多的是离子选择性电极。这类电极基本上属于膜电极。,小结:,33,2023/3/28,五、离子选择性电极(ISE)(薄膜电极)(ion selective electrode),根据IUPAC的推荐:“离子选择性电极是一类电化学传感器,它的电极电位与溶液中给定离子活度的对数值呈线性关系,这些装置不同于包含氧化还原反应体系”。离子选择性电极是通过电极上薄膜对特定离子有选择性的电位响应以测量或指示溶液中离子活度的电极。它与由氧化还原反应而产生电位的金属基电极有着本质的区别。电极上的薄膜并不给出或得到电子,而是选择性地让一些离子渗透,同时也包含着离子交换过程。
16、作指示电极。,34,2023/3/28,1.电极的基本构造,基本组成对特定离子有选择性响应的薄膜(敏感膜或传感膜)内参比电极内参比溶液导线、电极杆等敏感膜 电极的电化学活性元件,只选择性地对特定离子产生响应,它能将内充的内参比溶液与外部溶液分开,对电极的电位响应、选择性、检出限、稳定性等性能起着决定性的作用,是电极的关键部件。内参比电极 一般是Ag-AgCl电极。内参比溶液 有用于恒定内参比溶液电位的Cl-和能被敏感膜选择性响应的特定离子组成,浓度一定。,35,2023/3/28,2.膜电位,横跨敏感膜两侧溶液之间产生的电位。,膜电位产生的基本原理 溶液中的特定离子与电极敏感膜上的离子发生交换
17、作用,而敏感膜两侧面分别与两个浓度不同的电解质溶液接触,在两相界面上,由于离子在敏感膜上选择性地和强制性地扩散,两相界面附近电荷分布不均匀,形成双电层结构,产生相界电位。而在敏感膜内,两侧面存在的扩散电位,方向相反,大小相等,相互抵消,则膜电位为敏感膜两侧面的相界电位之差。,膜电位 在敏感膜表面产生的相界电位符合能斯特(Nernst)方程。,36,2023/3/28,敏感膜内外表面性质相同,则 k1k2,a外膜a内膜,若 a外液a内液,应得。但实际上存在一定的电位差 不对称电位。(源于膜内外表面状况不完全相同,但对于确定的电极为定值),内充液浓度一定,a内液为 定值。,综上:,3.离子选择性电
18、极的电位,离子选择性电极的定量依据,37,2023/3/28,4.离子选择性电极的主要类型,I.原电极(主体电极)(primary electrodes),非晶体(膜)电极(non-crystalline membrane electrodes),晶体(膜)电极(crystalline membrane electrodes),均相膜电极:如氟电极,非均相膜电极:如氯电极(AgCl+Ag2S),硬质电极玻璃电极,活动载体电极(正电荷电极,负电荷电 极,中性载体电极),II.敏化电极(sensitized electrodes),气敏电极:如 NH3电极,SO2电极(gas sensing el
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