仪器分析伏安与极谱.ppt
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1、第九章 伏安与极谱分析法(Voltammetry and Polarography),9.1 极谱分析与极谱图9.2 极谱定量分析基础9.3 定性分析原理极谱波方程9.4 极谱分析与实验技术9.5 极谱和伏安法的发展,伏安法:由所测得的电流一电压特性曲线来进行定性和定量分析的方法,与极谱法研究对象同。极谱法与伏安法共同点:工作电极:小面积、易极化的电极.参比电极:大面积、不易极化的电极.研究对象:电解被分析物质的稀溶液极谱法与伏安法区别在于工作电极:伏安法的工作电极是电解过程中表面不能更新的固定液态或固态电极,如悬汞、汞膜、玻璃碳等极谱法的工作电极是表面能周期性更新的液态电极,即滴汞电极。,极
2、谱法特殊之处:,特殊的电极电解池用一支小面积的极化电极作为工作电极,一支大面积的去极化电极作为参比电极(一大一小电极)。,特殊的电解条件稀浓度、小电流、静止。,极化与去极化电极极化电极:一定大小的电流密度流过时,偏离平衡电位值很大电极。去极化电极:偏离很小或不偏离的电极伏安法-电位分析-电解分析区别:,伏安法与其它分析方法区别,9.1极谱分析与极谱图一、极谱分析基本装置三个基本组成部分分压器:提供可变的外加直流电压电流测量装置:包括分流器,灵敏电流计电解池:极谱法装置的特点明显反映在电极上,阳极(参比电极):大面积的SCE(饱和甘汞电极)电极-电极不随外加电压变化阴极(工作电极):汞在毛细管中
3、周期性长大(3-5s)汞滴(滴汞电极DME),小面积的极化工作电极。电位完全随时外加电压变化,即,电流很小,iR可忽略;参比电极c恒定,故滴汞电极w随U外变化而变化因此调节E外,可以使不同电位离子析出,二、极谱曲线极谱图(Polarogram)例如:当以100-200mV/min的滴汞速率对盛有104mol/L的Cd2+溶液施加电压时,记录电压V对电i的变化曲线。(1)(2)段:未达分解电压E分,微小电流残余电流或背景电流。,(2)(3)段:V分继续增加,达到Cd2+的分解电压,电流略有上升滴汞阴极:Cd2+2e+Hg Cd(Hg)甘汞阳极:2Hg+2Cl-2e Hg2Cl2滴汞电极电位:其中
4、Cscd2+为Cd2+在滴汞表面的浓度。,(3)(4)段:继续增加电压,或DME更负,电解电流急剧增加.此时Cs将减小,而溶液本体的Cd2+来不及到达滴汞表面,产生所“浓差极化”。电解电流I与离子扩散速率成正比,即与浓度差(C-Cs)成正比与扩散层厚度成反比,,(4)(5)段:外加电压继续增加,Cs趋近于0,(C-Cs)趋近于C时,这时电流的大小完全受溶液浓度C来控制极限电流id,即:这就是极谱分析的定量分析基础。,极限扩散电流:极限电流减去残余电流为极限扩散电流。极限扩散电流Id与试液浓度成正比定量分析的基础;半波电位:与极限扩散电流一半处相对应的滴汞电极的电位。半波电位1/2与浓度无关定性
5、分析的基础。,从极谱波的形成,可以看出极谱波的产生是由于工作电极的浓差极化而引起,所以iE曲线也叫极化曲线,极谱法也由此而得名。,要产生完全浓差极化,必要的条件是:(1)工作电极的表面积要足够小,这样电流密度才会大,Cs才易于趋于零;(2)被测物质浓度要稀,才易于使Cs0;(3)溶液要静止,才能在电极周围建立稳定的扩散层。,9.2极谱定量分析基础根据Fick第一、第二定律,最大扩散电流(A)平均电流Ilkovic公式-平均极限扩散电流A Z-电子转移数D-扩散系数cm2/s m-汞滴流量g/s;t-汞滴落下周期时间s C-特测物浓度mmol/l.,为什么极谱曲线呈锯齿形?据Ilkovic公式,
6、扩散电流随时间t1/6增加,是扩散层厚度相、滴汞面积随时间变化的总结果。在每一滴汞生长最初时刻电流迅速增加,随后变慢,汞滴下落时电流下降,即汞滴周期性下滴使扩散电流发生周期性变化,极谱波呈锯齿形。,二、影响扩散电流的因素a)溶液组份的影响组份不同,溶液粘度不同,因而扩散系数D不同。分析时应使标准液与待测液组份基本一致。b)毛细管特性m2/3t1/6的影响(汞滴流速m,滴汞周期t)设汞柱高为h,因m=kh,t=k1/h.m2/3t1/6=kh1/2,即与h1/2成正比。因此,实验中汞柱高度必须一致。该条件常用于验证极谱波是否为扩散波。每增加1cm高度,电流增加2。,c)温度影响除z外,温度影响公
7、式中的各项,尤其是扩散系数D。室温下,温度每增加1,扩散电流增加约1.3%,故控温精度须在0.5。思考:从平均极限扩散电流公式,可在实验中测定溶液的一些什么特性?,I=607zD1/2扩散电流常数I,除了z外,只与D有关。I可以用以判断测定方法的重现性。,三、干扰电流极其消除除用于测定扩散电流外,极谱电流还包括:残余电流;迁移电流;极谱极大;氧波。这些电流通常干扰测定,应设法扣除!,残余电流(Residual current):产生:当外加电压未达分解电压时所观察到的微小电流。电解电流:由存在于滴汞上的易还原的微量杂质如水中微量铜、溶液中未除尽的氧等引起。电容电流:是残余电流的主要部分。是由于
8、滴汞的不断生长和落下引起的。滴汞面积变化双电层变化电容变化充电电流,它大小为107A,相当于105mol/l物质产生扩散电流。扣除:通过作图法和空白试验从极限扩散电流中扣除。采用新的极谱技术,如方波极谱、脉冲极谱等,可减少充电电流的干扰。,2迁移电流(Migration current)产生:由于电极对待测离子的静电引力导致更多离子移向电极表面还原而产生的电流。它不是因为由于浓度陡度引起的扩散,与待测物浓度无定量关系,故应设法消除。消除:通常是加入支持电解质(或称惰性电解质)类似于缓冲液。,迁移电流消除具体原理:是在溶液中加入大量(其浓度为待测离子的50100倍)的非电活性物质。由于待测离子的
9、浓度很小,而电场力对相同符号的不同离子的作用力是没有选择性的,所以电极的电场力对待测离子的作用力大大降低。,3极谱极大(Maximum current)产生:当外加电压达到待测物分解电压后,在极谱曲线上出现的比极限扩散电流大得多的不正常的电流峰,称为极谱极大。其与待测物浓度没有直接关系,主要影响扩散电流和半波电位的准确测定。原因:汞滴表面各处电位不均匀消除:加入可使表面张力均匀化的极大抑制剂,通常是一些表面活性物质如明胶,PVA、Triton-X-100等。,4氧波(Oxygen waves)产生:氧波半波电位处于极谱分析区间(0-1.2V),会重叠在被测物的极谱波上,应消除。消除:a)通惰性
10、气体如H2、N2、CO2(仅适酸液);b)在中性或碱性条件下加入Na2CO3,还原O2;c)在强酸性溶液中加入Na2CO3,放出大量CO2以除去O2;或加入还原剂如铁粉,使与酸作用生成H2,而除去O2;d)在弱酸性溶液中加入抗坏血酸,在中性或碱性条件加亚硫酸钠。,9.3 定性分析原理极谱波方程尤考维奇公式反应了极限极谱电流与浓度之间的定量关系式,极谱波方程就是描述极谱电流与滴汞电极电位之间关系的数学表达式。,一、极谱波分类据电极过程分类:可逆波、不可逆波、动力波和吸附波据电极反应类型:还原波和氧化波据反应物类型:简单离子、配合物离子和有机物极谱波二、电极反应步骤传质前转化电化学反应后转化新相的
11、生成,可逆波:电流只受扩散控制不可逆波:电流受扩散速度和电极反应速度控制波形区别:由于反应慢,电极上需有足够大电位变化时,才有明显电流通过,因而不可逆波形倾斜;Note:当电极电位更负时,有明显电流通过,形成浓差极化,不可逆波CD段亦可用作定量分析。,还原波(阴极波)(电流为正)氧化波(阳极波)(电流为负)。对可逆波,还原波和氧化波的半波电位相等。,还原波,氧化波,三、极谱波方程(推导过程从略P53)1简单金属离子可逆极谱波方程若滴汞电极上发生还原反应:若滴汞电极上发生氧化反应:若溶液中存在两种离子,其氧化态和还原态电位相近,则可得到阴阳混合极谱波。以最后一项中的对数值对电位作图可得一直线。从
12、直线斜率可求电子转移数z;从截距可求与浓度无关的半波电位。,ic=0.5id,=常数,9.4极谱分析与实验技术一、定量方法已知id=Kc为极谱定量分析依据。实际工作中是量度极谱波相对波高或峰高,来代替测量id。1、波高测量:峰高测量采用三切线法,即分别通过残余电流、极限电流和完全扩散电流作三直线,然后测量所形成的两个交点间的垂直距离,如图所示。,2校正曲线法(标准曲线法)配制一系列标液,分别作极谱图,得到h,作h-C的标准曲线,查找hx对应的Cx。分析大量同一类的试样时,采用校正曲线法较为方便。为了减少测量溶液组分对测量的影响(基本效应),标准系列溶液的组成应尽可能与试样溶液相近。,3标准加入
13、法当分析个别试样时,常采用标准加入法。(1)单次标准加入合并两式,消去K,可得Cx,(2)取两个同体积V的容量,分别加入同样量的试样Vx(Cx),而其一容量瓶再加入Vs(Cs),分别测两瓶溶液的波高Hx,Hx+s,则得,与单次加入法同,只是体积都定容到V,(3)系列标准加入取一系列体积相同为V的容量瓶(45个),分别加入同样量的试液Vx(Cx),再分别加入不同量的标准溶液Vs(Cs),分别测其波高Hx+s,作Hx+sVs曲线。由于,Hx+s与Vs成线性关系。如图所示,延长直线交于横坐标(负值),则,二、实验技术1除氧方法(见前述)2底液的选择除残余电流ir可通过作图法扣除外,其它干扰电流还需在
14、测量液中加入适当试剂。支持电解质:HCl、H2SO4,NaAc-Hac,NH3-NH4Cl,NaOH,KCl(消除迁移电流)极谱极大抑制剂:动物胶,PVC,Triton X-100;除氧剂:中性或碱性中加Na2SO3,微酸性液中加抗坏血酸,把氧气还原。pH值:控制酸度的缓冲液;其它试剂:加配合剂来改变离子半波电位消除干扰,以上加入各种试剂后的溶液称为“底液”。思考:何为伏安分析中的底液?支持电解质、极大抑制剂、除氧剂及络合剂、缓冲剂等,总称为极谱“底液”。,3测量温度及汞柱高度控制4汞的使用a)汞的纯化:氧化法:将空气通入汞内(14hrs),直到汞液面无黑色氧化物为止,用分液漏斗分离。洗涤法:
15、从漏斗(下端为插入洗涤液中的毛细管)向80cm x 40cm的洗涤管中(下端为接U形细管,洗涤管内充5%HNO3或5Hg(NO3)2加入待洗汞。重复洗涤2-3次。蒸馏法:将汞洗净,放入真空蒸馏器进行减压蒸馏,可得高纯度汞。电解法:可得高纯度汞。,b)防止汞中毒通风良好、对撒落的汞应及时清理(用刷子或汞镊仔细收集并放于水中,防止与空气接触;对不能清理的要撒上硫磺粉或用三氯化铁清洗)。经典直流极谱局限性:1)经典极谱法既费汞又费时间;2)分辨率差;3)灵敏度低;4)iR降:使用两电极体系,当溶液iR降增加时,会造成半波电位位移以及波形变差。因此,在现代极谱法中,常采用三电极系统。,1)用汞量及时间
16、:经典极谱获得一个极谱图需汞数百滴,而且施加的电压速度缓慢,约200mV/min。在一滴汞的寿命期间,滴汞电极电位可视为不变,因此经典极谱也称恒电位极谱法。2)分辨率:经典直流极谱波呈台阶形,当两物质电位差小于200mV时两峰重叠,使峰高或半峰宽无法测量,因此分辨率差;3)灵敏度:经典极谱的充电电流大小与由浓度为10-5M的物质(亦可称为极剂)产生的电解电流相当,因此灵敏度低。设法减小充电电流,增加信噪比是提高灵敏度的重要途径;,克服IR降三电极系统及装置极谱图极谱电流I与滴汞电位的关系曲线理论上,前面讨论的双电极系统中,勿略了iR降。实际工作中,当回路电流较大或内阻较高时此时参比电极也发生极
17、化,并产生iR降。此时测得的是i-V曲线,而不是I-曲线!此时半波电位负移,总电解电流减少且极谱波变形。克服参比电极iR降:使用三电极系统,三电极系统及装置:(思考:三电极系统的作用?)W:Worker(DME)C:Counter(Pt)R:Reference(SCE)极谱电流I:从WC回路中测得工作电极电位:可由高阻抗WR回路中获得(因阻抗高,因而此回路无明显电流通过),并通过反馈控制电位的目的。,a)指示电极和工作电极反映离子浓度、发生所需电化学反应的电极。指示电极主体浓度不发生可觉察的变化 工作电极有较大电流通过,主体浓度发生显著变化。b)参比电极:电极电位恒定不变。c)辅助电极:作为电
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