9.极谱分析法.ppt
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1、 第第9 9章章 伏安分析法伏安分析法(Voltammetry)9-1 伏安分析法的基本原理伏安分析法的基本原理一、伏安分析的历史与发展一、伏安分析的历史与发展 以以待待测测物物质质溶溶液液、工工作作电电极极、参参比比电电极极构构成成一一个个电电解解池池,通通过过测测定定电电解解过过程程中中电电压压-电电流流参参量量的的变变化化来来进进行行定定量量、定定性性分分析析的的电电化化学学分分析析方方法法称为伏安法。称为伏安法。极极谱谱法法:使使用用滴滴汞汞电电极极或或其其它它表表面面能能够够周周期期性性 更新的更新的液体电极液体电极为工作电极,称为为工作电极,称为极谱法极谱法。伏伏安安法法:使使用用
2、表表面面静静止止的的液液体体或或固固体体电电极极为为工作电极工作电极,称为,称为伏安法伏安法。1922 年年 捷克科学家捷克科学家 海洛夫斯基海洛夫斯基 J.Heyrovsky 创立极谱法,创立极谱法,1959年获年获Nobel奖奖 1934 年年 尤考维奇尤考维奇 Ilkovic,提出扩散电流理提出扩散电流理 论,从理论上定量解释了伏安曲线。论,从理论上定量解释了伏安曲线。20世世纪纪40年年代代以以来来 提提出出了了各各种种特特殊殊的的伏伏安安技技术术。主主要要有有:交交流流极极谱谱法法(1944年年)、方方波波极极谱谱法法(1952年年)、脉冲极谱法(、脉冲极谱法(1958年)、卷积伏安
3、法(年)、卷积伏安法(1970年)年)20世世纪纪40年年代代以以来来 主主要要采采用用特特殊殊材材料料制制备备的的固固体体电电极极进进行行伏伏安安分分析析。包包括括微微电电极极、超超微微阵阵列列电电极极、化化学学修修饰饰电电极极、纳纳米米电电极极、金金刚刚石石电电极极、生生物物酶酶电电极极、旋旋转转圆圆盘盘电电极极等等,结结合合各各种种伏伏安安技技术术进进行行微微量量分分析析、生生化化物物质质分析、活体分析。分析、活体分析。当外加电压达到镉离子的电解当外加电压达到镉离子的电解还原电压时,电解池内会发生还原电压时,电解池内会发生如下的氧化还原反应。如下的氧化还原反应。阴极还原反应阴极还原反应:
4、Cd2+2e Cd阳极氧化反应阳极氧化反应:2OH-2e H2O+1/2 O2(Cd2+)二、电解池的伏安行为二、电解池的伏安行为 三、电极表面的传质过程三、电极表面的传质过程电极表面存在电极表面存在三种传质过程三种传质过程1.扩散扩散2.电迁移电迁移3.对流对流若若电电解解采采用用微微铂铂电电极极为为工工作作电电极极、且且溶溶液液不不充充分分搅搅拌拌时时,会会促促使使耗耗竭竭区区提提前前出出现现。这这种种现现象象称极化现象。称极化现象。浓浓差差极极化化:由由于于电电解解过过程程中中电电极极表表面面离离子子浓浓度度与与溶溶液液本本体体浓浓度度不不同同而而使使电电极极电电位位偏偏离离平平衡衡电电
5、位的现象。位的现象。电电化化学学极极化化:因因电电化化学学反反应应本本身身的的迟迟缓缓而而造造成成电电极极电电位位偏偏离离可可逆逆平平衡衡电电位位的的现现象象称称为为电电化化学学极化。极化。注注意意:由由于于电电解解过过程程中中电电极极表表面面的的浓浓差差极极化化是是不不可可避避免免的的现现象象,外外加加电电压压要要严严格格控控制制工工作作电电极极上上的的电电位位大大小小就就要要求求另另一一支支电电极极为为稳稳定定电电位位的的参参比比电电极极,实实际际上上由由于于电电解解池池的的电电流流很很大大,一一般般不不易易找找到到这这种种参参比比电电极极,故故只只能能再再加加一一支支辅辅助助电电极极组组
6、成成三三电电极系统极系统来进行伏安分析。来进行伏安分析。四、滴汞电极上的电解行为四、滴汞电极上的电解行为(活塞)(螺线管)(金属垫圈)(聚氨酯)0.05 0.5mm diameter(iii)Easy to remove diffusion layer on mercury drop surface when the drop fallsHg microelectrodes 极极谱谱分分析析是是一一种种在在特特殊殊条条件件下下进进行行的的电电解解过程。特殊性表现在两个方面:过程。特殊性表现在两个方面:n n(1 1)电电电电极极极极的的的的特特特特殊殊殊殊性性性性:极极极极谱谱谱谱分分分分析析
7、析析采采采采用用用用一一一一个个个个通通通通常常常常是是是是面面面面积积积积很很很很小小小小的的的的滴滴滴滴汞汞汞汞电电电电极极极极,是是是是一一一一个个个个完完完完全全全全的的的的极极极极化化化化电电电电极极极极;另另另另一一一一个个个个通通通通常常常常是是是是一一一一个个个个完完完完全全全全的的的的非非非非极极极极化化化化电电电电极极极极,电电电电极极极极电电电电位位位位稳稳稳稳定不变。定不变。定不变。定不变。n n(2 2)电电电电解解解解条条条条件件件件的的的的特特特特殊殊殊殊性性性性:极极极极谱谱谱谱分分分分析析析析是是是是溶溶溶溶液液液液保保保保持持持持静静静静止止止止的的的的条条
8、条条件件件件下下下下进进进进行行行行电电电电解解解解的的的的,并并并并且且且且使使使使用用用用了了了了大大大大量量量量的的的的支支支支持持持持电电电电解解解解质质质质;极极极极谱谱谱谱分分分分析析析析是是是是在在在在逐逐逐逐渐渐渐渐增增增增加加加加外外外外加加加加电电电电压压压压的的的的条条条条件件件件下下下下进进进进行行行行的的的的,测测测测量量量量的的的的是是是是电电电电解解解解过过过过程程程程中中中中电电电电压压压压电电电电流流流流关关关关系系系系曲曲曲曲线线线线,极极极极谱谱谱谱分分分分析析析析时时时时,通通通通过过过过电电电电解解解解池池池池的的的的电电电电流流流流很很很很小小小小,
9、适合微量成分的分析适合微量成分的分析适合微量成分的分析适合微量成分的分析.n n当当调调节节分分压压电电阻阻(R)上上的的触触点点自自右右向向左左逐逐渐渐和和均均匀匀移移动动时时,施施加加给给两两极极上上的的电电压压逐逐渐渐增增大大。在在此此过过程程中中触触点点的的每每一一个个位位置置都都可可以以从从检检流流计计A和和电电压压表表V上上测测得得相相应应的的电电流流和和电电压压值值。从从而而可可绘绘制制成成电电压压电电流流曲曲线线,即即极极化化曲曲线线,此此曲曲线线呈呈阶阶梯梯状状,通通常常称称为为极极谱谱波波。最最后后可可根根据据极极谱谱波波对对被被测测物物质进行定性和定量分析。质进行定性和定
10、量分析。n n起起起起初初初初的的的的平平平平坦坦坦坦部部部部分分分分是是是是指指指指外外外外加加加加电电电电压压压压还还还还未未未未达达达达到到到到MM+分分分分解解解解电电电电压压压压,即即即即滴滴滴滴汞汞汞汞电电电电极极极极上上上上还还还还没没没没有有有有被被被被还还还还原原原原的的的的情情情情况况况况,此此此此时时时时应应应应该该该该没没没没有有有有电电电电流流流流通通通通过过过过电电电电解解解解池池池池,但但但但实实实实际际际际上上上上仍仍仍仍有有有有极极极极微微微微小小小小的的的的电电电电流流流流通通通通过过过过,此此此此电电电电流流流流称称称称为为为为残残残残余余余余电电电电流流
11、流流。当当当当外外外外加加加加电电电电压压压压到到到到达达达达MM+的的的的分分分分解解解解电电电电压压压压时时时时,开开开开始始始始在在在在滴滴滴滴汞汞汞汞电电电电极极极极上迅速反应。上迅速反应。上迅速反应。上迅速反应。n n电电电电解解解解开开开开始始始始后后后后,随随随随着着着着外外外外加加加加电电电电压压压压的的的的继继继继续续续续增增增增大大大大,电电电电流流流流急急急急剧剧剧剧上上上上升升升升,最最最最后后后后当当当当外外外外加加加加电电电电压压压压增增增增加加加加到到到到一一一一定定定定数数数数值值值值时时时时,电电电电流流流流不不不不再再再再增增增增加加加加,达达达达到到到到一
12、一一一个个个个极极极极限限限限值值值值,达达达达到到到到扩扩扩扩散散散散平平平平衡衡衡衡,极极极极谱谱谱谱波波波波出出出出现现现现一一一一个个个个平平平平台台台台段段段段。此此此此时时时时的的的的电电电电流流流流称称称称为为为为极极极极限限限限电电电电流流流流。极极极极限限限限电电电电流流流流与与与与残残残残余余余余电电电电流流流流之之之之差差差差,称称称称为为为为极极极极限限限限扩扩扩扩散散散散电电电电流流流流,也也也也叫叫叫叫扩扩扩扩散散散散电电电电流流流流,也也也也称称称称为为为为波波波波高高高高,以以以以i id d表表表表示示示示。波波波波高高高高i id d与与与与电电电电解解解解
13、液液液液中中中中MM+的的的的浓浓浓浓度度度度成成成成正正正正比比比比,是是是是极极极极谱谱谱谱定定定定量量量量分分分分析析析析的的的的基基基基础础础础。当当当当电电电电流流流流为为为为极极极极限限限限扩扩扩扩散散散散电电电电流流流流一一一一半半半半时时时时的的的的滴滴滴滴汞汞汞汞电电电电极极极极电电电电位位位位,称称称称为为为为半波电位,以半波电位,以半波电位,以半波电位,以E E1/21/2表示,是极谱定性分析的基础。表示,是极谱定性分析的基础。表示,是极谱定性分析的基础。表示,是极谱定性分析的基础。极极谱谱波波可可以以用用I 外外曲曲线线表表示示,也也可可以以用用i Ede曲曲线线来来表
14、表示示,从从下下面面的的讨讨论论可可以以看看出出,二二者者是是基本重合的。基本重合的。V=(ESCE -Ede)+i R R are very little in polarographic electrolysisV=ESCE Ede =Ede(vs.SCE)极极限限扩扩散散电电流流Id与与浓浓度度成成正正比比定定量量分分析析的的基础;基础;半波电位半波电位E1/2与浓度无关与浓度无关定性分析定性分析的基础。的基础。9-2 扩散电流方程式定量分析公式一、电极上的浓度扩散行为在汞电极上金属离子还原后常形成汞齐。在汞电极上金属离子还原后常形成汞齐。M n+ne-+Hg M(HgM(Hg)Ede=
15、Eo +lnRTnFCeCa假定滴汞电极上电解过程主要由扩散过程为主时假定滴汞电极上电解过程主要由扩散过程为主时i=K(C e本体本体C e表面表面)达到极限扩散电流时又有:达到极限扩散电流时又有:Id=K C 本体本体Diffusion layerBulk solutionElectrode Diffusion layerBulk solutionElectrode d滴汞电极上的扩滴汞电极上的扩散层和浓差极化散层和浓差极化n n在扩散层内,电极表面M+浓度c0取决于电极电位;扩散层外,M+浓度与溶液本体的浓度c相等;在扩散层中,从电极表面往外M+浓度从小到大,形成浓度梯度。扩散电流的大小取
16、决于的扩散电流的大小取决于的MM+的扩散速度,而的扩散速度,而MM+扩扩散速度取决于扩散层中的浓度梯度(散速度取决于扩散层中的浓度梯度(c c-c c0 0)与扩散)与扩散层厚度之比,即层厚度之比,即 式中,式中,为有效扩散层厚度。也可表示为为有效扩散层厚度。也可表示为 当当外外加加电电压压继继续续增增加加,电电极极表表面面溶溶液液中中的的MM+浓浓度度将将变变得得更更小小,扩扩散散电电流流更更大大。最最后后,当当滴滴汞汞电电极极电电位位负负到到一一定定程程度度时时,可可以以认认为为电电极极表表面面溶溶液液中中的的MM+浓浓度度c c0 0趋趋近近于于零零,扩扩散散电电流流达达到到最最大大值值
17、,即即极限扩散电流的数值,此时极限扩散电流的数值,此时 尤考维奇方程:尤考维奇方程:Ilkovic equation-diffusion current equationK=607 n D1/2 m2/3 t1/6id=607n D1/2 m2/3 t1/6 C滴汞电极滴汞电极上的平均上的平均扩散电流扩散电流(m mA)汞液流速汞液流速(mg.sec-1)电活性分析物电活性分析物质浓度质浓度(mmol.L-1)滴汞滴汞周期周期(sec)溶液中分溶液中分析物的扩析物的扩散系数散系数(cm2.sec-1)电子转移数电子转移数 二、影响扩散电流测定的主要因素二、影响扩散电流测定的主要因素1、影响扩散
18、系数的因素:如离子淌度、离子强度、溶液粘度离子淌度、离子强度、溶液粘度 介电常数、温度介电常数、温度等。2、影响滴汞速度影响滴汞速度m与滴汞周期与滴汞周期t的因素:的因素:如汞柱高度、毛细管粗细、极大现象汞柱高度、毛细管粗细、极大现象等。3、溶液中共存物质对电解电流的影响:溶液中共存物质对电解电流的影响:如氧波、氧波、氢波、氢波、迁移电流、残余电流迁移电流、残余电流等。滴汞电极的特点:滴汞电极的特点:(1 1)在在在在极极极极谱谱谱谱分分分分析析析析中中中中,汞汞汞汞滴滴滴滴不不不不断断断断滴滴滴滴落落落落,使使使使电电电电极极极极表表表表面面面面不不不不断断断断更更更更新新新新,重重重重复复
19、复复性性性性好好好好。当当当当然然然然,汞汞汞汞滴滴滴滴面面面面积积积积的的的的变变变变化化化化会会会会使使使使电电电电流流流流呈呈呈呈快快快快速速速速锯锯锯锯齿齿齿齿性性性性变化。变化。变化。变化。(2 2)氢氢氢氢在在在在汞汞汞汞上上上上的的的的过过过过电电电电位位位位较较较较大大大大,一一一一般般般般当当当当滴滴滴滴汞汞汞汞电电电电极极极极电电电电位位位位达达达达到到到到1.3V 1.3V(vs.SCEvs.SCE)时时时时,氢氢氢氢离离离离子子子子还还还还不不不不会会会会放放放放电电电电,这这这这使使使使得得得得极极极极谱谱谱谱分分分分析可以在酸性溶液中测定的金属离子范围大大扩展。析可
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- 谱分析
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