库仑分析法-课件.ppt
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1、 本章讨论化学电池中有本章讨论化学电池中有较大电流流过的电化学较大电流流过的电化学分析法分析法,是属于建立在一般电解基础上的方法。,是属于建立在一般电解基础上的方法。按进行电解后所采用的计量方法的不同,可分为按进行电解后所采用的计量方法的不同,可分为:电解分析法电解分析法(electrolytic analysis)库仑分析法库仑分析法(coulometry)。电解:电解:是借助于外加电源的作用实现化学反应向是借助于外加电源的作用实现化学反应向着非自发方向进行的过程。加直流电压于电解池着非自发方向进行的过程。加直流电压于电解池的两个电极上,使溶液中有电流通过,物质在电的两个电极上,使溶液中有电
2、流通过,物质在电极上发生氧化还原反应而分解,就产生了电解。极上发生氧化还原反应而分解,就产生了电解。6.1 6.1 法拉第电解定律及库仑分析法概述法拉第电解定律及库仑分析法概述u电解分析法:电解分析法:将被测物质通过电解沉积于适当的电极上,并将被测物质通过电解沉积于适当的电极上,并通过称量电极增重的质量求出试样中金属含量的通过称量电极增重的质量求出试样中金属含量的分析方法。这也是一种重量分析法,所以又称为分析方法。这也是一种重量分析法,所以又称为电重量法(电重量法(electro-gravimetry)。它有时)。它有时也作为也作为一种分离的手段,方便地除去某些杂质。一种分离的手段,方便地除去
3、某些杂质。6.1 6.1 法拉第电解定律及库仑分析法概述法拉第电解定律及库仑分析法概述u库仑分析法库仑分析法:是根据电解过程中所消耗的电量,是根据电解过程中所消耗的电量,由法拉第定律来确定被测物质含量的方法。由法拉第定律来确定被测物质含量的方法。法拉第定律:法拉第定律:库仑分析法的定量依据。库仑分析法的定量依据。即:是指在电解过程中电极上所析出物质的量与通过电解即:是指在电解过程中电极上所析出物质的量与通过电解池的电量的计量关系。池的电量的计量关系。6.1 6.1 法拉第电解定律及库仑分析法概述法拉第电解定律及库仑分析法概述数学表达式为:数学表达式为:%库仑分析法的条件:库仑分析法的条件:不论
4、哪种库仑分析法,均要求在工作电极上除被测不论哪种库仑分析法,均要求在工作电极上除被测物质外,物质外,没有其他任何电极发生没有其他任何电极发生;且且电流效率必须是电流效率必须是100%采用控制电位库仑分析采用控制电位库仑分析法和恒电流库仑分析法。法和恒电流库仑分析法。1.1.电解装置电解装置电解电池:电解电池:正极正极(阳极阳极)负极负极(阴极阴极)一一.电解分析基础电解分析基础6.2 6.2 控制电位电解法控制电位电解法一一.电解分析基础电解分析基础6.2 6.2 控制电位电解法控制电位电解法2.2.电解过程电解过程(电解硫酸铜溶液电解硫酸铜溶液)当逐渐增加电压,达到一定值后,电解当逐渐增加电
5、压,达到一定值后,电解池中发生了如下反应:池中发生了如下反应:阴极反应:阴极反应:Cu2+2eCu 阳极反应:阳极反应:2H2OO2+4H+4e电池反应:电池反应:2Cu2+2H2O=2Cu+O2+4H+电池电动势为:电池电动势为:E=0.307-1.22=-0.91(V)外加电压为外加电压为0.91V时,阴极是否有铜析出时,阴极是否有铜析出?6.2 6.2 控制电位电解法控制电位电解法3.理论分解电压理论分解电压根据能斯特方程计算,使反应进行,需要提供的最小外加电压(D点)。4.实际分解电压(析出电位)实际开始发生电解反应时的电压,其值大于理论分解电压(D点)。5.产生差别的原因产生差别的原
6、因E外外=(E阳阳+阳阳)-(E阴阴+阴阴)+iR 超电位(超电位()、)、电解回路的电压降(电解回路的电压降(iR)的存在的存在。则外加电则外加电压应为:压应为:6.2 6.2 控制电位电解法控制电位电解法 分解电压分解电压:使某电解质溶液能够连续发生电解时所必需的最:使某电解质溶液能够连续发生电解时所必需的最小外加电压,称为该电解质溶液的分解电压,即理论分解电小外加电压,称为该电解质溶液的分解电压,即理论分解电压,它等于原电池的电动势。压,它等于原电池的电动势。外加电压继续增大,电流达到外加电压继续增大,电流达到一极限值,称为一极限值,称为极限电流极限电流。分解电压包括理论分解电压、超电压
7、和电解回路的电压降三分解电压包括理论分解电压、超电压和电解回路的电压降三部分。部分。极化极化:电解时,电流流过电极使电极电位偏离可逆电极电位:电解时,电流流过电极使电极电位偏离可逆电极电位的现象。的现象。超电位超电位:某一电流密度下的电极电位与可逆电极电位的差值:某一电流密度下的电极电位与可逆电极电位的差值称为超电位(或称过电位)。超电位的大小表明了电极的极称为超电位(或称过电位)。超电位的大小表明了电极的极化程度的大小。化程度的大小。析出电位析出电位:为了使某种离子在电极上发生氧化或还原反应,:为了使某种离子在电极上发生氧化或还原反应,而在阳极或阴极上施加的最小电位称为析出电位。而在阳极或阴
8、极上施加的最小电位称为析出电位。几个概念和术语:几个概念和术语:6.2 6.2 控制电位电解法控制电位电解法(controlled potential electrolysis)u定义:在控制阴极电位或阳极电位为一定值的条件定义:在控制阴极电位或阳极电位为一定值的条件下进行电解的方法。下进行电解的方法。u目的目的:依据电解池阴极上的金属离子有不同分解电:依据电解池阴极上的金属离子有不同分解电压,为使它们分离及能测定目标物质组分,从而控压,为使它们分离及能测定目标物质组分,从而控制电极电位。制电极电位。操作:操作:在电解过程中,阴极电位用电位计或电子毫伏计在电解过程中,阴极电位用电位计或电子毫伏
9、计准确测量,并通过变阻器来调节电解池的电压,使准确测量,并通过变阻器来调节电解池的电压,使阴极电位保持在特定的数值或一定的范围。阴极电位保持在特定的数值或一定的范围。n试样溶液中含有两种以上的金属离子;试样溶液中含有两种以上的金属离子;n两种金属离子间的还原电位差足够大;两种金属离子间的还原电位差足够大;n实现对电极电位的控制;实现对电极电位的控制;实施:引入参比电极(如甘汞电极),通过机械式的自动实施:引入参比电极(如甘汞电极),通过机械式的自动阴极电位电解装置或电子控制的电位电解仪,将阴极电位阴极电位电解装置或电子控制的电位电解仪,将阴极电位控制在设定的数值。控制在设定的数值。n将工作电极
10、的电位控制在某一个数值或某一个小范围内,将工作电极的电位控制在某一个数值或某一个小范围内,只使被测金属析出,而其他金属离子留在溶液中,达到分只使被测金属析出,而其他金属离子留在溶液中,达到分离该金属的目的;离该金属的目的;n通过称量电沉积物,求得该试样中被测金属物质的含量。通过称量电沉积物,求得该试样中被测金属物质的含量。控制电位电解分析法的条件:控制电位电解分析法的条件:6.2 6.2 控制电位电解法控制电位电解法 在电解过程中,开始电解电流较大,随着待测离子在在电解过程中,开始电解电流较大,随着待测离子在阴极析出,其浓度逐渐降低,电解电流也随之减小,阴极析出,其浓度逐渐降低,电解电流也随之
11、减小,当电流趋于零时,电解完成。当电流趋于零时,电解完成。图图 控制阴极电位与析出电位的关系控制阴极电位与析出电位的关系6.2 6.2 控制电位电解法控制电位电解法例:如以铂为电极,电解液为例:如以铂为电极,电解液为0.1mol/L的的H2SO4,含有,含有0.0100mol/L的的Ag+和和2.00mol/L的的Cu2+,问能否通过控,问能否通过控制外加电压方法使二者分别电解而不相制外加电压方法使二者分别电解而不相互干扰。互干扰。a)各离子在阴极的析出电位各离子在阴极的析出电位铜开始析出的电位为:铜开始析出的电位为:银开始析出的电位为:银开始析出的电位为:因为因为,故银先于铜析出。故银先于铜
12、析出。b)Ag完全析出时的外加电压:完全析出时的外加电压:设设Ag2+“完全完全”析出时溶液中析出时溶液中Ag2+的浓度为的浓度为10-6mol/L,则,则Ag的阴极电位为:的阴极电位为:O2的阳极电位为:的阳极电位为:因此,因此,Ag完全析出时的外加电压:完全析出时的外加电压:c)Cu开始析出时的外加电压:开始析出时的外加电压:可见在可见在Ag完全析出时的电压并未达到完全析出时的电压并未达到Cu析出时的电压。析出时的电压。续前续前 实际应用:实际应用:对电极电位的控制,在电解池中引入对电极电位的控制,在电解池中引入参比电极,如甘汞电极,可以通过机械式的自动参比电极,如甘汞电极,可以通过机械式
13、的自动阴极电位电解装置或电子控制的电位电解仪,将阴极电位电解装置或电子控制的电位电解仪,将阴极电位控制在设定的数值。阴极电位控制在设定的数值。1.1.定义定义:根据电解过程中所消耗的电量,由法拉根据电解过程中所消耗的电量,由法拉第定律来确定被测物质含量的方法。第定律来确定被测物质含量的方法。2.2.与电解分析法的相同点:与电解分析法的相同点:分析原理相似,都用电解反应进行分析;分析原理相似,都用电解反应进行分析;也具有很高的准确度;也具有很高的准确度;在分析工作中无须应用基准物质和标准物质在分析工作中无须应用基准物质和标准物质3.3.与电解分析法的不同点:与电解分析法的不同点:操作较简单;操作
14、较简单;库仑分析法适用于微量组分的测定。库仑分析法适用于微量组分的测定。一一.库仑分析法库仑分析法6.3 6.3 控制电位库仑分析法控制电位库仑分析法4.4.库仑分析法的定量依据:库仑分析法的定量依据:5.库仑分析法的条件:库仑分析法的条件:工作电极上除被测物质外,没有其他任何电极发生;工作电极上除被测物质外,没有其他任何电极发生;且电流效率必须是且电流效率必须是100%6.6.库仑分析法分类:库仑分析法分类:恒电位库仑分析恒电位库仑分析 恒电流库仑滴定恒电流库仑滴定6.3 6.3 控制电位库仑分析法控制电位库仑分析法原理:原理:根据进行电解反应时通过电解池的电量根据进行电解反应时通过电解池的
15、电量来分析的来分析的装置:装置:串联库仑计(串联库仑计(能精确测量电量能精确测量电量)条件:条件:100%电流效率电流效率电解时控制工作电极的电位保持恒定值电解时控制工作电极的电位保持恒定值。测量:测量:当当I0时,电解完全,电量大小用库仑计时,电解完全,电量大小用库仑计可精确测量;可精确测量;可由法拉第定律计算出该物质的含量。可由法拉第定律计算出该物质的含量。二二.恒电位库仑分析:恒电位库仑分析:6.3 6.3 控制电位库仑分析法控制电位库仑分析法三三.控制电位库仑分析法的应用:控制电位库仑分析法的应用:6.3 6.3 控制电位库仑分析法控制电位库仑分析法可测定金属和非金属可测定金属和非金属
16、例如:例如:Pt和和Cd共存时,测定共存时,测定Cd;Ni和和Co共存时,测定共存时,测定Ni;可测定某些电极反应,特别是有机化合物电极反可测定某些电极反应,特别是有机化合物电极反应的应的n值。值。1.电化学库仑计:从电极上产生的化学物质的量换算成通过电化学库仑计:从电极上产生的化学物质的量换算成通过电解池的总电量。常分为银库仑计和氢氧库仑计。电解池的总电量。常分为银库仑计和氢氧库仑计。()银库仑计银库仑计:电极组成:电极组成:银棒为阳极,铂坩埚为阴极。银棒为阳极,铂坩埚为阴极。电解液:电解液:AgNOAgNO3 3溶液,两极间用一瓷筒隔开。溶液,两极间用一瓷筒隔开。过程:过程:电流通过电解池
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