武汉大学分析化学下册考研课件-电分析.ppt

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pAx=pAs+
n(Ex-Es) 0.059
校正曲线法 标准加入法
16.3 电位滴定法
基本原理
滴定终点确定
例题
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Ca(NO3)2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Ca2+的浓度? 解:由标准加入法计算公式
常数K´包括: 外参比电极电位 内参比电极电位 液接电位等
EHg2Cl2/Hg ( EAgCl/Ag E膜 ) E液接
2.303RT
EHg2Cl2/Hg EAgCl/Ag K
F
lg aH EL
E K 2.303RT pH F
25 C : E K 0.059pH
pH的实用定义(比较法来确定待测溶液的pH)
膜电位:膜内外被测离子活度的不同而产生电位差 E膜= RT/nF ln(ai (外)/ ai (内) )=K+RT/nF lnai (外)
电极电位: EISE= E内参比+E膜=k+RT/nF lnai (外)
将膜电极和参比电极一起插到被测溶液中,则电池结构为:
外参比电极∣被测溶液( ai未知)∣ 内充溶液( ai一定)∣ 内参比电极
阳极:发生氧化反应的电极(正极); 阴极:发生还原反应的电极(负极); 阳极=正极 阴极=负极
2 电极电位
平衡电极电位用能斯特方程描述
EOx/Red = E +
2.303RT nF
lg
aOxa aRed b
规定:标准氢电极(NHE)为零电位
Pt|H2(1 atm),H+(1mol/L)||Ag2+(1mol/L)|Ag 银电极的标准电极电位:+0.799 V
十五 电分析导论
使待测对象组成一个化学电池,通过测量电池的电位、 电流、电导等物理量,实现对待测物质的分析。
根据测定物理量的不同,可分为电位分析法、库仑分析法、 伏安分析法等
15.1 基本术语及概念
1 电化学电池及表示
原电池与电解池
阳极:发生氧化反应的电极(负极); 阴极:发生还原反应的电极(正极); 阳极≠正极 阴极≠负极
辅助电极或对电极: 提供电子通路(通过电流)
15.2 电分析化学方法分类
电化学分析的分类方法
按IUPAC的推荐,可分为三大类:
(1)不涉及双电层,也不涉及电极反应: 如:电导分析法
(2)涉及双电层,但不涉及电极反应: 如:微分电容法
(3)涉及电极反应: I=0:电位法 I≠0:电解、库仑、极谱、伏安分析法等
极谱法 线性伏安法 循环伏安法 方波伏安法 溶出伏安法 ……
通常采用3电极体系
17.1 伏安法的基本原理
通过电极表面电流由:电极表面电子交换-电极 反应和传质过程决定;如果电极反应速度很快, 则电流密度由传质过程决定
扩散电流理论
传质过程
扩散 电迁移-通过加入大量惰性电解质可以消除 对流-电极表面对流可以忽略
U分 = (E阳 + η阳)- (E阴 + η阴)
18.2 电解分析法
恒电流电解分析法 (两电极体系)
控制电位电解分析法 (三电极体系)
18.3 库仑分析法
库仑分析法:电极反应-电量-物质量相互关系; 库仑分析法的理论基础:法拉第电解定律; 基本要求:电极反应单纯,电流效率100%。
法拉第电解定律
电解电池:正极(阳极),负极(阴极)
分解电压
使电解物在两个电极上反应所需要提供的最小外加电压(D′) U分=U反
析出电位
使电解物在阴极还原所需的最正电位,或在阳极氧化所需的最负电位 通常等于电极的平衡电势
U分=E析(阳)-E析(阴)
实际分解电压(D点)往往大于理论分解电压 产生差别的原因 过电位(η)
灵敏度一般可达10-8 ~ 10-9 mol/L,流信号呈峰型,便于测 量,可同时测量多种金属离子。
17.4 几类电极
旋转环盘电极:电极反应过程动力学研究 微电极:可达稳态扩散电流 修饰电极
十八 电解和库仑分析法
利用电量进行的分析方法
电重量法 电解分离法
控制电位库仑法 控制电流库仑法
18.1 电解的基本原理
两种溶液,pH已知的标准缓冲溶液s和pH待测的试液x。测定各自的
电动势为:
ES
K
' S
2.303RT F
pH S
;
EX
K
X
若测定条件完全一致,则K’s = K’x , 两式相减得:
pH X
pH S
EX ES 2.303RT / F
=pHs+ Ex-Es 0.059
对于离子活度(浓度)的测量
CO(NH2 )2 + H2O
尿酶
─→ 2NH3 + CO2
氨电极检测
葡萄糖氧化酶
葡萄糖 + O2 + H2O ───→ 葡萄糖酸 + H2 O2
氧电极检测
离子选择电极的性能参数
检测限与响应斜率
理论上S=2.303 RT/nF
电极选择性系数
考虑到共存离子,则:
E膜
K
RT nF
ln ai
Kij(a j
电极的极化
电流通过时,电极电位将偏离可逆电位的现象称为极化
浓差极化 电化学极化
极化程度用过电位η表示
双电层
法拉第电流 非法拉第电流-充电电流
3 电极
工作电极或指示电极:分析物发生氧化还原反应的电极 电位随分析物的浓度的变化而改变
参比电极:提供电位标准,电位保持不变 三个要求:①可逆性-能迅速建立热力学平衡电位 ②稳定性 ③重现性 甘汞电极(SCE) Ag/AgCl
不可逆过程
17.3 溶出伏安法
恒电位电解富集与伏安分析相结合的一种伏安技术, 含电解富集和电解溶出两步
过程
(1)被测物质在适当电压下恒电位电解, 还原沉积在阴极上; (2)施加反向电压, 使还原沉积在阴极(此时变阳极)上的金 属离子氧化溶解,形成较大的峰电流; (3) 峰电流与被测物质浓度成正比,定量依据
二癸基磷酸根可以在液膜-试液两相界面间传递钙离子,直至达到平衡。 由于Ca2+在水相(试液和内参比溶液)中的活度与有机相中的活度差异,在两 相之间产生相界电位。液膜两面发生的离子交换反应: [(RO)2PO]2 - Ca2+ (有机相) = 2 [(RO)2PO]2 -(有机相) + Ca2+ (水相)
晶体电极
晶格空穴导电,对于一定的晶体膜,离子的 大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶体膜 内,故膜电极一般都具有较高的离子选择性
氟电极
敏感膜:掺有EuF2 的LaF3单晶切片 EF = K - 0.059 lgaF- = K + 0.059 pF
需要在pH5~7之间使用,pH高时,溶液中的OH-与氟化镧晶体膜中的F-交换,pH较低时, 溶液中的F -生成HF或HF2 - , 影响F -活度
钙电极适宜的pH范围是5~11,可测出10-5 mol/L的Ca2+ 。
气敏电极
基于中介液中的化学反应
试样中待测组分气体扩散通过透气膜,进入离子选择电极的敏感膜 与透气膜之间的极薄液层内,使液层内离子选择电极敏感的离子活度变 化,则离子选择电极膜电位改变,故电池电动势也发生变化。
酶电极
基于酶催化的化学反应 利用电位法测定反应物消耗或产物生成
S=0.059/2 Δc=(Vs cs)/Vo=1.00×0.0731/100 ΔE=-0.0483-(-0.0619)=0.0619-0.0483=0.0136 V cx=Δc(10ΔE/s-1)-1=7.31×10-4(100.461-1)-1
=7.31×10-4× 0.529=3.87× 10-4 mol/L
(敏感膜)
内外参比电极的电位值固定,且内充溶液离子活度一定,则电池电动势为:
E
E
RT nF
ln ai
玻璃电极
SiO2基质中加入Na2O、Li2O和CaO烧结而成 玻璃膜的组成不同可响应不同阳离子
H+响应的玻璃膜电极—pH电极
E玻= k+RT/F lnH+=k-0.059pH
水浸泡后,表面的Na+与水中的H+ 交换, 表面 形成水合硅胶层 。 玻璃电极使用前,必须在水溶 液中浸泡。
物质在电极上析出产物的质量W 与通过电解池的电量Q 成正比
W QM Fn
恒电流:Q= i t
恒电位:Q=∫i dt
扩散电流方程:i=AnFD(c0-cs)/δ 当电子交换速率很快时:cs=0, i=AnFDc0/δ
计时电流中的扩散电流变化:
δ=(πDt)1/2 i=nFAD1/2C0/ (πt)1/2 但 t →∞,i≠0
扩散层厚度不变的情况:
i=AnFD(c0-cs)/δ
扩散层厚度变化的情况:
伏安法中出现尖峰
把LaF3改变为AgCl、AgBr、AgI、CuS,PbS等难溶盐或Ag2S,压片 制成薄膜作为电极材料,可以得到卤素离子,银离子、铜离子、铅离子 等各种离子的选择性电极。
流动载体膜电极(液膜电极)
钙电极:内参比溶液为含 Ca2+水溶液。内外 管之间装的是0.1mol/L二癸基磷酸钙(液体离 子交换剂)的苯基磷酸二辛酯溶液。其极易扩 散进入微孔膜,但不溶于水,故不能进入试液 溶液。
试样中Ca2+ 的浓度为3.87×10-4mol/L。
例题
计算下面电池的电动势(忽略液接电势),并判断正负极
Ag,AgCl | 0.1mol/L NaCl,0.001mol/L NaF |LaF3单晶膜|0.1mol/L KF || SCE EөAgCl/Ag=0.222V, EөSCE=0.244V
zi
)zj
K ij称之为电极选择性系数
响应时间
16.2 定量分析方法
1.pH测定原理与方法
指示电极:pH玻璃膜电极 参比电极:饱和甘汞电极
Ag, AgCl | HCl | 玻璃膜 | 试液溶液 KCl(饱和) | Hg2Cl2(固), Hg
玻璃
甘汞
电池电动势为:
E E甘汞 E玻璃 E液接
15.3 电分析化学方法的特点
与其它方法相比,电化学方法有其特定的长处:
能进行价态及形态分析,化学测量的是元素或化合物的某一种价态, 如溶液中Ce(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)各自含量
通常测定的是待测物的活度(α)而不是浓度. 如生理研究中,关心的 是Ca2+,K+活度而不是浓度,植物对各种金属离子吸收与活度有关
17.2 循环伏安法
采用三角波电位激励信号,所获得的I-V的关系称 为循环伏安扫描曲线
是目前电分析化学中最常用的技术之一,可以用于研究电极反应的性 质,机理,获得电极过程动力学等参数
电极过程可逆性
可逆过程: ipa=ipc
ΔEp=Epa-Epc=59/n mV
准可逆过程 ΔEp>59/n mV
解: EISE= EAgCl/Ag+E膜=EөAgCl/Ag -0.059 lg[Cl-]+ 0.059lg[F-外]/[F-内] =0.163V
SCE 是正极 F电极是负极 E= EөSCE- EISE= 0.244-0.163=0.081V
例题
某pH计的标度为每改变一个pH单位,相当与电位改变60mV。如 用响应斜率为50mv的玻璃电极测定pH=5.00的溶液,并用pH= 2.00的标准溶液标定,则测定结果的绝对误差有多少?
能研究电子传递过程,尤其是生物体内
易于微型化,自动化
十六 电位分析法
电位分析法的实质是通过在零电流条件下测定两
电极(参比电极和指示电极)间的电势差
理论基础是:Nernst方程
直接电位 电位滴定法
16.1 指示电极
金属基指示电极
金属和其离子 金属及其难溶盐: Ag/AgCl 零类(惰性)电极 Pt, Au, 碳材料 金属与两种相同阴离子的难溶盐 Ag/Ag2C2O4, CaC2O4
膜电极(离子选择性电极)
1 膜电极(离子选择性电极)
特点:仅对溶液中特定离子有选择性响应。 膜电极的关键:选择膜(敏感元件) 敏感元件:单晶、混晶、液膜、功能膜及生物膜等构成。
原电极 晶体膜电极 非晶体膜电极 刚性基质电极: 玻璃电极 流动载体电极(液膜电极)
敏化电极 气敏电极 酶电极
离子选择性电极的基本原理
解:
pHx=pHs+
(Ex-Es) 0.050
ΔE/0.050 =pHx- pHs ΔE=3.00×50=150 mV
150mv的电位变化在pH计标度上的偏转为:
150/60=2.50 (pH单位)
因此测得的pH测=4.50 误差为 0.50 pH
十七 伏安法与极谱法
伏安分析法是指以被分析溶液中电极的电压-电流行为 为基础的一类电化学分析方法
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