循环伏安法判断铁氰化钾K3Fe(CN)6的电极反应过程
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循环伏安法判断铁氰化钾K3Fe(CN)6的电极反应过程
一、实验目的
1. 掌握用循环伏安法判断电极反应过程的可逆性
2. 学会使用伏安极谱仪
3. 学会测量峰电流和峰电位
二、实验原理
循环伏安法是用途最广泛的研究电活性物质的电化学分析方法,在电化学、无机化学、有机化学、生物化学等领域得到了广泛的应用。由于它能在很宽的电位范围内迅速观察研究对象的氧化还原行为,因此电化学研究中常常首先进行的是循环伏安行为研究。
循环伏安是在工作电极上施加一个线性变化的循环电压,记录工作电极上得到的电流与施加电压的关系曲线,对溶液中的电活性物质进行分析。由于施加的电压为三角波,这种方法也称为三角波线性扫描极谱法。
典型的循环伏安图如图所示:
选择施加在a点的起始电位E i,然后沿负的电位即正向扫描,当电位负到能够将Ox还原时,在工作电极上发生还原反应:Ox + Ze = Red,阴极电流迅速
增加(b-d),电流在d点达到最高峰,此后由于电极附近溶液中的Ox转变为Red而耗尽,电流迅速衰减(d-e);在f点电压沿正的方向扫描,当电位正到能够将Red氧化时,在工作电极表面聚集的Red将发生氧化反应:Red = Ox + Ze,阳极电流迅速增加(i-j),电流在j点达到最高峰,此后由于电极附近溶液中的Red转变为Ox而耗尽,电流迅速衰减(j-k);当电压达到a点的起始电位E i时便完成了一个循环。
循环伏安图的几个重要参数为:阳极峰电流(i pa)、阴极峰电流(i pc)、阳极峰电位(E pa)、阴极峰电位(E pc)。对于可逆反应,阴阳极峰电位的差值,即△E=E pa-E pc ≈56 mV/Z,峰电位与扫描速度无关。
而峰电流i p=2.69×105n3/2AD1/2V1/2C,i p为峰电流(A),n为电子转移数,A 为电极面积(cm2),D为扩散系数(cm2/s),V为扫描速度(V/s),C为浓度(mol/L)。由此可见,i p与V1/2和C都是直线关系。对于可逆的电极反应,i pa ≈ i pc。
三、仪器和试剂
1. CHI832B 电化学分析仪,三电极系统(金盘电极为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂丝电极为辅助电极)
2. 铁氰化钾标准溶液(5.0×10-3 mol/L,含H2SO4溶液0.5 mol/L),10 mL电解杯,10 mL容量瓶
四、实验步骤
1. 打开仪器预热20分钟,打开电脑,打开CHI832B电化学分析仪操作界面。
2. 电极抛光:用AI2O3粉将金盘电极表面抛光,然后用蒸馏水清洗,待用。
3. 将铁氰化钾标准溶液转移至10 mL电解池中,插入三支电极,在“实验”菜单中选择“实验方法”,选择“Cyclic V oltammetry”,点“确定”,设置实验参数:起始电位(+0.6 V);终止电位(-0.2 V);静止时间(2 s);扫描时间(任意扫速);扫描速度(0.1 V/s);灵敏度(1.0×e-5);循环次数(2);点“确定”。从“实验”菜单中选择“开始实验”,观察循环伏安图,记录峰电流和峰电位。
4. 考察峰电流与扫描速度的关系,使用上述溶液,分别以不同的扫描速度:0.1、0.2、0.5 V/s(其他实验条件同上)分别记录从+0.6V~ -0.2V扫描的循环伏安图,记录峰电流。
5. 考察峰电流与浓度的关系,分别准确移取上述溶液1.00、2.00、5.00 mL,置
于3只10 mL容量瓶中,分别用去离子水定容,摇匀,以0.1 V/s的扫描速度(灵敏度调为1.0×e-4,其他实验条件同上)分别记录从+0.6V~ -0.2V扫描的循环伏安图,记录峰电流。
五、数据处理
1. 计算阳极峰电位与阴极峰电位的差△E。
2. 计算相同实验条件下阳极峰电流与阴极峰电流的比值i pa / i pc。
3. 相同K3Fe(CN)6浓度下,以阴极峰电流或阳极峰电流对扫描速度的平方根作图,说明二者之间的关系。
4. 相同扫描速度下,以阴极峰电流或阳极峰电流对K3Fe(CN)6的浓度作图,说明二者之间的关系。
5. 根据实验结果说明K3Fe(CN)6在KNO3溶液中电极反应过程的可逆性。