第十五章伏安法与极谱法

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1.对流(convection) 所谓的对流,即粒子随着流动的液体而移动。 显然,这是溶液中的溶质和溶剂同时移动。 有两种形式: a.自然对流 b.强制对流
2.电迁移(migrition) 在电场作用下,荷正电粒子向负极移动,荷负电粒子向正极 移动。
3.扩散(Diffusion) 当溶液中粒子存在浓度梯度时,这种粒子从高浓度向低浓度 的移动过程。 由于电极反应造成的这种现象,成为“浓差极化”。
海洛夫斯基
化学家、化学教育家海洛夫斯基 1890年12月20日生于布拉格,对化学有 浓厚兴趣,立志要攻读物理化学。1910 年入伦敦大学学习,3年获理学士后任 物理化学助教,并开始撰写博士论文。 1914年第一次世界大战爆发,海洛 夫斯基从英国返回祖国服兵役,同时继 续做他的博士论文。 1918年获查理大学博士学位,1920 年任该校副教授.他用滴汞电极得到毛 细管曲线异常现象,获伦敦大学理科博 士学位。1926年升任教授,担任捷克斯 洛伐克极谱研究所所长。1952年选为捷 克斯洛伐克科学院院士。1959年获诺贝 尔化学奖。1965年被选为英国皇家学会 会员,他还是许多国家的科学院院士, 两次获捷克斯洛伐克国家勋章。
id nFAD
1 2 0
c 3 t 7
b 0
假设汞滴为圆球形,则某一时刻汞滴的表面积为:
A 8.49 10 3 m t cm 2
2 2 3 3

某一时刻的扩散电流(瞬时极限扩散电流公式)
id (t ) 708nD m t c
当时间t达到最大τ 时:
1 2 2 3 1 6
1 2
第15章 伏安法与极谱法 Voltammetry and Polarography
伏安分析法:以测定电解过程中的电流-电压曲线为基础的电化 学分析方法;使用表面静止的液体或固体电极为工作电极。
极谱分析法:采用滴汞电极或其它表面能够周期性更新的液体 电极为工作电极的伏安分析法。
1922 年 捷克科学家 海洛夫斯基 J.Heyrovsky 创立极谱法,1959年获Nobel 奖。
如果在连续电位扫描过程中记录电流信号,电流 随着汞滴的生长和滴落会出现震荡式的变化。经整 流后的极谱图呈阶梯形伏安图常称为极谱波。
整流前 极谱波
整流后
图中①~②段,外加电压没有达到被测物质的还原电位,仅 有微小的电流流过,这时的电流称为“残余电流”或背景电流。 由于电极附近的离子在电极表面迅速反应,此时,产生浓度 梯度 (厚度约0.05mm的扩散层),电极反应受浓度扩散控制。
hx cx cs hs
2.标准曲线法
以浓度为横坐标,波高为纵坐标,作浓度——波高图,得一过原点 的直线,为工作曲线。同样条件下测量被测物溶液的波高,从曲线上获
得相应的浓度。当分析同一类的批量试样时,常用此方法。
3.标准加入法: 适用于组成比较复杂的少数样品的分析工作。
试样
试样 标样
h kcx
伏安分析
极谱分析
伏安法与极谱法
相同点:工作原理相同。 以小面积的工作电极与参比电极组成电解池, 电解被分析物质的稀溶液,根据所得到的电流-电位 曲线来进行分析。 不同点:工作电极不同。 极谱法的工作电极为滴汞电极; 伏安法使用固态或表面静止电极作工作电极。
15.1
液相传质过程
15.1.1 液相传质方式
伏安曲线
15.2.3 极限扩散电流
扩散电流方程是扩散电流与在滴汞电极上进行电极 反应的物质浓度之间的定量关系。 反应物的本体浓度为 Cb0 ,电极表面反应物的浓度为 Cs0。若Cs0趋近于零(即完全浓差极化),扩散电流将趋 近于最大值,此时得到极限扩散电流:
1 2 0 b 0
id nFAD
c
t
15.2.3 极限扩散电流
扩散电流方程是扩散电流与在滴汞电极上进行电极 反应的物质浓度之间的定量关系。 反应物的本体浓度为 Cb0 ,电极表面反应物的浓度为 Cs0。若Cs0趋近于零(即完全浓差极化),扩散电流将趋 近于最大值,此时得到极限扩散电流:
1 2 0 b 0
id nFAD
c
t
Cottrell(柯泰尔) 方程
• 当溶液的组分和温度一定时,每一 种电活性物质的半波电位(E1/2)是 一定的,不随其浓度的变化而改变, 是极谱定性分析的依据。
一般情况下,不同金属离子具有不同的半波电位,故可 利用半波电位进行定性分析。
15.3.3
扩散电流方程
与平面电极相比,滴汞电极上的表面积随时间而 变化。汞滴向溶液方向生长运动,会使扩散层厚度变薄 ,大约是线性扩散层厚度的(3/7)。
• 极谱分析使用的两个电极都 是汞电极。(滴汞电极(DME)和 饱和甘汞电极(SCE)) • 滴汞电极的电位就完全随着 外加电压的改变而变化,使极谱 电解过程完全成为控制工作电极 电位的电解过程。 • 极谱电解过程中,所测电解 液必须处于静止状态,不能搅动。

•极谱分析使用的两个电极都是汞电极,其中一 个是面积很小的滴汞电极( DME );另一个是 面积很大的甘汞电极,通常是饱和甘汞电极。 •滴汞电极是待测物质发生电极反应的一极,由 于滴汞面积很小,电解时电流密度很大,很容易 发生浓差极化,是极谱分析的工作电极。 •甘汞电极是通过盐桥与电解液相沟通。由于甘 汞电极的面积比滴汞电极大很多,电解时电流密 度小,不发生浓差极化,是去极化电极,在一定 条件下其电极电位保持恒定,是参比电极。
尤考维奇方程式
尤考维奇常数 :
K=607nD1/2Hale Waihona Puke Baidu2/3t1/6
毛细管常数
扩散电流常数
(id)平均=607nD1/2m2/3 t 1/6c
(id)平均 :每滴汞上的平均电流;n:电极反应中转移的电子数; D :扩散系数(cm2/s); t:滴汞周期(s); c :待测物原始浓度(mmol/L);m: 滴汞速度(mg/s);
海洛夫斯基平易近人,性情和善,谦虚诚恳。 他非常勤奋,常常夜以继日地工作。他以法拉第的 名言为座右铭:“要工作、要完成、要发表”。他 坚持自己亲自讲课,培养了很多人才。他认为科学 的未来在于青年。 海洛夫斯基最杰出的贡献是在极谱分析方面。 1925年与日本化学家志方益三共同发明了极谱仪, 使极谱分析方法广泛用于分析各种化学物质。1935 年推导出极谱波的方程式,阐明了极谱分析的理论 基础,1941年发明了示波极谱仪,阐明了极谱定性 分析的理论基础。
滴汞电极作为工作电极具有以下特点:
• a. • b. • C. • e. 电极毛细管口处的汞滴很小,电流密度大 汞滴不断滴落,使电极表面不断更新,重复性好。 金属与汞生成汞齐,汞容易提纯。 氢在汞电极上的过电位高,不会产生还原干扰;
• f. 用滴汞作为阳极时,电位一般不能正于0.4V(vs SCE)。
(2) 三切线法
(3) 矩形法
三切线法:
作极限扩散电流、上升波、残余电流的切线(三条)
AB、CD、EF,AB、CD与EF交于O、P两点,过O、P两点 作平行于横坐标的两条平行线。两线间的距离就是波高。
⒈直接比较法 将标准溶液和待测溶液在同一实验条件 下得出极谱波,再比较其波高。
hs = KCs
hx = KCx
Cottrell(柯泰尔) 方程
极限扩散电流与本体溶液中反应物的浓度成正比,且 随时间的增加而衰减。
15.2.4 扩散层厚度
线性扩散的扩散层厚度为:
D0t
15.3 直流极谱法—经典极谱法 15.3.1 直流极谱的装置 以 滴 汞 电 极 ( DME )为工作电 极,饱和甘汞电极 ( SCE ) 为 参 比 电 极组成电解池。
2 1 3 6
id (max) 708nD m c
id 为平均极限扩散电流(从t=0
到t=τ 的电流平均值)
τ 1 τ 1/ 2 1/ 2 1 1/ 6 id id t dt 708nD m c t dt τ 0 τ 0

id 607 nD m t c kc
1/ 2 2 / 3 1/ 6
但是,在电极表面附近的薄层液体中,液流速度却一
般很小,因而起主要作用的是扩散及电迁过程。
不同反应物在带负电荷电极上还原时迁移电流的贡献
如果溶液中除参加电极反应的粒子外,还存在
大量不参加电极反应的“惰性电解质”,则粒 子的电迁速度将大大减小.在这种情况下,可 以认为电极表面附近薄层液体中仅存在扩散传 质过程。这就是伏安和极谱需要的研究条件(简
极限扩散电流与本体溶液中反应物的浓度成正比,且 随时间的增加而衰减。
15.2.4 扩散层厚度
线性扩散的扩散层厚度为:
D0t
15.3.2 极谱波的形成
极谱图记录滴汞电极上电流大小随电极电位的 变化曲线。直流极谱分析中,工作电极上的电位以 缓慢的线性扫描速率(2.5mV/s左右)变化,这样,在 相对短的滴汞周期内,电位基本不变,故称为“直 流”。
志海 方洛 益夫 三斯 基 和
发 明 的 第 一 台 极 谱 仪
海洛夫斯基讲学
本章基本要求
掌握极谱分析法的基本原理及其特点;
熟悉尤考维奇方程和极谱波方程及其计算;
掌握伏安分析法的原理及应用;
了解各现代极谱分析法的原理、特点、应用。
电解池
{
小面积工作电极 参比电极 待测溶液
滴汞电极
悬汞电极 石墨电极 铂电极
化电化学体系的数学处理)。
15.1.2 线性扩散传质
当电极表面上进行电化学反应时,反应粒子不 断在电极上消耗而反应产物不断生成。因此,如果这 些粒子处在液相中,则在电极表面附近的液层中会出 现这些粒子的浓度变化,导致粒子的扩散。这种扩散 决定了电化学反应的速率和电流的大小。
c( x, t ) J x ,t 2 c ( x, t ) D x x x 2
在④处,达到扩散平衡。
平衡时,电解电流仅受
扩散运动控制,形成:极 限扩散电流 id 。(极谱定 量分析的基础)
图中③处电流为极限扩散电流的一半时的电位,此 点对应的电位称为半波电位。 (极谱定性的依据)
id il ir ,称为 • 极限电流减去残余电流, 极限扩散电流,它与物质的浓度呈正 比,这是极谱定量分析的基础。
Fick(菲克)第一定律;第二定律
扩散流量
浓度梯度
扩散系数
c( x, t ) J x ,t 2 c ( x, t ) D x x x 2
15.2
扩散电流理论
15.2.1 电位阶跃法 将电极电位强制性地施加在工作电极上,测量电流随时 间或电位的变化规律。 电位阶跃法是伏安法中最基本的电化学测试技术。通常 适用于电活性物质的传递方式仅为扩散传递过程,而且假定 在电化学反应中,电活性物质的浓度基本不变。 方法: 观察从电化学反应发生前的某一电位改变到电化学反应发生 后的另一电位过程中电流随时间变化的规律——i-t曲线。
15.3.4 极谱定量分析 quantitative methods of polarography
15.3.4.1 定量分析方法
依据公式: id =K c 可进行定量计算。 极限扩散电流 由极谱图上量出, 用波高直接进行计算。
波高的测量
(1) 平行线法--对于波形较好的 极谱波,残余电流与极限电流的 延长线的基本平行的。这可通过 两线段作两条平行线,其垂直距 离即为波高。
讨论: (1) n,D 取决于被测物质的特性 将607nD1/2定义为扩散电流常数,用 I 表示。I越大,测定 越灵敏。(电活性物质和介质的常数)
(2) m,t 取决于毛细管特性, m2/3 t 1/6定义为毛细管特性常 数(与汞柱高度有关),用K 表示。则:
(id)平均 = I · K· c
(id)平均 = K’ · c
Vx c x Vs cs H k Vx Vs
Vs cs h cx k H (Vx Vs ) hVx
15.3.4.2 干扰电流及其消除办法 除用于测定的扩散电流外,极谱电流还包 括:残余电流;迁移电流;极谱极大;氧波 等。 这些电流通常干扰测定,应设法扣除!
15.2.2 伏安曲线
如果将上述单电位阶跃分为多次阶跃来完成,即在 电化学反应的不同阶段进行一系列的电位阶跃:
可使电极表面 还原物浓度为0 的电位
刚开始还原的 电位 无还原反应发 生的电位
E5、E6时,反应物表面浓度Cs0降到了0,即达到了完 全浓差极化,这时本体溶液中的反应物将尽可能快地向 电极表面扩散,电流的大小完全受此扩散速率所控制。 此时,电位再增加也不会影响电流的大小,扩散电流达 到了一个极限值,称为极限扩散电流。
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