伏安法和极谱法(方惠群.ppt

第十章 极谱与伏安分析法 第一节 极谱分析原理与过程 一、极谱分析原理与过程 principle and process polarography 二、扩散电流理论 theory of diffusion current 三、干扰电流与抑制 interference current and elimination polarography and Voltammetry principle and process polarography * 一、极谱分析的原理与过程 principle and process 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； 极谱分析法（polarography）：采用 滴汞电极的伏安分析法； 1.极谱分析过程 极谱分析：在特殊条件下进行的电解 分析。 特殊性：使用了一支极化电极和另一 支去极化电极作为工作电极； 在溶液静止的情况下进行的非完全的电 解过程。 Date 极化电极与去极化电极 如果一支电极通过无限小的电流， 便引起电极电位发生很大变化，这样的 电极称之为极化电极，如滴汞电极，反 之电极电位不随电流变化的电极叫做理 想的去极化电极，如甘汞电极或大面积 汞层。 Date 极谱分析过程和极谱波-Pb2+（10-3mol/L） 电压由0.2 V逐渐增加到0.7 V 左右，绘制电流-电压曲线。 图中段，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。当外加电压到达 Pb2+的析出电位时，Pb2+开始在滴汞 电极上迅速反应。 由于溶液静止，电极附近的铅离子在 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。在处，达到扩散平衡。 Date 2. 极限扩散电流id 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） 图中处电流随电压 变化的比值最大，此点对 应的电位称为半波电位。 （极谱定性的依据） Date 3. 极谱曲线形成条件 (1) 待测物质的浓度要小，快 速形成浓度梯度。 (2) 溶液保持静止，使扩散层 厚度稳定，待测物质仅依靠扩散 到达电极表面。 (3) 电解液中含有较大量的惰性电解质，使待测离子在电 场作用力下的迁移运动降至最小。 (4) 使用两支不同性能的电极。极化电极的电位随外加电 压变化而变，保证在电极表面形成浓差极化。 为什么使用两支性能不同的电极? 为什么要采用滴汞电极？ Date 4. 滴汞电极的特点 a. 电极毛细管口处的汞滴很小，易形成浓 差极化； b. 汞滴不断滴落，使电极表面不断更新， 重复性好。(受汞滴周期性滴落的影响，汞 滴面积的变化使电流呈快速锯齿性变化)； c. 氢在汞上的超电位较大； d. 金属与汞生成汞齐,降低其析出电位,使 碱金属和碱土金属也可分析。 Date e. 汞容易提纯 扩散电流产生过程 中,电位变化很小,电解 电流变化较大,此时电极 呈现去极化现象,这是由 于被测物质的电极反应 所致。被测物质具有去 极化性质：去极剂。 Hg有毒。汞滴面积的变 化导致不断产生充电电 流（电容电流）。 Date 二、扩散电流理论 theory of diffusion current 1.扩散电流方程 设：平面的扩散过程 费克扩散定律：单位时间内通过单位平 面的扩散物质的量与浓差梯度成正比： A:电极面积;D 扩散系数 (id)t 时电解开始后t 时,扩散电流的大小。 根据法拉第电解定律： Date (id)平均=706nD1/2m2/3 t 1/6c 讨论: （1） n，D 取决于被测物质的特性 将706nD1/2定义为扩散电流常数，用 I 表示。越大，测定越 灵敏。 （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，用K 表示。则： (id)平均 每滴汞上的平均电流(微安)；n 电极反应中转移的电 子数；D 扩散系数； t 滴汞周期(s)；c 待测物原始浓度 (mmol/L)；m 汞流速度（mg/s）； 扩散电流方程： (id)平均 = I K c Date 2.影响扩散电流的因素 (1)溶液搅动的影响 扩散电流常数 I= 607nD1/2 = id /（ Kc ） （n和D取决于待测物质的性质） 应与滴汞周期无关，但与实际 情况不符。原因，汞滴滴落使溶液 产生搅动。加入动物胶（0.005% ）,可以使滴汞周期降低至1.5秒。 Date (2)被测物浓度影响 被测物浓度较大时,汞滴上析出的金属多，改变汞滴表面 性质，对扩散电流产生影响。故极谱法适用于测量低浓度试 样。 (3)温度影响 温度系数+0.013/ C,温度控制在0.5 C范围内，温度引 起的误差小于1%。 Date 3. 极谱波方程式 极谱波方程式: 描述极谱波上电流与电位之间关系。 简单金属离子的极谱波方程式： （可逆；受扩散控制；生成汞齐） Mn+ +ne +Hg = M（Hg）（汞齐） ca 滴汞电极表面上形成的汞齐浓度； cM可还原离子 在滴汞电极表面的浓度；a， M活度系数； Date 在极谱波的中点，即： i =id / 2 时，得： 即极谱波方程式； 由该式可以计算极谱曲线上每一点的电流与电位值。 i= id /2 时， E=E 1/2 称之为半波电位，极谱定性的依据。 Date 三、干扰电流与抑制 interference current and elimination 1.残余电流 （a）微量杂质等所产生的微弱电流 产生的原因：溶剂及试剂中的微量杂质及微量氧等。 消除方法：可通过试剂提纯、预电解、除氧等； （b）充电电流（也称电容电流） 影响极谱分析灵敏度的主要因素。 产生的原因：分析过程中由于汞滴不停滴下，汞滴表面 积在不断变化，因此充电电流总是存在，较难消除。 充电电流约为10-7 A的数量级，相当于10-510-6mol/L的 被测物质产生的扩散电流。 Date 2.迁移电流 产生的原因： 由于带电荷的被测离子（或带极性的分子）在静电场力 的作用下运动到电极表面所形成的电流。 消除方法： 加强电解质。 加强电解质后，被测离子所受到的电场力减小。 Date 3.极谱极大 在极谱分析过程中产生的一种特殊现象，即在极谱波刚 出现时，扩散电流随着滴汞电极电位的降低而迅速增大到一 极大值，然后下降稳定在正常的极限扩散电流值上。这种突 出的电流峰之为“极谱极大”。 产生的原因：溪流运动 消除方法：加骨胶 4.氧波、氢波、前波 氧波、氢波、前波等产生干扰。 Date 第十章 极谱与伏安分析法 第二节 极谱定性定量分析 方法与应用 一、极谱定性方法 qualitative methods of polarography 二、极谱定量方法 quantitative methods of polarography 三、极谱滴定 polarographic titration 四、极谱分析应用 applications of polarography qualitative quantitative methods and applications of polarography polarography and Voltammetry * 一、极谱定性方法 qualitative methods of polarography 在1mol/L KCl底液中， 不同浓度的Cd2+极谱波 由极谱波方程式： 一般情况下，不同金属离子 具有不同的半波电位，且不随浓 度改变，分解电压则随浓度改变 而有所不同（如右图所示），故 可利用半波电位进行定性分析。 当i=id时的电位即为半波电 位，极谱波中点。 Date 讨论 1. 同一离子在不同溶液中，半波电位不同。金属络离子 比简单金属离子的半波电位要负，稳定常数越大，半波电位 越负； 2. 两离子的半波电位接近或 重叠时，选用不同底液，可有效 分离，如Cd2+和Tl+在NH3和NH4Cl溶 液中可分离（ Cd2+生成络离子） ； 3. 极谱分析的半波电位范围 较窄（2V），采用半波电位定性 的实际应用价值不大； 可逆极谱波：电极反应极快，扩 散控制； 非可逆极谱波：同时还受电极反 应速度控制。氧化波与还原波具 有不同半波电位（超电位影响） 。Date 二、极谱定量分析方法 quantitative methods of polarography 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。 1. 波高的测量 (1) 平行线法 (2) 切线法 (3) 矩形法 Date 2.定量分析方法 (1) 比较法(完全相同条件) cs; hs 标准溶液的浓度和波高; (2)标准曲线法 (3) 标准加入法 Date 三、极谱滴定法（伏安滴定法） polarographic titration 1. 原理 调节外加电压，使被滴定物 质或滴定剂产生极限扩散电流， 以滴定体积对极限扩散电流作图 ，找出滴定终点。 右图为硫酸盐滴定二价铅离 子的极谱滴定曲线 Date 2. 极谱滴定曲线与电位选择 滴定终点前后扩散电流变化分别由试样和滴定剂提供，故 选择不同的电压扫描范围，可获得不同形状的滴定曲线，如 下图所示。 图(b)中，选 择电压在A点， 滴定终点后，过 量的滴定剂不产 生扩散电流，故 滴定曲线变平， 而图(c)中则在滴 定终点后，随滴 定剂的加入，扩 散电流增加。 Date 3. 极谱滴定曲线类型 电位变化范围A-B （1）测定物质X发生电极反应， 滴定剂T不发生电极反应，图（a ） （2）测定物质X与滴定剂T都发 生电极反应，图（b） （3）滴定剂T发生电极反应，测 定物质X不发生电极反应，图（c ） （4）测定物质X不发生电极反应 ，滴定剂T发生氧化反应，图（d ） Date 四、经典直流极谱法的应用 applications of polarography 无机分析方面：特别适合于金属、合金、矿物及化学试 剂中微量杂质的测定，如金属锌中的微量Cu、Pb、Cd、Pb 、Cd；钢铁中的微量Cu、Ni、Co、Mn、Cr；铝镁合金中的 微量Cu、Pb、Cd、Zn、Mn；矿石中的微量Cu、Pb、Cd、 Zn、W、Mo、V、Se、Te等的测定。 有机分析方面：醛类、酮类、糖类、醌类、硝基、亚硝 基类、偶氮类 在药物和生物化学方面：维生素、抗生素、生物碱 Date 经典直流极谱的缺点 (1) 速度慢 一般的分析过程需要515分钟。这是由于滴汞周期需要 保持在25秒，电压扫描速度一般为515分钟/伏。获得一 条极谱曲线一般需要几十滴到一百多滴汞。 (2)方法灵敏度较低 检测下限一般在10-410-5mol/L范围内。这主要是受干 扰电流的影响所致。 如何对经典直流极谱法进行改进？ 改进的途径？ Date 第十章 极谱与伏安分析法 第三节 现代极谱分析技术 一、单扫描极谱 single sweep polarography 二、交流极谱 alternating-current polarography 三、方波极谱 square-wave polarography 四、脉冲极谱 pulse polarography 五、交流示波极谱 alternating-current oscillopolargraph polarography and voltammetry modified polarographic technology * 一、单扫描极谱分析法 single sweep polarography 1. 原理与装置 单扫描极谱法（也称为直流示波极谱法）： 根据经典极谱原理而建立起来的一种快速极谱分析方法 。其基本原理如图所示。示波器显示电压和电流信号大小。 扫描电压：在直 流可调电压上叠加 周期性的锯齿型电 压（极化电压） 示波器 X轴坐标：显示扫描电压； Y轴坐标：扩散电流（R一定，将电压转变为电流信号） Date 2. 直流示波极谱分析过程 扫描周期短，在一滴汞上可完成 一次扫描，电压和电流变化曲线如图 所示： ip 峰电流； Ep 峰电流位。 ip c 定量依据 （1） 快速扫描时，汞滴附近的待测物质瞬间被还原，产生 较大的电流，图中bc段； （2） 来不及形成扩散平衡，电流下降，图中 c d段； （3） 形成扩散平衡, 电流稳定,扩散控制, 图中 d e段； 为了获得良好的iE曲线, 需要满足一定的条件。 Date 3. 形成iE曲线的条件 (1) 汞滴面积必须恒定 At=8.4910-3m2/3t2/3 dA/dt=5.710-3m2/3t - 1/3 t 越大，电极面积的变化率 越小，汞滴增长的后期，视 为不变。定时滴落。 Date (2) 极化电极电位必须是时间的线形函数 施加锯齿波电压。电压补偿。补偿过程如图所示。 (3) 电容电流的补偿 扫描电压 和电极面积变 化，导致产生 电容电流（ 10 -7 A，相当于 10-5mol的物质 产生的电流） 。 Date 4. 峰电流与峰电位 峰电流不是扩散电流，不符合扩 散电流方程。也不同于极谱极大。 在tp时刻的峰电流: Ip=2.69105n 3/2 D 1/2 V 1/2 m 2/3 tp 2/3 c =K c 峰电位: 峰电位与电极反应中转移的电子数有关。 25C Date 5. 直流示波极谱的特点 与经典极谱方法相比： （1）速度快 一滴汞上即能形成一条曲线,经典极谱需4080滴汞； （2）检测灵敏度高 峰电流比极限扩散电流大。 n=1 时, 大2倍; n=2时,大5倍。 （3）分辨率高 相邻峰电位差40 mV可分辨； 经典极谱法中E1/2200 mV才能分辨。 Date 二、交流极谱分析 AD polarography 1.基本原理 将小振幅（几毫伏到几十毫伏）的低频交流正弦电 压（5-50 Hz）叠加到直流极谱的电压上，测量通过电 解池的交流电流和电压变化。 装置图。 通过电解池的电流： (1) 直流电流 (2) 交流电流 (3) 电容电流 电容将直流电流信号隔离,交流信号经交流放大器放大后记录 。 Date 交流极谱分析过程与极谱图 (1) 在图中 A 点，直流电压叠加 交流电压仍达不到被测物质的析出 电位。无交流电解电流产生; (2)当直流电压达到被测物质的析 出电位后,叠加交流电压将产生交 流电解电流; (3)在曲线的 B 点(半波电位)交流 电流的振幅最大; (4)在图中 C 点，叠加交流电压不 能使扩散电流产生变化. 交流极谱产生峰型信号 Date 2.交流极谱的特点 特点: (1) 灵敏度比直流极谱稍高； (2) 分辨率比直流极谱高，峰电 位差40 mV可分辨。 (3) 氧的干扰小。 Date 三、方波极谱分析 square-wave polarography 1. 原理 充电电流限制了交流极谱灵 敏度的提高。将叠加的交流正弦 波改为方波，使用特殊的时间开 关，利用充电电流随时间很快衰 减的特性，在方波出现的后期， 记录交流极化电流信号。峰电流 ： 2. 特点 (1) 灵敏度高：10-7 - 10-8 mol/L；比交流极谱高2个数量级 。 (2) 前波影响小。 Date 四、脉冲极谱分析 pulse polarography 原理： 方波极谱基本消除了充电 电流，灵敏度的进一步提高受 毛细管噪声的影响。 导数脉冲极谱： 在每滴汞增长到一定时间 时，叠加2-100mV的脉冲电压， 持续时间4-80 ms，测量脉冲前 后电解电流的差i 。消除背景 电流，进一步提高灵敏度： 10-8 10-9 mol/L； Date 五、 交流示波极谱分析 alternating-current oscillopolargraph 1.基本原理 扫描电压：-1伏的直流电压上叠加1伏的交流电压。 极化电压变化范围：0-2 伏。 Date 2. dE /dt -E 曲线与交流示波极谱滴定 参比电极：银基汞电极 ，2mm银棒蘸少量汞制成 。 指示电极：铂球汞膜 电极，将0.4 mm的铂丝一 端烧结成直径为1.5mm的铂 球,处理后镀银,再浸在汞 中数秒中. 当溶液中无电解反应时 ，示波器上 dE /dt -E 曲线上无切口出现。 有金属离子发生电解反应时，示波器上 dE /dt -E 曲线 上下对称出现切口。 Date 第十章 极谱与伏安分析法 第四节 溶出伏安分析原理 与技术 一、基本原理与过程 principle and process 二、影响溶出峰电流的因素 factors influenced peak current 三、操作条件的选择 choice of operating conditions 四、定量方法 quantitative methods 五、溶出伏安法的应用 applications of stripping voltammetry polarography and voltammetry princ