化学电镀分析.ppt

电分析化学 电分析化学是干嘛用的 概念 特点 定义 电分析化学是利用物质的电学和电化学性质进行表征和测量的科学 它是电化学和分析化学学科的重要组成部分 研究内容 1 成分和形态分析 特别在有机 生物和药物分析中及色谱电化学检测器 2 电极过程动力学和电极反应机理的分析 3 表面和界面分析 油 水界面 化学修饰电极 扫描隧道电化学探针等 特点 快速 灵敏 准确 仪器简单 价格低廉 电极反应 在电流通过时 电极 溶液界面上的电化学反应称为电极反应 电极反应速率v 非均相反应的速率依赖于向电极表面的传质速度和电极面积等 用单位面积上单位时间内发生反应的物质的克分子数来度量非均相反应速率 即 结论 电流的大小是反应速度的度量 传质过程 当电流通过电化学池时 电极和溶液界面发生了电荷转换过程 消耗了反应物 生成了反应的产物 欲维持通过的电流 反应物从溶液本体向电极表面方向传送 产物则从电极表面向溶液方向传送 这种物质在液相中的传送称为传质过程 溶液中的传质过程包括对流 扩散和电迁移 传质速度一般用单位时间内所研究的物质通过单位截面积的量来描述 称为该物质的流量Ji 1 对流2 扩散和电迁移3 总流量 无对流的传质过程 溶液中任何一个与x正交 截面积为A的平面 单位时间传质通过的物质克分子数为A Ji x 这些粒子传送的电量为Ji x AZiF因此电流i为各种传质过程贡献的和 其中 Fick第一定律Fick第二定律 因此 由Fick扩散方程及电化学问题的初始和边界条件求解出Ci x t 的表示式 从而能够得到电极表面浓度 x o处 Ci o t 的表示式 从而得到我们定量分析和求算电化学参数的清晰表示式 平面电极上的线性扩散研究可逆反应 O ne R氧化态的扩散方程的Fick第二定律表达式为 其初始条件和边界条件为 平面电极线性极限扩散电流 Cottrell公式 生长的滴汞电极上的扩散静止的球形电极 Fick第二定律的球坐标表达式 IlKovic方程式 非扩散控制的电极过程 加和性异相电荷传递反应或均相化学反应以及吸附或其它表面过程等引起的浓度变化 且都具有加和性 即 异相电荷传递过程 指电荷在电极 溶液间的传递 当物质在电极上发生氧化或还原反应时 电子的传递是在电极 电解质溶液之间进行的 即反应是发生在两相界面上的 故称为异相反应 如果电子在两相间的传递非常快速 阻力很小 说明电极过程是可逆的 能斯特方程成立 如果电子传递的阻力较大 电放过程则为不可逆 电极反应为若一级反应 异相反应速率为 O ne R外加电位E为正 利于阳极氧化 下移nFE 阳极反应活化能变化 减小 阴极反应活化能变化 增大 称为转换系数 传递系数 在0 1之间 描述电极电势对阳极反应和阴极反应影响的程度 通过改变电极电位改变电化学反应速率 电分析化学中常用的暂态分析技术 循环伏安法 CV 循环伏安法可用于研究化合物电极过程的机理 双电层 吸附现象和电极反应动力学 成为最有用的电化学方法之一 扫描电压呈等腰三角形 如果前半部扫描 电压上升部分 为去极化剂在电极上被还原的阴极过程 则后半部扫描 电压下降部分 为还原产物重新被氧化的阳极过程 因此 一次三角波扫描完成一个还原过程和氧化过程的循环 故称为循环伏安法 两个峰电流值及其比值 两个峰电位值及其差值是循环伏安法中最为重要的参数 对于符合Nernst方程的可逆电极反应 在25 时 一 判断电化学反应可逆程度 二 电极过程产物鉴别循环伏安法不仅可发现 鉴定电极过程的中间产物 还可获得不少关于中间产物电化学及其它性质的信息 如由四个铁 四个五茂环和四个 氧化碳组成的金属有机化合物 将其溶于乙腈中 并作循环伏安图 得到三组峰 说明有三个氧化 还原过程 而且其产物均是稳定的 如对 氨基苯酚的电极反应过程 在第一次阳极扫描时电极附近溶液中只有对 氨基苯酚是电活性物质在电极上被氧化生成对 亚氨基苯醌 得峰1 E过程 电极反应产物对 亚氨基苯醌在电极附近溶液中 与水和氢离子发生化学反应 C过程 再 次阳极扫描时 对苯二酚被氧化为苯醌 形成峰4 而峰5与峰1过程相同 即对 氨基苯酚被氧化为对 亚氨基苯醌 三 电化学 化学偶联反应过程的研究 若均相化学反应发生在电极反应之前 称为前行反应 CE过程 若均相化学反应发生在电极反应之后 称为后行反应 EC过程 若电极反应的产物 经过一均相化学反应后 其化学反应产物又可在电极上发生反应 称为ECE过程 若化学反应的产物就是发生电极反应的物质 则称为催化反应 如对电极反应 A ne BB C设反应为一级 则对于组分A B分别有扩散方程 前行化学反应的电极过程 CE 由伏安曲线上看到 有两个阴极波 波 相应于经典极中的第一个波 Cd2 被还原 受化学反应的控制 波 相应于经典极谱中的第二个波 即cdX 的还原波 两波的产物都是金属镉并生成汞齐 波 为镉汞齐氧化的阳极波 受扩散控制 伏安曲线上没有与波 相应的阳极峰 说明了cdNTA 的还原必然是一不可逆的电子跃迁过程 对CE过程ipa ipc一般大于1 随后化学反应过程 EC过程 如二聚化反应 对EC过程ipa ipc一般小于1 平行化学反应 催化 过程 吸附过程 Ox ads ne Red ads 由于吸附状态更稳定 吸附态的Ox更难被还原 更易被氧化 还原峰电位负移 吸附态的Red更难被氧化 更易被还原 氧化峰电位正移 如Ox的吸附比Red强 则还原峰向负电位移动 出现在扩散波之后 因而形成后波 如Red的吸附比Ox强 则峰电位正移 形成前波 计时分析法 chronoanalysis 在电分析化学中 记录电流或电极电势等与时间的关系曲线的方法称为计时分析法 记录电流一时间的关系方法 称为计时电流法 记录电势一时间的关系方法 称为计时电势法 记录电量一时间关系的方法 称为计时库仑法 是研究电极过程和吸附的极好方法 计时电流法和计时库仑法计时电流法是一种控制电位的分析方法 电位是控制的对象 电流是被测定的对象 记录的是i t曲线 电位阶跃产生极限电流 对于平面电极的线性扩散 其极限扩散电流可用Cottrell方程式表示 如电位阶跃未达到极限电流 则 如对电流积分 单阶跃法电位阶跃 由还原波前选一电位变到远于还原波峰后的另一电位如反应物有吸附作用 总电量 其中 此法假设充电电量Qdl与电极电位和吸附无关 实际上 电极电位和吸附对Qdl是有影响的 双阶跃法 此法的电极电位由E1开始 而结束时也在E1 因此 电极电容的电量是不变 即实验开始与实验结束时Qdl是一样的 消除了电极电位和吸附对Qdl的影响 双阶跃计时电量法 仅适于反应物吸附而产物不吸附的体系 如产物也吸附 可采用的三阶跃汁时电量法 三电极体系 现代极谱方法 方波极谱是在直流极谱缓慢线性增加电压上 叠加一小振幅方波交流电压 振幅一般小于30mv 频率225 250Hz 测量方波电压后期通过电解他的交流电流而进行定性 定量分析的方法 脉冲极谱 在直流电压上 于滴汞电极每滴汞后期至加一频率较低 f 12 5Hz 的方波脉冲电压 测量脉冲电压后期的法拉第脉冲电流的极谱方法 称为脉冲极谱法 根据加脉冲电压的方式不同 常用的脉冲极谱可分为常规脉冲 NPP 和示差脉冲极谱 DPP 两种 在每滴汞上只加一频率为12 5Hz的脉冲电压 方波极谱中 方波电压的加入是连续的 如加入的方波电压频率为225Hz 则方波延续时间 即每半周的时间 为 1 225x1 2 2 2ms记录电流为1 3600s 0 3ms 而在脉冲极谱中 如加入的脉冲电压的频率为12 5Hz 则脉冲延续时间为 1 12 5x1 2 40ms比方波极谱的延续时间长10倍以上 溶出伏安法 ASV 溶出法分为阳极溶出法和阴极溶出法 溶出法通常包括电浓集和电溶出两个过程 它把恒电位电解和伏安法结合在同一个电极上进行 阴极溶出法的浓集过程是电氧化 其溶出过程是电还原 阳极溶出法的浓集过程是电还原 其溶出过程是电氧化 浓集过程要求电反应产物在电极表面形成汞齐或难溶物等以达到被测物的浓集效果 溶出电流通常在一定浓度范围内与被测物浓度成正比 工作电极悬汞电极 汞膜电极 镀汞电极等 流体动力学法 流体动力学法具有一些优点 首先 它的传质稳态达到比较快 测量值具高的精密度 其二 稳态时记录的电流不包含双层充电电流 其三 电极表面的传质速度远大于扩散速度 因此传质步骤对电极过程动力学的影响程度就小得多 传质受控 而不必依靠电极电位的迅速变化 旋转园盘电极 RDE 旋转环盘电极 RRDE 收集系数 生物电化学 核酸的电化学 核酸的碱基是电化学的活性部分 已知 在腺嘌呤分子内 嘌呤环的2号位和6号位从 1 0V附近就开始被还原 例如 活性部分是由氢键结合的DNA和作某种程度解旋的改性DNA 可以预料后者在电极上由于碱基容易接触 因而也容易发生还原 据此 可以评价DNA的改性程度 在DNA改性温度附近 核酸碱的电化学还原电流急剧增大 这些事实表明 在电化学上检测DNA因某种原因而引起的损伤是可能的 生物体系功能 神经细胞内信息传递是依靠神经细胞上的电化学脉冲作用 引起细胞膜电位变化 乌贼神经细胞 细胞膜对Na 和K 的渗透具有选择性 在静态下只有K 离子才能透过 因而膜内的K 离子浓度大 而Na 离子浓度小 致使膜内电位比外部的负 当细胞受到外界刺激时 Na 离子骤然流入细胞 使膜内外存在一个Na 离子的浓度差 从而引起细胞电位变正 膜电位 P表示选择性 受外界刺激前膜只有K 离子透过 则pK 1 pNa 0 膜受到外界刺激作用 则pK 0 pNa 1 对于Cl 离子渗透性可以看作P 0 细胞外溶液中的Na离子浓度约450mmol L K离子浓度约10mmol L细胞内溶液中的Na离子浓度约50mmol L K离子溶度约400mmol L 将这些数据代入公式 则静止状态下的膜电位为 电化学传感器传感器 接收器 Receptor 转换器 Transducer 生物传感器 Biosensor 将分析化学和生物学的技术及方法结合在一起 通常由一个高选择性的生物元件和一个物理换能器组成 电化学生物传感器则是由生物元件和电化学传感器组成 在生物传感器发展的初期阶段 主要是以酶作为催化剂制成电极 用于临床测定葡萄糖含量 目前 所用的特效性生物元件不仅包括各种酶 还包括多种抗原 抗体 微生物和动植物组织 MOS场效应管 离子敏场效应晶体管 ISFET 酶的固定化技术 物理包埋 胶体 如明胶和淀粉 或聚丙烯酰胺 导电聚合物 如聚苯胺 聚吡咯 聚噻吩等 中化学固化 双功能试剂 如戊二醛GA 直接联接到电极表面物理吸附化学联接活化 交联 修饰电极 电化学反应一般是在电极表面附近进行的 因此电极表面性能如何则是非常重要的因素 由于受电极材料种类的限制 如何改善现有电极的表面性能 使电极赋予所期望的性能 便成了电化学工作者研究的新课题共价键合 吸附 聚合等手段有目的地将具有功能性 如 催化 配合 电色 光电等 的物质引入电极表面 使电极赋予新的 特定功能的过程称为电极的化学修饰 所得到的电极称为化学修饰电极 目前 化学修饰电极在电催化 光电催化 电化学合成 电化学传感器 电色显示等各方面均有广泛的应用吸附型 共价键合型 聚合物型 无机物修饰型等 手性电极 将碳电极经氧化后得到的羧基上共价键合了旋光性的 S 一苯丙氨酸甲酯用此电极能成功地进行不对称电还原 得到光活性醇 若用 R 一苯丙氨酸甲酯进行有机物的还原时 所得产物的旋光性恰好相反 若电极不进行修饰直接做还原时 所得还原产物没有光活性 电极修饰方法 基体电极 各种半导体氧化物电极 进书电极 碳电极等预处理 含氧基的导入 氨基的导入 3 卤基的导入 4 预定功能团的导入 通常功能团的接着有两种方式 一种是通过硅烷化试剂键合 另一种是直接通过酯键 酰胺 酰氯等键合 草酸修饰电极 光谱电化学 光谱电化学是把光谱技术和电化学方法结合起来 在一个电解池内同时进行测量的一种方法 通常 以电化学为激发信号 而体系对电激发信号的响应则以光谱技术进行监测 用电化学方法容易控制调节物质的状态 能定量产生试剂等 而用光谱方法则有利于识别物质 这样 多种信息可同时就地获得 对于研究电极过程机理 电极表面特性 鉴定参与