化学实验报告——循环伏安法测乙酰氨基酚.doc

循环伏安法测乙酰氨基酚一、 实验目的和要求1、 采用循环伏安法测定小儿泰诺糖浆中对乙酰氨基酚的浓度；2、 学习用循环伏安法研究乙酰氨基酚的电化学氧化机理的方法。二、 实验内容和原理伏安分析法是一定电位下测量系统的电流，得到伏安特性曲线，根据伏安特性曲线进行定性定量分析的一种电化学方法。物质的结构不同导致其氧化还原电位不同，这是伏安分析法定性分析的基础。流过电极的电子数=参与反应的离子数离子价态，i 反应物的数量反应物的浓度，这是伏安分析法定量分析的依据。时间-电压曲线：电流-电压曲线：电极上所加电位称为激励信号。如果电位激励信号为线性，则所获得的电流响应与电位的关系称为线性伏安扫描；如果电位激励信号是三角波信号，所获得的电流响应与电位激励信号的关系称为循环伏安扫描。循环扫描时，扫描电压呈等腰三角形。如果前半部扫描(电压上升部分)为化合物在电极上被氧化的阳极过程，则后半部扫描(电压下降部分)为还原产物重新被还原的阴极过程。因此一次三角波扫描完成一个氧化过程和还原过程的循环，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。阳极扫描峰值电位Eap与阴极扫描峰值电位Ecp的差值(Ep)可以用来检测电极反应是否是能斯特反应。当一个电极反应的Ep接近2.3RT/nF(59/n mV，25)，以及氧化峰与还原峰电流值之比接近于1时，可以判断该反应为能斯特反应，即可逆反应。当电极反应不可逆时，氧化峰与还原峰的峰值电位差值相距较大，相距越大，不可逆程度越大。氧化峰电流与还原峰电流值的差距也反映了电极反应的可逆性。一般地，利用不可逆波来获取电化学动力学的一些参数，如电子传递系数以及电极反应速率常数k，电化学反应中的质子参与情况以及电催化问题等。循环伏安法可以测定电活性物质的浓度，能够提供较多的有关电活性物质与电极表面发生电子转移的信息量，是研究电化学反应机理的最佳手段之一。乙酰氨基酚(APAP)是许多抗感冒药物中的主要成分之一，其主要作用是抑制前列腺素的合成而产生解热镇痛的作用。本实验采用循环伏安法测定小儿泰诺糖浆中乙酰氨基酚的浓度，并通过该手段证实APAP在电极表面的氧化机理。APAP的氧化机理可通过下图所示的反应过程表示：图a：乙酰氨基酚在电极表面的反应机理 I 1 II 2 III 3 IV 4 V APAP NAPQI上述机理可通过在循环伏安法实验中改变底液的pH及扫描速率来加以证实。在pH=6的缓冲溶液中，APAP可以在电极表面被迅速氧化，每分子APAP在电化学氧化过程中失去2个电子和2个质子生成产物N-乙酰-对醌胺(NAPQI)，如上图的步骤1。由于H+参与电化学氧化，因此APAP的氧化峰电位应随溶液pH的变化而变化。在溶液pH不小于6的情况下，NAPQI能稳定地以去质子化的形式存在于溶液中。因而在该pH范围内，APAP的循环伏安图中应只出现一个氧化峰，没有还原峰。该氧化峰的高度在一定条件下与APAP的浓度呈线性关系，这也是循环伏安法定量分析乙酰氨基酚的依据。在酸性条件下(如pH=2)，NAPQI很容易被质子化产生物质III，该物质不太稳定，但具有电活性，只要扫描速率足够快，能在循环伏安图中观察到一个还原峰。物质III能较迅速地转化成为物质IV，该物质在实验所采用的电位范围内不具有电活性。因而如果电位扫描速率较慢，则不能观察到物质III的还原峰。在极高酸度的溶液中，物质IV可转化成苯醌(物质V)，所以在极高酸度条件下，在循环伏安图中可以观察到一个苯醌的还原峰。三、 主要仪器设备仪器CH21840B电化学分析仪(上海辰华仪器公司出产)；三电极系统电解池；玻碳电极；铂辅助电极；Ag|AgCl参比电极。试剂离子强度为0.5，pH=2.2和pH=6.0的Mcllvaine缓冲液；1.8mol/L硫酸溶液；30mmol/L对乙酰氨基酚溶液；小儿泰诺糖浆；去离子水。四、 操作方法和实验步骤1、 各配制50mL底液分别为pH=2.2、pH=6.0的Mcllvaine缓冲液及1.8mol/L硫酸的3mmol/LAPAP溶液，及1.8 mol/L硫酸的空白溶液。2、 装上三电极系统，将电极引线分别接入循环伏安仪，并接上记录仪等。3、 将底液分别为pH=2.2、pH=6.0的Mcllvaine缓冲液及1.8mol/L硫酸的3mmol/LAPAP溶液以250mV/S 的速率做循环伏安扫描，然后将底液为1.8mol/L硫酸的3mmol/LAPAP溶液以250mV/S、190 mV/S、140 mV/S、90 mV/S、40 mV/S的速率做循环伏安扫描，记录循环伏安图，观察在不同pH下的氧化峰及还原峰情况，证实实验原理中提出的APAP的电化学氧化机理。(每次扫描前用1.8 mol/L硫酸的空白溶液检测玻碳电极是否打磨干净。)五、 实验结果与分析1、 讨论V1/2对主氧化峰ip的影响：由扫描速率的平方根对ip作图，并拟合成ip=A+B* V1/2，并显示r2值。数据表如下：扫描速率V4090140190250扫描速率平方根V1/26.3259.48711.83213.78415.811氧化峰ip-6.613-9.856-9.750-13.090-15.930ip = -0.458*10-5-0.925*10-5*V1/2，R = 0.922从图上可知，氧化峰ip与扫描速率的平方根基本成负比例的线性关系。2、 讨论pH对主氧化峰Ep的影响pH6.02.2强酸介质主氧化峰Ep0.6730.7790.785由上表可知主氧化峰Ep随pH的降低而升高。3、 分别讨论三介质中的电化学反应机理pH=6.0：氧化峰和还原峰都很明显，两峰电流之比为，两峰电位之差为，故为可逆过程。pH=2.2：看不出还原峰，反应不可逆。强酸介质：又有了微弱的还原峰，经分析为苯醌的还原反应所致。六、 思考题1、 如何通过实验方法证实图a中步骤1中，APAP的电化学氧化为失去两个电子和两个氢离子的反应？答： 底液pH越高，氧化峰电位越低。2、 实验研究APAP的电化学氧化机理时，为什么要变换电极扫描速率？答：在酸性条件下(如pH=2)，NAPQI很容易被质子化产生物质III，该物质不太稳定，但具有电活性，只要扫描速率足够快，能在循环伏安图中观察到一个还原峰。物质III能较迅速地转化成为物质IV，该物质在实验所采用的电位范围内不具有电活性。因而如果电位扫描速率较慢，则不能观察到物质III的还原峰。3、 测定式样中的APAP浓度时采用了标准曲线法，用该方法测定是否会存在基体效应？如果存在，用什么定量方法更好？答：用该方法测定会存在基体效应。标准加入法。4、 循环伏安法用于电化学反应机理研究和定量分析时，哪方面更具有优势？为什么？答：用于电化学反应机理研究更具有优势。因为定量分析这个方法并非最佳选择，但用于电化学反应机理研究它的作用却是不可取代的。5、 如果试样中APAP的浓度很低，用哪种伏安分析法更合适？答：溶出伏安法。6、 伏安分析法测定试样中的APAP时，有可能会遇到哪些干扰S？答：玻碳电极没有充分打磨干净等。 七、 讨论、心得1、 实验操作注意点(1) 每做完一个循环伏安扫描后都要仔细打磨电极，防止电极表面状态不同造成干扰，每次打磨后用1.8 mol/L硫酸的空白溶液进行扫描，检测玻碳电极是否打磨干净。(2) 注意各电极的接口不要碰在一起，防止发生短路。2、 相关知识(1) 三电极化学池三电极化学池结构示意图：三电极是指：a. 工作电极(W) ：用来发生所需要的电化学反应或响应激发信号，在测量过程中溶液本体浓度发生变化的体系的电极，如电解分析中的阴极等。常用的材料有：铂、金、汞、碳(玻璃碳、石墨、普通碳)、金属氧化物等。b. 辅助电极(U)或对电极：在电化学分析或研究工作中，常常使用三电极系统，除了工作电极，参比电极外，还需第三支电极，此电极所发生的电化学反应并非测示或研究所需要的，电极仅作为电子传递的场所以便和工作电极组成电流回路。多用铂丝、铂网等制作。c. 参比电极(R)：用来提供标准电位，电位不随测量体系的组分及浓度变化而变化的电极。这种电极必须有较好的可逆性、重现性和稳定性。常用的参比电极有SHE、Ag/AgCl、Hg/Hg2Cl2电极，尤以甘汞电极(SCE)使用得最多。在本实验中，仪器输出的电信号加到工作电极和对电极上，被研究的物质在工作电极上发生电化学反应。辅助电极与工作电极连成通路，且发生的反应与工作电极相反，反应的电流通过工作电极和对电极。参比电极用于稳定工作电极的电位并确定电流-电势曲线中的峰电位、半波电位等。(2) 关于极化a. 去极化电极：在电化学测量中，电极电位不随外加电压的变化而变化，或当电极电位改变很小时所产生的电流改变很大的电极。在本实验中，参比电极为去极化电极。b. 极化电极：在电化学测量中，电极电位随外加电压的变化而变化，或当电极电位改变很大时所产生的电流改变很小的电极。极化电极被极化时，电极电位将偏离平衡体系的电位，偏离值称为过电位。在本实验中，玻碳电极为极化电极。c. 产生极化的原因浓差极化：可逆且