伏安法和极谱法(周老师.ppt

22 31 42 第10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principleandprocesspolarography二 扩散电流理论theoryofdiffusioncurrent三 干扰电流与抑制interferencecurrentandelimination polarographyandVoltammetry principleandprocesspolarography 22 31 42 一 极谱分析的原理与过程principleandprocesspolarography 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 22 31 42 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 22 31 42 极谱分析过程和极谱波 Pb2 10 3mol L 电压由0 2V逐渐增加到0 7V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 22 31 42 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 22 31 42 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 22 31 42 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 22 31 42 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 22 31 42 二 扩散电流理论theoryofdiffusioncurrent 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 22 31 42 id 平均 706nD1 2m2 3t1 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 3t1 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 22 31 42 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 K c 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 22 31 42 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 22 31 42 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 c a滴汞电极表面上形成的汞齐浓度 c M可还原离子在滴汞电极表面的浓度 a M活度系数 22 31 42 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 E1 2称之为半波电位 极谱定性的依据 22 31 42 三 干扰电流与抑制interferencecurrentandelimination 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 7A的数量级 相当于10 5 10 6mol L的被测物质产生的扩散电流 22 31 42 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 22 31 42 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 22 31 42 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qualitativemethodsofpolarography二 极谱定量方法quantitativemethodsofpolarography三 极谱滴定polarographictitration四 极谱分析应用applicationsofpolarography qualitativequantitativemethodsandapplicationsofpolarography polarographyandVoltammetry 22 31 42 一 极谱定性方法qualitativemethodsofpolarography 在1mol LKCl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 22 31 42 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 22 31 42 二 极谱定量分析方法quantitativemethodsofpolarography 依据公式 id Kc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 22 31 42 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 22 31 42 三 极谱滴定法 伏安滴定法 polarographictitration 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 22 31 42 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 22 31 42 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 22 31 42 四 经典直流极谱法的应用applicationsofpolarography 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 22 31 42 经典直流极谱的缺点 1 速度慢一般的分析过程需要5 15分钟 这是由于滴汞周期需要保持在2 5秒 电压扫描速度一般为5 15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 4 10 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 22 31 42 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singlesweeppolarography二 交流极谱alternating currentpolarography三 方波极谱square wavepolarography四 脉冲极谱pulsepolarography五 交流示波极谱alternating currentoscillopolargraph polarographyandvoltammetry modifiedpolarographictechnology 22 31 42 一 单扫描极谱分析法singlesweeppolarography 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 22 31 42 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b c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i E曲线 需要满足一定的条件 22 31 42 3 形成i E曲线的条件 1 汞滴面积必须恒定At 8 49 10 3m2 3t2 3dA dt 5 7 10 3m2 3t 1 3t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 22 31 42 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 7A 相当于10 5mol的物质产生的电流 22 31 42 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 69 105n3 2D1 2V1 2m2 3tp2 3c Kc峰电位 峰电位与电极反应中转移的电子数有关 25 C 22 31 42 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40 80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40mV可分辨 经典极谱法中 E1 2 200mV才能分辨 22 31 42 二 交流极谱分析ADpolarography 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 50Hz 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 22 31 42 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 22 31 42 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40mV可分辨 3 氧的干扰小 22 31 43 三 方波极谱分析square wavepolarography1 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 8mol L 比交流极谱高2个数量级 2 前波影响小 22 31 43 四 脉冲极谱分析pulsepolarography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 80ms 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 9mol L 22 31 43 五 交流示波极谱分析alternating currentoscillopolargraph 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 22 31 43 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 4mm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 22 31 43 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principleandprocess二 影响溶出峰电流的因素factorsinfluencedpeakcurrent三 操作条件的选择choiceofoperatingconditions四 定量方法quantitativemethods五 溶出伏安法的应用applicationsofstrippingvoltammetry polarographyandvoltammetry princ