仪器分析8 电分析化学导论

1、1第八章第八章 电分析化学导论电分析化学导论化学电池电极电位和液体接界电位电极的种类28-1 概述概述一、定义n根据物质在根据物质在溶液溶液中的中的电化学性质及其变化电化学性质及其变化来测定物质来测定物质组分含量组分含量的方法，称为电分析的方法，称为电分析化学法。化学法。n电分析化学是仪器分析的一个重要分支 仪器简单，应用广泛，发展迅速的一类方法。仪器简单，应用广泛，发展迅速的一类方法。3（1）根据）根据待测试液的浓度待测试液的浓度C与某一电参数与某一电参数之之间的关系求得分析结果。间的关系求得分析结果。电参数可以是电参数可以是电导电导、电位电位、电流电流、电量电量等等它包括：它包括：电导、电

2、导、电位电位、极谱、极谱、库仑分析法库仑分析法（2）通过测量）通过测量某一电参数的突变某一电参数的突变来指示滴定来指示滴定分析终点的方法，又称电滴定分析法。分析终点的方法，又称电滴定分析法。包括电导滴定、电位滴定、电流滴定等包括电导滴定、电位滴定、电流滴定等（3）通过电极反应，将）通过电极反应，将待测物转变为金属或待测物转变为金属或其它形式的氧化物其它形式的氧化物，然后用重量法测定含量，然后用重量法测定含量的方法。包括：电解分析法的方法。包括：电解分析法二、分类按其测量方式不同分类按其测量方式不同分类4三、特点n准确度高（库仑分析、电解分析有较高的准确性，甚至可测定原子量）n灵敏度高（电位分析

3、的检出限可达10-7 mol. L-1）n仪器设备简单、操作方便、价格便宜n选择性相对较差 （除离子选择性电极和极谱分析）（除极谱分析法外，一般用作定量分析）5 8-2 化学电池化学电池根据工作方式不同，化学电池分为：根据工作方式不同，化学电池分为： 原电池：原电池： 电解池：电解池： 电导池：电导池：研究化学电池中电解质溶液的研究化学电池中电解质溶液的导电特性，不考虑电化学反应的化学电池导电特性，不考虑电化学反应的化学电池化学能化学能 自发地自发地 电能电能电能电能 外电源外电源 化学能化学能化学电池6ZnCue -一一. 原电池原电池原电池：原电池：Zn 极极 阳极（负极）阳极（负极） Z

4、n = Zn2+2e- 氧化反应氧化反应Cu 极极 阴极（正极）阴极（正极） Cu2+2e- = Cu 还原反应还原反应电池反应电池反应 Zn+Cu2+ = Zn2+Cu 阳极阳极正极正极 阴极阴极负极负极78电解池：电解池：将将Zn极与电源的负极相连，极与电源的负极相连，Cu极与电源极与电源的正极相连，当外加电压略大于原电池电位时，的正极相连，当外加电压略大于原电池电位时，负极：负极：Zn极发生还原反应极发生还原反应 Zn2+2e- = Zn (阴极)正极：正极：Cu极发生氧化反应极发生氧化反应 Cu = Cu2+2e- (阳极) 电池反应 Zn2+Cu = Zn+Cu2+ 阳极阳极= =正

5、极正极 阴极阴极= =负极负极IIIIIIZnCu-+二二. 电解池电解池9n在电化学中，不论是原电池，还是电解池： 凡是发生氧化反应的为阳极 凡是发生还原反应的为阴极n 电极反应的总反应为电池反应 （正、负极是物理学上的分类，阴阳极是化学上常用的称呼） 约定：红筐中的内容约定：红筐中的内容需要记住！需要记住！10三三. 电池的表示方法电池的表示方法nIUPAC规定电池用图解表示式表示。规定如下：规定电池用图解表示式表示。规定如下： （1） 习惯上把负极写在左边，正极写在右边习惯上把负极写在左边，正极写在右边 （2） 电池组成的每一个接界面用电池组成的每一个接界面用“|”隔开。两种溶隔开。两种

6、溶液通过盐桥连接时，用液通过盐桥连接时，用“|”表示。表示。 （3） 电解质溶液位于电极之间，并应注明活度电解质溶液位于电极之间，并应注明活度(或浓或浓度度)。若有气体，应注明其分压、温度，若不注明，则。若有气体，应注明其分压、温度，若不注明，则指指25，101325Pan原电池的表示方法：原电池的表示方法： (-) Zn(s)|ZnSO4(a1)|CuSO4(a2)|Cu(s) (+)11(-) Zn(s)|ZnSO4(a1)|CuSO4(a2)|Cu(s) (+) n电池电动势：电池电动势： E电池电池= E右右- E左左 = + -nE电池电池为正值，表示电池反应能自发进行为正值，表示电

7、池反应能自发进行 原电池原电池nE电池电池为负值，表示电池反应不能自发进行为负值，表示电池反应不能自发进行 电解池电解池12 83 电极电位和液体接界电位一、电极电位一、电极电位主要是电极和溶液的相界面电位差主要是电极和溶液的相界面电位差 例：当锌片与含例：当锌片与含Zn2+溶液相接触时，溶液相接触时，电极上的电极上的Zn把电子留在把电子留在电极上成为离子电极上成为离子Zn2+进入溶液，进入溶液，Zn=Zn2+ +2e- ， 电子留在电电子留在电极上带负电，形成双电层。极上带负电，形成双电层。 Zn2+/Zn + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - -

8、- -活泼金属活泼金属13 + + + + +- - - - - - - - - - - -不活泼金属如：不活泼金属如：Cu电极电极溶液中溶液中Cu2+从金属电极上从金属电极上获得电子进入金属晶格中，获得电子进入金属晶格中，电极带正电，与溶液中过电极带正电，与溶液中过剩的阴离子的负电荷形成剩的阴离子的负电荷形成双电层双电层 Cu2+/Cu 14n电极电位绝对值无法测量，与标准电极组成原电池，通过测量电池电动势，求得各电极的电极电位1.标准电极电位n标准氢电极,通入H2的压力为101.325 kPa,酸溶液的a H+ =1mol . L-1, 在任何温度下,标准氢电极的电极电位等于零 H+ /

9、H2 = 0.000 Vn标准氢电极作负极，任意电极作正极组成原电池(-) Pt | H2 (pH2) | H+(a H+) | Mn+(aMn+) | M (+)15n标准氢电极与标准状态下的被测电极组成原电池 ,用电位计测原电池电动势 E = 正 - 负= (Mn+ / M) - ( H+ / H2) = (Mn+ / M) 为标准状态下的电极电位 为非标准状态下的电极电位,用能斯特方程计算162. 电极电位方程式n 能斯特方程dneOxRe)(Re)(lgdaOxas)(Re)(lndaOxanFRTnFRTS303. 2)(Re)(lg303.2daOxanFRT17n测定电极电位的三

10、个条件： 指示电极、参比电极、待测液 E = 正 - 负 E = 正 - 负18二. 液体的接界电位n当两个组成或浓度不同的电解质溶液相接触时，由于正负离子扩散速度不同，有微小的电位差产生液接电位或扩散电位。19举例：物质相同，浓度不同物质相同，浓度不同 浓度相同，物质不同浓度相同，物质不同0 . 1 m o l / L KCl+-+0.1mol/L HCl1mol/L HCl0 . 1 m o l / L HCl20 由于扩散速度不同产生的液接由于扩散速度不同产生的液接电位，可用盐桥来消除或减小到电位，可用盐桥来消除或减小到忽略不计忽略不计盐桥是盐桥是“连接连接”和和“隔离隔离”不同电不同电

11、解质的重要装置解质的重要装置21盐桥是一个盛满饱和盐桥是一个盛满饱和KCl溶液和溶液和3%琼脂的琼脂的U形形管，用盐桥将两溶液连接，饱和管，用盐桥将两溶液连接，饱和KCl溶液的浓度溶液的浓度很高（一般为很高（一般为3.54.2mol.L-1）.(1) 作用作用: 接通电路，消除或减小液接电位接通电路，消除或减小液接电位.(2) 使用条件使用条件 a.盐桥中电解质不含被测离子盐桥中电解质不含被测离子. b.电解质的正负离子的迁移速率应基本相等电解质的正负离子的迁移速率应基本相等. c.要保持盐桥内离子浓度的离子强度要保持盐桥内离子浓度的离子强度510倍于被测溶液。常用作盐桥的电解质有倍于被测溶液

12、。常用作盐桥的电解质有: KCl, NH4Cl, KNO3等等.22三、三、 极化与过电位极化与过电位n极化极化电流通过电极与溶液界面时，电流通过电极与溶液界面时，电极电位偏离平衡电位（即能斯特公式电极电位偏离平衡电位（即能斯特公式计算的电位）的现象计算的电位）的现象n电极电位与平衡电位之差称为过电位电极电位与平衡电位之差称为过电位 n一般阳极极化，电极电位更正，阴极极一般阳极极化，电极电位更正，阴极极化，电极电位更负。利用过电位化，电极电位更负。利用过电位 的大的大小评价电极的极化程度小评价电极的极化程度n极化产生的原因：极化产生的原因：浓差极化和电化学极浓差极化和电化学极化化231. 浓差

13、极化n电解过程中，电极表面附近溶液的浓度与主体溶液的浓度差别引起的。Mn+ 阴极：发生还原反应阴极：发生还原反应 电极反应电极反应 Mn+ + ne- = M Mn+ 阴极电位更负阴极电位更负阴极阴极)(lg05916. 0/nMMMMMannn24 阳极：发生氧化反应阳极：发生氧化反应 电极反应电极反应 M = Mn+ + ne- Mn+ 阳极电位更正阳极电位更正阳极阳极Mn+ )(lg05916. 0/nMMMMMannn25n电极表面与溶液主体间形成的浓度梯度引电极表面与溶液主体间形成的浓度梯度引起偏离平衡电位的现象起偏离平衡电位的现象n减小浓差极化的方法：减小浓差极化的方法：n增大电极

14、面积、减小电流密度、提高温度、增大电极面积、减小电流密度、提高温度、搅拌溶液等搅拌溶液等2. 电化学极化电化学极化电极反应速度慢引起的电极反应速度慢引起的n阴极反应：必须使阴极电位比平衡电位更阴极反应：必须使阴极电位比平衡电位更负一些，增加活化能使电极反应以一定速负一些，增加活化能使电极反应以一定速度进行度进行n阳极反应：必须使阳极电位比平衡电位更阳极反应：必须使阳极电位比平衡电位更正，电极反应才能进行正，电极反应才能进行26 8-4 电极的种类电极的种类一、按电极组成及反应机理分类一、按电极组成及反应机理分类n分为五类；分为五类；n前四类为金属基电极，在电极表面发生前四类为金属基电极，在电极

15、表面发生电子转移而产生电位电子转移而产生电位n第五类电极是由于离子交换和扩散产生第五类电极是由于离子交换和扩散产生的电极的电极271. 第一类电极n由金属浸入含有该金属离子的溶液组成n电极反应 ： Mn+ + ne- = M n25MM n+)(lg05916. 0/nMMMMMannn1. 第一类电极n由金属浸入含有该金属离子的溶液组成n电极反应 ： Mn+ + ne- = M n25)(lg05916. 0/nMMMMMannn28n这种电极只包括一个界面。这种电极只包括一个界面。n作用原理是：作用原理是：金属与该金属离子在该界面上发生可逆的金属与该金属离子在该界面上发生可逆的电子转移。电

16、子转移。n特点：其电极电位的变化能准确地反映特点：其电极电位的变化能准确地反映溶液中金属离子活度的变化。溶液中金属离子活度的变化。n第一类电极的电位仅与金属离子的活度第一类电极的电位仅与金属离子的活度有关。有关。29n如：Ag+/Ag组成的银电极，电极反应是： Ag+ + e- = Ag Ag Ag+ 电极电位仅与电极电位仅与Ag+活度有关，不活度有关，不但可用于测定但可用于测定Ag+活度，也可用于滴活度，也可用于滴定过程中由于沉淀或配位等反应而引定过程中由于沉淀或配位等反应而引起的起的Ag+活度变化的电位滴定测定活度变化的电位滴定测定)(lg05916. 0/AgaAgAgAgAg302.第

17、二类电极Ag-AgCl 特点：有二个相界面特点：有二个相界面,其电其电极电位随溶液中难溶盐的阴极电位随溶液中难溶盐的阴离子活度变化而变化。离子活度变化而变化。ClAgAgClAgAgClalg105916. 0/31银丝镀上一层银丝镀上一层AgClAgCl沉淀沉淀, ,浸在一定浓浸在一定浓度的度的KClKCl溶液中即溶液中即构成了银构成了银- -氯化银氯化银电极。电极。32例：甘汞电极 HgHg2Cl2Cl-n电极反应 Hg2Cl2+ 2e- = 2 Hg + 2Cl- n电极电位 （25） )(lg05916. 0/2222ClaHgClHgHgClHg 甘汞电极的电极电位取决于电极内参比溶

18、液中甘汞电极的电极电位取决于电极内参比溶液中的的Cl- ，当当Cl-一定，甘汞电极的电极电位恒定。一定，甘汞电极的电极电位恒定。33 甘甘 汞汞 电电 极极 结结 构构 图图343.第三类电极n由金属与两种具有相同阴离子的难溶盐或难解由金属与两种具有相同阴离子的难溶盐或难解离的配离子组成的电极体系离的配离子组成的电极体系 n如：汞如：汞-草酸亚汞草酸亚汞-草酸钙草酸钙-钙离子电极钙离子电极nHgHg2C2O4CaC2O4Ca2+n存在如下平衡：存在如下平衡：n Hg2C2O4Hg22+C2O42-n Hg22+ 2e- = 2Hgn Ca2+ + C2O42- = CaC2O4三式相加三式相加

19、Hg2C2O4+ Ca2+ + 2e- = 2Hg +CaC2O435n25时电极电位)(lg2059. 0)(lg2059. 0lg2059. 0lg2059. 0)(lg2059. 0lg2059. 0)(lg2059. 0)(lg2059. 0222124124122/22/22/2/2CaaKCaaKVKVOCaKVOCaKaVHgaVSPSPSPSPHgHgHgHgHgHgHgHgHg22+ 2e- = 2HgHg2C2O4Hg22+C2O42-Ca2+ + C2O42- = CaC2O436与前两类不同，惰性电极不参加电子得失，只转递电子与前两类不同，惰性电极不参加电子得失，只转递

20、电子4.零类电极电极反应 ：Fe3+ + e- = Fe2+ 由惰性金属与含有可溶性的氧化和还原由惰性金属与含有可溶性的氧化和还原物质的溶液组成的电极，称为零类电极。物质的溶液组成的电极，称为零类电极。 )()(lg05916. 023/2323FeaFeaVFeFeFeFe37小结n金属电极、金属金属电极、金属-金属难溶盐电极、零金属难溶盐电极、零类金属电极等，都属类金属电极等，都属金属基电极金属基电极。电极电极电位主要来源于电极表面的氧化还原反电位主要来源于电极表面的氧化还原反应。应。n由于这些电极受溶液中氧化剂、还原剂由于这些电极受溶液中氧化剂、还原剂等多种因素的影响，其选择性不高。等多

21、种因素的影响，其选择性不高。385. 膜电极膜电极n以薄膜为传感器，对溶液中某种离子有选择性响以薄膜为传感器，对溶液中某种离子有选择性响应，这种电极叫薄膜电极，又叫离子选择性电极。应，这种电极叫薄膜电极，又叫离子选择性电极。（具有敏感膜并能产生膜电位的电极）（具有敏感膜并能产生膜电位的电极）n这类电极与金属基电极有本质的区别：这类电极与金属基电极有本质的区别：金属电极有电子得失或电子转移金属电极有电子得失或电子转移 膜电极是以固体膜或液体膜为探头，其膜电膜电极是以固体膜或液体膜为探头，其膜电位是由于离子的交换或扩散而产生，其膜电位与位是由于离子的交换或扩散而产生，其膜电位与特定的离子活度的关系

22、符合能斯特公式。特定的离子活度的关系符合能斯特公式。离子选择性电极 （下章介绍）39二、按电极用途分类二、按电极用途分类1.指示电极和工作电极指示电极和工作电极n能反映溶液中能反映溶液中待测离子的活度或浓度的电极待测离子的活度或浓度的电极，在测试过程中，在测试过程中，溶液主体浓度不发生变化的溶液主体浓度不发生变化的电极称为指示电极电极称为指示电极。 例：电位分析中的离子选择性电极例：电位分析中的离子选择性电极n在测试过程中，有较大电流通过，在测试过程中，有较大电流通过，溶液的主溶液的主体浓度发生显著变化的电极称为工作电极体浓度发生显著变化的电极称为工作电极 例：电解分析和库仑分析中所用的例：电

23、解分析和库仑分析中所用的PtPt电极电极40 2.参比电极 在测量过程中，具有已知、恒定电位的电极称为参比电极。 甘汞电极甘汞电极是常用的参比电极，它的电极电位取决于氯离子活度，使用不同浓度的KCl溶液可以得到不同电极电位的甘汞电极)(lg05916. 0/2222ClaHgClHgHgClHg4125时甘汞电极的电极电位（对时甘汞电极的电极电位（对SHE）名称KCl溶液浓度电极电位E（v）0.1mol/L甘汞电极0.1mol/L+0.3337标准甘汞电极 (NCE)1.0 mol/L+0.2801饱和甘汞电极 （SCE）饱和溶液+0.2443423. 辅助电极或对电极辅助电极或对电极n辅助电极与工作电极构成电池，形成通路，辅助电极与工作电极构成电池，形成通路，提供电子传递的场所。提供电子传递的场所。n当通过电流很小时，一般由