第20章-伏安法(Voltammetry)要点.ppt

1、第20章 伏安法（Voltammetry),历史 1922 Heyrovsky创立，1959年获Nobel奖 1934 尤考维奇(Ilkovic) 扩散电流理论，定量 50年代：大发展，提出各种伏安技术 80年代：微电极，活体分析，在线分析 目前 广泛用于各种研究及测定中,极谱法和伏安法 根据电解过程中的电流-电位曲线进行分析的方法。 极谱法(polarography) 使用滴汞电极或其他表面周期性更新的液体电极作为工作电极 伏安法 使用表面不能更新的液体或固体电极作为工作电极 极化电极（工作电极） 面积很小，电解时电流密度很大，易于产生浓差极化，电位随外加电压的变化而变化的电极。 去极化电极

2、（参比电极） 面积很大，电解时电流密度很小，不易出现浓差极化，电极电位是恒定的电极。,极谱法,以控制电位的电解过程为基础,滴汞电极 (A dropping mercury electrode),id=il-ir,极限扩散电流,极限电流,残余电流,示波极谱仪,滴汞电极,极谱法的特点 适用范围广 氢在汞电极上的超电位高，负电位方向窗口较宽，但汞会被氧化，正电位窗口一般不能超过0.3 V。 汞滴重现性好 选择性好，可实现连续测定 注意：汞有毒，应严格遵守使用规则,极谱电流,组成：扩散电流 迁移电流 残余电流,尽量减小和消除,（极谱分析在静止的溶液中进行，不考虑对流引起的电流）,Fick第一定律：,平

3、面电极,x=0,x x+dx,扩散方向,Fick第二定律：,初始条件：t = 0, x = 0: CO = C*, CR = 0 边界条件：t 0, x = 0: CO= C , CR = C*- C t 0, x = : CO= C* , CR = 0,主体浓度,表面浓度,因此：,平面电极表面扩散电流,解上述方程得：,扩散层厚度,极限扩散电流平面电极的Cottrell方程,对于滴汞电极，其有效的扩散层厚度,经过理论推导，由于对流引起的滴汞电极上有效扩散层厚度比同面积的平面电极减小 ，导致滴汞电极上的电流比同面积的平面电极上的电流大 倍,滴汞电极上的扩散过程的3个特点：面积不断增长，具有对流，

4、再现性好,滴汞电极的极限扩散电流,平均极限扩散电流,尤考维奇（Ilkovi)方程式,电子转移数,电活性物在溶液中的扩散系数（cm2/s),汞流速度(mg/s),滴汞周期(s),电活性物的浓度(mmol/L),A,(1)毛细管特性m2/3t1/6 (2)温度 影响除n之外的各项 (3)电解液组成 影响扩散系数 在以上因素都恒定的条件下,极谱定量分析的基础,极谱波是否为扩散波的判据,汞柱高度,Ilkovi常数,影响扩散电流的因素,干扰电流及其消除方法 残余电流 电解电流 有电活性的杂质 电容电流（充电电流） 界面电双层的充电限制了直流极谱法的灵敏度 (10-5 mol/L) 消除：作图法扣除或仪器

5、的残余电流补偿装置抵消 迁移电流 离子在电场力作用下迁移 消除：加入大量的支持电解质 作为支持电解质的条件 在溶剂中有相当大的溶解度，使电解液具备足够的导电性 自身不参与电化学反应，不与体系中的其他成分发生反应，不影响界面双电层的变化,极谱极大 消除：极大抑制剂（表面活性物质） 氧波 溶解氧的还原 除氧：通入惰性气体（N2,Ar等） 化学方法 氢波 溶液中H+的还原 还原电位与溶液的pH有关 前波 共存物先于被测物在滴汞电极上还原 消除：分离或掩蔽 叠波 两电活性物的半波电位相差小于0.2 V 消除：改变物质的存在形态，增大半波电位之差 分离或掩蔽,可逆极谱波方程,根据能斯特方程,对于还原反应

6、：CO = C*, CR = 0 根据尤考维奇方程,k, k分别与D1/2, D 1/2成正比,当,时,半波电位 极谱定性分析的依据,对于氧化反应：CR = C*, CO = 0,若反应开始时： CO = C O*, CR = C R*,(id)a,(id)c,可逆极谱波的对数分析法,以为横坐标，以 为纵坐标作直线求n和1/2 25C时， 直线斜率是否等于（或近似等于）n/0.059 是判断极谱波是否可逆的依据,id,配合物离子的可逆极谱波方程,Mn+ + pL MLPn+ K (2),Mn+ + ne- +Hg M(Hg) , Eo (1),MLpn+ + ne- + Hg M(Hg) +

7、pL, Eco (3),假设：（1） 电极反应可逆 （2） 络合剂浓度很大，L0 = L,对于电极反应：,在电极表面，向电极表面扩散的是络合物，则： i = nFAkc ( MLpn+ - MLpn+ 0 ),主体浓度,表面浓度,在电极内部，金属向汞齐内部扩散，则： i = nFAkcM(Hg) 0,金属离子:,络合物:,金属离子形成络合物之后，半波电位向负的方向移动，据此可用于分离测定。,络合物的扩散系数,汞齐的扩散系数,极谱波的类型,电极过程受与电极反应偶合的化学反应速率控制,可逆波,前行动力波 随后动力波平行催化波 催化氢波,动力波,不可逆波,准可逆波,吸附波,扩散波,极谱法的发展,1.

8、 工作电极的发展 伏安法,悬汞电极,汞膜电极,惰性金属（铂、金等）,碳类（玻碳、石墨、热解石墨）,固体电极,旋转圆盘电极,2. 两电极系统发展为三电极系统,两电极系统 滴汞电极和参比电极 使用前提：产生的电流较小和回路的电阻也很小 则工作电极的电位完全受外加电压控制,三电极系统 回路的电阻较大或电解电流较大，IR降不能忽略，引入辅助电极，电流在工作电极和辅助电极之间流过，参比电极用来指示工作电极的电位，几乎无电流流过参比电极,3. 提高灵敏度 提高信噪比 伏安技术,电极,特征吸附的阴离子,溶剂化离子,电极-溶液双电层模型,(1) 极谱法的检测限为10-5 M,(2) 充电电流来源于双电层,Fa

9、raday电流与充电电流,t,i,极谱和伏安分析技术的发展,取样直流极谱 定时采样,(1) 检出限：10-6 M; (2) 没扣除充电电流,单扫描极谱法（示波极谱法） 在一滴汞上只加一次扫描电压 特点：方法快速；一般比直流极谱法的灵敏度高两个数量级；所得的极谱波呈峰形，分辨力较好。,单扫描极谱与经典极谱的比较,循环伏安法,(1) 可逆波,a.,b.,c.,iPc/iPa = 1,E,E,Randles-Sevcik equation:,ip = (2.69105) n3/2 A C D1/2 v1/2,(25C),(2) 准可逆波,(3) 不可逆波,Ep随v移动,(1) 检出限：10-6 M;

10、 (2) 没扣除充电电流,或无回扫峰,对于反应物吸附在电极上的可逆吸附波，理论上其循环伏安图上下左右对称，峰后电流降至基线，其峰电流可表示为： 式中是电活性物在电极上的吸附量，A为电极面积，为扫速。可见，峰电流与成正比，而不是扩散波中所见到的与 成正比。,方波极谱法,采样点,存在二个缺点: 不可逆体系灵敏度低 支持电解质浓度高,if,ic,测量电流,检出限：10-7 M,E,充电电流,法拉第交流电流,i,毛细管噪声电流的存在限制了灵敏度的进一步提高,脉冲（极谱）伏安法,常规,示差,检出限：10-8 M; (2)支持电解质浓度低,Faraday电流 if t-1/2 充电电流 ic e-t 毛细

11、管噪声电流 i t-n (n1/2),几种电化学方法,voltammetry,Square wave,交流（极谱）伏安法,研究电极表面吸附及双电层结构,计时电流法,i,C,计时库仑法,若有吸附:,溶出伏安法,先在电极上（汞滴）电解富集，再溶出，产生的电流提高103倍,电解富集 平衡 溶出,溶出伏安 + 示差脉冲技术，检出限：10-12 M, 能与无火焰原子吸收光谱法媲美,Multi-element Analysis,Cu2+,Cd2+,Pb2+,Cr3+,各种极谱方法灵敏度的比较,伏安法应用,定量分析 广泛用于无机和有机化合物的 测定，可进行40多种元素的定 量测定 电极过程动力学的研究：n,D,C,E0,ks 研究吸附现象 复杂电极反应的过程研究 药物分析 化学生物学,电 化 学 仪 器,电化学系统,作业 P569-570 9. 10. 11. 12. 13. 14,读书报告 对象：学