第8章电化学分析法导论

第8章电化学分析法导论(ChapterIntroductiontoElectrochemicalAnalysis)（2学时）教学目的和要求：1.了解电化学分析法的概念及分类。2.了解电化学分析中常用的电极和分类。3.熟悉自发电池和电解池。4.掌握电极电位的计算方法。5.了解扩散电位（液接电位和盐桥的作用）。6.了解电解现象。7.掌握分解电压、析出电位、过电压过电位的概念。8.学会析出电位和分解电压的计算。教学要点和所涵盖的知识点：电化学分析法的概念及分类；常用的电极和分类，自发电池和电解池；电极电位的计算方法，扩散电位（液接电位和盐桥的作用）；电解现象（分解电压、析出电位、过电压、过电位）。重点和难点：电解现象（分解电压、析出电位、过电压、过电位）。一定义和内容（一）定义电化学分析法也称为电分析化学，尽管存在不同意见，一些著名学者还是提出了大多数人可接受的定义。50年代，I.M.Kolthoff提出：ElectroanalyticalChemistryastheapplicationofelectrochemistrytoanalyticalchemistry。80年代，由于分析化学的快速发展，电分析化学的内容的扩充和更新，这一定义不能准确适应，J.A.Plambeck修正了这一定义：Electroanalyticalchemistryisthatbranchofchemicalanalysisthatemployselectrochemicalmethodstoobtaininformationrelatedtotheamounts,properties,andenvironmentsofchemicalspecies.在我国早期引用Kolthoff的定义。80年代后，提出的中文定义为：“依据电化学和分析化学的原理及实验测量技术来获取物质的质和量及状态信息的一门科学。”（二）内容概括为：成分分析和形态分析；动力学和机理分析；表面和界面分析等方面的内容。现有方法约200种。在科学研究、工农业生产，几乎处处都有电分析方法的应用。（三）按电极反应本质分类（IUPAC建议方法）。（1）既无双电层，也无电极反应。电导法，电导滴定法等。（2）有双电层无电极反应。微分电容，非法拉第法等。（3）有电极反应。A．电解电流=0B．电解电流≠0这类方法,IUPAC建议，划分成三类（1）施加恒定激发信号，（2）施加可变的大振幅激发信号，（3）施加小振幅度激发信号。第二节化学电池一．原电池负极Zn＝Zn2+＋2e-(发生氧化反应)正极Cu2+＋2e-＝Cu（发生还原反应）总反应Zn＋Cu2+=Zn2+＋Cu自发地将化学能转变成电能两个条件:1.反应物中的氧化剂和还原剂须分隔开来，不能使其直接接触；2.电子由还原剂传递给氧化剂要通过溶液之外的导线（外电路）发生氧化反应的电极称为阳极，发生还原反应的电极称为阴极。电极的正和负是由两电极二者相比较，正者正，负者为负。也就是说，阳极不一定是正极，负极也不一定是阴极。二、电解池阴极Zn2+＋2e-=Zn阳极Cu＝Cu2+＋2e-总反应：Zn2+＋Cu＝Cu2+＋Zn将外电源接到Cu—Zn原电池上，如果外电源的电压稍大于Cu－Zn原电池的电动势，且方向相时，则外电路电子流动方向只能按外电源的极性而定。此时，两极的电极反应与原电池的情况恰恰相反。三.电池的表示方法原电池原电池Zn|ZnSO4(xmol/L)||CuSO4(ymol/L)|Cu电解池Cu|CuSO4(ymol/L)||ZnSO4(xmol/L)|Zn电池电动势E电池=φ右-φ左写电池式的规则：（1）左边电极进行氧化反应，右边电极进行还原反应。（2）电极的两相界面和不相混的两种溶液之间的界面、都用单竖线“︱”表示。当两种溶液通过盐桥连接时，已消除液接电位时，则用双竖线“‖”表示。（3）电解质位于两电极之间。（4）气体或均相电极反应，反应本身不能直接作电极，要用惰性材料作电极，以传导电流，在表示图中要指出何种电极材料（如Pt,Au,c等）。（5）电池中的溶液应注明浓（活）度，如有气体则应注明压力，温度，若不注明系指摄氏25oC和1大气压。第三节电极电位与液体接界电位一、电极电位(一)定义:一个化学电池包括有各种物质相的接触，如固体—溶液、溶液—溶液、固体—固体、溶液—气体等。在两相接触的界面上，它们的性质与相内是不同的。无论是哪种相间的接触，在它们的界面上都存在着电位差。两不同物相间的电位差，称为电极电位。(二)电极电位的产生1带电质点在两相间的转移2某些阳离于或阴离子在相界面附近的某一相内选择性吸附。3不带电的偶极质点（如有机极性分子和小偶极子）在界面附近的定向吸附.(三)标准电极电位在298.15K时，以水为溶剂，当氧化态和还原态的活度等于1时的电极电位称为：标准电极电位。二、液体接界电位(一)液接电位的形成当两个不同种类或不同浓度的溶液直接接触时，由于浓度梯度或离子扩散使离子在相界面上产生迁移。当这种迁移速率不同时会产生电位差或称产生了液接电位。(二)液接电位的消除——盐桥(Saltbridge)盐桥的制作：加入3%琼脂于饱和KCl溶液(4.2M)，加热混合均匀，注入到U形管中，冷却成凝胶，两端以多孔沙芯(porousplug)密封防止电解质溶液间的虹吸而发生反应，但仍形成电池回路。由于K+和Cl-离子的迁移或扩散速率相当，因而液接电位很小。通常为12mV。（1）作用接通电路，消除或减小液接电位。（2）使用条件a.盐桥中电解质不含有被测离子。b.电解质的正负离子的迁移率应该基本相等。c.要保持盐桥内离子浓度的离子强度5～10倍于被测溶液。常用作盐桥的电解质有：KCl，，KNO3等。试液‖KCl（饱和～4mol/L）︱Hg2Cl2，Hg三、极化和过电位（一）浓差极化发生电极反应时，电极表面附近溶液浓度与主体溶液浓度不同所产生的现象称为极化。如库仑分析中的两支Pt电极、滴汞电极都产生极化，是极化电极。(在阴极附近，阳离子被快速还原，而主体溶液阳离子来不及扩散到电极附近，阴极电位比可逆电位更负；在阳极附近，电极被氧化或溶解，离子来不及离开，阳极电位比可逆电位更正)可通过增大电极面积，减小电流密度，提高溶液温度，加速搅拌来减小浓差极化。(二)电化学极化主要由电极反应动力学因素决定。由于分步进行的反应速度由最慢的反应所决定，即克服活化能要求外加电压比可逆电动势更大反应才能发生。(在阴极，应使阴极电位更负；在阳极应使阳极电位更正)。电化学极化是由于电极反应的速度较慢而引起的。很多电极反应不仅包括有电子转移过程，还有一系列化学反应的过程。如果其中某一步过程的速度较慢，就限制总的电极反应的速度。在电化学极化的情况下，流过电极的电流受电极反应的速度限制，而在浓差极化时，电流是受传质过程的速度所限制。第四节电极的种类指示电极：电极电位随被测电活性物质活度变化的电极。以金属为基体，共同特点是电极上有电子交换发生的氧化还原反应。可分为以下四种：(一)第一类电极(Electrodeofthefirstkind)：亦称金属基电极(MMn+)电极反应：电极电位：要求：0(Mn+/M)0,如Cu,Ag,Hg等；其它元素，如Zn,Cd,In,Tl,Sn,虽然它们的电极电位较负，因氢在这些电极上的超电位较大，仍可做一些金属离子的指示电极。特点：因下列原因，此类电极用作指示电极并不广泛a)选择性差，既对本身阳离子响应，亦对其它阳离子响应；b)许多这类电极只能在碱性或中性溶液中使用，因为酸可使其溶解；c)电极易被氧化，使用时必须同时对溶液作脱气处理d)一些“硬”金属，如Fe,Cr,Co,Ni。其电极电位的重现性差；e)pM-aMn+作图，所得斜率与理论值(-0.059/n)相差很大、且难以预测；较常用的金属基电极有：Ag/Ag+、Hg/Hg22+(中性溶液)；Cu/Cu2+、Zn/Zn2+、Cd/Cd2+、Bi/Bi3+、Tl/Tl+、Pb/Pb2+(溶液要作脱气处理)。(二)第二类电极：亦称金属-难溶盐电极（MMXn）电极反应：电极电位：nnMMMoazlg0592.0/MneMnnXMneMXnnnXMX,sp0M0MM0)a(Klgz0592.0algz0592.0aalgz0592.0nnn此类电极可作为一些与电极离子产生难溶盐或稳定配合物的阴离子的指示电极;如对Cl-响应的Ag/AgCl和Hg/Hg2Cl2电极，对Y4-响应的Hg/HgY(可在待测EDTA试液中加入少量HgY)电极。但该类电极最为重要的应用是作参比电极。(三)第三类电极：M(MX+NX+N+)其中MX，NX是难溶化合物或难离解配合物。举例如下。•Ag/Ag2C2O4,CaC2O4,Ca2+电极反应：Ag2C2O4+2e==2Ag++C2O42-电极电位：因为：代入前式得：简化上式得：可见该类电极可指示Ca2+活度的变化。对于难离解的配合物，如Hg/HgY,CaY,Ca2+电极电极反应：HgY2-+2e===Hg+Y4-电极电位：式中比值aHgY/aCaY可视为常数，因此得到：Ag0algz0592.021OcOCAg,spAg]aK[a242422242242CaOCaC,spOCaKa242422CaOCaC,spOCAg,sp0alg20592.0KKlg20592.02Ca'0alg20592.022Ca'0CaCaYHgYHgY,fCaY,f0alg20592.0alg20592.0aalg20592.0KKlg20592.02Ca'0alg20592.0同上例，该电极可用于指示Ca2+活度的变化(测定时，可在试液中加入少量HgY)。(四)零类电极(Metallicredoxindicators)：亦称惰性电极。电极本身不发生氧化还原反应，只提供电子交换场所。如Pt/Fe3+,Fe2+电极,Pt/Ce4+,Ce3+电极等。电极反应：Fe3++e===Fe2+电极电位：可见Pt未参加电极反应，只提供Fe3+及Fe2+之间电子交换场所。(五)膜电极具有敏感膜并能产生膜电位的电极,称为膜电极,它以固体膜或液体膜为探头,其膜电位是由于离子交换或扩散而产生,而没有电子转移,其膜电位与特定的离子活度的关系式符合能斯特公式二根据电极所起的作用分类(一)指示电极和工作电极在电化学测试过程中,溶液主体浓度不发生变化的电极,称为指示电极.如果有较大电流通过,溶液的主体浓度发生显著的变化的电极,称为工作电极.电位分析法中离子选择性电极为指示电极,在电解分析和库仑分析中所用的铂电极为工作电极.(二)参比电极定义：与被测物质无关、电位已知且稳定，提供测量电位参考的电极，称为参比电极。前述标准氢电极可用作测量标准电极电位的参比电极。但因该种电极制作麻烦、使用过程中要使用氢气，因此，在实际测量中，常用其它参比电极来代替。1、甘汞电极(Calomelelectrode)定义：甘汞电极由汞、Hg2Cl2和已知浓度(0.1,3.5,4.6M)的KCl溶液组成。电极组成：HgHg2Cl2,KCl(xM);如下图所示电极反应：Hg2Cl2(s)+2e==2Hg(l)+2Cl-电极电位：23FeFe0aalg0592.0Cl'02ClClHg,sp0Hg02HgHg0alg059.0)a(Klg059.0alg2059.0aalg2059.0222222可见，电极电位与Cl-的活度或浓度有关。当Cl-浓度不同时，可得到具有不同电极电位的参比电极。(注意：饱和甘汞电极指KCl浓度为4.6M)特点：a)制作简单、应用广泛；b)使用温度较低(40oC)。但受温度影响较大。(当T从20oC25oC时，饱和甘汞电极位从0.2479V2444V,E=0.0035V);c)当温度改变时，电极电位平衡时间较长；d)Hg(II)可与一些离子产生反应