2017第4章-电化学测定体系及装置

第5章电化学测定体系及装置•§3.1电化学三电极测定体系•§3.2电化学测定体系的组成§2.1三电极测定体系从半电池到三电极体系1)无法知道电极的电位2)可知两个电极之间的电位差,但无法知道电极在怎样的电位下发生怎样的反应3)可知研究电极的电位,但研究电极电位难以恒定4)可以在恒定电位下进行电化学反应并测量电流-电位之间的变化•恒电位仪的电位设定•三电极体系测定装置示意图§2.2电化学测定体系的组成一、三电极测定体系的构成要素、注意事项二、电化学测定体系的组成•电极：研究（工作）电极WE辅助电极CE参比电极RE典型电极及其前处理•电解池•电解液•盐桥•鲁金毛细管•搅拌•除气三、研究电极•在电化学测定中，最使人们感兴趣的是研究电极表面上所发生的反应，根据研究电极的功能可以按以下进行分类：（1）以研讨研究电极本身的化学特性为目的的研究电极，如电池用的锌负极，或者是光照后具有活性的半导体电极等。（2）以研究溶解于溶液中的化学物质，或者是从外部导入的某气体的电化学特性为目的的研究电极，即提供电化学反应场所的电极。•（1）中，因为研究的对象是电极，所以，只要把它作为电极，在适合的溶剂中进行测定即可。下面仅对属于（2）类型的研究电极加以介绍。•在（2）类的电极中，电极本身不发生溶解反应，叫做惰性电极。但惰性电极并不是电绝缘体。它指的是以铂和金为代表的，在测定电位区域里能稳定地工作的电极。•惰性电极的材料需具有以下性质（因为惰性电极以金属电极为主，所以在此仅列举适用于作惰性电极的金属特性）：（1）所研究的电化学反应不会因电极自身所发生的反应而受影响，并且能够在较大的电位区域中进行测定。（2）所使用的金属电极不会与溶剂或者支持电解质反应而使其分解。（3）电极表面均一，根据需要，有时还要求具有较大的表面积。（4）电极本身不易溶解或者生成氧化膜。（5）能够通过简单的方法进行表面净化。（6）电解合成时，金属电极表面对电化学反应具有催化作用，即富有表面活性的金属。研究电极的电位窗口•惰性电极在特定溶剂的电解液中自身不发生反应，并不使溶剂、支持电解质发生反应的电位区域范围。水溶液时可用电位—pH图•水的稳定区域：222HeH221222HOOHe1.230.059EpH0.059EpH•实际上氢还原电位还与金属材料相关高过电位金属中过电位金属低过电位金属Va5.1~0.1Va7.0~5.0Va3.0~1.0析氢过电位及其影响因素•在很宽的电流密度范围内有：jbalog（7.1）析氢过电位电流密度V14.0~1.0溶液组成、温度有关面状态、与金属材料的性质、表时的析氢过电位2/1cmAj•决定电位窗口的因素（1）+（2），（3），（4）是最容易发生的，（5）中的溶解氧会由于其自身容易被还原而产生还原电流，可通入氮气或氩气气除氧。•水溶液中Pt,Hg,C电极的电位窗口•几种有代表性的非水溶剂－支持电解质体系中，Pt电极电位窗口•典型研究电极及其特性典型电极有：铂、金、碳、汞、汞齐电极铂电极的电位窗口如4.8所示是相当宽的，这看起来似乎与图4.10的结论发生矛盾。实际上因为吸附反应只需要少量的电量，可以认为，在有吸附反应的电流流出的电位区域里，不会影响其它电极反应。•金电极：在pH为4～10的范围内氢过电压为0.4～0.5V，在阴极区域电位窗口比较宽是其特征之一。•但是，在HCl水溶液中，由于生成氯化物的络合物，从而发生阳极溶解。这种由于形成络合物而发生的阳极溶解在含有其它卤素离子或者CN-离子的水溶液中也会发生。金电极除了上述因形成络合物而溶解之外，另一个特点就是形成薄层氧化膜。•金电极与铂电极进行比较，其做为固体电极的最大缺点就是难以把金封入玻璃管中，即电极制作麻烦。443AuClAuCle•但金比铂更容易与汞形成汞齐。旋转圆盘电极分析法中经常使用金圆盘电极。也就是说，可以用金电极测定正电位－测的电化学反应，而相同形状的汞齐化的金电极则可以用于观测负电位一侧的还原反应，而相同形状的汞齐化的金电极则可以用于观测负电位一侧的还原现象。汞齐化电极的制作方法•大多数的金属可以做成汞齐，就电极材料而言有Au、Cu、Ag、Pt等等。•首先，应该用最好的办法将作为电极的这些金属表面洗干净.接着按图A所示把滤纸放入皿中，加上一滴干净的水银，把金属表面放在水银上面慢慢研磨。这样一部分水银会沾在金属表面上，一部分水银留在滤纸上。不停地研磨后就可以形成均一的汞齐。•不容易沾到金属表面时，可以将金属表面事先进行镀汞处理。其处理方法也很简单。在一小烧杯中放入水，溶入少量,选用适当的电极组成图B所示的干电池回路。用这个回路可进行镀汞处理。金属表面镀上薄层汞后，按图A的方法在滴汞滤纸上不停地研究，便可做成漂亮的汞齐。•研究电极的大小和形状电极的前处理•研究电极是否具有清洁的表面是电化学测定中最重要的问题。一旦电极表面沾附了杂质，将出现非目的性的电流。作循环扫描时电位峰将偏离理论值，常常得不到理想的实验数据。•以铂电极为例，电极表面前处理的一般方法可按以下顺充进行。（1）用小号砂纸将表面磨平滑。（2）用氧化铝研磨液磨成镜面。（3）用重铬酸混合液、热硝酸、王水等洗净（4）用水冲洗干净。（5）先在与测定用的电解液相同组成的溶液中做几遍电位扫描。•实际上，铂电极前处理时1～5的操作没有必要全部进行，只要做3～5的操作就已足够。•另外，因为有机物等一旦吸附在表面，将严重影响电极反应，所以除了要注意电极的前处理外，电解池的洗净以及电解液的纯度也要十分注意。例如，铂电极表面一旦吸附上有机物，氢吸附峰电流就减少，代之而产生新的电流峰。•此外使用铂线电极时也经常有人把铂线放在灯火焰上白热，得到再现性好、清洁的表面。电极的表面积•除了汞之外，电极表面积的正确求算实际上并不那么容易。因为表面粗糙度各异的电极表面定量化是很困难的。铂电极可以通过氢离子吸附峰的解析来求算表面积。而一般的电极则只能用表观电极尺寸来求算。•铂电极表面积的求法1）将研磨得相当平滑的铂电极保持静止状态，在扩散为控制步骤的电位区域内，恒电位电解1秒钟以上时，扩散层的厚度d[d=(Dt)1/2：D是扩散系数]将大于Pt电极表面的凹凸程度。这样得到的具有平滑表面的铂电极表面积可以直接用千分尺量取求算。2）但是，当我们研究某化学物质在电极表面的吸附时，必须更为精确地知道Pt电极的表面积。另外像铂黑那样具有多孔性且凹凸不平的电极也经常需要准确计算它们的表面积。具体计算方法有：（1）由氢原子吸附峰的电量求算•在H2SO4水溶液中进行循环扫描时，在+0.4～0.05V（vs.NHE）电位区域内将出现氢原子吸附峰，通过吸附峰的电量可以算出电极的表面积，但应扣去双电层的充电电量。该电量一般按120µC·cm-2计算。（2）用安倍计时法求算•对浓度、扩散系数、反应电子数为已知的电活性物质，在呈静止状态下的平板电极上进行恒电位阶跃电解。此时Cottrell方式成立：式中F：法拉第常数（96490C）；n:电子数；c:浓度[mol·cm-3]，D：扩散系数[cm2·s-1]；均为已知值。通过电流i[A]随时间t[s]的变化即可求出面积A[cm2]。一般在电解30秒后，取大约1秒钟左右的数据进行计算。•循环伏安法计算：在循环伏安法中，从电位扫描速度v变化时峰电流值的变化，求算出电极表面积。这个方法将在后面章节中详细介绍。1/2DinFAct辅助电极•一般要求辅助电极本身电阻小，并且不容易发生极化。不用恒电位仪的一般电解反应实验中，希望辅助电极的面积要比研究电极的面积大100倍以上，使得外部所加的极化主要作用于研究电极上。•辅助电极本身不影响研究电极的反应•需考虑电解池里电极的放置问题•一般情况下使用铂或者碳电极做辅助电极参比电极理想的参比电极必须具备如下性质：(1)电极表面的电极反应必须是可逆的，电解液中的某化学物质必须服从能斯特平衡电位工程式（也称Nernst效应）。(2)电极电位随时间的漂移小。(3)流过微小的电流时，电极电位能迅速恢复原状（不产生滞后现象）。(4)像Ag/AgCl那样的电极，要求固相不溶于电解液(5)当温度发生变化时，一定的温度能相应有一定的电位（没有温度的滞后）。常用的参比电极：•NHE、RHE•铂黑电极Pt•甘汞电极SCE铂黑电极的制作方法•用1～3%氯铂酸作电解液，在干净的铂平滑电极上镀铂处理后即得铂黑电极。具体方法如下：•把大约1g的H2PCl6溶解于30ml水中做成电解液。往电解液中添加大约10mg的醋酸铅（在铅共存下可更好地形成铂黑），放入待处理的平滑的铂电极和铂辅助电极，在大约30mA/cm2的电流密度下进行阴极化即电镀反应（Pt的电析反应）。电镀时间大约5～10分钟。电镀期间，要充分进行搅拌，防止氢气产生。阴极极化后进行阳极极化，再进行阴极极化。如此重复数次。•随着Pt电镀反应的进行可以看到Pt表面慢慢成黑色。电镀反应后，将铂黑电极水洗后放入0.1MH2SO4水溶液中进行与电镀反应同样的阴极极化和阳极极化处理，充分水洗后使用。铂黑电极不用时一定要放入蒸馏水中保存。•银/氯化银电极Ag/AgClAgCleAgClAg/AgCl电极的制作方法•为了在Ag线上镀上一层AgCl，一般先把Ag线用3MHNO3溶液浸没，水洗后在0.1MHCl溶液中进行阳极极化，例如在0.4mA·cm-2的电流密度下进行30分钟电解。•不用Ag线时，用Pt线或者Pt板作基板进行银的电镀也可以。甘汞电极•甘汞电极的反应：其电位与氯离子的浓度有关。当KCI达饱和浓度时，叫做饱和甘汞电极(SCE)。大家知道，甘汞电极具有各种各样的形状：22222HgCleHgCl==•用容量大约200mL试剂的试剂瓶可以简单地自行制作甘汞电极。•首先把Hg放入容器中，把甘汞(Hg2Cl2)和少量的Hg放入浮钵中研磨，将研磨成的Hg2Cl2－Hg混合物静置于Hg的表面上。•接着慢慢加入饱和KCl溶液，或者加入浓的KCl水溶盖满Hg2Cl2－Hg后，添加上KCl粉末。•引出导线的方法一般是让封入玻璃管的Pt线的一端和Hg接触。•如图所示那样，通过盐桥连接研究电极。•不同KCl浓度下的甘汞电极电位•饱和甘汞电极电位对温度也很敏感，它与温度具有如下的关系E＝0.2412－6.61×10-4（t-25）－1.75×10-6（t-25）2－9×10-10（t-25）3新做成饱和甘汞电极的电位较正•刚刚做成或者放久没有使用的参比电极，再使用时往往担心该参比电极的电位是否准确可靠。这种场合最好用另一个可靠的参比电极确认它的电极电位。用输入阻抗大的电位计按图A所示那样进行测定。同样的参比电极，电位差一般不超过±1mV。盐桥的制作方法•把3～4g的琼脂和30～40g的KCl放入大约100mL的水中，加热溶解，沸腾后放好。•用直径为5～6mm左右的玻璃管弯成如图所示的U型管。•把做好的琼脂溶液放置于小火上或者热水浴中微热后，如图所示那样把玻璃管的一端套上橡皮管，另一端放入微热后的琼脂溶液中，用口轻轻地吸入玻璃管中，到装满为止。•温度降低后，随着琼脂的凝固，溶于琼脂中的KCl将部分析出，玻璃管中出现白色的斑点。这种装有凝固了的琼脂溶液的玻璃管就叫做盐桥。液接法•当参比电极室和研究电极室相通，两室内电解液发生交换时，参与电极一侧的电解质将参与研究电极上的反应而使得参比电极室内发生浓度的变化（如饱和甘汞电极中KCl变成非饱和状态）。•因此在保证电流流通的基础上设计电解池时应尽量避免这种溶液交换的产生。电解液•电解液可以大致分成三类，即水、有机溶剂、熔融盐。作为有机溶剂应具有如下条件：•(1)可溶解足够量的支持电解质。•(2)具有足够使支持电解质离解的介电常数（一般希望在10以上）。•(3)常温下为液体，并且其蒸气压不大。•(4)粘性不能太大。•(5)毒性小。•(6)可以测定的电位范围（电位窗口）大。•(7)溶剂精制容易，特别是已有确定的除水方法。•(8)价格便宜，容易买到。支持电解质作为支持电解质的