第五章极谱分析

第五章极谱分析捷克物理化学家海洛夫斯基1922年首先提出来的一种电化学分析方法（J.Heyrovsky，由于发明和发展极谱法，获1959年Nodel化学奖）。自1925年海洛夫斯基和方志益三制造出第一台笔录式极谱仪以来，至今已有76年的历史。这一时期中，极谱仪器和分析方法都有了显著的进步：在仪器上，从经典极谱发展到交流极谱、示波极谱、方波极谱、脉冲极谱等新的仪器品种；分析方法上，发展了极谱催化波、平行和H催化波、固定电极溶出法等新的方法。这些发展，使极谱分析的灵敏度和选择性不断提高，然而，自90年代以来，由于其它仪器技术的发展，使得其应用范围缩小。极谱分析分类极谱分析是一种利用可还原或可氧化物质在电解池中所产生的电流-电压曲线来进行分析的方法。根据阴极材料不同，极谱分析可以分为两类：一类用液态电极（如滴汞电极）作指示电极，电极表面可以周期性自动更新，称为极谱法；另一类则用固态电极或面积固定的电极（如悬汞电极、石墨电极、金盘电极）作指示电极，电极表面不能周期自动更新，称为伏安法。5.1特殊条件下的电解分析电解分析：以左图所示的电解池为例，假设还原离子为Cd2+，当外加电解电压达到Cd2+的分解电压时，它就会在阴极上还原称为金属Cd，反应结束后，称量Cd的重量即可求得溶液中离子得浓度。为了使加快分析速度采用3种方法：扩大阴极表面、加大电解电流、搅拌。Cd2+特殊条件下的电解分析在电解分析中，如果让阳极接地，则外加电压全部落到阴极上，此时阴极电压又叫阴极电位。电解分析对离子的选择性在于，不同离子具有不同的还原电位，若控制电解电压不变，只有还原电位等于阴极电位的才能在阴极上还原，因此这种方法的选择性好，是制备纯金属的经典方法。电极分析的局限性在于：称量误差影响测定的灵敏度，以万分之一的天平为例，若希望测定误差小于1%，100ml溶液中至少要含10mg金属离子，当待测离子是铜(63.54)，可算出该测定的最低浓度为(10×100/63.54)=1.57×10-3mol/L，可见对低浓度溶液用电解分析是不适宜的。特殊条件下的电解分析此外在电解分析中，人们还发现外加电解电压往往大于理论电解电压，使得电解效率降低。I阴极电位-V离子还原电位理论曲线实际曲线=RTnFlnCd2+CdO+=RTnFlnCd2+O+Cd2++2e+HgCd（Hg）按照欧姆定律，电解池电阻一定时，电压与电流呈正比。现象-极化-为什么？特殊条件下的电解分析研究发现导致电压电流偏离理论值（极化或过电位或超电压）的原因有2个，一是溶液本体中的离子来不及迁移到阴极上还原，导致电流下降；二是离子虽然到达了阴极表面，但是由于阴极材料的电化学性质不能及时还原。人们把前者叫作浓差极化（与浓度有关），后者叫作电化学极化（与电极性质有关）。当浓差极化程度达到电流不随外加电压增加而上升时，称为完全极化，此时的电流值叫作极限扩散电流。极化现象导致原电池的输出电压降低，电解池的电解电压升高。为了减轻极化对电解的影响，工业上采用去极剂减轻电化学极化，利用搅拌减少浓差极化，以提高电解效率，节约生产能耗。特殊条件下的电解分析显然，浓差极化隐含着：随着外加电解电压增加至电解电流下降（产生浓差极化）时的某一点电流值与浓度有关，浓度越高到达浓差极化的电流越大。海洛夫斯基认识到浓差极化隐含的定量分析意义，从加剧浓差极化、选择适宜的阴极材料入手，提出了极谱分析方法。如何加剧浓差极化呢？1.不搅拌，静止条件下电解；2.减小阴极表面，增加电流密度。特殊条件下的电解分析为什么要选择适宜的阴极材料呢？这与电化学极化有关。由于不同离子的还原电位不同，如果溶液中含有的大量氢离子在其它离子还原之前还原，即使大幅度提高电解电压也不会产生浓差极化。因此，只有想办法找到一种阴极材料因此，只有想办法找到一种阴极材料，它能够使氢离子的还原电位移动到大多数待测离子之后还原，这样就不会影响这些离子的测定了。I阴极电位-VC1xC2xC3xC4xC5x特殊条件下的电解分析选择什么阴极材料适宜呢？阴极材料（对H+）过电位（V，A=0.01/cm）Pt0.068Cu0.581Hg1.10Zn0.746Pb1.090以上数据反映，用Hg作为阴极材料最好，它不仅对氢的过电位大，而且本身是液体，可以作成自动更新的液体电极，避免还原物质滞留在电极中。特殊条件下的电解分析极限电流测量系统示意玻璃毛细管参比电极铂电极金属汞塑料软管IVM。电位器电动机+特殊条件下的电解分析——极谱分析（伏安分析）电解电压接地电位阴极电位=？经典极谱图5.2几个术语离子在阴极上的析出顺序：还原电位越正的离子越先还原，离子在阴极上还原析出与汞形成合金，称为该金属的汞齐，如铜汞齐、银汞齐等。由于还原析出，故又把离子在滴汞电极上的还原电位称为析出电位。在相同溶液介质中，不同离子析出电位是不同的。id阴极电位-V12idI极谱图中电流震荡源自滴汞周期的冲放电电流，半波电位与离子还原特性有关，是极谱定性的依据。残余电流主要来自前还原物质，如水和试剂中的杂质。半波电位几个术语可逆波：电解电压或电极反应过程符合能斯特方程、无明显过电位的极谱波。电极反应速度快，波形跨度小。极谱波上任一点的电流都受扩散速度控制。不可逆波波则与可逆波相反。-Ed.e0id12id可逆波不可逆波13241.还原波2.氧化波3.综合波还原氧化还原波:待测离子在极谱阴极上还原所产生的极谱波。氧化波：待测离子在极谱阴极上氧化所产生的极谱波。几个术语若工作电极作阴极，则阴极的最正的电位为析出电位，正离子析出，或称还原电位；0-Ed.e12还原氧化工作电极作阴极工作电极作阳极分解电压指电解池中电极上产生明显、迅速和连续不断的电极反应时，所需要的最小外加电压。此时工作电极的电位叫做析出电位。若工作电极作阳极，则阳极的最负的电位为析出电位，负离子析出，又称氧化电位。可逆波与不可逆波的特点特点可逆波不可逆波过电位无有电极反应速度快慢扩散速度慢快波形跨度小，约0.1V大，约0.3～0.4VNernst公式适用不能简单套用一般，简单金属离子还原为金属并生成该金属的汞齐属于可逆波，如Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+等。化合物中离子间的重组常为不可逆波，如VO3-（偏矾酸根）+e+4H+V02+（氧矾二价离子）+2H2OO2+2H++2eH2O2（-0.05v）H2O2+2H++2e2H2O（-0.90v）不可逆波_氧波干扰溶液中溶解氧含量越高，干扰电流就越大。但是由于氧波的形成是电化学极化的结果，因此相同浓度条件下，如果阴极电位变化较快，氧波的还原电流就会减小。氧波的危害是作为不可逆波占去极谱分析的“黄金区段”，使其它离子的测定不能顺利进行。消除方法是从待测溶液中驱除氧，可采用以下方法。-Ed.eid-0.05-0.90不可逆波_氧波干扰由于可逆波上任何一点电流大小都受扩散速度的影响，波形好。故是最受欢迎的波形。不可逆波虽也可用于分析，但效果较差，不受欢迎。不过，两者的划分也不是绝对的，有的不可逆波在改变底液（改变测定介质）时，也可变为可逆波；反之，亦然。5.3扩散电流方程经典极谱的极限扩散电流与待测离子浓度的关系，可以用尤考维奇（Ilkovic）方程来描述。Id=607nD1/2m2/3t1/6平均极限扩散电流电子转移数扩散系数汞质量流速待测离子在滴汞电极上还原的浓度由上式可见，影响扩散系数的因素，如离子强度、离子淌度、温度、溶液粘度等；影响滴汞电极流速、汞滴大小、汞滴切向运动等毛细管特性和汞柱高度等因数都会影响扩散电流。经典极谱中，电压扫描范围约1-2伏/10分钟，约7秒1滴汞，一次测定约消耗100-150滴汞。经典极谱图的局限性经典极谱中，每滴汞周期的电解电压变化约几个毫伏，电压变化小，又称为恒电位极谱。每滴汞的生成与滴落导致的冲放电电流，称为充电电流或电容电流，其数值相当于10-5mol/L离子还原产生的电流，因此影响了经典极谱对微量或痕量组分的测定。经典极谱分析耗时长，每个样品一般需要10分钟；消耗的汞也多。分辨率较低，要求相邻离子半波电位相差100mv;每滴汞上的电位变化缓慢，使得不可逆波有足够的时间还原产生极谱波，干扰测定，如氧波。5.4干扰电流及其消除_残余电流残余电流及其扣除主要来自电容电流，杂质的影响可纯化试剂和分析用水解决。讲解电容电流的极性、大小变化规律。仪器改进与减少电容电流的关系。待测离子还原电位到达之前，电解池中通过的微小电流叫作残余电流。干扰电流及其消除_迁移电流迁移电流及消除实际测得电流包括待测离子的还原电流和待测离子在电场下的迁移电流，为了减少待测离子在电场下的迁移电流，减少测定误差，借助加入大量非测定离子（支持电解质），而测定离子的浓度远低欲非测定离子，这样待测离子在迁移电流中所占份额就可以忽略不计。当电解池外加电压时形成电场，即使没有电解反应发生，由于电场库仑引力作用，溶液中离子定向移动所产生的电流，叫作迁移电流。干扰电流及其消除_极谱极大极谱极大及其消除产生原因是由于电极表面附近溶液出现切向流动。使到达电极表面的离子突然增加，可加入明胶或动物胶消除，同时应注意电极末端的平整。干扰电流及其消除_氧波去除氧波可以选择以下方法之一：1.通入惰性气体，常用氮气。2.在中性或碱性溶液中，加入亚硫酸钠除氧，反应为2SO32-+O22SO42-但在酸性溶液中，不宜用它除氧，因为SO3-也会出波。3.在强酸性溶液中，加入Na2CO3产生CO2，或加入铁粉产生H2，可除氧。4.在酸性溶液中，加入抗坏血酸也能达到良好的除氧目的。干扰电流及其消除_氢波虽然通过选择汞作为阴极，可以把氢离子的还原电位移动到多数离子的还原电位之后，使氢离子在酸性溶液中的还原电位约达-1.2V，但是还会影响与它的还原电位相近或更负的离子的测定，如锌和碱金属离子，它们的还原电位均小于-1.1V。因此对这些离子的测定，必须保证试液的pH处于碱性（氨水调节），才能进行。干扰电流及其消除_前波干扰极谱分析中，大量存在的还原电位较负的物质还原产生的电流太大而导致后还原物质的电流受到屏蔽的现象叫作前波干扰。通过调节待测溶液的化学环境使得前后还原物质的半波电位相差拉大可以部分解决，若干扰太大，必须进行分离或放弃测定。用于调节待测溶液化学环境的试剂组成称为底液，其选择尚无理论指导，只有采用已经公认的底液。5.5经典极谱的特点与主要问题1.灵敏度较高，10-2-10-5mol/L；2.相对误差较小（在仪器分析方法中）；3.分析速度较快，在适宜的条件下，可以同时测定多种离子；4.分析需要试样较少，一般几ml；5.同一试样可以多次测定（电流0.1mv）；6.可以测定各种形态的有机、无机离子。主要问题：电容电流限制灵敏度进一步提高。5.6极谱催化波极谱催化波的形成必须借助一种或几种试剂，能使得待测离子的还原与氧化别同步进行，相同数量的还原离子被还原产生电流后，还原产物被吸附在阴极表面，又被氧化为离子进入容易，循环参入还原，这样相当于提高了还原离子的浓度，使得测定电流倍增，大幅度提高灵敏度。甚至可达10-9-10-11mol/L。A++ne¯B（电极反应）B+XA++Z（化学反应）氧化剂被消耗被吸附在电极表面5.7单扫描示波极谱如何减小电容电流的影响？首先要了解电容电流的产生、大小、电流方向？滴汞周期汞滴表面积由小到大电流变化率由大到小idid汞滴表面积变化充电电流的方向极谱分析中，甘汞电极接地电位是人为规定的，但是甘汞电极本身的电位约0.24v，而不是“0”电位，因此在不外加电压时，通过外电路，会把这一正电位加到阴极上，并随着外加电压的变化，叠加到阴极上。如果外加电压从正向负方向变化，而初始正电位大于甘汞电极电位，则阴极电位也会出现从正向负的变化，充电电流也会出现从负向正的变化。0+I0-Ed.e0.60.200.40.81.2-E外加单扫描示波极谱汞滴表面积由小到大，意味着汞滴与溶液的接触界面也由小变大，总电容量随之由小变大。但是在一滴汞的形成过程中，表面积的变化率是开始大，然后慢慢减小，故电容量的