伏安與極譜分析法

第九章伏安與極譜分析法

通過測量電解過程中所得到的電流-電壓或電位-時間曲線來確定電解液中所含被測離子濃度的電化學(xué)方法伏安和極譜分析法概述

極譜分析法自1922年Heyrovsky創(chuàng)建

1959年，Heyrovsky獲諾貝爾獎，在捷克有個極譜研究所，他去逝后，更名為物化研究所。

長春應(yīng)化所汪爾康，Heyrovsky的研究生，極譜上很有實力Prof.JaroslavHeyrovskyandhispolarographicapparatus電解池大面積工作電極對電極待測稀溶液（攪拌）{電解池小面積工作電極參比電極待測稀溶液（靜止測定）{電解與庫倫分析伏安與極譜分析（特殊條件下電解）極化電極極化電極去極化電極懸汞電極石墨電極鉑電極伏安分析極譜分析滴汞電極分類1、基本裝置

可變電壓

檢流計

電解池SCE參比電極DME工作電極待測液一、直流極譜法概述鉑絲貯汞瓶塑料管毛細(xì)管內(nèi)徑0.05mm

滴汞電極參比電極面積大電流密度小去極化電極工作電極面積小電流密度大極化電極2、極譜波的形成電解液:10-3mol/LCdCl2+1mol/LKNO3iCd2+的極譜圖iridiabcde1）殘余電流部分a~b段滴汞電極反應(yīng):2）電解開始階段(b點)甘汞電極反應(yīng):iCd2+的極譜圖iridiabcde3）電流急劇上升階段(b~d段)極譜定量分析的基礎(chǔ)iCd2+的極譜圖iridiabcde3、極譜法特點1）適用范圍廣2）可測定組分含量的范圍寬3）準(zhǔn)確的高，重現(xiàn)性好4）選擇性好，可實現(xiàn)連續(xù)測定二、極譜法的基本原理1、工作電極的電壓完全受外加電壓的控制2極譜電流完全受擴散的控制i:擴散電流c:溶液中的離子濃度cs:電極表面的離子濃度δ:擴散層厚度極譜定量分析關(guān)系式iCd2+的極譜圖iridiabcde3、濃差極化現(xiàn)象建立的條件

一般需具有下列條件：（1）極化電極的表面積要小；電極反應(yīng)快（2）被測定物質(zhì)的濃度要低；（3）溶液不攪拌。4、極限電流，包含殘余電流（ir），遷移電流（im），極限擴散電流（id）。5、

半波電位（

1/2），即擴散電流為極限擴散電流一半時的滴汞電極的電位。當(dāng)溶液的組分和溫度一定時，每一種物質(zhì)的半波電位是一定的，不隨其濃度的變化而有所改變，可作為定性的依據(jù)。6、極譜圖所以呈鋸齒形的振蕩，是由于使用滴汞電極時，汞滴作周期性的滴落，引起電流起伏波動所致。

i(mA)Ede(vs.SCE)VPolarographicwavesofdifferentconcentrationsofCd2+[Cd2+]：in1MKClsolution7、滴汞電極作為工作電極特點：滴汞的表面在不斷更新，經(jīng)常保持潔凈，故分析的重現(xiàn)性很高；多數(shù)金屬可以與汞生成汞齊而不沉積在電極表面；氫在汞電極上的過電位很高，在酸性介質(zhì)中滴汞電極電位可負(fù)于V（對SCE）為，尚不致發(fā)生還原的干擾作用；當(dāng)用滴汞電極作為陽極時，因汞本身會被氧化，所以電位一般不能正于V(對SCE）。三、擴散電流方程式1、尤考維奇方程式其中it—極限擴散電流(A)；n—電子轉(zhuǎn)移數(shù)

D—擴散系數(shù)(cm2/s)；q—汞滴流量(mg/s)t—測量時，汞滴周期時間(s)；c—待測物濃度(mmol/L)。平均極限擴散電流id：即為擴散電流方程式，亦稱尤考維奇方程式。

2、影響擴散電流的主要因素1）毛細(xì)管特性(qm2/3t1/6)的影響h:汞柱高度可用于檢驗電極反應(yīng)是否受擴散速度控制qm=K1Pt=K2/Pqm2/3t1/6毛細(xì)管常數(shù)2）溫度的影響擴散電流的溫度系數(shù)％·℃-1

3）滴汞電極電位的影響4）溶液組成的影響0~1V之間qm2/3t1/6變化不大，可忽略5)電活性物質(zhì)濃度

若C太大，不易形成擴散層，∴非線性若C太小，電流太小加電壓大其它雜質(zhì)還原，非線性一般極譜，C：10-3----10-5mol/L，

單掃描、溶出伏安、脈沖等：10-7～10-12mol/L滴汞周期：一般每滴汞3－5s太快，攪動溶液，太慢，指針變化太大四、干擾電流及其消除方法1、殘余電流1電解電流溶劑或試劑中的微量雜質(zhì)(Fe3+,Cu2+)、溶解氧在滴汞電極上發(fā)生還原反應(yīng)。1純化試劑2預(yù)電解3通氮除氧產(chǎn)生原因消除方法零電荷電位2充電電流（電容電流）

充電電流的檢驗實驗0.1mol·L-1KCl的充電電流曲線實驗裝置圖充電電流來源于滴汞電極與溶液界面上雙電層的充電過程

對充電電流的解釋滴汞電極的雙電層充電電流:~10-7A≈?jǐn)U散電流(10-5mol·L-1)限制了普通極譜法的靈敏度1)作圖扣除2)脈沖極譜充電電流的影響消除方法（二）

遷移電流產(chǎn)生原因:電極與被分析離子間的靜電力推動被分析離子向電極遷移或離開電極。消除方法：加入支持電解質(zhì)Zn2+idim（三）

極譜極大極譜極大φi消除方法:加少量的表面活性物質(zhì)（極大抑制劑）如明膠、聚乙烯醇、曲通X100等產(chǎn)生原因：汞滴表面電荷分布不均勻表面張力不均勻汞滴切向運動（四）

氧波第一個波:φ1/2(vs.SCE)O2+2H++2e→H2O2(酸性溶液)O2+2H2O+2e→H2O2+2OH-(中性或堿性溶液)第二個波:φ1/2

=-0.9V(vs.SCE)H2O2

+2H++2e→2H2O(酸性溶液)H2O2+2e→+2OH-(中性或堿性溶液)空氣飽和溶液（8mg/L)完全除氧溶液0.1mol·L-1KCl的極譜圖消除氧波的方法通入惰性氣體

H2，N2，CO2（僅適于酸性介質(zhì)）2)化學(xué)法除氧

Na2SO3(堿性或中性溶液)抗壞血酸(弱酸性溶液)

Na2CO3或Fe粉

(強酸性溶液)（五）

氫波、疊波及前波1氫波中性或堿性溶液中測定氫波消除方法2疊波X和Y的極譜波相互重疊，產(chǎn)生干擾利用化學(xué)反應(yīng)改變X或Y的存在形式或化學(xué)分離消除方法3前波iA>>iB,B的極譜波被A掩蓋A干擾組分B待測組分+酸性溶液掩蔽或分離前波組分消除方法例:Cu2+，F(xiàn)e3+易產(chǎn)生前波干擾；堿性溶液五極譜定量分析方法1底液的選擇底液支持電解質(zhì)極大抑制劑除氧劑其它試劑1)校準(zhǔn)曲線法不同濃度Cd2+的極譜圖校準(zhǔn)曲線三切線法測量波高2定量分析方法2)標(biāo)準(zhǔn)加入法極譜分析法的特點10-5~10-2mol/L，靈敏度不高，但采用近代極譜方法和新技術(shù)，如極譜催化波法、溶出伏安法、單掃描極譜法、脈沖極譜法等，可提高靈敏度至10-7~10-10mol/L.2.在合適的條件下，可以在一份試液中同時測定幾個元素。3.由于通過溶液的電流很小，試液的濃度基本上沒有變化，因此溶液可重復(fù)多次進(jìn)行分析。(一)按電極反應(yīng)的可逆性區(qū)分:可逆波與不可逆波可逆波不可逆波只由擴散過程控制的極譜波既受擴散速度控制，又受電極反應(yīng)速度控制的極譜波六、極譜波的類型及特征（二）按電極反應(yīng)的氧化或還原過程區(qū)分1.還原波（陰極波）

O+ne=R如：Ti4++e=Ti3+2.氧化波（陽極波）

R-ne=O如Ti3+-e=Ti4+

可逆波，同一物質(zhì)在相同的底液條件下，其還原波與氧化波的半波電位相同，例如在飽和酒石酸底液中，鈦產(chǎn)生可逆的極譜波。-1鹽酸底液中，鈦的極譜波不可逆。12

1/2

1/2

-3-ii可逆波(酒石酸或檸檬酸中)不可逆波(稀鹽酸中)Ti4++e=Ti3+Ti3+-e=Ti4+VVV鈦的可逆和不可逆氧化還原波極譜還原波方程極譜氧化波方程(三）極譜波方程式（四）極譜波方程的應(yīng)用1極譜波對數(shù)分析和半波電位的測定判斷電極反應(yīng)是否可逆Tl+的極譜波及對數(shù)分析圖例：某金屬離子在2mol/L鹽酸介質(zhì)中還原而產(chǎn)生極譜波。在25℃時，測得其平均極限擴散電流為4.25μA，測得不同電位時的平均擴散電流值如下表所示：E(V)(對SCE)平均擴散電流(μA)-0.432-0.443-0.455-0.462-0.472-0.4830.561.031.902.543.193.74試求：n；(2)；(3)電極反應(yīng)的可逆性解：id=4.25μAE(V)(對SCE)平均擴散電流(μA)

-0.432-0.443-0.455-0.462-0.472-0.4830.561.031.902.543.193.74-0.82-0.50-0.090.170.480.87(2)由圖可得，關(guān)系良好，電極反應(yīng)可逆。（五）涉及其它因素的極譜波

在電極反應(yīng)過程中同時還受某些化學(xué)反應(yīng)速度所控制的極譜波稱為動力波。根據(jù)有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的情況，可以將其分為三種類型：

（l）化學(xué)反應(yīng)先行于電極反應(yīng)A===BC（化學(xué)反應(yīng)）B+ne→CE（電極反應(yīng)）（2）化學(xué)反應(yīng)平行于電極反應(yīng)A＋ne→BE（電極反應(yīng)）B＋C==AC（化學(xué)反應(yīng)）（3）化學(xué)反應(yīng)后行于電極反應(yīng)A＋ne→BE（電極反應(yīng)）B===CC（化學(xué)反應(yīng)） 化學(xué)反應(yīng)前行于電極反應(yīng)的，稱為前行動力波；化學(xué)反應(yīng)隨后于電極反應(yīng)的，稱為隨后動力波；化學(xué)反應(yīng)平行于電極反應(yīng)的，稱為平行動力波．

平行動力波（極譜催化波）

注意：在整個反應(yīng)中，物質(zhì)Ｏ的濃度實際上沒有變化，消耗的是物質(zhì)Ｚ。在這里，物質(zhì)Ｏ相當(dāng)于一種催化劑，由于它的存在，催化了Ｚ的還原。這樣產(chǎn)生的電流稱為催化電流。催化電流與催化劑Ｏ的濃度成正比，可用來測定物質(zhì)Ｏ的含量。

比較典型實例是Fe3+和H2O2體系的極譜波：

Fe3++e-Fe2+

2Fe2++H2O2＝2Fe3++2OH-

K在滴汞電極上，這一類型的催化電流方程為：

當(dāng)物質(zhì)Ｚ的濃度一定時，催化電流與物質(zhì)Ｏ的濃度成正比。這是定量測定物質(zhì)Ｏ的根據(jù) 催化電流的大小，主要取決于化學(xué)反應(yīng)的速度常數(shù)k值，k值愈大，化學(xué)反應(yīng)的速度愈快，催化電流也愈大，方法的靈敏度就愈高。

催化電流的大小與汞柱高度無關(guān).

七極譜分析新技術(shù)和伏安分析法

經(jīng)典直流極譜的缺點

(1)速度慢一般的分析過程需要5～15分鐘。獲得一條極譜曲線一般需要幾十滴到一百多滴汞。(2)方法靈敏度較低檢測下限一般在10-4～10-5mol/L范圍內(nèi)。這主要是受干擾(主要是充電電流)電流的影響所致。

如何對經(jīng)典直流極譜法進(jìn)行改進(jìn)？改進(jìn)的途徑？發(fā)展方向{提高靈敏度提高分辨率單掃描極譜循環(huán)伏安脈沖極譜催化極譜絡(luò)合物吸附波溶出伏安改進(jìn)和發(fā)展極譜儀器提高信號強度一單掃描極譜法單掃描示波極譜儀的基本電路（一）裝置及工作原理示波器顯示電壓和電流信號大小。掃描電壓電解池單掃描示波極譜工作方式原理和分析過程（1）快速掃描時，汞滴附近的待測物質(zhì)瞬間被還原，產(chǎn)生較大的電流，圖中b-c段；（2）來不及形成擴散平衡，電流下降，圖中

c-d段；（3）形成擴散平衡,電流穩(wěn)定,擴散控制,圖中

d-e段；（二）峰電流的性質(zhì)1極譜波呈尖峰狀單掃描極譜圖可逆不可逆v:電壓掃描速率(V·s-1)

2極譜波理論探討1）峰電流2）峰電位氧化波還原波可逆電極反應(yīng)：（三）單掃描極譜法特點1測量速度快。2靈敏度較高(可逆波檢出限可達(dá)10-7mol·L-1)。3分辨率高4前放電物質(zhì)干擾小5不可逆波峰電流小。可逆不可逆直流極譜圖單掃描極譜圖可逆不可逆二循環(huán)伏安法(一)原理循環(huán)伏安法與單掃描極譜法不同在于：

極化電壓不同工作電極不同循環(huán)伏安法是用固定靜止的固態(tài)或液態(tài)電極，如懸汞、汞膜電極或鉑、玻璃石墨電極等。極化曲線不同：循環(huán)伏安法由于雙向掃描，所以極譜圖為雙向的循環(huán)伏安曲線電壓掃描方式

循環(huán)伏安圖1.電極過程可逆性的判斷(二)應(yīng)用可逆電極過程準(zhǔn)可逆電極過程不可逆電極過程循環(huán)伏安圖可逆波：峰電位不隨電壓掃描速度變化準(zhǔn)可逆過程：峰電位隨電壓掃描速度的增加而變化，陰極峰變負(fù)，陽極峰變正。視電極反應(yīng)性質(zhì)不同：不可逆過程：反掃時不出現(xiàn)陽極峰，當(dāng)v增加時，

Epc明顯變負(fù)，但ipc仍與v1/2呈正比。2.電極反應(yīng)機理的判斷對-氨基苯酚的循環(huán)伏安圖對-亞氨基苯醌苯醌對苯二酚三、方波極譜和脈沖極譜法（一）方波極譜法

方波極譜法是在直流極譜法緩慢掃描的直流電壓上，疊加一個低頻（225～250Hz）、小振幅（≤50mv）的方波形電壓，然后測量每一個方波電壓改變方向前一瞬間通過電解池的交變電流成分，同樣得到峰形的極譜波。

方波極譜法的靈敏度比較高，檢測限可達(dá)10-7-10-8mol/L。記錄的電流信號有較大的信噪比。電流電壓曲線呈峰形，分辨率比較高。

對于不可逆的電極反應(yīng)，峰較寬且低，靈敏度和分辨率都不高

脈沖極譜是在汞滴生長的后期即將滴下之前的很短時間間隔中,施加一個矩形的脈沖電壓，記錄脈沖電解電流與電位的關(guān)系曲線。

按照施加脈沖電壓及記錄電解電流的的方式不同。脈沖極譜法可分為常規(guī)脈沖極譜和微分（示差）脈沖極譜兩種。

（二）脈沖極譜法常規(guī)脈沖極譜法振幅△E:2~100mV脈沖持續(xù)時間:40~80ms峰電位隨電壓掃描速度的增加而變化，這樣產(chǎn)生的電流稱為催化電流。第九章伏安與極譜分析法●不可逆電極反應(yīng)：檢出限可達(dá)10-6-10-7mol·L-1例:Cu2+，F(xiàn)e3+易產(chǎn)生前波干擾；H2O2+2e→+2OH-(中性或堿性溶液)汞滴表面積及體積與峰電流還有以下關(guān)系比較典型實例是Fe3+和H2O2體系的極譜波：獲得一條極譜曲線一般需要幾十滴到一百多滴汞。-1鹽酸底液中，鈦的極譜波不可逆。若C太大，不易形成擴散層，∴非線性10-7-10-8mol/LR-ne=O如Ti3+-e=Ti4+比較（1）（2）式可得2.微分（示差）脈沖極譜 等振幅ΔE為5～100mv、持續(xù)時間為40～80ms的矩形脈沖電壓 在脈沖加入前20ms和脈沖終止前20ms內(nèi)測量電流，而記錄的是這兩次測量的電流差值Δi，能很好地扣除因直流電壓引起的背景電流。微分脈沖極譜的極譜波是對稱的峰狀.（三）特點

1

靈敏度高●可逆電極反應(yīng)：檢出限可達(dá)10-8

mol·L-1●不可逆電極反應(yīng)：檢出限可達(dá)10-6-10-7

mol·L-12分辨力強●相鄰峰電位差≥25-30mv即可分開●C前波物質(zhì)達(dá)到C被測物質(zhì)的50000倍，不產(chǎn)生前波干擾四溶出伏安法（一）基本原理:

溶出伏安法電解富集電解溶出分類一般溶出伏安法吸附溶出伏安法陽極富集陰極溶出陰極富集陽極溶出陰極溶出伏安法陽極溶出伏安法比較典型實例是Fe3+和H2O2體系的極譜波：同一溶液中電極電位相等（1）=（2）所以比較（1）（2）可得多數(shù)金屬可以與汞生成汞齊而不沉積在電極表面；消除方法:加少量的表面活性物質(zhì)（極大抑制劑）類似的題目268912解法類似峰電位不隨電壓掃描速度變化4、極限電流，包含殘余電流（ir），遷移電流（im），極限擴散電流（id）。在合適的條件下，可以在一份試液中同時測定幾個元素。（三）溶出伏安法中溶出峰電流的性質(zhì)5、半波電位（1/2），即擴散電流為極限擴散電流一半時的滴汞電極的電位。工作電極不同循環(huán)伏安法是用固定靜止的固態(tài)或液態(tài)電極，如懸汞、汞膜電極或鉑、玻璃石墨電極等。其中it—極限擴散電流(A)；面積小電流密度大若C太小，電流太小加電壓大其它雜質(zhì)還原，非線性H2O2+2H++2e→2H2O(酸性溶液)

Mn++ne-+Hg=M(Hg)M(Hg)–ne-=Mn++Hg

例如在鹽酸介質(zhì)中測定痕量銅、鉛、鎘時，首先將懸汞電極的電位固定在，電解一定的時間，此時溶液中的一部分Cu2+,Pb2+,Cd2+在電極上還原，并生成汞齊，富集在懸汞滴上。 電解完畢后，使懸汞電極的電位均勻地由負(fù)向正變化。（二）溶出伏安法常用的工作電極(1)機械擠壓式懸汞電極(2)掛吊式懸汞電極(3)汞膜電極

(4)其它固體電極

（三）溶出伏安法中溶出峰電流的性質(zhì)

ip=-Kc

----溶出伏安法定量的基礎(chǔ)汞滴表面積及體積與峰電流還有以下關(guān)系

ip=KnA/Vn為被測物質(zhì)總量，K為常數(shù)。汞膜電極靈敏度可達(dá)10－11mol/L，電解富集時間也大為縮短。溶出伏安法除用于測定金屬離子外，還可測定一些陰離子如氯、溴、碘、硫等，它們能與汞生成難溶化合物，可用陰極溶出法進(jìn)行測定。

溶出伏安法的主要特點是靈敏度高，但電解富集較為費時，一般需3－15min，富集后只能記錄一次溶出曲線，方法的重現(xiàn)性也往往不夠理想。幾種極譜和伏安法比較Et直流極譜法10-4mol/L單掃描極譜法Et10-6mol/L伏安與極譜分析（特殊條件下電解）關(guān)系良好，電極反應(yīng)可逆。B===CC（化學(xué)反應(yīng)）第九章伏安與極譜分析法極化電極陰極峰變負(fù)，陽極峰變正。產(chǎn)生原因:電極與被分析離子間的靜電力推動被分析離子向電極遷移或離開電極。同一溶液中電極電位相等（1）=（2）所以比較（1）（2）可得單掃描、溶出伏安、脈沖等：10-7～10-12mol/L25μA，測得不同電位時的平均擴散電流值如下表所示：單掃描示波極譜儀的基本電路平均極限擴散電流id：若C太大，不易形成擴散層，∴非線性由于通過溶液的電流很小，試液的濃度基本上沒有變化，因此溶液可重復(fù)多次進(jìn)行分析。陰極峰變負(fù)，陽極峰變正。循環(huán)伏安法用于可逆電極的判斷反應(yīng)機理的推斷方波極譜法10-7-10-8

mol/L消除充電電流提高靈敏度10-7-10-8

mol/L提高信號強度電分析化學(xué)小結(jié)電分析化學(xué)導(dǎo)論計算電極電位和電池電動勢判斷正負(fù)極電位分析電位滴定滴定終點的確定電極的選擇直接電位法離子選擇性電極酸堿滴定沉淀滴定氧化還原滴定絡(luò)合滴定電分析化學(xué)小結(jié)電解與庫倫分析伏安與極譜分析分析電解法庫倫分析極譜伏安分析計算析出