《儀器分析》電重量分析和庫侖分析法.ppt

1、電重量分析和庫侖分析法,研究對象：電解池，E0； 以電解為基礎(chǔ)，遵守法拉第Faraday電解定律。 特點：耗竭性電解，溶液中被測物質(zhì)的濃度發(fā)生很大的變化或趨于零。工作電極，A/V比值大，攪拌（減小或消除濃差極化現(xiàn)象） 稱量電解前后鉑陰極的重量，算濃度電重量分析法 計算電解時間與電流得出電量，算濃度庫侖分析法,（1）電解 電解是利用外部電源使化學(xué)反應(yīng)向非自發(fā)方向進行的過程。在電解池的兩個電極上施加一直流電壓，直至電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，此時電解池中有電流流過，該過程稱為電解。 分解電壓是指使被電解物質(zhì)在兩電極上產(chǎn)生迅速的、連續(xù)不斷的電極反應(yīng)時，所需的最小的外加電壓。,2 電解分析原理,理論分解電

2、壓 例如用Pt電極在100mL 0.100molL1H2SO4介質(zhì)中，電解0.100molL1CuSO4溶液。實驗時連續(xù)記錄逐漸增加的外加直流電壓V以及相應(yīng)的電流i。,電解開始的瞬間，在電極表面產(chǎn)生少量的Cu和O2，使兩支鉑電極分別成為銅電極（Cu|Cu2）和氧電極（Pt| O2，H2O），構(gòu)成了一個原電池： Cu|Cu2(0.100molL1)H(0.200molL1)，O2(1.01325105Pa)|Pt 負(fù)極 Cu2eCu2+ 正極 O24H+4e2H2O 反應(yīng)方向剛好與電解反應(yīng)相反。因此產(chǎn)生一個與外加電壓方向相反的反電動勢Eb（或稱反電壓），它阻止電解作用的進行。,繼續(xù)增加外加電壓，

3、對抗外加電壓的反電動勢也不斷增加。當(dāng)電極上有氧氣泡逸出的時候，反電動勢將達(dá)到最大值Eb。將直線外推至電流強度為0處的電壓就是Eb, max ，這是使得某電解質(zhì)溶液能夠連續(xù)發(fā)生電解所需要的最小外加電壓，稱為電解質(zhì)溶液的分解電壓。理論上的分解電解等于原電池的電動勢：,例題： 計算用Pt電極在100mL 0.100molL-1H2SO4介質(zhì)中，電解0.100molL-1CuSO4溶液的理論分解電壓。 解：由電極反應(yīng)得到：,實際分解電壓 電解時，實際所需的分解電壓要比理論分解電壓大。原因有兩個： （1）由于電解質(zhì)溶液有一定的電阻，欲使電流通過，必須用一部分電壓克服iR（i為電解電流，R為電解回路總電阻

4、）電位降，一般這是很小的； （2）主要用于克服極化現(xiàn)象產(chǎn)生的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的過電位（陽和陰）. 因此、電解上述CuSO4溶液時，需要外加電壓E分=1.49V， 而不是0.89V，多加的0.60V，就是用于克服iR電位降和由于極化產(chǎn)生的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的過電位。,超電位或過電位 極化電流流過電極時，電極電位偏離可逆電極電位的現(xiàn)象稱為極化。 超電位或過電位某一電流密度下的電極電位與可逆電極電位的差值。 根據(jù)極化產(chǎn)生的原因，極化分為濃差極化和電化學(xué)極化。 濃差極化由于電解過程中電極表面附近溶液的濃度與本體溶液的濃度的差異引起的。增大電極面積、減小電流密度、強化機械攪拌可以減小濃差極化。 電化學(xué)

5、極化是由于電極反應(yīng)遲緩引起的。電極反應(yīng)太慢，在電極附近造成電荷積累，電荷逾越相界面的放電反應(yīng)所需要的超電位，稱為電化學(xué)超電位。,影響超電位的因素 1電流密度超電位隨電流密度增加而增加。在同樣的電流密度下，超電位與電極表面狀態(tài)有關(guān)，表面光亮的電極的超電位比表面粗糙的要大，這是由于表面粗糙的電極的表面積要大一些，實際上是降低了電流密度。 2溫度通常溫度升高，超電位隨之降低，多數(shù)電極的溫度系數(shù)約為2mV/ 3電極材料氫在一些“軟”金屬，例如鋅、鉛、錫特別是汞上的超電位較大。 4析出物形態(tài)析出物為氣體時的超電位一般較大，析出物為金屬時的較小。通常在電流密度較小時，金屬從其溶液中析出的超電位約為0.01

6、V。,超電位的影響 1要使陽離子在陰極析出（還原），陰極電位必須比可逆電極電位更負(fù)才行； 要使陰離子在陽極氧化，陽極電位必須比可逆電極電位更正才行； 由于氫在汞電極上的超電位很大，使得電動序在氫以前的許多金屬離子能在汞電極上析出，這是極譜分析法適用滴汞電極的原因。,陰極上，析出電位越正者越容易還原； 陽極上，析出電位越負(fù)者越容易氧化。,電解方程 分解電壓包括理論分解電壓和超電壓，此外，還應(yīng)包括電解池回路的電壓降ir。因此實際分解電壓為：,式中，為陽極超電位，是正值；-為陰極超電位，是負(fù)值。,（2）電解方式 實現(xiàn)電解的方式：恒電流電解，控制電位電解或控制外加電壓電解三種。,三種電解方式的比較：實

7、驗以Pt為陰極，在200ml pH 4.5的0.5mol L-1酒石酸和肼介質(zhì)中電解沉積Cu。,I、控制（恒）電流電解 特點：電流i是控制對象；電位是測量對象。 根據(jù)能斯特方程：,根據(jù)法拉第定律，Q=it，Q=nzF。因此，電流一定，單位時間內(nèi)通過的電量就一定，單位時間內(nèi)由氧化態(tài)變成還原態(tài)的量就一定。即電流的大小表示電極反應(yīng)速率的大小。因此控制了電流也就控制了O/R。,控制電流就控制了O/R，O/R值決定了電位值。,電解一開始，電解池中通過一個較穩(wěn)定的電流，陰極電位迅速負(fù)移至金屬離子的還原電位。 隨著電解反應(yīng)的進行，氧化態(tài)濃度降低，O/R比率下降，陰極電位負(fù)移。 O/R比率每變化10倍，電位負(fù)

8、移59.2/z mV。顯然陰極電位變化是緩慢的，在電位時間曲線上出現(xiàn)平坦部分。 陰極電位負(fù)至1.0V時，另一電極反應(yīng)（H+還原）開始，再出現(xiàn)平坦。,II、控制電位電解 特點：電位是控制對象；電流i是測量對象。電極電位決定起反應(yīng)的物質(zhì)和反應(yīng)進行的程度。,將工作電極的電位控制在某一合適的電位值或某一個小范圍內(nèi)，使被測離子在工作電極上析出，其它離子則留在溶液中，以達(dá)到分離和測定的目的。,（a）陰極電位的選擇 若溶液中含有金屬離子M1和M2，要使金屬離子M1在Pt電極上析出，M2仍留在溶液中，那么如何選擇陰極電位呢？,假定當(dāng)M1金屬離子的濃度降至原濃度的0.01%或10-6 molL-1時為完全分離，

9、此時M1金屬離子的電位為：,若此時 M1還比 M2正，則將電位控制在 M1和 M2之間，可使M1、M2兩種金屬離子定量地分離完全。,電解分離的條件,電流與濃度成正比，而溶液的濃度隨著電解進行不斷減少，可以推導(dǎo)出電流隨時間變化符合下面的公式,（b）電流時間關(guān)系,由于iC，濃度與時間的關(guān)系和電解電流與時間的關(guān)系相同：,電解一段時間后，沉積分?jǐn)?shù)：,電解沉積的分?jǐn)?shù)與初始濃度無關(guān)。,III、控制外加電壓電解 在電解過程中，電解電流不斷衰減，ir降不斷降低。由于溶液中存在肼，陽極電位幾乎不變，因此陰極電位發(fā)生負(fù)移，至1.0V時H還原。 控制外加電壓電解較少使用。,3 電重量分析法,（1）控制電位電解分析法

10、 在控制電位電解過程中，開始時被測物質(zhì)析出速度較快。隨著電解的進行，濃度越來越小，電極反應(yīng)的速率逐漸變慢，因此電流就越來越小。當(dāng)電流趨近于零時，電解完成。,Pt網(wǎng)電極：洗凈，烘干，稱重 控制電位電解分析法主要用于物質(zhì)的分離。通常用于從含少量不易還原的金屬離子溶液中分離大量的易還原的金屬離子。 常用的工作電極有鉑網(wǎng)電極和汞陰極。,（2）恒電流電解分析法 電流控制在35A或更小。 電極反應(yīng)速率比控制電位電解分析的快，但選擇性差。 為了防止干擾，可使用陽極或陰極去極劑（也稱電位緩沖劑）以維持電極電位不變，防止發(fā)生干擾的氧化還原反應(yīng)。 若加入的去極劑比干擾物質(zhì)先在陰極上還原，可以維持陰極電位不變，這種

11、去極劑稱為陰極去極劑。 加入的去極劑比干擾物質(zhì)先在陽極上氧化，可以維持陽極電位不變，這種去極劑稱為陽極去極劑。,例如，在Cu2+ 和Pb2+ 混合溶液中分離沉積Cu時，在試液中加入NO3- 能防止Pb的沉積。 NO3-在陰極上還原生成NH4+： NO3- + 10H+ +8e NH4+ + 3H2O 由于NO3-還原電位比Pb2+更正,因此,該反應(yīng)發(fā)生在Pb2+還原之前。當(dāng)Cu2+電解完成時，因NO3-的還原防止了Pb的沉積。在本例中，鉛能在陽極上沉積為PbO2： Pb2+ + 2H2O = PbO2 + 4 H+ +2e,稱量每支電極上的純沉積物的質(zhì)量，可以求得金屬的含量。,庫侖分析是根據(jù)電

12、解過程中消耗的電量，由法拉第定律來確定被測物質(zhì)含量的方法。 基本要求是100的電流效率。 影響電流效率達(dá)到100的主要因素有： (1) 溶劑的電極反應(yīng)；(2) 溶解氧的作用；(3) 雜質(zhì)在電極上的反應(yīng)。 此外，電極自身參與化學(xué)反應(yīng)或陰、陽兩極電解產(chǎn)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等，也將消耗電流影響電流效率。,4 庫侖分析法,（1）恒電流庫侖分析法庫侖滴定法 庫侖滴定法是用恒定的電流，以100的電流效率進行電解，使在電解池中產(chǎn)生一種物質(zhì)，生成的物質(zhì)與被測物質(zhì)進行定量的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的化學(xué)計量點借助于指示劑或電化學(xué)方法確定。 當(dāng)?shù)竭_(dá)終點時，由指示終點系統(tǒng)發(fā)出信號，立即停止電解。由電流強度和電解時間按法拉第定律

13、計算出被測物質(zhì)的質(zhì)量：,或由庫侖儀直接顯示電量或被測物質(zhì)的含量。,這種方法并不測量體積而測量電量。 它與普通容量分析法突出的不同點在于: 滴定劑不是由滴定管向被測溶液中滴加，而是通過恒電流電解在試液內(nèi)部產(chǎn)生。 電生滴定劑的量又與電解所消耗的電量成正比。 因此，可以說庫侖滴定是一種以電子作滴定劑的容量分析。,電生的滴定劑的種類 H或OH-； 氧化劑Br2、Cl2、Ce ()、Mn（）、Ag ()和I2等； 還原劑Fe()、Ti () 等； 配位劑EDTA(Y4-)； 沉淀劑Ag+ 等。 如測定酸或堿時，可在Na2SO4或KCl溶液中，在Pt電極上產(chǎn)生滴定劑OH-或H，反應(yīng)為：,例如，用庫侖滴定法

14、測定Ca2+時，可在除O2的HgNH3Y2-和NH4NO3溶液中在Pt陰極上產(chǎn)生滴定劑HY3-，其電極反應(yīng)如下： HgNH3Y2- + NH4+ + 2e = Hg + 2NH3 + HY3- 進行庫侖滴定時也可以用電極本身，如用銀陽極氧化產(chǎn)生的Ag+來測定鹵素、硫化物、硫醇或巰基化合物： Ag + X- = AgX + e,100的電流效率 庫侖分析時，應(yīng)只有被測物質(zhì)消耗電量，也就是說無副反應(yīng)發(fā)生，即電流效率必須是100%，這就是庫侖分析的先決條件。 為了保證100的電流效應(yīng)，電解裝置中可采用鹽橋，或?qū)a(chǎn)生干擾物質(zhì)的電極置于底部裝有燒結(jié)玻璃或離子交換膜的玻璃套管內(nèi)隔離等方式。,庫侖滴定法的關(guān)

15、鍵之一是指示終點的方法 （1）化學(xué)指示劑法指示終點 優(yōu)點裝置簡單，可省去庫侖滴定裝置中的指示系統(tǒng)。 缺點靈敏度較低，只能用于常量的庫侖滴定。,（2）電位法指示終點 庫侖滴定中用電位法指示終點與電位滴定法確定終點的方法相似。 在庫侖滴定過程中可以記錄電位（或pH）對時間的關(guān)系曲線，用作圖法或微商法求出終點。 也可用pH計或離子計，由指針發(fā)生突變表示終點到達(dá)。,2、 控制電位庫侖分析法 在電解過程中，控制工作電極的電位保持恒定，使待測物質(zhì)以100的效率進行電解。當(dāng)電解電流趨向于0時，指示該物質(zhì)已被電解完全。 測量電解過程中消耗的電量，求出被測物質(zhì)的含量。,電量的測定 電量由電子積分儀等方法測定，經(jīng)

16、典的方法用庫侖計（如銀庫侖計，氣體庫侖計）等來測定。 (1) 電子積分儀 控制電位庫侖分析中的電量，采用電子線路積分總電量Q，并直接由表頭顯示。,(2) 庫侖計 以銀庫侖計為例，它是以鉑坩堝為陰極，純銀棒為陽極，陽極和陰極用多孔陶瓷管隔開。鉑坩堝及瓷管中盛有12molL1AgNO3溶液，電解時發(fā)生如下反應(yīng)：,電解結(jié)束后，稱出鉑坩堝增加的重量，由析出的銀的質(zhì)量算出電解所消耗的電量。,庫侖分析法的特點 庫侖分析法與容量分析法相比： 不需要制備標(biāo)準(zhǔn)溶液； 不穩(wěn)定試劑可以就地產(chǎn)生 樣品量小 電流和時間能準(zhǔn)確測定。 準(zhǔn)確、靈敏、簡便和易于實現(xiàn)自動化。 用途較廣石油化工、環(huán)保、食品檢驗等方面的微量或常量成分分析，而且還能用于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)及電極反應(yīng)機理等的研究。,1化學(xué)需氧量的測定 化學(xué)需氧量（COD），是評價水質(zhì)污染的重要指標(biāo)之一。COD是指在一定條件下，1L水中可被氧化的物質(zhì)（有機物或其它還原性物質(zhì)）氧化時所需要的氧的量。 在10.2molL1硫酸介質(zhì)中，以重鉻酸鉀為氧化劑，將水樣回流消化15分鐘。通過Pt陰極電解產(chǎn)生的亞鐵離子與剩余的K2Cr2O7作用。由消耗的電量計算COD值：,式中