电分析化学导论新版zhong课件.ppt
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1、电化学分析法导论电化学分析法导论An Introduction to Electroanalytical Method本章重点:本章重点:电化学电池电化学电池 电极电位电极电位 电极极化和超电势电极极化和超电势 几类电极的特性几类电极的特性第一部分(Part )一、一、电化学分析及其特征电化学分析及其特征 Electrochemical Analysis and Its Characteristics 1.1.什么是电化学分析什么是电化学分析 根据被测物质溶液所呈现的电化学性质及其变化而建立根据被测物质溶液所呈现的电化学性质及其变化而建立起来的分析方法,称为电化学分析法。起来的分析方法,称为电
2、化学分析法。2.2.电化学分析法的重要特征电化学分析法的重要特征 (1 1)直接通过测定电流、电位、电导、电量等物理量,)直接通过测定电流、电位、电导、电量等物理量,来研究或确定参与反应的化学物质的量。来研究或确定参与反应的化学物质的量。(2 2)依据测定电参数分别命名各种电化学分析方法:如)依据测定电参数分别命名各种电化学分析方法:如电位、电导分析法;电位、电导分析法;(3 3)依据应用方式不同可分为:直接法和间接法。)依据应用方式不同可分为:直接法和间接法。准确度高准确度高 灵敏度高灵敏度高 选择性好选择性好 可测定组分含量范围宽可测定组分含量范围宽 仪器设备简单,自动化,连续分析仪器设备
3、简单,自动化,连续分析电化学方法的特点电化学方法的特点Characteristics of Electroanalytical Methods电化学方法的分类电化学方法的分类Types of Electroanalytical Methods习惯分类方法(按测量的电化学参数分类)习惯分类方法(按测量的电化学参数分类)(1)(1)电导分析法:测量电导值;电导分析法:测量电导值;(2)(2)电位分析法:测量电动势;电位分析法:测量电动势;(3)(3)电解电解(电重量电重量)分析法:测量电解过程电极上析出物分析法:测量电解过程电极上析出物 重量;重量;(4)(4)库仑分析法:测量电解过程中的电量;库
4、仑分析法:测量电解过程中的电量;(5)(5)伏安分析:测量电流与电位变化曲线;伏安分析:测量电流与电位变化曲线;(6)(6)极谱分析:使用滴汞电极时的伏安分析。极谱分析:使用滴汞电极时的伏安分析。电化学方法的分类和特点电化学方法的分类和特点Types and Characteristics of Electroanalytical MethodsIUPAC分类:分类:既既不涉及双电层,也不涉及电极反应:电导分析不涉及双电层,也不涉及电极反应:电导分析 涉及双电层,但不涉及电极反应:表面张力和非法拉第阻涉及双电层,但不涉及电极反应:表面张力和非法拉第阻抗的测量抗的测量 涉及电极反应:电位分析法、
5、电解分析法、库仑分析、极涉及电极反应:电位分析法、电解分析法、库仑分析、极谱和伏安分析谱和伏安分析无论哪一种电分析方法,都是以化学电池的特性为基础。无论哪一种电分析方法,都是以化学电池的特性为基础。1.1.电位分析法电位分析法电位分析法按应用方式可为两类电位分析法按应用方式可为两类 :直接电位法直接电位法:电极电位与溶液中电活性物质的活度有关,通电极电位与溶液中电活性物质的活度有关,通过测量溶液的电动势,根据过测量溶液的电动势,根据能斯特方程能斯特方程计算被测物质含量;计算被测物质含量;电位滴定电位滴定:用电位测量装置指示滴定分析过程中被测组分的用电位测量装置指示滴定分析过程中被测组分的浓度变
6、化,通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析浓度变化,通过记录或绘制滴定曲线来确定滴定终点的分析方法。方法。研制各种高灵敏度、高选择性的电极是电位分析法最活跃的研制各种高灵敏度、高选择性的电极是电位分析法最活跃的研究领域之一。研究领域之一。2.2.电解与库仑分析法电解与库仑分析法电解分析:电解分析:在恒电流或控制电位条件下,使被测物质在在恒电流或控制电位条件下,使被测物质在电极上析出,实现定量分离测定目的的方法。分为电极上析出,实现定量分离测定目的的方法。分为电解电解分析分析和和库仑分析库仑分析.电重量分析法:电重量分析法:电解过程中在阴极上析出的物质的量通电解过程中在阴极上析出的物质的量通
7、常可以用称重的方法来确定。常可以用称重的方法来确定。库仑分析法:库仑分析法:依据法拉第电解定律,由电解过程中电极依据法拉第电解定律,由电解过程中电极上通过的电量确定电极上析出的物质的量的分析方法。上通过的电量确定电极上析出的物质的量的分析方法。3.极谱法与伏安分析极谱法与伏安分析 伏安分析伏安分析:通过测定特殊条件下的电流通过测定特殊条件下的电流电压曲线来分析电压曲线来分析电解质的组成和含量的一类分析方法的总称。电解质的组成和含量的一类分析方法的总称。极谱分析极谱分析:使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法。使用滴汞电极的一种特殊的伏安分析法。4.电导分析电导分析原理:依据溶液电导与电解质关系;原
8、理:依据溶液电导与电解质关系;应用:高纯水质分析,酸雨监测;应用:高纯水质分析,酸雨监测;三、电化学分析的应用领域三、电化学分析的应用领域 application fields of electrochemical analysis1.1.化学平衡常数测定化学平衡常数测定2.2.化学反应机理研究化学反应机理研究3.3.化学工业生产流程中的监测与自动控制化学工业生产流程中的监测与自动控制4.4.环境监测与环境信息实时发布环境监测与环境信息实时发布5.5.生物、药物分析生物、药物分析6.6.活体分析和监测(超微电极直接刺入生物体内)活体分析和监测(超微电极直接刺入生物体内)四、四、近代电分析化学发
9、展近代电分析化学发展Advances of modern electroanalytical chemistry 方法上,方法上,追求高灵敏度和超高选择性的倾向导致由宏观向追求高灵敏度和超高选择性的倾向导致由宏观向介观到微观尺度迈进,出现了不少新型的电极体系;介观到微观尺度迈进,出现了不少新型的电极体系;技术上,技术上,随着表面科学、纳米技术和物理谱学等的兴起,随着表面科学、纳米技术和物理谱学等的兴起,利用交叉学科方法将声、光、电、磁等功能有机地结合到电利用交叉学科方法将声、光、电、磁等功能有机地结合到电化学界面,从而达到实时、现场和活体监测的目的以及分子化学界面,从而达到实时、现场和活体监测
10、的目的以及分子和原子水平的测定;和原子水平的测定;应用上,应用上,侧重生命科学领域中有关问题研究,如生物、侧重生命科学领域中有关问题研究,如生物、医学、药学、人口与健康等,为解决生命现象中的某些基本医学、药学、人口与健康等,为解决生命现象中的某些基本过程和分子识别作用显示出潜在的应用价值。过程和分子识别作用显示出潜在的应用价值。五、五、电分析化学研究的主要机构电分析化学研究的主要机构Main institution of electroanalytical chemistry 中国科学院长春应用电化学研究所:汪尔康院士中国科学院长春应用电化学研究所:汪尔康院士 中国科学院大连化学与物理研究所:
11、卢佩章院士中国科学院大连化学与物理研究所:卢佩章院士 北京大学:高小霞院士北京大学:高小霞院士 厦门大学:黄本立院士厦门大学:黄本立院士 西北大学:高鸿院士西北大学:高鸿院士 湖南大学:俞如勤院士湖南大学:俞如勤院士/姚守拙院士姚守拙院士 东北大学:方肇伦院士东北大学:方肇伦院士 南京大学:陈洪渊院士南京大学:陈洪渊院士五、五、电分析化学研究的主要机构电分析化学研究的主要机构Main Institution of Electroanalytical Chemistry 北京大学:慈云祥北京大学:慈云祥 清华大学:罗国安清华大学:罗国安 浙江大学:彭图治浙江大学:彭图治 武汉大学:程介克武汉大学
12、:程介克 中科院长春应化所:董绍俊中科院长春应化所:董绍俊 中国科技大学:袁倬斌中国科技大学:袁倬斌 中山大学:莫金垣中山大学:莫金垣 山东大学:金文睿山东大学:金文睿 华东师大:金利通华东师大:金利通 方禹之方禹之 叶建农叶建农第二部分第二部分 (Part )一、化学电池一、化学电池 Chemical Cell化学电池化学电池:由两支电极构成的系统;化学能与电能的转由两支电极构成的系统;化学能与电能的转换装置;换装置;电化学分析法中涉及到两类化学电池:电化学分析法中涉及到两类化学电池:原电池原电池:自发地将化学能转变成电能;自发地将化学能转变成电能;电解电池电解电池:由外电源提供电能,使电流
13、通过电极,在电由外电源提供电能,使电流通过电极,在电极上发生电极反应的装置。极上发生电极反应的装置。电池工作时,电流必须在电池内部和外部流过,构成回路。电池工作时,电流必须在电池内部和外部流过,构成回路。溶液中的电流溶液中的电流:正、负离子的移动。正、负离子的移动。负极:负极:发生氧化发生氧化反应的电极;反应的电极;正极:正极:发生还原发生还原反应的电极;反应的电极;电极电位较正的电极电位较正的为正极为正极原电池原电池阳极:阳极:发生氧化发生氧化反应的电极;反应的电极;阴极:阴极:发生还原发生还原反应的电极;反应的电极;电解电池电解电池1.化学电池的表达方式化学电池的表达方式 电极反应电极反应
14、(原电池原电池)负极反应:负极反应:Zn-2e Zn2+(氧化反应)(氧化反应)正极反应:正极反应:Cu2+2e Cu (还原反应还原反应)电化学池图解表示方式电化学池图解表示方式 Zn ZnSO4(1mol/L)CuSO4(1mol/L)Cu E cell=右,还原右,还原 左,氧化左,氧化 若:若:E cell 0,电池反应自发进行,原电池电池反应自发进行,原电池 E cell 0,电池反应不能自发进行,必须外加电池反应不能自发进行,必须外加电压,电解池电压,电解池2.化学电池书写注意事项化学电池书写注意事项为了方便,原电池装置可用符号表示。书写电池的惯例如下:为了方便,原电池装置可用符号
15、表示。书写电池的惯例如下:1一般负极一般负极(氧化反应氧化反应)写在左边,正极写在左边,正极(还原反应还原反应)写在右边。写在右边。2写出电极的化学组成及物态,气态要注明压力(单位为写出电极的化学组成及物态,气态要注明压力(单位为 kPa),溶液要注明浓度。),溶液要注明浓度。3单线单线“”表示电极与溶液的界面。表示电极与溶液的界面。4同一相中不同物质之间以及电极中其它相界面均用同一相中不同物质之间以及电极中其它相界面均用“,”分分开。开。5双线双线“”表示盐桥表示盐桥,表示有两个界面。表示有两个界面。6气体或液体不能直接作为电极,必须附以不活泼金属气体或液体不能直接作为电极,必须附以不活泼金
16、属(如铂)作电极(如铂)作电极 起导体作用。起导体作用。二、液体接界电位与盐桥二、液体接界电位与盐桥Liquid Junction Potential and Salt Bridge在两种组成不同的溶液或两种不同浓度的溶液接触界在两种组成不同的溶液或两种不同浓度的溶液接触界面上面上,存在着微小的电位差存在着微小的电位差,称之为称之为液体接界电位液体接界电位。产生的原因:产生的原因:两种溶液的界面之间的浓度高的向浓度两种溶液的界面之间的浓度高的向浓度低的一方扩散。原来溶液表面正负电荷均匀性被破坏低的一方扩散。原来溶液表面正负电荷均匀性被破坏,界面上产生电位差。,界面上产生电位差。液体接界电位液体
17、接界电位 KCl/mol L-1 液接电位液接电位/mV KCl/mol L-1 液接电位液接电位/mV0.1 270.2 200.5 131.0 8.42.5 273.5 20 饱和饱和 1盐桥:盐桥:饱和饱和KCl溶液中加入溶液中加入3%琼脂;琼脂;K+,Cl-的扩散速度接近,液接电位保持恒定的扩散速度接近,液接电位保持恒定1-2mV。液体接界电位的消除液体接界电位的消除液体接界电位与盐桥液体接界电位与盐桥Liquid Junction Potential and Salt Bridge三、电动势和电极电位三、电动势和电极电位Electromotive force and electrod
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