仪器分析第六章库仑分析法
2.由于滴定剂是通过电解产生的(电极反应产物),产生后立 即与溶液中待测物质反应(边电解边滴定),所以可以使用 不稳定的滴定剂,如,Cl2、Br2、Cu+等。 3. 不需要基准物质。
4.方法的灵敏度高。10-5-10-9 g/mL 5. 易于实现自动化。
应用:
1. 凡能与电解时所产生的试剂迅速反应的物质,均 可用库仑滴定法测定,因此,能用容量分析的各类滴定, 如酸碱滴定、氧化还原滴定、沉淀滴定和络合滴定等测定 的物质,均可用于库仑滴定法。 2. 有机化合物和金属络合物的反应机理及电极过程的 研究 . 3.也可用于络合平衡的研究
②. 计算分解电压
阳极:2H2O + 4e-→O2+4H+ E析氧=E°+ 0.059/4· lg[H+]4 =1.23 + 0.059/4×lg14 =1.23(V)
U分银=(Ea+ωa)–(Ec+ωc)+iR=(1.23+0.47)-(0.682+0)+0 =1.02(V)
U分铜=(Ea+ωa)–(Ec+ωc)+iR =(1.23+0.47)-(0.345+0)+0 =1.35(V)
(二)、控制阴极电位电解法
1.控制电位电解法装置
为了实现对阴极电位的控制,需要在电解池中插入 一个参比电极(SCE),只要控制参比电极与阴极之间 的电位,就可以控制阴极的电位
目前多采用具有恒电位器的自动控制电解装置
2.控制阴极电位电解分离原理
从图中可以看出,要使A离子还原,阴极电位须负于a, 但要防止B离子析出,阴极电位又须正于 b,因此,阴极电位 控制在a与b之间就可使A离子定量析出而B离子仍留在溶液中。
Ag+先被电解。
③.假定当[Ag+]降低至10-7 mol/L以下时,认为完全析出,此时阴极电位为: E阴=E°+ 0.059· lg[Ag+] =0.800+0.059×lg10-7 =0.386(V) U分银=(Ea+ωa)–(Ec+ωc)+iR =(1.23+0.47)-(0.386+0)+0 =1.31(V) 可见,此时,阴极电位未达到Cu2+的析出电位,外加电压也未达到 Cu2+的分解电压,故只要控制外加电压不超过1.35(V),或阴极电位不负 于 0.345(V) ,就能实现二者分离。但实际上,靠控制外加电压来实现分 离很困难,因阳极电位并非恒定。
(3) 在有机和生化物质的合成和分析方面的应用也很广泛, 涉及的有机化合物达五十多种。例如,三氯乙酸的测定, 血清中尿酸的测定,以及在多肽合成和加氢二聚作用等 的应用。
例如,在100mL 0.lmol/LHCl中,以银为阳极,汞滴为 阴极,- 0.65V ( vs.SCE )时电解 0.0399mmol / L 苦 味酸,利用氢氧库仑计测得电量为65.7C,求出电极反 应电子数n=17.07,证明了苦味酸的还原反应为
4、控制电位库仑分析的特点及应用
特点:
① 不需要使用基准物质,准确度高。因为它是根据电量的测 量来计算分析结果的,而电量的测量可以达到很高的精度, 所以准确度高。
② 灵敏度高。能测定μg级的物质,如果校正空白值,并使用 高精度的仪器,甚至可测定0.01μg级。
应用:
(1) 特别适用于混合物的测定,因而得到了广泛的应用。 (2) 可用于五十多种元素及其化合物的测定。其中包括氢、 氧、卤素等非金属,钠、钙、镁、铜、银、金、铂族等 金属以及稀土元素等物质。
2.电流法
这种方法的基本原理为被测物质或滴定剂在指示电极 上进行反应所产生的电流与电活性物质的浓度成比例,终 点可从指示电流的变化来确定。 电流法可分为单指示电极电流法和双指示电极电流法。 前者常称为极谱滴定法、后者又称为死停终点法。
(1)单指示电极电流法
此法外加电压的选择取决于被测物质和滴定剂的电流一
左边是一个点接管,上面带有 活塞,内装0.5mol/L K2SO4溶 液,管中焊两片铂电极; 右边是一支刻度管,电解管与 刻度管用橡皮管联接。管外为 恒温水浴套。
阳极上析出氧气 阴极上析出氢气 总反应为
H2O-2e→ 1/2O2 +2H+ 2H+2e→H2 H2O → H2↑+1/2O2↑
在标准状况下,每库仑电量析出0.1741mL氢、氧混 合气体(实际运算用0.1739mL)。这种库仑计使用简便, 准确度达上0.1%,但灵敏度较差。
(三)、控制电位库仑分析法
1、装置和基本原理
在控制电位电解装置的电路中串入一个能精确测量电量的 库仑计,即构成控制电位库仑分析法的装置。电解时,用恒电 位装置控制阴极电位,以 100 %的电流效率进行电解,当电流 趋于零时,电解即完成。 由库仑计测得电量,根据 Faraday 定律求出被测物质的含 量。
以恒电流库仑法测定Fe2+为例来说明
①. 若以恒定电流直接电解Fe2+,则开始时: 阳极 Fe2+ = Fe3+ +e电流效率可达 100% 。随着电解的电极表面上 Fe3+ 离子浓 度不断增加,Fe2+离子浓度不断下降,因而阳极电位将逐 渐向正的方向移动。最后,溶液中Fe 2+还没有全部氧化为 Fe3+,而阳极电位已达到了水的分解电位,这时在阳极上 同时发生下列反应而析出氧: 2H2O= O2↑ + 4H+ +4e显然,由于上述反应的发生,使Fe2+离子氧化反应的电流 效率低于100%,因而使测定失败。
②. 如在溶液中加入大量的辅助电解质 Ce3+ 离子,则Fe2+ 离 子可在恒电流下电解完全。开始阳极上的主要反应为Fe2+ 氧化为Fe3+。当阳极电位正移至一定数值时,Ce3+离子开 始被氧化为Ce4+离子: Ce3+ =Ce 4+ + e而所产生的 Ce4+ ,则转移至溶液主体,并氧化溶液中的 Fe2+离子: Ce4+ + Fe2+ = Fe3+ + Ce3+ 根据反应可知,阳极上虽发生了Ce3+的氧化反应,但其所 产生的Ce4+又将Fe2+氧化为Fe3+。因此,电解所消耗的总 电量与单纯 Fe2+ 完全氧化为 Fe3+ 的电量是相当的。由于 Ce3+过量,稳定了电极电位,防止了水的电解。可见,用 这种间接库仑分析方法,既可将工作电极的电位稳定,防 止发生副反应,又可使用较大的电流密度,以缩短滴定的 时间。
2、电量的测量
进行库仑分析时,必须要能准确的测量电量的数值。
电量测量的精确度是决定分析结果准确度的主要因素。
测量电量通常用库仑计,它是库仑分析装置的主要部 件之一。常用的库仑计有:滴定库仑计、重量库仑计(银 库仑计)、气体库仑计、电子积分库仑计等。下面介绍几 种常用的库仑计。
气体库仑计(氢氧气体库仑计)
2、基本装置
1. 工作电极
2. 辅助电极
3,4. 指示电极
库仑滴定法的关键之一是指示终点。
1.化学指示剂法 优点:(1)最简单的方法。此法可省去库仑滴定装置中的 指示系统,比较简单。( 2)用途广:多用于酸碱库仑滴定,也 用于氧化还原、络合和沉淀反应。用甲基橙为指示剂,测定NH2 -NH2、NH2OH或SCN-,通电时阳极上生成的Br2。与被测物质 作用,化学计量点后溶液中过量的Br2, 使甲基橙褪色。 缺点:灵敏度较低。对于常量的库仑滴定可得到满意的测定 结果。 选择化学指示剂应注意:(1)所选的指示剂不能在电极上 同时发生反应;( 2)指示剂与电生滴定剂的反应,必须在被测 物质与电生滴定剂的反应之后,即前者反应速度要比后者慢。
OH
NO2
N O2
+ 34e + 34H+
NO2
H2N HO
N H H N
N H2
OH
+12H2O
H2N
N H2
(四)、恒电流库仑滴定(库仑滴定)
1、基本原理
(1)直接法: 以恒定电流进行电解,被测定物质直接在电极 上起反应,测量电解完全时所消耗的时间,再由法拉第 定律计算分析结果的分析方法;
(2) 间接法: 库仑滴定法, 在试液中加入适当的辅助剂后,以 一定强度的恒定电流进行电解,由电极反应产生一种 “滴定剂”。该滴定剂与被测物质发生定量反应。当被 测物质作用完后,用适当的方法指示终点并立即停止电 解。由电解进行的时间t(s)及电流强度I(A),可按法拉第 定律计算被测物的量:
电压曲线。当被测物质单独在电极上还原时,被测物质和滴 定剂的电流一电压曲线,如图 (a) 左所示。外加电压可选在 AB之间,其相应的滴定,曲线如图 (a) 右。如被测物质在电 极上不还原,而滴定剂在电极上还原,则其电流一电压曲线 和滴定曲线如图(b)所示。如被测物质和滴定剂均在电极上还 原,则电流一电压曲线和滴定曲线,如图(c)所示。如被测物 质在电极上氧化,而滴定剂在电极上还原,则电流一电压曲 线和滴定曲线,如图(d)所示。化学计量点时电流为零。
第电解定律。 库仑分析法是对试样溶液进行电解,但它不需要称量 电极上析出物的质量,而是通过测量电解过程中所消耗的电 量,由法拉第电解定律计算出分析结果。为此,在库仑分析 中,必须保证:电极反应专一,电流效率100%,否则,不能 应用此定律。 为了满足这两个条件,可采用两种方法——控制电位 库仑分析及恒电流滴定。为了便于理解控制电位库仑分析的 基本原理,下面先讨论控制电位电解法。
vM vM w 0.1739 96487 n 16779 n
3、控制电位库仑分析的过程
1.预电解,消除电活性杂质。
通 N2 数分钟除氧。在加入试样前,先在比测定时约负 0.3 ~ 0.4V 的阴极电位下进行预电解,直到电流降低至一个 很小的数值(即达到背景电流),不接通库仑计。