电解分析法用PPT课件VIP

1、第一节第一节 电解电解分析法分析法第2页/共34页第1页/共34页一、电解分析法原理1.1.电解装置电解装置电解电池电解电池：正极正极( (阳极阳极) )、负极、负极( (阴极阴极) ) 零类电零类电极；直流电源；电压表；电流表；极；直流电源；电压表；电流表；变阻器变阻器网状Pt电极螺旋状Pt电极装置上的特点装置上的特点：使用大表面积零类电极；需使用大表面积零类电极；需要搅拌试液。要搅拌试液。第3页/共34页第2页/共34页2.2.电解过程中电流与电压的关系电解过程中电流与电压的关系( (电解硫酸铜溶液为例说明电解硫酸铜溶液为例说明) )阴极反应：阴极反应：Cu2+ + 2e Cu 阳极反应：

2、阳极反应：2H2O O2 + 4H+ +4e电池反应：电池反应： 2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + O2 + 4H+网状Pt电极螺旋状Pt电极电解液：0.5 mol L-1 H2SO40.1 mol L-1 CuSO4第4页/共34页第3页/共34页3. 3. 分解电压分解电压( (电解硫酸铜溶液为例说明电解硫酸铜溶液为例说明) )电池电动势为：电池电动势为：E = 0.307 - 1.22 = -0.91 (V)外加电压为外加电压为0.91V时，阴极是否有铜析出时，阴极是否有铜析出?)V(22. 1OHHOlg4059. 0229. 1)O/HO()V(307. 0Culg2059.

3、 0337. 0)Cu/Cu(22422222EE分解电压分解电压：图中D点对应的电压值。反电动势反电动势：原电池电动势，与外加电压方向相反（E）。网状Pt电极螺旋状Pt电极理论分解电压理论分解电压：图上D点的电压(Ud)， Ud= -E实际分解电压实际分解电压：图中D点对应的电压值。可见，实实际分解电压际分解电压(D点点)，其值大于理论分解电压（，其值大于理论分解电压（D点）。点）。为何？为何？第5页/共34页第4页/共34页4. 实际分解电压大于理论分解电压的原因实际分解电压大于理论分解电压的原因E外外 = （E阳阳 + 阳阳）- （E阴阴 + 阴阴） + iR上式称为上式称为电解方程式电

4、解方程式实际分解电压大于理论分解电压的原因是实际分解电压大于理论分解电压的原因是超电位（超电位（）、电解回路的、电解回路的电压降（电压降（iR）的存在。则外加电压应为：的存在。则外加电压应为：5. 电解方程式的应用电解方程式的应用 利用电解方程式可对某物质的实际分解电压进行估算利用电解方程式可对某物质的实际分解电压进行估算第6页/共34页第5页/共34页实际分解电压大于理论分解电压的原因是由于超电位实际分解电压大于理论分解电压的原因是由于超电位的存在，的存在，但超电位是如何产生的呢？但超电位是如何产生的呢？ 产生超电位的原因：产生超电位的原因：电极的极化电极的极化 电极极化：电极极化：电解时，

5、电极上有净电流流过时电解时，电极上有净电流流过时，电极电电极电位偏离其平衡电位的现象。位偏离其平衡电位的现象。 电极极化包括电极极化包括浓差极化浓差极化和和电化学极化。电化学极化。我们复习一下。我们复习一下。第7页/共34页第6页/共34页浓差极化电流流过电极，表面形成浓度梯度。使正极电位增大，负极电流流过电极，表面形成浓度梯度。使正极电位增大，负极电位减小。电位减小。 减小浓差极化的方法：减小浓差极化的方法：a.a.减小电流，增加电极面积。因此，减小电流，增加电极面积。因此，电解分析电解分析法通常用大表面积电极法通常用大表面积电极。b.b.搅拌，有利于扩散。因此，搅拌，有利于扩散。因此，电解

6、分析通常需电解分析通常需要搅拌。要搅拌。E阴=E0+0.059 V2lg Cu2+e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+平衡平衡（电（电流极小或流极小或零）零）浓差极化浓差极化（电流较大）电流较大）浓差极化使阴极电位变得更负。浓差极化使阴极电位变得更负。阴极反应：阴极反应：Cu2+ + 2e Cu )V(22. 1OHHOlg4059. 0

7、229. 1)O/HO()V(307. 0Culg2059. 0337. 0)Cu/Cu(22422222EE第8页/共34页第7页/共34页电化学极化 电荷迁越相界面放电所需的超电位。电荷迁越相界面放电所需的超电位。 产生的原因：电极反应速度慢，电极上聚集了一定的电产生的原因：电极反应速度慢，电极上聚集了一定的电荷。荷。结果使阳极电位变得更正。当电极反应的析出物为金属结果使阳极电位变得更正。当电极反应的析出物为金属时，电化学极化的过电位很小；当析出物为气体（尤其是时，电化学极化的过电位很小；当析出物为气体（尤其是H2H2和和O2)O2)时，电化学极化的过电位很大。本例中时，电化学极化的过电位

8、很大。本例中阳阳=0.72 V阳极反应：阳极反应：2H2O O2 + 4H+ +4eO2+)V(22. 1OHHOlg4059. 0229. 1)O/HO()V(307. 0Culg2059. 0337. 0)Cu/Cu(22422222EE在采用网状大面积阴极，并充在采用网状大面积阴极，并充分搅拌时，分搅拌时，阴阴=0，因此，因此，E外外 = （E阳阳 + 阳阳）- （E阴阴 + 阴阴） + iR=（1.22 + 0.72) (0.31 - 0) + 0.05 =1.68 V （实际分解电压）（实际分解电压）析出电位析出电位第9页/共34页第8页/共34页6. 析出电位析出电位 析出电位是指

9、某物质在阴极上还原析出所需的最正的阴极析出电位是指某物质在阴极上还原析出所需的最正的阴极电位，或在阳极氧化析出时所需的最负阳极电位。电位，或在阳极氧化析出时所需的最负阳极电位。 对于可逆电极反应，对于可逆电极反应，某物质的析出电位就等于电极的平衡某物质的析出电位就等于电极的平衡电位。电位。 电解时，物质在阴极、阳极上析出的先后顺序：电解时，物质在阴极、阳极上析出的先后顺序： 阴极上，析出电位越高的组分，优先还原；阴极上，析出电位越高的组分，优先还原； 阳极上，析出电位越低的组分，优先氧化。阳极上，析出电位越低的组分，优先氧化。电解方程式电解方程式E外外 = （E阳阳 + 阳阳）- （E阴阴 +

10、 阴阴） + iR第10页/共34页第9页/共34页二、电解分析方法和应用 电重量分析法电重量分析法: :利用电解将被测利用电解将被测组分从一定体积溶液中完全（浓度低组分从一定体积溶液中完全（浓度低于于1010-6-6 mol/L) mol/L)沉积在阴极上，通过称沉积在阴极上，通过称量阴极增重的方法来确定溶液中待测量阴极增重的方法来确定溶液中待测离子的浓度。离子的浓度。1.1.恒电流电重量分析法恒电流电重量分析法 装置装置： 蓄电池、可变电阻、电压表、蓄电池、可变电阻、电压表、电流表、电流表、网状网状Pt电极（阴极）、螺旋电极（阴极）、螺旋状状Pt电极（阳极）。电极（阳极）。 操作操作：保持

11、电流在保持电流在0.5-5A0.5-5A之间恒定，电压变之间恒定，电压变化。化。网状Pt电极螺旋状Pt电极第11页/共34页第10页/共34页阴极电位随时间变化曲线E外外 = （E阳阳 + 阳阳）- （E阴阴 + 阴阴） + iRE阴阴=E0+0.059 V2lg Cu2+这就是控制电流电解的原理。网状Pt电极螺旋状Pt电极第12页/共34页第11页/共34页特点及应用范围特点及应用范围优点：分析速度快缺点：选择性差应用：只能用于溶液中只有一种可还原的金属离子的定量分析；本法可用于分离金属活动顺序氢两侧的金属元素。第13页/共34页第12页/共34页2. 2. 控制阴极电位电重量分析法控制阴极

12、电位电重量分析法 (1)(1)装置：装置：三电极系统三电极系统 调节外电压，阴极电位控制在一定范围内。选择性好。调节外电压，阴极电位控制在一定范围内。选择性好。控制阴极电位系统电解装置A1A2第14页/共34页第13页/共34页(2)(2)阴极电位的选择溶液中存在两种以上可析出金属离子时，进行电解就应该考虑干扰和分离问题。如果两种金属离子的析出电位相差较大，可用控制阴极电位电解法使两种金属分离。第15页/共34页第14页/共34页两种金属离子的析出电位相差多少时，可用控制电位电解法进行分离和分别测定？a. a. 一般认为，一般认为，A A离子浓度降低离子浓度降低10105 5倍时，即认为倍时，

13、即认为A A物质析出完全物质析出完全。此时阴极电位不应该达到。此时阴极电位不应该达到B B物物质的析出电位质的析出电位( (图图) )；b. b. 被分离两金属离子均为一价被分离两金属离子均为一价, ,析出电位差析出电位差0.3 V0.3 Vc. c. 被分离两金属离子均为二价被分离两金属离子均为二价, ,析出电位差析出电位差0.15 V0.15 Vd. d. 被分离两金属离子均为三价被分离两金属离子均为三价, ,析出电位差析出电位差0.10 V0.10 V E阴=E0+0.059 Vnlg aA对于一价离子对于一价离子, ,浓度降浓度降低低1010倍倍, ,阴极电位降低阴极电位降低0.059

14、 V0.059 V。第16页/共34页第15页/共34页(3)(3)电流时间曲线电解时间如何控制？浓度随时间变化关系如何？电解时间如何控制？浓度随时间变化关系如何？电流电流- -时间曲线时间曲线: :KttKtttVDAtcciieii 1010000浓度与时间关系为：浓度与时间关系为： A：电极面积；：电极面积；D：扩散系数；：扩散系数；V：溶液体积；：溶液体积； ：扩散层厚度：扩散层厚度当电解电流降低到恒定的当电解电流降低到恒定的背景电流值时，就意味着背景电流值时，就意味着某待测物质已经完全从溶某待测物质已经完全从溶液中析出。液中析出。第17页/共34页第16页/共34页电解完成电解完成9

15、9.9%99.9%所需的时间为所需的时间为: : t99.9% = 7.0V /DA电解完成的时间与起始浓度无电解完成的时间与起始浓度无关。与溶液体积关。与溶液体积V成正比，与成正比，与电极面积电极面积A成反比。成反比。KttKtttVDAtcciieii 1010000浓度与时间关系为：浓度与时间关系为： 影响电解时间长短的因素影响电解时间长短的因素恒电位电解分析时，用恒电位电解分析时，用小体积试液小体积试液、大表面积大表面积电极电极、同时、同时充分搅拌溶充分搅拌溶液液，可缩短电解分析时，可缩短电解分析时间。间。A：电极面积；：电极面积；D：扩散系数；：扩散系数；V：溶液体积；：溶液体积；

16、：扩散层厚度：扩散层厚度K =DAV第18页/共34页第17页/共34页第二节第二节 库仑库仑分析法分析法第19页/共34页第18页/共34页一、库仑分析原理与过程 库仑分析法：电极反应-电量-物质量相互关系； 库仑分析法的理论基础：法拉第电解定律； 基本要求：电极反应单纯，电流效率100%。1. 1. 法拉第电解定律法拉第电解定律 物质在电极上析出产物的质量物质在电极上析出产物的质量W 与通过电解池的电量与通过电解池的电量Q 成正比。成正比。 principle and general process of coulometric analysisnMFQW 式中：式中：M为物质的摩尔质量（

17、为物质的摩尔质量（g），），Q为电量（为电量（1库仑库仑=1安培安培1秒），秒），F为法拉第常数（为法拉第常数（1F=96487库仑），库仑），n为电极反应为电极反应中转移的电子数。中转移的电子数。第20页/共34页第19页/共34页2. 2. 电流效率与影响电流效率的因素电流效率与影响电流效率的因素影响电流效率的因素：影响电流效率的因素：（1）溶剂的电极反应，）溶剂的电极反应，控制电压范围及电解条件消除控制电压范围及电解条件消除（2）溶液中杂质的电解反应，）溶液中杂质的电解反应，空白校正或予电解除杂空白校正或予电解除杂 （3）水中溶解氧，）水中溶解氧，通惰性气体除溶解氧通惰性气体除溶解氧（4

18、）电解产物的再反应，）电解产物的再反应，选合适电极、电解液；将阴选合适电极、电解液；将阴 阳极隔开。阳极隔开。（5）电极自身参与反应，）电极自身参与反应，采用惰性电极采用惰性电极（6）共存元素的电解，）共存元素的电解，预先分离干扰元素预先分离干扰元素总样杂溶样样电流效率iiiiii第21页/共34页第20页/共34页1.1.装置与过程装置与过程 (2)(2)将一定体积的试样将一定体积的试样溶液加入到电解池中，接溶液加入到电解池中，接通库仑计电解。当电解电通库仑计电解。当电解电流降低到背景电流时，停流降低到背景电流时，停止。由库仑计记录的电量止。由库仑计记录的电量计算待测物质的含量。计算待测物质

19、的含量。 (1)(1)空白液预电解空白液预电解, ,消消除电活性杂质。通除电活性杂质。通N N2 2除氧。除氧。预电解达到背景电流预电解达到背景电流, ,不不接通库仑计。接通库仑计。二、控制电位库仑分析法第22页/共34页第21页/共34页库仑计（1）氢氧库仑计）氢氧库仑计 (电解水电解水) 在在25 度、度、101325 Pa下，下，1库伦电量库伦电量产生产生0.1741 mL 混合气体。混合气体。nMFQW 第23页/共34页第22页/共34页恒阴极电位：恒阴极电位：电流随时间变化时电流随时间变化时，有下式，有下式tkiQtkidtidtiQktktt303. 210)101 (303.

20、21000kt000可忽略，则：相当大时，当以以lgit 对对t 作图，斜率作图，斜率 k；截距；截距lg i0；要求电流效率要求电流效率100%（2）电子积分库仑计）电子积分库仑计Kttii 100第24页/共34页第23页/共34页1.1.控制电位库仑分析法特点及应用控制电位库仑分析法特点及应用看书p201第25页/共34页第24页/共34页三、库仑滴定法1 1、方法和原理 由恒电流发生器产生的恒电流通过电解池，被测物质直接在电极上反应或在电极附近与电极反应产生的一种能与被测物质起作用的试剂反应, ,当被测物质作用完毕后，由指示终点的仪器发出信号，立即关掉计时器。由电解进行的时间t t（S

21、 S）和电流强度（A A），可求算出被测物质的量W W（g g）。此法又称为控制电流库仑滴定法，简称为库仑滴定法。这种方法并不测量体积而测量电量。它与普通容量分析法突出的不同点在于，滴定剂不是由滴定管向被测溶液中滴加，而是通过恒电流电解在试液内部产生，电生滴定剂的量又与电解所消耗的电量成正比。因此，可以说库仑滴定是一种以电子作一滴定剂的容量分析。第26页/共34页第25页/共34页 在电解Fe2+至Fe3+时，电极反应为： 阳极： Fe2+ = Fe3+ + e 0= -0.77V 阴极：H+ + e = 1/2H2 0=0V随时间的推移，Fe2+ , 为维持恒电流，外加电压将 。当外加电压增

22、加到一定值时，阳极电位正移。此时，溶液中将有O2析出：H2O=1/2O2+2H+2e 0= -1.9V即电流效率将达不到100%！第27页/共34页第26页/共34页解决方法：于电解液中加入“第三者”：高浓度的Ce3+作为辅助体系。Ce3+ = Ce4+ +e 0= -1.61V可见此时Ce4+比O2先析出，而析出的Ce4+马上与Fe2+作用，充当了所谓的“滴定剂”，即电生滴定剂，从而保持电流效率为100%。该法类似于Ce4+滴定Fe2+ 第28页/共34页第27页/共34页根据反应可知，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

23、与单纯Fe2+完全氧化为Fe3+的电量是相当的。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。第29页/共34页第28页/共34页 2. 2. 库仑滴定的装置与过程库仑滴定的装置与过程 在特定的电解液中，以电极反应产物作为滴定剂（在特定的电解液中，以电极反应产物作为滴定剂（电生滴电生滴定剂定剂，相当于化学滴定中的标准溶液）与待测物质定量作用；，相当于化学滴定中的标准溶液）与待测物质定量作用； 借助于电位法借助于电位法或指示剂来指示滴或指示剂来指示滴定终点。故库仑滴定终点。故库仑滴定并不需要化学滴定并不需要化学滴定和其它仪器滴定定和其它仪器滴定分析中的标准溶液分析中的标准溶液和体积计量。和体积计量。第30页/共3