儀器分析課件第九章庫侖分析法

1、第九章第九章 電解分析和庫侖分析電解分析和庫侖分析(Electrolysis and Coulometry)9.1 電解分析法電解分析法 9.1.1 電解分析法的基本原理電解分析法的基本原理 9.1.2 控制電位電解法控制電位電解法 9.1.3 控制電流電解法控制電流電解法9.2 庫侖分析法庫侖分析法 9.2.1 庫侖分析的基本原理庫侖分析的基本原理 9.2.2 恒電位庫侖分析法恒電位庫侖分析法 9.2.3 恒電流庫侖分析法（庫侖滴定）恒電流庫侖分析法（庫侖滴定） 9.2.4 庫侖滴定的特點及應用庫侖滴定的特點及應用 9.2.5 自動庫侖分析法自動庫侖分析法9.1 電解分析法電解分析法電解分析

2、法：電解分析法： 將被測物質通過電解沉積于適當?shù)碾姌O上，并通過將被測物質通過電解沉積于適當?shù)碾姌O上，并通過稱量電極增重的質量求出試樣中金屬含量的分析方法。稱量電極增重的質量求出試樣中金屬含量的分析方法。這也是一種重量分析法，所以又稱為電重量法（這也是一種重量分析法，所以又稱為電重量法（electro-gravimetry）。它有時）。它有時 也作為一種分離的手段，方便地也作為一種分離的手段，方便地除去某些雜質。除去某些雜質。9.1.1 電解分析法的基本原理電解分析法的基本原理 電解是借助于外電源的作電解是借助于外電源的作用，使電化學反應向著非自發(fā)用，使電化學反應向著非自發(fā)的方向進行。典型的電解

3、過程的方向進行。典型的電解過程是在電解池中有一對面積較大是在電解池中有一對面積較大的電極如鉑，外加直流電壓，的電極如鉑，外加直流電壓，改變電極電位，使電解質溶液改變電極電位，使電解質溶液在電極上發(fā)生氧化還原反應。在電極上發(fā)生氧化還原反應。右圖為典型的電解裝置。右圖為典型的電解裝置。圖9.1 電解裝置 分解電壓（分解電壓（decomposition voltage）：）： 使某一電解質溶液連續(xù)不斷地發(fā)生電解反應所必需使某一電解質溶液連續(xù)不斷地發(fā)生電解反應所必需的最小外加電壓，稱為該電解質的分解電壓。外加電壓的最小外加電壓，稱為該電解質的分解電壓。外加電壓繼續(xù)增大，電流達到一極限值，稱為繼續(xù)增大，

4、電流達到一極限值，稱為極限電流極限電流。析出電位（析出電位（depositiong potential）：）： 為了使某種離子在電極上發(fā)生氧化或還原反應，而為了使某種離子在電極上發(fā)生氧化或還原反應，而在陽極或陰極上施加的最小電位稱為析出電位。在陽極或陰極上施加的最小電位稱為析出電位。 以以0.1mol/L的的H2SO4介質中電解介質中電解0.1mol/LCuSO4溶液為例：溶液為例： 陰極反應陰極反應 CuCu2+2+2e Cu2e Cu 陽極反應陽極反應 2H2H2 2O OO O2 24H4H+ +4e4e 電極總反應電極總反應 2Cu2Cu2+2+2H2H2 2O 2CuO 2CuO O

5、2 24H4H+ +圖9.2 電解銅（II）溶液時的電流-外加電壓曲線 1計算所得曲線（Ud理論分解電壓）；2實驗所得曲線（Ud 實際分解電壓） Culg20592. 020/CuCuCu2V)(308. 0100. 0lg20592. 0337. 0 420O/HO0H)O(lg40592. 0222p)V(189. 1)2 . 01lg40592. 023. 14（ 陽極電位陽極電位陰極電位陰極電位當銅和氧構成原電池時：當銅和氧構成原電池時：Pt | O2（101 325Pa），），H+（0.2mol/L），），Cu2+（0.1mol/L）| Cu其電動勢為：其電動勢為：)(881. 01

6、89. 1308. 0OCuacVE電解時的理論分解電壓值是它的反電動勢（0.881V）。電解池的實際分解電壓為：電解池的實際分解電壓為：iRU)()(ccaadV)(65. 150. 010. 0)0308. 0()72. 0189. 1 (dU可見實際分解電壓要遠高于理論分解電壓?？梢妼嶋H分解電壓要遠高于理論分解電壓。 若圖9.1裝置電解時，電解池內阻為0.50，鉑電極面積為100cm2，電流為0.10A，O2在鉑電極上的超電壓為+0.72V，Cu電極的超電壓在加強攪拌的情況下可以忽略。則外加電壓為： 當試樣溶液中含有兩種以上的金屬離子時，如果一種當試樣溶液中含有兩種以上的金屬離子時，如果

7、一種金屬離子與其他金屬離子間的還原電位差足夠大，就可以金屬離子與其他金屬離子間的還原電位差足夠大，就可以把工作電極的電位控制在某一個數(shù)值或某一個小范圍內，把工作電極的電位控制在某一個數(shù)值或某一個小范圍內，只使被測金屬析出，而其他金屬離子留在溶液中，達到分只使被測金屬析出，而其他金屬離子留在溶液中，達到分離該金屬的目的，通過稱量電沉積物，求得該試樣中被測離該金屬的目的，通過稱量電沉積物，求得該試樣中被測金屬物質的含量。金屬物質的含量。 實現(xiàn)對電極電位的控制，需要在電解池中引入?yún)⒈入妼崿F(xiàn)對電極電位的控制，需要在電解池中引入?yún)⒈入姌O，如甘汞電極，可以通過機械式的自動陰極電位電解裝極，如甘汞電極，可以

8、通過機械式的自動陰極電位電解裝置或電子控制的電位電解儀，將陰極電位控制在設定的數(shù)置或電子控制的電位電解儀，將陰極電位控制在設定的數(shù)值。值。 9.1.2 控制電位電解分析法控制電位電解分析法 （controlled potential electrolysis） 圖9.3 控制陰極電位電解裝置 如以鉑為電極，電解液為如以鉑為電極，電解液為0.1mol/L的的H2SO4，含有，含有0.0100mol/L的的Ag+和和2.00mol/L的的Cu2+ ，問能否通過控，問能否通過控制外加電壓方法使二者分別電解而不相互干擾。制外加電壓方法使二者分別電解而不相互干擾。a)各離子在陰極的析出電位各離子在陰極的

9、析出電位銅開始析出的電位為：銅開始析出的電位為： 銀開始析出的電位為：銀開始析出的電位為：因為因為 ，故銀先于銅析出。，故銀先于銅析出。b) Ag完全析出時的外加電壓：完全析出時的外加電壓：設設Ag2+“完全完全”析出時溶液中析出時溶液中Ag2+的濃度為的濃度為10-6mol/L，則，則Ag的陰極電位為：的陰極電位為： O2的陽極電位為：的陽極電位為：)V(346. 0Culg2059. 020/CCuCu2u)V(681. 0Aglg059. 00/AgAgAgCuAg)V(445. 010lg059. 0779. 06Ag)V(909. 1V)72. 0189. 1 (a 因此，因此，Ag

10、完全析出時的外加電壓：完全析出時的外加電壓： c) Cu開始析出時的外加電壓：開始析出時的外加電壓： 可見在可見在Ag完全析出時的電壓并未達到完全析出時的電壓并未達到Cu析出時的電壓。析出時的電壓。 陰極電位所控制的范圍雖然可以通過計算求出，但實際陰極電位所控制的范圍雖然可以通過計算求出，但實際分析中要求電解在較短的時間內完成，且電解電流盡可能分析中要求電解在較短的時間內完成，且電解電流盡可能大，又由于超電壓的存在及電解池大，又由于超電壓的存在及電解池iR降和溶液電導的變化，降和溶液電導的變化，所以很難從理論上計算出一定陰極電位下所需的外加電壓所以很難從理論上計算出一定陰極電位下所需的外加電壓

11、值。實際工作中是在相同的實驗條件下分別求出兩種金屬離值。實際工作中是在相同的實驗條件下分別求出兩種金屬離子的電解電流與其陰極電位的關系曲線，由實際分解電位來子的電解電流與其陰極電位的關系曲線，由實際分解電位來決定。決定。V)(464. 1V)445. 0909. 1 (caUV)(553. 1V)346. 0909. 1 (caU9.1.3 控制電流電解分析法控制電流電解分析法 電解分析有時也在控制電流恒定的情況下進行。這時外電解分析有時也在控制電流恒定的情況下進行。這時外加電壓較高，電解反應的速度較快，但選擇性不如控制電位加電壓較高，電解反應的速度較快，但選擇性不如控制電位電解法好。往往一種

12、金屬離子還未沉淀完全時，第二種金屬電解法好。往往一種金屬離子還未沉淀完全時，第二種金屬離子就在電極上析出。加入陽極或陰極去極劑，可以克服選離子就在電極上析出。加入陽極或陰極去極劑，可以克服選擇性差的問題。例如：在擇性差的問題。例如：在Cu2+和和Pb2+的混合液中，為防止的混合液中，為防止Pb在分離沉積在分離沉積Cu時沉淀，可以加入硝酸根作為陰極去極劑，硝時沉淀，可以加入硝酸根作為陰極去極劑，硝酸根在陰極上還原生成銨離子，即酸根在陰極上還原生成銨離子，即 它的電位比它的電位比Pb2+更正，而且量比較大，在更正，而且量比較大，在Cu2+電解完成前電解完成前可以防止可以防止Pb2+在陰極上的還原沉

13、積。在陰極上的還原沉積。 NO3-+10H+8eNH4+3H2O9.2 庫侖分析法庫侖分析法9.2.1 電解分析法的基本原理電解分析法的基本原理庫侖分析法：庫侖分析法： 以測量電解過程中被測物質在電極上發(fā)生電化學反應以測量電解過程中被測物質在電極上發(fā)生電化學反應所消耗的電量為基礎的分析方法。它和電解分析不同，被測所消耗的電量為基礎的分析方法。它和電解分析不同，被測物質不一定在電極上沉積，但一般要求電流效率為物質不一定在電極上沉積，但一般要求電流效率為100%?；疽罁?jù)：法拉第（基本依據(jù)：法拉第（Faraday）電解定律）電解定律在電解時，電極在電解時，電極上發(fā)生化學變化的物質的量上發(fā)生化學變化

14、的物質的量m與通過電解池的電量與通過電解池的電量Q成正比成正比關系，其數(shù)學表達式為：關系，其數(shù)學表達式為： 或或QnFMm 96487itnMitnFMm9.2.2 恒電位庫侖分析法恒電位庫侖分析法 庫侖分析方式包括：恒電位庫侖分析及恒電流庫侖滴定。庫侖分析方式包括：恒電位庫侖分析及恒電流庫侖滴定。恒電位庫侖分析：恒電位庫侖分析： 庫侖分析是根據(jù)進行電解反應時通過電解池的電量來庫侖分析是根據(jù)進行電解反應時通過電解池的電量來分析的，因此需要在電解電路中串聯(lián)一個能精確測量電量分析的，因此需要在電解電路中串聯(lián)一個能精確測量電量的庫侖計（的庫侖計（coulometer）見圖。）見圖。 電解時，控制工作

15、電極的電位保持恒定值電解時，控制工作電極的電位保持恒定值 ，100%電電流效率流效率。當當I 0時，電解完全，電量大小用庫侖計可以時，電解完全，電量大小用庫侖計可以精確測量，則可由法拉第定律計算出該物質的含量。精確測量，則可由法拉第定律計算出該物質的含量。 圖9.4 恒電位庫侖分析裝置圖9.5 氫氧庫侖計 它是由一支刻度管，用橡皮管與電解管相接，電解管中焊接兩片鉑電極，管外裝有恒溫水套。常用的電解液是0.5mol/LK2SO4或Na2SO4溶液。通過電流時，在陽極上析出氧，陰極上析出氫。電解前后刻度管內液面之差即為生成的氫、氧氣體的總體積。1742. 0VQ nVMnVMm1677996487

16、1742. 0 在標準狀態(tài)下，每庫侖電量相當于析出0.174 2mL氫、氧混合氣體。如果測得庫侖計中混合氣體的體積為V（mL），則電解消耗電量Q為：9.2.3 恒電流庫侖分析法（庫侖滴定）恒電流庫侖分析法（庫侖滴定）（coulometric titration） 恒電流庫侖分析法：恒電流庫侖分析法： 用一恒定強度的電流通過電解池，在電極附用一恒定強度的電流通過電解池，在電極附近由于電極反應而產(chǎn)生一種試劑，猶如普通滴定近由于電極反應而產(chǎn)生一種試劑，猶如普通滴定分析中的分析中的“滴定劑滴定劑”，這種電生試劑即刻與被測，這種電生試劑即刻與被測物質起反應，作用完畢后反應終點可由適當?shù)姆轿镔|起反應，作用

17、完畢后反應終點可由適當?shù)姆椒ù_定。通過恒定電流法確定。通過恒定電流i和電解開始至反應終止所和電解開始至反應終止所消耗的時間消耗的時間t，可求得電量，可求得電量Q = it，通過法拉第電，通過法拉第電解定律可求得物質的含量。庫侖滴定裝置見圖。解定律可求得物質的含量。庫侖滴定裝置見圖。 圖9.6 庫侖滴定裝置存在的問題：存在的問題： 在庫侖滴定過程中，電解電流的變化、電流效在庫侖滴定過程中，電解電流的變化、電流效率的下降、滴定終點判斷的偏離以及時間和電流的率的下降、滴定終點判斷的偏離以及時間和電流的測量誤差等因素都會影響滴定誤差。在現(xiàn)代技術條測量誤差等因素都會影響滴定誤差。在現(xiàn)代技術條件下，時間和

18、電流均可準確地測量，恒電流控制也件下，時間和電流均可準確地測量，恒電流控制也可達可達0.01%。因此如何保證恒電流下具有。因此如何保證恒電流下具有100%的電的電流效率和怎樣指示滴定終點成為兩個極為重要的問流效率和怎樣指示滴定終點成為兩個極為重要的問題。題。解決方法：解決方法： 工作電極一般為產(chǎn)生試劑的電極，直接浸于溶工作電極一般為產(chǎn)生試劑的電極，直接浸于溶液中；輔助電極則經(jīng)常需要套一多孔性隔膜（如微液中；輔助電極則經(jīng)常需要套一多孔性隔膜（如微孔玻璃），以防止由于輔助電極所產(chǎn)生的反應干擾孔玻璃），以防止由于輔助電極所產(chǎn)生的反應干擾測定，以保證測定，以保證100%電流效率。庫侖滴定的終點可電流效

19、率。庫侖滴定的終點可根據(jù)測定溶液的性質選擇適宜的方法確定。例如各根據(jù)測定溶液的性質選擇適宜的方法確定。例如各種伏安法、電導法及比色法等，甚至化學指示劑都種伏安法、電導法及比色法等，甚至化學指示劑都可應用。如果應用伏安法，則需要在溶液中再浸入可應用。如果應用伏安法，則需要在溶液中再浸入一對電極，因此溶液中有兩組（四個）電極，一組一對電極，因此溶液中有兩組（四個）電極，一組供電解用，另一組則用作終點指示。供電解用，另一組則用作終點指示。庫侖滴定的特點：庫侖滴定的特點：1）靈敏度高，準確度好；）靈敏度高，準確度好；2）不需要制備標準溶液，不穩(wěn)定的滴定劑可以電產(chǎn)生；）不需要制備標準溶液，不穩(wěn)定的滴定劑

20、可以電產(chǎn)生；3）電流和時間能準確測定。）電流和時間能準確測定。應用：應用： 凡能以凡能以100%電流效率電解生成試劑，且能迅速而定量電流效率電解生成試劑，且能迅速而定量地反應的任何物質都可以用這種方法測定。故能用容量分地反應的任何物質都可以用這種方法測定。故能用容量分析的各類滴定，如酸堿滴定、氧化還原法滴定、容量沉淀析的各類滴定，如酸堿滴定、氧化還原法滴定、容量沉淀法、絡合滴定等測定的物質都可用庫侖滴定測定。法、絡合滴定等測定的物質都可用庫侖滴定測定。9.2.4 庫侖滴定的特點及應用庫侖滴定的特點及應用 污水中化學耗氧量（污水中化學耗氧量（COD）的測定：）的測定： 化學耗氧量（化學耗氧量（COD）是評價水體中有機污染物相對含）是評價水體中有機污染物相對含量的一項重要的綜合指標，也是對地面水、工業(yè)污水的研量的一項重要的綜合指標，也是對地面水、工業(yè)污水的研究以及污水處理廠控制的一項重要的測定參數(shù)。在究以及污水處理廠控制的一項重要的測定參數(shù)。在COD測測定中，常用的方法是重鉻酸鉀法和高錳酸鉀法，兩者均為定中，常用的方法是重鉻酸鉀法和高錳酸鉀法，兩者均為化學分析法。前者對有機物氧化率高，常用于化學分析法。前者對有機物