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1、第第7 7章章 电分析化学导论电分析化学导论 u电分析化学（electroanalytical chemistry）是仪器分析的一个重要组成部分。u它是基于物质在电化学池中的电化学性质及其变化规律进行分析的一种方法，通常以电位、电流、电量和电导等电学参数与被测物质的量之间的关系作为计量基础。u本章将介绍电分析化学中的一些常用术语和基本概念，所涉及的方法原理、测试技术及分析应用等将在以后几章中进行讨论。u电化学池（电化学池（electrochemical cells）通常简称）通常简称为电池，它是指两个电极被至少一个电解质为电池，它是指两个电极被至少一个电解质相所隔开的体系。相所隔开的体系。u考
2、察单个界面上发生的电化学现象在实验上考察单个界面上发生的电化学现象在实验上是困难的，实际上，必须研究电化学池的多是困难的，实际上，必须研究电化学池的多个界面集合体的性质。个界面集合体的性质。u就电化学体系而言，电极上的电荷转移是通就电化学体系而言，电极上的电荷转移是通过电子（或空穴）运动实现，在电解液相中过电子（或空穴）运动实现，在电解液相中电荷迁移是通过离子运动进行的，这就涉及电荷迁移是通过离子运动进行的，这就涉及到一些基本概念。到一些基本概念。7.1 电化学池电化学池 u有有Faraday电流流过的电化学池可分为原电池电流流过的电化学池可分为原电池（或自发电极，（或自发电极，galvani
3、c cell）和电解池）和电解池（electrolytic cell）。）。u原电池中电极上的反应是自发地进行，利用电池反应产生的化学能转变为电能。u电解池是由外加电源强制发生电池反应，以外部供给的电能转变为电池反应产物的化学能。7.1.1 电化学池的类型电化学池的类型7.1.1 电化学池的类型电化学池的类型u在反应中有电荷（如电子）在金属/溶液界面上转移，电子转移引起氧化或还原反应发生。由于这些反应遵循法拉第电解定律，故称之为法拉第过程，其电流称法拉第电流。u在一定条件下，由于热力学或动力学方面的原因，可能没有电荷转移反应发生，而仅发生吸附和脱附这样一类的过程，电极/溶液界面的结构可以随电位
4、或溶液组成的变化而改变，这类过程称为非法拉第过程。7.1.2 法拉第过程与非法拉第过程法拉第过程与非法拉第过程u 将电极插入电解质溶液，在电极和溶液之间会有一个界面。无论是原电池还是电解池，各种电化学反应都是发生在这一极薄的界面层内。u7.2.1.双电层的结构及性质双电层的结构及性质 7.2 电极电极/溶液界面双电层溶液界面双电层u双电层中两荷电层之间的距离非常小，所涉及到的电位差约在0.11V之间，产生的电场强度非常大。u对于一个电极反应来说，它涉及到电荷在相间的转移，在大的电场强度作用下，其电极反应的速率必将受到很大的影响。u基于此，实验中通过控制电极电位可以有效地改变电极反应的速率和方向
5、。u不难理解，通过改变电极材料的物理性质和化学组成，也会改变双电层的结构和性质，从而影响电极反应。7.2.1 双电层的结构及性质双电层的结构及性质u电极表面双电层类似一个电容器，当向体系施加电扰动的时候，双电层所负载的电荷会发生相应改变，从而导致电流的产生，这一部分电流称为充电电流。u如果溶液中存在可氧化还原的物质，而且这种电扰动又能足够引起其氧化还原反应，显然，这时流经电回路中的电流包括两种成分，即法拉第电流与充电电流，后者属于非法拉第电流。u电化学测定体系犹如一个RC电路，假设线路电阻和电解池电阻的总和为R，电极/溶液界面双电层电容为C，向体系施加的电位阶跃的值为E。根据电子学知识，这时所
6、引起的充电电流为：7.2.2 充电电流充电电流-/et RCcEiRu反应物通过扩散、对流和电迁移等传质方式向电极表面传递。这一步骤称为液相物质传递步骤。液相物质传递步骤。u反应物在电极表面层中进行某些转化，如吸附或其他化学变化。这类过程通常没有电子参与反应。这一步骤称为前置的表面转化步骤。前置的表面转化步骤。u反应物在电极和溶液界面进行电子交换，生成反应产物。这一步骤称为电子传递步骤。电子传递步骤。u反应产物在电极表面层中进行某些转化，如脱附、反应产物的复合和分解等化学变化。这一步骤称为随后的表面转化步骤。随后的表面转化步骤。u反应产物生成新相，例如结晶、生成气体等。或者，反应产物是可溶性的
7、，产物粒子从电极表面向溶液中或液态电极内部传递。这一过程也称为物质传递物质传递步骤。步骤。7.3 电极过程的基本历程电极过程的基本历程13.3 电极过程的基本历程电极过程的基本历程u13.4.1.电位符号电位符号uIUPAC推荐电极的电位符号的表示方法如下：u1反应写成还原过程：u2规定电极的电极电位符号相当于该电极与标准氢电极组成的电池时，该电极所带的静电荷的符号。u13.4.2.电池的图解表达式电池的图解表达式u几个电池的图解表达式：13.4 电极过程池的图解电极过程池的图解u根据电极反应的性质来区分阳极和阴极。u根据电极电位的正负程度来区分正极和负极。u电池电动势的符号取决于电流的流向。
8、13.4 电极过程池的图解电极过程池的图解u目前还无法测量单个电极的电位绝对值，而只能使另一个电极标准化，通过测量电池的电动势来获得其相对值。u国际上承认并推荐的是以标准氢电极（standard hydrogen electrode，SHE）作为标准，即人为地规定下列电极的电位为零：u目前通用的标准电极电位值都是相对值而非绝对值。13.5.1 电极电位的测定电极电位的测定+2Pt/H(P=100kPa)/H(=1)u对于可逆电极反应 ，用Nernst（能斯特）公式表示电极电位与反应物活度之间的关系为u氧化态活度和还原态活度均等于1，此时的电极电位即为标准电极电位（E）。25时：13.5.2 标
9、准电极电位与条件电位标准电极电位与条件电位13.5.3 电极电位与电极反应的关系电极电位与电极反应的关系u当有电流通过电极时，总的反应速率不等于零，即原有的热力学平衡被破坏，致使电极电位偏离平衡电位，这种现象叫做极化现象。u电化学极化u浓差极化 u理想极化电极 u去极剂 u不极化电极或去极化电极 u超电位（）：EEeq 13.6 电极的极化电极的极化u所谓电化学电池中的电极系统，是指电分析化学实验中通常用到的二个或三个电极的测试体系。u工作电极(working electrode)又称指示电极(indicator electrode)u参比电极（reference electrode）u辅助电
10、极或对电极u二电极与三电极系统二电极与三电极系统：13.7 电化学电池中的电极系统电化学电池中的电极系统uIUPAC将阳极电流和阴极电流分别定义为在工作电极上起纯氧化和纯还原反应所产生的电流。u规定阳极电流为正值，阴极电流为负值。这与传统的习惯相反，过去前者定义为负值，后者为正值。u但是，国内外相关文献均未接受这一推荐，因此本课程中仍按过去习惯，即阴极电流为正值，阳极电流为负值。13.8 电流的性质和符号电流的性质和符号13.9 电分析化学方法概述电分析化学方法概述u静态方法又称稳态法：即平衡态或非极化条件下的测量方法。体系没有电流通过，如电位法和电位滴定法；有电流通过，但电流很小，电极表面能
11、快速地建立起扩散平衡，如微电极体系等。u动态方法又称暂态法：即动态或极化条件下的测量方法。当电流刚开始通过，电极体系的参量（如浓度分布、电流和电极电位等）均在不断变化时所实现的测量方法。在现代电分析化学中，为了实现快速分析，暂态测量方法得到了广泛的应用，如伏安法、计时电位法等。13.9.1 静态和动态测试方法静态和动态测试方法u伏安法（伏安法（voltammetry）和极谱法（）和极谱法（polarography）u电位分析法电位分析法 u电解和库仑分析法电解和库仑分析法 u电导分析法电导分析法13.9.2 电分析化学方法的分类电分析化学方法的分类u分析速率快，如伏安或极谱分析法可以一次同时测分析速率快，如伏安或极谱分析法可以一次同时测定多种被分析物。定多种被分析物。u灵敏度高，可用于痕量甚至超痕量组分的分析。u所需试样的量较少，试样的预处理手续一般也比较简单。所使用的仪器简单、经济，且易于实现自动控制。u测量所得到的值是物质的活度而非浓度。适用于进行微量操作。适用于活体分析和监测。u电分析化学法可用于各种化学平衡常数的测定以及化学反应机理的研究。13.9.3 电分析化学方法的特点电分析化学方法的特点