《电分析导论》PPT课件.ppt

第十三章 电分析化学导论,13.1定义和内容 13.1.1 定义 换言之，就是说什么叫电分析化学？尽管存在不同意见，一些著名学者还是提出了大多数人可接受的定义。50年代，I.M. Kolthoff 提出： Electroanalytical Chemistry as the application of electrochemistry to analytical chemistry。,80 年代，由于分析化学的快速发展，电分析化学的内容的扩充和更新，这一定义不能准确适应，J.A.Plambeck 修正了这一定义： Electroanalytical chemistry is that branch of chemical analysis that employs electrochemical methods to obtain information related to the amounts,properties, and environments of chemical species.,在我国早期引用Kolthoff 的定义。80年代后，提出的中文定义为： 依据电化学和分析化学的原理及实验测量技术来获取物质的质和量及状态信息的一门科学。,（2）内容,至少可概括为： 成分分析和形态分析； 动力学和机理分析； 表面和界面分析等。 现有电分析方法约200种。在科学研究、工农业生产，几乎处处都有电分析方法的应用。,13.2电分析方法的分类 有三种分类方法,15.2.1 经典方法：按原理命名，划分为五大类 （1）电导分析（G=1/R）， （2）电位分析（E=k+SlogC）， （3）库分析（Q=nFM）， ( 4 ) 电解分析（就指电重量方法）， （5）伏安和极谱法（i=kc）。 15.2.2 按激发信号分类： （1）电位激发（计时电流，伏安和极谱，库仑）， （2）电流激发（计时电位，恒流电解，库仑等）， （3）滴定剂激发（滴定方法等）。,13.2.3 按电极反应本质分类（IUPAC 推荐方法）。 （1）既无双电层，也无电极反应。 电导法，电导滴定法等。 （2）有双电层无电极反应。 微分电容，非法拉第法等。 （3）有电极反应。 A电解电流=0 B电解电流0 这类方法,IUPAC建议，划分成三类： 施加恒定激发信号， 施加可变的大振幅激发信号， 施加小振幅度激发信号。,13.3 发展历史与展望 发展历史可概适为四阶段,15.3.1 初期阶段，方法原理的建立 1801年W.Cruikshank，发现金属的电解作铜和银的定性分析方法。 1834年M.Faraday 发表“关于电的实验研究”论文，提出Faraday定律Q=nFM。 1889年WNernst提出能斯特方程。 1922年，JHeyrovsky，创立极谱学。1925年，志方益三制作了第一台极谱仪。1934年DIlkovic提出扩散电流方程。 （Id = k C）,创建学科人,13.3.2 电分析方法体系的发展与完善 电分析成为独立方法分支的标志是什么呢？ 就是上 述三大定量关系的建立。50 年代，极谱法灵敏度，和电位法pH测定传导过程没有很好解决。,13.3.3 近代电分析方法 固体电子线路出现，从仪器上开始突破，克服充电电流的问题，方波极谱，1952 GCBarker提出方波极谱。1966年SFrant和 JRoss提出单晶（LaF3）作为F 选择电极，“膜电位”理论建立完善。其它分析方法，催化波和溶出法等的发展，主要从提高灵敏度方面作出贡献。,13.3.4 现代电分析方法,时间和空间上体现“快”，“小” 与“大” 。 （1）化学修饰电极（chemically modified electrodes） 这种技术是20世纪80年代发展起来的。 （2）生物电化学传感器（Biosensor） （3）光谱电化学方法 （ Electrospectrochemistry） R. N.Adams 的idea,T. Kuwana(实现idea,1964年Nesa玻璃) （4）超微电极（Ultramicroelectrodes）、芯片电极（chip electrode) （5）另一个重要内容是微型计算机的应用，使电分析方法产生飞跃。,人物与故事,13.4基础概念与重要术语,13.4.1双电层(Electrical Double-Layer) 当电极插入溶液中后，在电极和溶液之间便有一个界面。如图151，如果导体电极带正电行会对溶液中的负离子产生吸引作用同时对正离子也有一定的排斥作用。结果在靠近电极附近呈现出如图151中的浓度分布。紧密层(IHP)存在静电作用和其它较静电作用更强的作用（如特性吸附、键合等），将出现电荷过剩，即阴离子总数超过阳离子总数；分散层(OHP）只有静电引力的作用在此区域内也有电荷过剩；这种结构称为双电层。而在此以外，超出了静电引力的作用范围或者因其作用力太小可以忽略不计将不再有电荷过剩现象。,IHP,OHP,扩散层（）,双电层模型（GCS）,电 极,溶 液,13.4.2 法拉第电流和充电电流 Faradaic and capacitive current,在电极上发生的氧化还原反应产生的电流称为法拉第电流。 而电极的双电层的作用类似于一个电容器，在改变电极的电压时双电层所负载的电荷也发生相应改变，从而导致电流的产生这一部分电流称为充电电流属于非法拉第电流。即外电路中的电子在到达电极表面后，或者参加氧化还原反应后进入溶液以形成法拉第电流；或者保持在电极表面给双电层充电，即形成非法拉第电流。,13.4.3 电极电位、标准电极电位和 条件电位 (standard and formal),什么是电极电位？例如一金属棒插入其盐溶液中，在金属与溶液界面建立起“双电层”，引起位差，即为电极电位。 当电对的活度比为1时的电极电位即为标准化电极电位。 如果考虑溶液的离子强度、络合效应等，的影响,将其活度系数、络合效应系数合并在Nernst方程常数项,电对的浓度比为1时,称为条件电位。,13.4.4 电流的性质和符号,IUPAC推荐将阳极电流和阴极电流分别定义为在指示电极或工作电极上起纯氧化和纯还原反应所产生的电流。规定阳极电流为正值,而阴极电流为负值。 这与历史上的习惯恰好相反，过去前者定义为负值后者为正值。 由于十几年来的习惯,国内外多数专业书刊还未能接受这一推荐。即阴极电流用正值，阳极电流用负值。,Property of current ,and symbol,13.4.5 极化电极和去极化电极 Polarized and Depolarzed electrodes,电化学分析法中还把电极区分为极化电极和去极化电极,插入试液中的电极的电极电位完全随外加电压改变或电极电位改变很大而产生的电流变化很小，这种电极称为极化电极；反之，电极电位不随外加电压改变，或电极电位改变很小而电流变化很大这种电极称为去极化电极。因此，电位分析中的饱和甘汞电极和离子选择电极应为去极化电极，而库仑分析法中的二支工作电极均为极化电极，可极谱法中的滴汞电极是极化电极，饱和甘汞电极是去极化电极。,13.4.6 极谱与伏安法 Polarography and Voltammetry,IUPAC推荐极谱法为使用液态电极其表面并作周期性连续更新的工作电极；伏安法为使用固体或固定的电极方法。 滴汞电极？玻碳电极？,13.4.7 辅助电极与对电极Auxiliary and counter electrode,与工作电极组成电流通道。避免在三电极体系中有电流流过参比电极产生极化，影响电位的控制。通常二者不严格区分。,15.4.8 析出电位与分解电压 Separate potential and Decomposition voltage,析出电位是指在工作电极上产生迅速的、连续不断的电极反应时，还原析出所需最正的电极电位；氧化析出所需最负的电极电位。 分解电压是指在工作电极上产生迅速的连续不断的电极反应时所需要的最小外加电压。,13.4.9 过电位与过电压,过电位是对单个电极而言，过电压是对整个电池而言。当化学池的电解以十分显著的速度进行时，外加电压超过可逆电池电动势的那部分称为过电压。其数值包括阴极过电位和阳极过电位。,Over-potentail and Over-voltage,13.4.10 电位窗口(Potential windows),指某种工作电极在惰性电解质中，阳极化反应时的最负电位到阴极化反应时的最正电位之间的电位范围。,5.1 袖珍微型化 仪器袖珍化，电极微型化。 5.2 生命过程的模拟研究 生命过程的氧化还原反应类似电极上的氧化还原，用电极膜上反应模拟生命过程，可深化认识生命过程。 5.3 活体现场检测（无损伤分析 ）。,展望,13.5,微流动全分析装置,微电极阵列DNA芯片,DNA芯片制作流程示意图,金电极表面的自组装(self-assembly):,碳纳米管和生物分子的组装体系,学习仪器分析方法寄语,清楚明了方法原理，弄懂记着基本概念。 知晓分清仪器装置，着重熟悉关键部件。 掌握方法基本公式，熟练使用重点公式。,法拉第 Michael Faraday 1791-1867,迈克尔法拉第是给19世纪的科学打上深刻印记的大科学家.1791年9月22日出生在英国的萨利。,13.6电分析化学奠基,1. 法拉第和他的定律,迈克尔法拉第是给19世纪的科学打上深刻印记的大科学家.法拉第1791年9月22日出生在英国的萨利，父亲詹姆斯法拉第是一位手工工人，母亲照顾家务。由于家境贫寒，法拉第童年时生活很清苦，他父亲也因过度劳累，身体极为衰弱。法拉第从未没有进过学校，他识字是自学的, 从11岁当报童，一直当到16岁。他觉得卖报这个差事对他很合适，因为在闲暇时可以看各种报纸，学习知识，看完的报还可以卖掉。卖报5年，他走遍了英国几个城市的大街小巷。这种工作，虽地位低下，但也能锻炼人。几年的卖报生涯，使法拉第阅历很广，有胆有识，十分机警。,英国著名电化学家戴维和其他知名专家经常在英国皇家学院讲演会上作学术报告，听讲的人很自由，人都可以去。法拉第在工作之余经常去听这些学术报告。戴维的报告深深吸引了法拉第，戴维的熟练的实验演示，使他十分敬佩。他将自己对电的一些想法写信告诉了戴维，他在信中提出：“电解作用，很可能存在着某种严格的数量关系。”戴维发现了法拉第的才能，决定录用他为自己的助手。法拉第通过对这一现象的深入研究，发现了电磁感应定律，这一定律是现代电磁学的基础，但由于他的数学基础比较差，没有能对这一现象概括出严格的定量关系。1829年戴维去世以后，法拉第专心研究电化学的问题，经研究发现：当电流通过电解质溶液时，两极上会同时出现化学变化。法拉第通过对这一现象的定量研究，发现了电解定律？电解定律的发现，把电和化学统一起来了，这使法拉第成了世界知名的化学家。1867年8月28日，法拉第在伦敦病逝。,能斯特 Walther Hermann Nernst,1864-1941年,2.能斯特和他的能斯特方程,德国物理化学家能斯特，1864年6月25日生于西普鲁士的布利森。进入莱比锡大学后，在奥斯特瓦尔德指导下学习和工作。1887年获博士学位。1891年任哥丁根大学物理化学教授。1905年任柏林大学教授。1925年起担任柏林大学原子物理研究院院长。1932年被选为伦敦皇家学会会员。由于纳粹政权的迫害，1933年退 职，在农村度过了他的晚年。1941年11月18日在柏林逝世。 能斯特的研究主要在热力学方面。1889年，他提出溶解压假说，从热力学导出于电极势与溶液浓度的关系式，即电化学中著名的能斯特方程。同年，还引入溶度积这个重要概念，用来解释沉淀反应。他用量子理论的观点研究低温下固体的比热；提出光化学的“原子链式反应”理论。1906年，根据对低温现象的研究，得出了热力学第三定律，人们称之为“能斯特热定理”，这个定理有效地解决了计算平衡常数问题和许多工业生产难题。因此获得了1920年诺贝尔化学奖金。此外，还研制出含氧化锆及其它氧化物发光剂的白炽电灯；设计出用指示剂测定介电常数、离子水化度和酸碱度的方法；发展了分解和接触电势、钯电极性状和神经刺激理论。主要著作有：新热定律的理论与实验基础等,能斯特和家人 在一起,科学家们在讨论问题,Jaroslav Heyrovsy (1890-1967) and his polarograph ,which he first described in 1921.,3.海洛夫斯基和 他的极谱法,化学家、化学教育家海洛夫斯基1890年12月20日生于布拉格，少年时代喜欢音乐，中学时成绩优秀，对化学有浓厚兴趣，立志要攻读物理化学。1910年入伦敦大学学习，3年获理学士，从此担任物理化学助教，并开始撰写博士论文。 1914年第一次世界大战爆发，海洛夫斯基从英国返回祖国服兵役，同时挤时间继续做他的博士论文。1918年获查理大学博士学位，1920年任该校副教授，并继续沿着博士论文的研究方向，用滴汞电极得到毛细管曲线异常现象，继而完成了3篇论文，获伦敦大学理科博士学位。1926年升任教授，至1950年，担任了捷克斯洛伐克极谱研究所所长。1952年选为捷克斯洛伐克科学院院士。1959年获诺贝尔化学奖。1965年被选为英国皇家学会会员，他还是许多国家的科学院院士，两次获捷克斯洛伐克国家勋章。,海洛夫斯基平易近人，性情和善，谦虚诚恳，有很好的音乐修养。他非常勤奋，常常夜以继日地工作。他以法拉第的名言为座右铭：“要工作、要完成、要发表”。他言传身教，身体力行。无论是在教学中还是在科学研究中，都坚持自己亲自讲课，培养了很多人才，形成了波谱学派。他认为科学的未来在于青年。因此他在培养青年的工作上倾注了大量心血，该研究所的骨干力量都是他的学生。 海洛夫斯基最杰出的贡献是在极谱分析方面。1925年与日本化学家志方益三共同发明了极谱仪，使极谱分析方法广泛用于分析各种化学物质。1935年推导出极谱波的方程式，阐明了极谱分析的理论基础，1941年发明了示波极谱仪，阐明了极谱定性分析的理论基础。主要著作有：极谱方法在实用化学中的用途、极谱分析操作法、极谱学基础、示波极谱法,海洛夫斯基和他发明的极谱,发明的第一台极谱,J. Heyrovsky1959年接受诺贝尔化学奖时照片,海洛夫斯与日本化学家志方益三共同发明了极谱仪,海洛夫斯基介绍他发明了极谱仪,20世纪50年代留学捷克的现中科院院士、分析化学家汪尔康,Allen J. Bard 及他的著作,J.Bard的重要著作及中文译著,Allen J. Bard 及他的著作,He has published three books (Electrochemical Methods, with Larry Faulkner, Integrated Chemical Systems, and Chemical Equilibrium) and over 600 papers and chapters while editing the series Electroanalytical Chemistry and the Encyclopedia of the Electrochemistry of the Elements plus co-editing the monograph, Standard Potentials in Aqueous Solution. He is currently editor-in-chief of the Journal of the American Chemical Society.,Ralph N. Adams,Professor Ralph N. Adams was born in Atlantic City, New Jersey, August 26, 1924. He received a B.S. degree . receiving a Ph.D. degree in Chemistry in 1953.,The research interests of his laboratory shifted to applying electrochemistry to the problems of the neurosciences. Adams was among the first scientists to receive a Higuchi Award for excellence in basic science. He was nominated for a Nobel Prize in 1997. Professor Adams died November 28, 2002, at St. Lukes Hospital in Kansas City.,Fred C. Anson,Research by Professor Anson and his group focuses on the kinetics, mechanisms and catalysis of electrode reactions. Particular emphasis is laid on understanding the behavior of reactants adsorbed or otherwise attached to the surface of the electrodes.,