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氧化還原電位計(jì)(Oxidation Reduction Potential,ORP)可得知物質(zhì)的氧化還原程度,單位以 mv 表示。其中,具有氧化能力者以(+)表示、具有還原能力者以(-)表示。循環(huán)伏安法(cyclic voltammetry,CV)是改變電位以得到氧化還原電流方向之方法,主要是以施加一循環(huán)電位的方式來(lái)進(jìn)行,從一起始電位以固定速率施加到一終點(diǎn)電位,再以相同速率改變回起始電位,此為一個(gè)循環(huán),可繪制一可逆氧化反應(yīng)物分析所得的 CV 圖(見(jiàn)圖 1)。當(dāng)從低電位往高電位掃瞄時(shí),會(huì)使分析物產(chǎn)生一氧化電流的氧化峰(anodic peak),此 CV 圖可幫助我們判斷在何種電位時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。
在一個(gè)典型的循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)中,氧化還原電位計(jì)一般為浸在溶液中的固定電極,為了盡可能降低歐姆電阻,采用三電極系統(tǒng)。在三電極系統(tǒng)中,電流通過(guò)工作電極和輔助電極,工作電極電位是以一個(gè)分開(kāi)的參比電極為基準(zhǔn)的相對(duì)電位。在循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)中,工作電極的電位以 10-200mV/sec 的掃描速度隨時(shí)間線性變化,在此同時(shí)記錄在不同電位下的電流。
如果電極表面上的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的速率很快,電極表面氧化態(tài)和還原態(tài)試樣的濃度比率服從 Nernstian 方程:
(1)在這種條件下,電極反應(yīng)式為可逆的反應(yīng)。上述反應(yīng)的伏安曲線的一般特征。
可逆反應(yīng)的線性掃描圖譜的峰電位服從以下方程:
(2)式中, 為極譜的半波電位,半波電位值很接近標(biāo)準(zhǔn)電極電位 。式 (2) 中的 (+) 號(hào)適用于陽(yáng)極反應(yīng)峰( ),(-) 號(hào)適用于陰極反應(yīng)峰( )。對(duì)一個(gè)可逆反應(yīng),峰電位與掃瞄速度、濃度無(wú)關(guān)。這些特征可用來(lái)判斷電極反應(yīng)的可逆性。 與 之差 也可用來(lái)判斷電極反應(yīng)的可逆性。雖然 一般稍微受到 的影響,仍基本上可以用以下公式來(lái)表示:
(3)在反覆循環(huán)掃描過(guò)程中,陰極峰電流逐漸降低,陽(yáng)極電流逐漸提高,直到出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的特征,即 (@25℃)。同時(shí)個(gè)循環(huán)的電流與第二個(gè)循環(huán)的電流差別很大,5-10 個(gè)循環(huán)以後,系統(tǒng)趨於穩(wěn)定,伏安圖譜不再隨時(shí)間變化。
一般情況下,伏安圖譜上的峰比較寬,因而難以確定峰電位。所以有時(shí)以 的電位(稱為半鋒電位 )來(lái)對(duì)電極反應(yīng)進(jìn)行表征更方便。理論上,半峰電位與半波電位的關(guān)系為:
(4)與 的差別為:
(5)可逆反應(yīng)的線性掃描的峰電流 可由以下 Randles-Sevcik 方程給出:
(6)其中,A 為電極面積;D 為擴(kuò)散系數(shù);c 為濃度;n 為交換電子數(shù);v 為掃瞄速度;k 為 Randles-Sevcik 常數(shù), 。
至于,氧化還原電位計(jì)電位勢(shì) E 跟 pH 值有沒(méi)有關(guān)系呢?許多氧化還原反應(yīng)是在水溶液中進(jìn)行的,當(dāng) 或 參與電極反應(yīng)時(shí),溶液 pH 的改變能引起電對(duì)的電極電勢(shì)的變化。在濃度、溫度一定時(shí),電對(duì)的電極電勢(shì)僅與溶液 pH 有關(guān)。以電對(duì)的電極電勢(shì)為縱座標(biāo),以溶液 pH 為橫坐標(biāo)作圖,所得圖形稱為電勢(shì)-pH 圖。
當(dāng) 做氧化劑時(shí):
當(dāng) 時(shí), ----- (7)
當(dāng) 做還原劑時(shí):
當(dāng) 時(shí), ----- (8)
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