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法拉第电解定律与离子色谱

wangcunjin2007

2022/10/05
睿谱原创队

离子色谱（IC）

法拉第（1791年-1867年），英国物理学家、化学家，著名的自学成才的科学家。法拉第出生于一个贫苦的铁匠家庭，幼年时没有受过正规教育，13岁到一个书商兼订书匠的家里做学徒。那里的书籍堆积如山，法拉第如饥似渴的阅读各类书籍，汲取了很多电学方面的知识。20岁时，他如愿以偿成为了戴维的实验助手，开启了他的科学生涯。1821年法拉第发明了电动机，是世界上所有电动机的鼻祖。1831年提出法拉第电磁感应定律，这一发现扫清了探索电磁本质道路上的拦路虎，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。1834年总结出法拉第电解定律，该定律是连接物理学和化学的桥梁，也是电化学中最早的定量分析定律。法拉第还非常热心科学普及工作和公众事业，为人质朴不图名利。他的一生是伟大而平凡的^[1]。

法拉第电解定律是描述电极上通过的电量与产物物质的量之间关系的定律，该定律的公式为Q=nZF，式中Q为通入电解池的电量，单位为库伦；n为电解产物的物质的量，单位为摩尔；Z为电解反应中电子的计量数，无单位；F为法拉第常数，96485库伦每摩尔，表示的是1摩尔电子具有的电量。该定律适用范围宽且实验条件越精确，所得结果与法拉第电解定律越吻合，此类定律在科学中并不多见^[2]。

离子色谱是分析离子类化合物或易离子化物质的一种技术，某些应用领域需要通过电解达到目的，即可使用法拉第电解定律进行解释。法拉第电解定律在离子色谱中的应用主要体现在三个方面，分别是电解微膜抑制器、耐高压电解淋洗液发生器和安培检测器，下面逐一进行介绍。

电解微膜抑制器在平板微膜抑制器的基础上使用电解水产生抑制离子，无需使用化学试剂做再生液。根据法拉第电解定律，当淋洗液流速为1.0mL/min时，只需施加1.6（该数值通常被称为电流系数）倍于淋洗液浓度的电流即可产生对应的抑制离子。目前尚未有商品化的抑制器可以达到这个电流系数，早期电流效率较高的抑制器系数为2.5^[3]，对应的电流效率为64%，经过改进现在可达到80%以上^[4]。施加电流过大使基线噪声变大并缩短抑制器使用寿命，降低抑制器噪声和提高电流效率是抑制器未来的发展方向^[5,6]。耐高压电解淋洗液发生器是离子色谱发展中的重大跨越，使用电解水即可在线产生纯度高、浓度准确的淋洗液。罗明艳^[7]报道的KOH型电解淋洗液发生器可以达到100%的电流效率（即电解产物完全用于产生淋洗液），在此条件下电解产物的浓度（C）与施加电流（I）之间的关系是：C=0.62I+常数项，这表明当淋洗液流速为1.0mL/min时，施加1mA电流可产生约0.62mmol/LKOH，常数项可能是因为电解质罐内高浓度的氢氧化钾与流路之间存在浓差扩散等现象。安培检测器是测定易发生氧化还原反应离子（多为易被氧化离子）的首选检测器，具有很高的灵敏度与选择性。使用安培检测器时，待测离子经过色谱柱分离并在电极表面发生氧化还原反应，电子转移形成电流。即使仅有不超过10%的待测离子被氧化或还原，纳安级（10^-9A）的电流足以产生信号并被检测^[⁸^]，此现象仍然可以用法拉第电解定律计算得出。

法拉第电解定律在离子色谱中的应用并不仅仅限于以上领域，例如Wu等人^[9]利用自制的电化学衍生装置在线将离子色谱分离的叶酸和甲氨蝶呤氧化为具有荧光响应的物质，利用荧光检测器高灵敏度的特征对其进行检测。该课题组另外一份工作^[10]是使用阴离子交换色谱柱分离多种酚类物质，使用电化学衍生装置将酚类物质氧化为具有荧光响应的物质。此类装置的目的是将待测物转化为另一种更易于检测的物质，其应用领域较前三者要小得多。

结语

法拉第是一位成绩斐然、影响深远的科学家，他发现的电解定律在科学仪器如离子色谱中拥有诸多应用，对认识和评价某些关键配件具有指导意义。

参考文献

[1] 法拉第.百度百科

[2] 傅献彩，沈文霞，姚天洋.《物理化学》（第四版下册）

[3] 施超欧，郑婷，刘菊，刘霞，张薇薇，分析仪器，2010，（1）：64-69

[4] Lili Zhao, Yifei Lu, Feifang Zhang, Bingcheng Yang. Journal of Chromatography A,1603(2019)422-425

[5] Kannan Srinivasan, Brittany K.Omphory, Rong Lin, Christopher A. Pohl. Talanta 188 (2018) 152-160

[6] 杨丙成，李宗英，色谱，2021，39（2）:130-133

[7] 罗明艳，吕蓓，沈国斌，章飞芳，杨丙成，分析化学，2015，43（10）:1569-1572

[8] 牟世芬，朱岩，刘克纳，《离子色谱方法及应用》（第三版）化学工业出版社

[9] Shuchao Wu, Wei Xu, Bingcheng Yang, Mingli Ye, Peimin Zhang, Chao Shen-Tu, Yan Zhu. Anal. Chim. Acta,2012,735:62-68

[10] Shuchao Wu, Bingcheng Yang, Lingling Xi, Yan Zhu. Journal of Chromatography A, 1229(2012)288-292

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