Question

溶氧分析仪能连续、自动测量水中微量的溶解氧含量，可用于工业锅炉用水，实验室制备除氧水等方面。溶氧分析仪的核心部件是氧传感器，传感器中银做阳极，金做阴极，二电极之间连接一稳定的直流电源，以氯化钾溶液为电解质溶液，电解质溶液与取样水之间有一层氧气可以透过的薄膜，测量金电极上产生的还原电流的大小得出氧气的含量。

⑴　试写出溶氧分析仪的有关电极反应式

阴极_______________________________，阳极____________________________________

⑵　请从你写的电极反应式推测影响氧传感器的性能的因素可能有哪些？

在高温下高炉中氧含量的测定可用氧化锆(ZrO₂)氧传感器来测定，在氧化锆中加入MgO,Y₂O₃等立方晶系的氧化物后，在600℃以上高温时成为氧的快离子导体。其导电性能主要源于掺杂晶体中的氧离子空位。下图为氧化锆固体电解质的导电原理。

⑶　写出高氧侧和低氧侧的电极反应式

高氧侧______________________________，低氧侧________________________________

⑷　若某掺杂电极Y₂O₃的ZrO₂晶体中氧离子空位数为3.01×10²⁰个，则理论上掺杂的Y₂O₃质量为多少克？

Answer 1

⑴　阴极反应 O₂ + 2H₂O + 4e == 4OH^-  

阳极反应 Ag – e^- + Cl^- == AgCl    （2分 ，各1分）

⑵　pH值，H₂S的浓度，重金属离子 （写出二个即可）   （2分）

⑶　O₂+ 4e ^- === 2O^2-  ,    2O^2- — 4e^-  === O₂   （2分 ，各1分）

⑷　每掺杂1molY₂O₃得到的氧离子空位为1mol, 计算得Y₂O₃质量为：

(3.01X10²⁰/N_A) ??M _Y2O3 =1．13??10^-1g   (三位有效数字)（2分）

解析:

⑴此问中，一个关键问题是要判断该电化学装置的类型。虽然题中各种描述，该装置是电解池，但是从测量原理等方面来看，这却是一个原电池装置。该装置利用原电池产生的电流对稳定直流电的抵消作用，来测量电流强度，进而确定O₂的浓度。因此，在正极，O₂+ 2H₂O + 4e == 4OH^- ，由于O₂的浓度不一样，影响了该电对的电极电势。负极Ag失电子，并与Cl^－形成沉淀。

⑵影响氧传感器的因素就是影响⑴中两个电极电极电势大小的因素。正极的电势与溶液pH有关，负极由于Ag(Ⅰ)的存在形式会影响到该电极的电极电势，因此影响Ag(Ⅰ)存在形式的因素都会对氧传感器的性能产生影响。

⑶根据题意，该固体电解质中载荷离子为O^2-，因此与恒定电流正极相连一侧，即高氧侧，失去电子，产生还原电流，因此电极反应式为：O₂+ 4e ^- === 2O^2-  。另一侧O^2-得电子生成O₂。

⑷氧离子空位的物质的量为3.01×10²⁰/6.02×10²³=5.00×10^-4(mol)，每一个Y³⁺置换一个Zr⁴⁺，正电荷减小1，因此根据电荷守恒原理n(Y)=2n(Y₂O₃) =5.00×10^-4×2 mol，得n(Y₂O₃)=5.00×10^-4 mol，从而求得其摩尔质量。