《綜合化學實驗》—硫醇自組裝動力學的測定實驗的設計

曲玉寧　王麗麗　嚴峰　余建國

摘 要：以本校四大化學基礎課程體系與教學內容的改革為基礎，從教學內容、教學實踐和實驗特色等方面對《綜合化學實驗》-硫醇自組裝動力學的測定的實驗進行設計，旨在培養學生的分析問題和解決問題的能力，提高學生綜合素質和創新能力。

關鍵詞：綜合化學實驗；動力學；電化學

為了適應社會發展對高素質、創新型人才的需求，本校的化學實驗教學中心積極推進實驗教學體系改革，其中《綜合化學實驗》是物理化學實驗教學體系重要組成部分，在學生創新能力和綜合思維能力的培養起著重要作用。本文從教學內容、教學實踐和實驗特色等方面對《綜合化學實驗》–硫醇自組裝動力學的測定的實驗設計從實驗原理、實驗步驟等方面介紹。

實驗原理

具有高度的穩定性和有序性的特性的分子自組裝膜，自組裝膜中的分子有序排列，缺陷還少，從而在分子水平上研究自組裝膜的表面和界面現象。根據自組裝膜的特點可以采用近代物理和化學的表征技術研究。為考察界面體系中的分子自組裝膜的特殊相互作用和分子結構等結構因素對于有序分子組裝體系提供較大的設計自由因素，因此自組裝膜的可控性研究在電化學的基礎中廣泛的研究。

自組裝膜的研究廣泛的采用靈敏性的電化學方法進行研究，而在電化學研究方法中，循環伏安方法用的最為廣泛，它可用于考察SAM的性能。在電解質溶液中和SAM修飾的電極之間可近似的認為是理想的平板電容器，其界面雙層電容計算公式如公式（1）：

（1）

式中：△i為充放電電流絕對值總和（？滋A）；v為循環伏安的掃描速率（V/s）；A為電極的面積（cm2）；C為修飾電極的單位面積界面雙層電容（？滋F/cn2）。

金屬在比其熱力學電位更低處發生的電位沉積的現象被稱之為金屬的欠電位沉積。金屬的欠電位沉積常常發生在異體底物上的沉積。這種方法是制備精細結構單層修飾電極所采用的廣泛的手段。在金屬的欠電位沉積方法中，通常是在貴金屬或者過渡金屬基底將金屬元素欠電位沉積，在此基礎上從而形成空間結構的單原子層。

溫度一定的條件下，可以采用朗格繆爾吸附等溫式的一級吸附動力學方程來描述硫醇自組裝的過程如公式（2）：

（2）

式中：？茲是已吸附的吸附位；c是硫醇的濃度；t是組裝時間；kad為吸附常數；？茲也可由循環伏安法中的電容和欠電位沉積中的積分電量求得。如果利用循環伏安法求電容得公式如（3）所示：

（3）

式中：Cgold為裸金電極的電容；Ct為在t時刻該電極的電容；CSAM為硫醇單分子層組裝致密時的電容。

如果利用欠電位沉積求得如公式（4）所示：

（4）

式中：Qt是任何時間t時的積分電荷量（C/mol）；Q0為初始的金電極的積分電荷量（C/mol）。

（5）

式中：n為物質的量（mol）；Z為電極反應中的電子得失數；F為法拉第常數（96485C/mol）；A為電極面積（cm2）。

將（2）式整理得：

（6）

則以ln（1-？茲）為縱坐標，t為橫坐標作圖，可以得到一條直線，由該直線的斜率可以求得硫醇自組裝的動力學常數kad。

實驗步驟

1.溶液配制

（1）制備0.2mol/LCuSO4和0.1mol/L的H2SO4溶液1L。（2）制備10半胱氨酸的乙醇溶液。（3）制備0.5mol/L的硫酸溶液。

2.金電極的處理和組裝

（1）電極的預處理：先用砂紙打磨，再用蒸餾水淋洗多次，最后進行5min的低功率的超聲清洗。

（2）電化學處理：利用循環伏安法對已處理過的金電極進行化學清洗至穩定的循環伏安圖。電解液：每隔15min換一次0.5mol/L的硫酸電解液。

（3）測量電極表面積及表面粗糙因子

（4）選擇金電極氧化還原圖的平穩電位區間循環掃描，得到裸金電極的充放電電流圖，電解質是0.5mol/L的硫酸。

（5）用蒸餾水、乙醇淋洗電極，然后把電極浸入電解質溶液中，浸泡時間一定，硫醇的乙醇溶液為電解質溶液。

（6）取出電極，分別用乙醇和高純水分別淋洗，然后轉入電解池進行電化學測試。

3.表面覆蓋度的測定

（1）采用三電極體系，工作電極、鉑絲輔助電極和甘汞電極，0.5mol/L的硫酸為電解質溶液，在所選的電位區間內，掃描修飾后的金電極，得其電容圖。然后用蒸餾水反復淋洗后，置于0.2mol/L CuSO4/0.1mol/LH2SO4溶液中，循環掃描得到Au的欠電位沉積的伏安圖。

（2）將電極進行電化學拋光，溶液時硫酸溶液。準備下一組實驗。如果得不到完美的Au電極的CV圖，需要重新拋光電極。

結果與討論

1.從金電極在硫酸溶液中的循環伏安曲線的還原峰求電極表面積，并計算表面粗糙因子。由金電極的電容圖計算。

2.由修飾的金電極電容圖計算。由欠電位沉積結果計算。

參考文獻：

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