氧化还原反应和电化学.pptVIP

第十一章氧化还原反应和电化学 本章内容 11 1氧化还原反应 11 2原电池和电动势 11 3可逆电池热力学 11 4电动势产生的原理 11 5电极电势电极电势和标准电极电势 11 6电极电势的应用 11 7浓差电池 11 8电池电动势测定的应用 13 9电解 目的要求 熟悉氧化值和氧化还原反应的意义 熟练计算元素氧化值 掌握离子 电子法配平氧化还原反应式 掌握电池组成式的书写 了解电极电位产生的原因 熟悉标准电极电位概念 掌握用标准电极电位判断氧化还原反应的方向 了解电动势与自由能的关系 掌握通过标准电动势计算氧化还原反应平衡常数的方法 掌握电极电位的Nernst方程 影响因素及有关计算 了解电位法测量溶液pH值的原理 重点 原电池的图式 运用能斯特方程式进行有关计算 应用电极电势数据判断氧化剂 还原剂的相对强弱及氧化 还原反应自发进行的方向和程度 11 1氧化还原反应 11 1 1氧化还原反应 一 基本概念 2 氧化值 是指某元素的一个原子的荷电数 该荷电数是假定把每一化学键中的电子指定给电负性更大的原子而求得的 1 氧化还原反应 有电子得失或电子转移的反应 特点 因电子的转移而引起某些元素的氧化数变化 确定氧化值的规则 单质中 元素的氧化值为零 在单原子离子中 元素的氧化值等于该离子所带的电荷数 在大多数化合物中 氢的氧化值为 1 只有在金属氢化物中氢的氧化值为 1 通常 氧在化合物中的氧化值为 2 但是在过氧化物中 氧的氧化值为 1 在氟的氧化物中 如OF2和O2F2中 氧的氧化值分别为 2和 1 例 中性分子中 各元素原子的氧化值的代数和为零 复杂离子的电荷等于各元素氧化值的代数和 氧化还原电对 在半反应中 同一种元素的不同氧化态物质可构成一个氧化还原电对 氧化反应 氧化态升高的过程 还原反应 氧化态降低的过程 氧化半反应 还原半反应 氧化型和还原型 在电对中 高氧化态物质称为氧化型 低氧化态物质称为还原型 通式 氧化型 还原型 二 氧化还原反应方程式的配平 配平原则 电荷守恒 氧化剂得电子数等于还原剂失电子数 质量守恒 反应前后各元素原子总数相等 配平步骤 用离子式写出主要反应物和产物 气体 纯液体 固体和弱电解质则写分子式 分别写出氧化剂被还原和还原剂被氧化的半反应 分别配平两个半反应方程式 等号两边的各种元素的原子总数各自相等且电荷数相等 氧化数法和离子 电子法 确定两半反应方程式得 失电子数目的最小公倍数 将两个半反应方程式中各项分别乘以相应的系数 使得 失电子数目相同 然后 将两者合并 就得到了配平的氧化还原反应的离子方程式 有时根据需要可将其改为分子方程式 第一步 第二步 还原半反应 氧化半反应 第二步 第三步 多4个氧 H 为多氧的个数的2倍 酸性介质中配平的半反应方程式里不应出现OH 在碱性介质中配平的半反应不应出现H 第三步 第四步 第四步 P321例11 2 碱性溶液中的反应 酸性介质 多n个O 2n个H 另一边 n个H2O 碱性介质 多n个O n个H2O 另一边 2n个OH 小结 11 2原电池和电动势 一 原电池 金属锌片加入硫酸铜溶液中 现象 同一溶液内的氧化还原反应过程 电子转移时无定向运动 不产生电流 若选择适当的电极和导线 组装一个闭合回路 使转移的电子定向运动 产生电流 原电池 原电池 是化学能 电能的装置 1 原电池的组成 1836年 丹尼尔 Cu Zn原电池装置 原电极正极发生还原反应 负极发生氧化反应 电池反应 电极反应 每个半电池发生的反应 也称半电池反应 构成原电池的条件 1 电极 金属导体如Cu Zn惰性导体如Pt 石墨棒 2 形成闭合回路 3 电解质溶液 盐桥 饱和KCl aq 琼脂 的作用 作为正 负离子通道 使两个 半电池 的溶液都保持电中性 Cl ZnSO4 aq K CuSO4 aq 电池举例 电池反应 电池反应 2 原电池的图式表示 电池图式 负极写左边 正极写右边 单实线表示相之间的界面 双虚线表示 盐桥 溶液应注明浓度 气体应注明分压 若含有两种离子参与电极反应 用逗号分开 当无金属参与反应 用惰性电极Pt或C 书写方法 二 电极类型 第一类电极 金属电极 电极反应 非金属电极 电极反应 第二类电极 金属 金属难溶盐 阴离子电极 电极反应 第三类电极 氧化还原电极 电极反应 给出总反应方程式 要能够设计为原电池 写出电池符号和半反应 电极反应 方程式 给出电池符号 要能够写出半反应 电极反应 和放电总反应方程式 要求 例 写出下列反应的电极反应和电池组成式 Ni Fe3 Ni2 Fe2 Sn2 MnO4 H Sn4 Mn2 H2O 三 可逆电池 1 可逆电池 能以热力学可逆方法将化学能转变为电能的装置称为可逆电池 reversiblecell 在可逆电池中 体系的吉布斯自由能的降低等于体系对外所作的最大电功 2 可逆电池必须满足两个条件 电池中发生的反应必须是可逆的 即充 放电时电池内发生的反应互为逆反应 通过电池的电流必须无限小 电极反应是在接近电化学平衡的条下进行的 电池反应 电池反应 电流必须无限小 化学平衡 电池的电动势稍大于外压时 放电 外压稍大于电池的电动势时 充电 四 电池电动势的实验测定 对消法 标准电池 Weston维斯顿标准电池 298 15K E 1 01832V 11 3可逆电池热力学 一 可逆电池电动势与吉布斯函数变的关系 可逆电池 若 1mol化学反应nmol电子 F 法拉第常数 将热力学和电化学联系起来 二 奈斯特方程 电动势与溶液活度的关系 化学反应等温式 分压商 反应商 注意 原电池电动势数值与电池反应计量式的写法无关 Nernst方程 法拉第常数F 9 65 104C mol 1 n电池反应方程式中得 失 电子数 T 298 15K时 三 和与电动势的关系 吉布斯 亥姆霍兹方程 P207 奈斯特方程 电池电动势的温度系数可由实验测定 对于可逆电池反应进行 0Qr 0 电池在等温等压下可逆放电吸热 0Qr 0 电池在等温等压下可逆放电放热 0Qr 0 电池达到平衡 电池电动势的温度系数 11 4电动势产生的原因 存在两相界面 界面电势差 电动势 电极 溶液界面电势差 电极 电极接触电势差 溶液 溶液界面电势差 1 电极 溶液界面电势差 金属Zn棒放入ZnSO4溶液中 表面Zn分子受溶剂的作用 使其化学键减弱 有部分Zn原子失去电子变成Zn2 进入溶液 电极表面有多余的负电荷而溶液中有多余的正电荷 由于相反电荷的互相吸引 使电极的负电荷分布在电极的表面上 溶液中的正离子也都被吸引到电极附近 这个过程对金属的进一步溶解有阻碍作用 金属附近所带的电荷与金属本身所带电荷相反 形成双电层 绝对电极电势 不可测量 电势差 电极电势 2 电极 电极接触电势差 两种金属接触时 在界面上产生的电势差 原因 各种金属接受电子的能力不同或金属的电子逸出功不同 在接触界面上由于互相逸入的电子数不同 就形成双电层 电势差 称为接触电势差 通常情况下 接触电位很小 可以忽略 液 液界面的电位差称作液接界电位 是由不同离子的扩散引起的 j 0 03V 可以忽略 3 溶液 溶液界面电势差 不同电解质扩散 浓度相同 电势差 相同Cl 浓度 不会扩散 H 和K 扩散 扩散速度 界面右边 正离子过剩界面左边 负离子过剩 因静电吸引 形成双电层产生液接界电势差 相同电解质 浓度不相同扩散 也产生液接界电位 高浓度向低浓度扩散 左边正离子过剩右边负离子过剩 形成双电层而产生液接界电势差 对于任一原电池 11 5电极电势和标准电极电势 一 电极电势 电极电势的绝对值尚无法确定 选取基准 标准氢电极 参比电极 相对电极电势 电极的还原反应 标准氢电极 SHE 电对 H H2 电极图示表示为 氧化电极电势 还原电极电势 二 标准氢电极 甘汞电极 三 参比电极 电极反应 电极图式 氯化银电极 电极反应 电极图式 四 标准电极电势及其测定 1 标准电极电势 当组成电极的物质均处于标准态时 电极的电势为标准电极电势