氧化还原电位PPT课件.ppt

第五章氧化还原反应电化学基础 5 1氧化还原反应的基本概念 5 2电化学电池 5 3电极电势 5 4电极电势的应用 1 5 1氧化还原反应的基本概念 5 1 1氧化数 5 1 2氧化还原反应方程式的配平 2 5 1 1氧化数 氧化数 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 有电子得失或电子转移的反应 被称为氧化还原反应 3 确定氧化数的规则 单质中 元素的氧化数为零 在单原子离子中 元素的氧化数等于该离子所带的电荷数 在大多数化合物中 氢的氧化数为 1 只有在金属氢化物中氢的氧化数为 1 NaH CaH2 通常 氧在化合物中的氧化数为 2 但是在过氧化物中 氧的氧化数为 1 在氟的氧化物中 如OF2和O2F2中 氧的氧化数分别为 2和 1 4 例 中性分子中 各元素原子的氧化数的代数和为零 复杂离子的电荷等于各元素氧化数的代数和 5 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 5 1 2氧化还原反应方程式的配平 6 1 氧化数法 原则 还原剂氧化数升高数和氧化剂氧化数降低数相等 得失电子数目相等 写出化学反应方程式 确定有关元素氧化数升高及降低的数值 确定氧化数升高及降低的数值的最小公倍数 找出氧化剂 还原剂的系数 核对 可用H OH H2O配平 7 HClO3 P4 HCl H3PO4 Cl5 Cl 氧化数降低6P4 4PO43 氧化数升高2010HClO3 3P4 10HCl 12H3PO4 10HClO3 3P4 18H2O 10HCl 12H3PO4方程式左边比右边少36个H原子 少18个O原子 应在左边加18个H2O 8 As2S3 HNO3 H3AsO4 H2SO4 NO氧化数升高的元素 2As3 2As5 升高43S2 3S6 升高24N5 N2 降低33As2S3 28HNO3 6H3AsO4 9H2SO4 28NO左边28个H 84个O 右边36个H 88个O左边比右边少8个H 少4个O3As2S3 28HNO3 4H2O 6H3AsO4 9H2SO4 28NO 9 2 离子电子法 写出相应的离子反应式 将反应分成两部分 即还原剂的氧化反应和氧化剂的还原反应 配平半反应 确定二个半反应的系数得失电子数相等的原则 根据反应条件确定反应的酸碱介质 分别加入H OH H2O 使方程式配平 10 例11 4配平酸性介质下KMnO4溶液与Na2SO3解 MnO4 SO32 H Mn2 SO42 半反应SO32 SO42 2eMnO4 5e Mn2 配平半反应 SO32 H2O SO42 2e 2H MnO4 5e 8H Mn2 4H2O 5 22MnO4 5SO32 16H 5H2O 2Mn2 8H2O 5SO42 10H 即 2MnO4 5SO32 6H 2Mn2 3H2O 5SO42 11 配平两个半反应式中的H和O 12 例2 配平 5 得 化简得 Cl2 Cl ClO3 13 28 3得 例3 配平方程式 14 解 3 2得 例4 配平方程式 15 5 2原电池与电极电势一 原电池1 原电池是利用自身氧化还原反应产生电流的装置 它使化学能转为电能 1 将Zn片放入CuSO4溶液中 会自发地发生反应 Zn Cu2 Cu Zn2 物质之间通过热运动发生有效碰撞实现电子的转移 由于质点的热运动是不定向的 电子的转移不会形成电流 化学能以热的形式与环境发生交换 2 但是若使氧化剂与还原剂不直接接触 让它们之间的电子转移通过导线传递 电子做定向移动而形成电流 16 Cu Zn原电池装置 Zn Cu2 Cu Zn2 原电极正极发生还原反应 负极发生氧化反应 17 盐桥 在U型管中装满用饱和KCl溶液和琼胶作成的冻胶 盐桥的作用 使Cl 向锌盐方向移动 K 向铜盐方向移动 使Zn盐和Cu盐溶液一直保持电中性 从而使电子不断从Zn极流向Cu极 电极反应 Zn片 Zn Zn2 2e Cu片 Cu2 2e Cu电池反应 Zn Cu2 Cu Zn2 反应的结果与将Zn片直接插入CuSO4溶液反应结果一致 所不同的是这时通过化学电池将化学能转化为电能 原电池由两个半电池组成 每个半电池亦称电极 18 电极的正 负极可由电子的流向确定 输出电子的电极为负极 发生氧化反应 输入电子的电极为正极 发生还原反应 负极 失电子 Zn片 Zn Zn2 2e 正极 得电子 Cu片 Cu2 2e Cu将两个电极反应合并即得原电池的总反应 又称电池反应 原电池中 由于每个半反应都有一个电对 同样可以用电对来代表电极 负极一个电对 Zn2 Zn正极一个电对 Cu2 Cu 原电池表示 Zn s ZnSO4 C1 CuSO4 C2 Cu s 19 2 书写规定 1 负极左 正极右 2 表物质之间相界面 3 表盐桥 左右为负 正极 4 溶液注明浓度 气体注明分压 5 有些有惰性电极 亦要注明 Zn s ZnSO4 C1 CuSO4 C2 Cu s 20 Pt H2 100KPa H 1 0mol L Cr2O72 1 0mol L Cr3 1 0mol L H 1 0 10 2mol L Pt 例如 Cr2O72 13H2 8H 2Cr3 7H2O解 负极 正极 21 Pt H2 p H 1mol dm 3 Fe3 1mol dm 3 Fe2 1mol dm 3 Pt 写出该电池的半反应方程式和总反应方程式 氧化半反应 H2 2H 2e还原半反应 Fe3 e Fe2 总反应 H2 2Fe3 2H 2Fe2 22 23 二 电极电势 1 产生 以M Mn 为例 金属晶体内有金属原子 金属阳离子和共用电子 M放入Mn 中 一方面 金属表面构成晶格的金属离子和极性大的H2O分子相互吸引 从而使金属具有一种以水合离子的形式进入金属表面附近的溶液中的倾向 金属越活泼 溶液越稀 这种倾向就越大 另一方面 盐溶液中的Mn aq 离子又有一种从金属表面获得电子而沉积在金属表面的倾向 金属越不活泼 溶液越浓 这种倾向就越大 24 金属的电极电势 在某一给定浓度的溶液中 若失去电子的倾向大于获得电子的倾向 到达平衡时的最后结果将是金属离子Mn 进入溶液 使金属棒上带负电 靠近金属棒附近的溶液带正电 形成扩散双电层 如右图所示 这时在金属和盐溶液之间产生电位差即金属电极的电极电势 25 在铜锌原电池中 Zn片与Cu片分别插在它们各自的盐溶液中 构成Zn2 Zn电极与Cu2 Cu电极 实验告诉我们 如将两电极连以导线 电子流将由锌电极流向铜电极 这说明Zn片上留下的电子要比Cu片上多 也就是Zn2 Zn电对与Cu2 Cu电对两者具有不同的电极电势 Zn2 Zn电对的电极电势比Cu2 Cu电对要负一些 由于两极电势不同 连以导线 电子流 或电流 得以通过 在铜锌原电池中 为什么电子从Zn原子转移给Cu2 离子而不是从Cu原子转移给Zn2 离子 26 伽伐尼偶然发现挂在窗前铁栅栏的铜钩上的青蛙腿肌肉 每当碰到铁栅栏就猛烈地收缩一次 这偶然的现象并没有被伽伐尼放过 经不懈的探索和思考 第一个提出了 动物电 的见解 他认为 青蛙神经和肌肉是两种不同的组织 带有相反电荷 所以两者存在着电位差 一旦用导电材料将两者接通 就有电流通过 铁栅栏和铜钩在此接通了电路 于是有电流产生 由于有动物电流的刺激 蛙腿肌肉发生收缩 动物电 的发现引起了伏特的极大兴趣 他在多次重复伽伐尼的 动物电 实验时 发现实验成败的关键在于其中的两种金属 铁和铜 若把钩着蛙腿的铜钩换成铁钩 肌肉就不会收缩 他认为 动物电 的实质是金属属性不同造成的 不同金属带有不同的电量 它们之间必然存在电位差 若有导线在中间连接 就会产生电流 蛙腿的收缩正是这种原因产生的电流刺激的结果 27 原电池的装置 两个活泼性不同的金属 或导电的非金属 做电极电解质溶液电极相接触或连接对应自发进行的氧化还原反应 有较强电流产生 28 原电池的电动势 电极电势 表示电极中极板与溶液之间的电势差 当用盐桥将两个电极的溶液连通时 若认为两溶液之间等电势 则两极板之间的电势差即两电极的电极电势之差 就是电池的电动势 用E表示电动势 则有E 若两电极的各物质均处于标准状态 则其电动势为电池的标准电动势 E 电池中电极电势 大的电极为正极 小的电极为负极 故电池的电动势E的值为正 29 一 标准氢电极将铂片表面镀上一层多孔的铂黑 细粉状的铂 放人氢离子浓度为1mol L 1的酸溶液中 如HCl 不断地通人压力为100kPa的氢气流 使铂黑电极上吸附的氢气达到饱和 这时 H2与溶液中H 可达到以下平衡 2H 2e H2100kPa氢气饱和了的铂片和氢离子浓度为1mol L 1的酸溶液之间所产生的电势差就是标准氢电极的电极电势 定为零 H 0 0000V 30 二 标准电极电势在指定温度下 凡是组成电极的各物质 溶液中的溶质浓度为1mol L 1 严格地说 活度a为1 气体的分压为100kPa 液体或固体为各自的纯净状态 电极就处于标准状态 这时测定的电极电势就是该电极的标准电极电势 用符号 表示 H前面的金属做负极 H后面的金属做正极 31 Zn Zn2 1mol L 1 H 1mol L 1 H2 100kPa Pt 298K时测得标准电动势E 0 763V 据E H H2 Zn2 Zn H H2 0 000V Zn2 Zn 0 763V 例如Zn2 Zn电极反应电势的测定 32 三 标准电极电势表 1 标准电极电势表本课程标准电极电势表按照IUPAC的系统 氢以上为负 氢以下为正 标准电极电势的符号是正或负 不因电极反应的写法而改变 标准电极电势表都分为两种介质 附录 酸性 碱性溶液 什么时候查酸表 或碱表 有几条规律可循 1 H 无论在反应物或产物中出现皆查酸表 2 OH 无论在反应物或产物中出现皆查碱表 3 没有H 或OH 出现时 可以从存在状态来考虑 如Fe3 e Fe2 Fe3 只能在酸性溶液中存在 故在酸表中查此电对的电势 若介质没有参与电极反应的电势也列在酸表中 如Cl2 2e 2Cl 等 33 34 结论 1 越小 表明电对的还原型越易给出电子 即该还原型就是越强的还原剂 越大 表明电对的氧化型越易得到电子 即氧化型是越强的氧化剂 2 值反映了物质得失电子的倾向的大小 与物质的数量无关 是属于热力学的强度性质的常数 其值不会随电极反应的计量系数而变化 也不会随着反应进行的方向而变化 即不管电极在电池中作正极还是负极都是一样的 35 5 4 2Nernst 能斯特 方程 a氧化型 ne g还原型 E为任意标准状态下的电极电势 E 为标准电极电势 R为摩尔气体常数 其值为8 314J K 1 mol 1 F为法拉第常数 表示1mol电子所带的电荷 其值为9 648 104C mol 1 T为热力学温度 n为电极反应中电子转移数 对数符号后面的活度商中 a 氧化型 a 还原型 分别表示电对中氧化型和还原型物质的活度 a g分别表示电极反应式中氧化型和还原型的化学计量数 36 E Nernst方程 求非标准状况下的电极电势 xA 氧化型 me yB 还原型 298K 37 式中 氧化型 还原型 分别代表了半反应中氧化型和还原型一侧各组分平衡浓度幂的乘积 固体 纯液体以及溶剂水除外 例如 对于MnO4 8H 5e Mn2 4H2ONernst关系式为 38 5 4 3电极电势的影响因素 Nernst方程式计算示例 1 浓度的影响 例题 计算Zn2 Zn电对在 Zn2 1 00 10 3mol L 1时的电极电势 已知 Zn2 Zn 0 763V 解 0 0592 2 lg Zn2 0 763 0 0592 2 lg 1 00 10 3 0 852V电极反应中 若氧化型浓度降低 则还原型的还原能力将会增强 39 例如 查表得 Cu2 2e Cu 0 337VCu OH 2 2e Cu 2OH 0 224V电势值的变化是由于Cu2 被OH 离子沉淀为Cu OH 2 虽然OH 离子的浓度为标准状态1mol L 但是游离的铜离子浓度改变了 铜离子浓度减少时 电势值减小 离子浓度减少越多 电势正值越小 负值越大 这意味着金属铜的还原性增强 Cu更容易转变到Cu2 即金属铜稳定性减小 铜离子稳定性加大 例 取两块铜片 插入盛有不同浓度的硫酸铜溶液中 可装置成一个原电池 铜离子浓度低的一面为负极 浓差电池 40 2020 3 19 41 2 酸度对电极电势影响 由上可看出 当溶液酸度改变时电极电势也会发生改变 1 229V 1 228V 42 例 已知 Cr2O72 14H 6e 2Cr3 7H2O的E 1 33V Fe3 e Fe2 的E 0 771V 若将它们构成原电池 系统中 H 10 0mol L 1 其它离子浓度均为1 00mol L 1 请写出原电池符号 并求原电池电动势 Cr2O72 Cr3 H 10 0mol L 1 Pt Fe3 Fe2 Pt 解 E Cr2O72 Cr3 Fe3 Fe2 1 33 0 771 0 559 0 70V 43 3 加入沉淀剂对电极电势的影响 44 原电池的电动势与 rG的关系 等温等压下化学反应吉布斯自由能的降低等于对环境所作的最大有用功 对电池反应来说 就是指最大电功 即 45 5 5电极电势和电池电动势的应用 5 5 1计算原电池的电动势 P110 46 5 5 2用电动势判断反应的方向p111 G nFE nF E0 逆向进行E 0 G 0 正向进行E 0 则反应处于平衡状态 经验规则 当E 0 2V 反应正向进行 当E 0 2V 反应逆向进行 当 0 2V E 0 2V 反应方向由浓度决定 何时选E E 判断反应进行的方向 47 非标准状态下对于两个电势比较接近的电对 仅用标准电势来判断反应方向是不够的 应该考虑离子浓度改变对反应方向的影响 例 判断2Fe3 2I 2Fe2 I2在标准状态下和 Fe3 0 001mol L I 0 001mol L Fe2 1mol L时反应方向如何 解 在标准状态 I2 2e 2I 0 535VFe3 e 2Fe2 0 770VE 0 770 0 535 0反应正向进行 若在非标准态时 E 0 0592 2 lg 0 0012 1 0 0592 1 lg 1 0 001 0 121V即反应逆向进行 结论 离子浓度改变可能影响氧化还原反应方向 48 例 已知Zn s 2H 1 0mol L 1 Zn2 1 0mol L 1 H2 100kPa 和 fG m Zn2 aq 298 15K 试回答 1 写出利用上述反应组成的原电池的图式 2 计算 Zn2 Zn 解 1 Zn Zn2 c H c H p Pt 2 rG m 298 15K fG m 298 15K fG m Zn2 aq 298 15K 174 0KJ mol 1E rG m nF 174 0 103J mol 1 2 96485C mol 1 0 761V Zn2 Zn H H2 E 0 0 761 0 761V 49 5 5 3选择氧化剂和还原剂p115 指导学生看书 越小 表明电对的还原型越易给出电子 即该还原型就是越强的还原剂 越大 表明电对的氧化型越易得到电子 即氧化型是越强的氧化剂 50 5 5 4判断氧化还原反应进行的次序p115 判断反应的顺序 电动势差最大的两电对优先发生反应 例 在含1mol L 1Fe2 Cu2 的溶液中加入Zn 哪种离子先被还原 何时第二种离子再被还原 解 可查得 Zn2 Zn 0 7631V Fe2 Fe 0 447V Cu2 Cu 0 3419V Cu2 Cu Zn2 Zn 0 3419 0 7631 1 105V Fe2 Fe Zn2 Zn 0 447 0 7631 0 316V 可见 Cu2 优先被还原 51 当 Cu2 Cu Fe2 Fe Cu2 Cu 0 0592 2 lg Cu2 时 Fe2 开始被还原 0 3419 0 0592 2 lg Cu2 0 447解得 Cu2 1 8 10 27mol L 1 当Fe2 开始被还原时 Cu2 实际上已被还原完全 应用 系统中各氧化剂 或还原剂 所对应电对的电极电势相差很大时 控制所加入的还原剂 或氧化剂 的用量 可以达到分离系统中各氧化剂 或还原剂 的目的 例如 利用Zn来分离Fe2 Cu2 解释p115 52 已知 G 2 303RTlgK 另外 G nFE 5 5 5判断氧化还原反应进行的程度 求平衡常数K 53 例 计算反应 Ag Fe2 Ag Fe3 298K时的K 反应开始时 若 Ag 1 0mol L 1 Fe2 0 10mol L 1 达平衡时 Fe3 浓度为多少 解 lgK 0 7996 0 771 0 0592 0 483K 3 04 3 04 解得 Fe3 x 0 074mol L 1 Ag Fe2 Ag Fe3 初始浓度1 00 10平衡浓度1 0 x0 1 xx 54 例 计算反应 O2 4Fe2 4H 4Fe3 2H2O在298 15K时的K 解 n 4 lgK 4 1 229 0 771 0 0592 30 9K 7 94 1030 可是 实际上Fe2 在水中还是具有一定的稳定性 因此 电动势的大小只能说明反应进行的可能性及限度 而不能说明氧化还原反应速率的大小 55 56 5 4元素电势图一 元素电势图 Latimer 例 1 191 211 641 631 358 A ClO4 ClO3 HClO2 HClO Cl2 Cl 例 0 4 0 350 590 41 358 B ClO4 ClO3 ClO2 ClO Cl2 Cl 57 二 元素电位图的应用1 判断歧化反应与逆歧化反应 左 右 A B C是否发生歧化 条件 右 左 时 即 B C A B 则B B A CB发生歧化反应 若 右 左 时 即 B C A B 则A C B B发生逆歧化反应 归中反应 58 MnO4 e MnO42 0 56VMnO42 4H 2e MnO2 2H2O 2 26V 元素电势图 MnO4 MnO42 MnO2 0 56V 2 26V 3MnO42 4H 2e 2MnO4 MnO2 2H2O 59 3 求算未知电对的标准电极电位已知 A B B C 求 A C A C 60 1 n1 2 n2 3 n3 4 n4 i niA B C D E G ni i 1 61 A B C rG3 rG1 rG2 n3F 3 n1F 1 n2F 2 A C 公式的推导 3 62 ClO3 6H 6e Cl 3H2O1 2Cl2 e Cl ClO3 6H 5e 1 2Cl2 3H2 1 36VClO3 Cl2 Cl 1 45V 63 例题 根据教材附录表能查到的相关电对的标准电极电势的数据 判断Br2 l 在碱性溶液中能否岐化 确定其最稳定的产物 并写出岐化反应的离子方程式 计算298K下反应的标准平衡常数 64 解 1 0 6126 65 2 66 67 电解池的原理和应用 电能转化为化学能 非自发反应充电过程 68 电镀 1 原理 应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属或合金的过程 阴极 待镀件 电极不反应 阳极 镀层金属 电极被氧化 电镀液 含有镀层