无机化学：第6章 氧化还原反应1

1、第第6章章 氧化还原反应氧化还原反应 和电化学和电化学 主要内容主要内容 6.1氧化还原反应氧化还原反应* 6.2原电池原电池 6.3电极电势电极电势 6.4电极电势的应用电极电势的应用(下一次课下一次课)* 6.5有关氧化还原反应的计算示例有关氧化还原反应的计算示例* 6.6电解与电镀电解与电镀(略略) 6.7化学电源化学电源(略略) 6.1氧化还原反应氧化还原反应 6.1.1氧化态氧化态 6.1.2氧化剂和还原剂氧化剂和还原剂 6.1.3氧化还原方程式的配平氧化还原方程式的配平* 6.1.1 氧化态氧化态 氧化态：元素某一原子所带的氧化态：元素某一原子所带的形式形式电荷。电荷。 形式电荷形

2、式电荷：是假设把分子中共价键合的电：是假设把分子中共价键合的电 子指定给电负性较大的原子之后所带的电子指定给电负性较大的原子之后所带的电 荷。荷。 形式电荷的确定形式电荷的确定 在单质中，元素的氧化态定为零。例如，在单质中，元素的氧化态定为零。例如， 金属铜中金属铜中Cu的氧化态为零。记为的氧化态为零。记为Cu0。 在离子化合物中，简单离子的氧化态等在离子化合物中，简单离子的氧化态等 于该离子所带的电荷。例如，于该离子所带的电荷。例如，CaCl2中，中，Ca 的氧化态为的氧化态为+2，记为，记为Ca+2；Cl的氧化态为的氧化态为- 1，记为，记为Cl-1。 注意：氧化态注意：氧化态不可不可写为

3、写为Ca2+，2+表示带表示带2个个 正电荷。正电荷。 形式电荷的确定形式电荷的确定 在已知结构的共价化合物中，共用电子在已知结构的共价化合物中，共用电子 指定给电负性较大的原子之后，两个原子指定给电负性较大的原子之后，两个原子 所带的所带的形式电荷形式电荷就是它们的氧化态就是它们的氧化态 例如，例如，H2S中，中，H的电负性为的电负性为2.2，S的电负的电负 性为性为2.6，HS键的共用电子对指定给键的共用电子对指定给S之之 后，后，S的氧化态为的氧化态为S-2，H的氧化态为的氧化态为H+1。 形式电荷的确定形式电荷的确定 对于组成复杂或结构未知的化合物，对于组成复杂或结构未知的化合物， 按

4、照按照“分子中各元素氧化态的分子中各元素氧化态的代数和代数和等等 于零于零；各离子中各元素氧化态各离子中各元素氧化态代数和代数和等等 于离子的电荷于离子的电荷”原则计算确定元素氧化原则计算确定元素氧化 态。态。 氧氧的氧化态主要为的氧化态主要为-2。但是在。但是在过氧化过氧化 物物中为中为-1，在，在超氧化物超氧化物中中-0.5，在，在氟化物氟化物 中为中为+1，+2。 形式电荷的确定形式电荷的确定 氢的氧化态一般为氢的氧化态一般为+1，只是在金属氢，只是在金属氢 化物为化物为-1。例如。例如CaH2，NaH。 举例：求算举例：求算CH4(甲烷甲烷)，H3COH (甲醇甲醇) ， HCOH (

5、甲醛甲醛) ，HCOOH (甲酸甲酸) ， H2CO3 (碳酸碳酸)中中C的氧化态的氧化态。 c H H H H CH4甲烷甲烷 CH4(甲烷甲烷)中中 H的氧化态的氧化态 为为+1，CH4分子中各元素分子中各元素 氧化态氧化态代数和为零代数和为零，则，则C 的氧化态为的氧化态为-4，记为，记为C- 4。 H3COH (甲醇甲醇)中中 H的氧化的氧化 态为态为+1，O的氧化态为的氧化态为-2， +4-2+C=0，则，则C- 2。 c OH H H H H3COH甲醇甲醇 HCOH (甲醛甲醛)中中 H的氧化的氧化 态为态为+1，O的氧化态为的氧化态为-2， +2-2+C=0，则，则C0。 c

6、H H O HCOH甲醛甲醛 c OH H O HCOOH甲酸甲酸 HCOOH (甲酸甲酸)中中 H的氧化的氧化 态为态为+1，O的氧化态为的氧化态为-2， +2-22+C=0，则，则C+2。 6.1.2 氧化剂和还原剂氧化剂和还原剂 在在指定指定的氧化还原反应中，元素的氧化还原反应中，元素氧化态氧化态 降低的降低的反应物反应物为为氧化剂氧化剂；反之；反之氧化态升氧化态升 高的高的反应物反应物为为还原剂还原剂。 +70+4+6 4224 2KMn O +S =2Mn O +K S O 氧化剂 还原剂 0+2 244 +20 Mg +NaSO =Mg SO +2Na 还原剂 氧化剂 w注意注意：

7、指定指定方程式中方程式中正反应正反应方向不一定是方向不一定是 真实的真实的。 6.1.3 氧化还原方程式的配平氧化还原方程式的配平* * * * 氧化态法氧化态法 离子离子- -电子法电子法( (在电极电势中讲在电极电势中讲) ) 氧化态法配平原则氧化态法配平原则 写出反应物和生成物的分子式写出反应物和生成物的分子式。 42324424 KMnO +K SO +H SO ()MnSO +K SO稀 标出元素有变化的标出元素有变化的氧化态氧化态，计算出反应前，计算出反应前 后氧化态后氧化态变化的数值变化的数值，并使，并使降降、升升值相等。值相等。 42324 +7+4 42 +6 4 2+ KM

8、n O +K S O +H SO ()Mn SO +K S O稀 Mn的氧化态降低的氧化态降低52 2= =1010 S的氧化态升高的氧化态升高25=5=1010 配平氧化剂、还原剂以及氧化还原产物配平氧化剂、还原剂以及氧化还原产物。 42324424 KMnO22+ K SO +H SO ()M55nSO + K SO稀 配平氧化态没有变化的元素。（难点！）配平氧化态没有变化的元素。（难点！） 423244242 2KMnO +5K SO + H SO ()2MnSO + K363H OSO稀 经验：想办法配平氧和氢，再考虑其它离子经验：想办法配平氧和氢，再考虑其它离子 左边：氧左边：氧过多

9、过多，酸介质加，酸介质加H+；碱介质加；碱介质加H2O 左边：氧左边：氧不够不够，酸介质加水；碱介质加，酸介质加水；碱介质加OH 6.2原电池原电池 6.2.1原电池的概念原电池的概念 6.2.2原电池的表示方法原电池的表示方法* 6.2.3原电池的电动势原电池的电动势 6.2.1 原电池的概念原电池的概念 Cu-Zn原电池装置原电池装置 原电池原电池: :把化学能转化成电能的装置叫做原电池。把化学能转化成电能的装置叫做原电池。 半电池半电池1 半电池半电池2 盐桥盐桥 导线导线 负极负极( (电子流出电子流出):):氧化反应氧化反应Zn(s) - 2e- Zn2+(aq) 正极正极( (电子

10、流入电子流入):):还原反应还原反应Cu2+(aq) + 2e- Cu(S) 电池反应电池反应: :Zn(s) + Cu2+ (aq) Zn2+(aq) + Cu(s) 6.2.2原电池的表示方法原电池的表示方法 半电池半电池1：由：由Zn和和ZnSO4构成。构成。 Zn2+为氧化型物质；为氧化型物质；Zn为还原型物质为还原型物质 半电池半电池2：由：由Cu和和CuSO4构成。构成。 Cu2+为氧化型；为氧化型；Cu为还原型为还原型 金属导体如金属导体如 Cu、Zn 惰性导体如惰性导体如 Pt、石墨棒、石墨棒 电极电极 半电池反应通式为：半电池反应通式为： 氧化型氧化型 + ne- 还原型还原

11、型 半电池反应可以用电对表示：氧化型半电池反应可以用电对表示：氧化型/ /还原还原 型被称为。例如，型被称为。例如， Zn2+/Zn ；Cu2+/Cu )( Cu )L(1.0molCu )L(1.0mol Zn Zn )( 1212 原电池符号的书写规则原电池符号的书写规则*： 负极负极“-”在左边，正极在左边，正极“+”在右边，盐桥用在右边，盐桥用 “”表示。表示。 半电池中两相界面用半电池中两相界面用“ ”分开，同相但不分开，同相但不 同的物种用同的物种用“,”分开，溶液溶质、气体要注明分开，溶液溶质、气体要注明cB， pB 原电池的组成为：电对、盐桥和导线。可原电池的组成为：电对、盐桥

12、和导线。可 以用电池符号表示原电池以用电池符号表示原电池 纯液体、固体和气体写在惰性电极一边纯液体、固体和气体写在惰性电极一边, 并并 用用“,”或用或用“ ”分开。分开。 113 2 12 L2.0mol2ClL0.1mol2Fe 101325PaClL1.0mol2Fe 例：例：将下列反应设计成原电池并以原电池符号将下列反应设计成原电池并以原电池符号 表示。表示。 解解： )(Pt ， 101325PaCl L2.0molCl L0.1molFe , L1.0molFe Pt )( 2 1 1312 正极：正极：Cl2(g) + 2e- 2Cl-(aq) 负极：负极：Fe2+(aq) -

13、e- Fe3+(aq) 纯液体、固体和气体写在惰性电极一边纯液体、固体和气体写在惰性电极一边, 并并 用用“,”或或“ ”分开。分开。 6.2.3 原原电池电动势的测定电池电动势的测定 E 电动势，电动势， E =E正 正-E负负。电动势的大 电动势的大 小可以由数字电压表或电位差计来测定。小可以由数字电压表或电位差计来测定。 )( Cu )L(1.0molCu )L(1.0molZn Zn )( 1212 E-标准电动势，例如，铜标准电动势，例如，铜-锌原电池锌原电池 E= 1.10V。 6.3电极电势电极电势 6.3.1金属电极电势的产生金属电极电势的产生 6.3.2电极电势的确定电极电势

14、的确定 6.3.3能斯特方程式能斯特方程式* 金属浸入其盐的溶液中，在金属和溶液的界面金属浸入其盐的溶液中，在金属和溶液的界面 上会有两种可能的过程：上会有两种可能的过程： (1)受极性溶剂分子的吸引，金属原子把电子留受极性溶剂分子的吸引，金属原子把电子留 在金属上，自身以溶剂化离子的形式进入溶液。在金属上，自身以溶剂化离子的形式进入溶液。 ()(1) n MMaqne 6.3.1金属电极电势的产生金属电极电势的产生 (2) 受金属表面自由电子的吸引，溶液中的金属受金属表面自由电子的吸引，溶液中的金属 离子沉积到金属板上。离子沉积到金属板上。 2)( n MaqneM 当两种趋势的速度相等就建

15、立了动态平衡当两种趋势的速度相等就建立了动态平衡： 若过程若过程(1)的趋势大，平衡时金属板带负电荷，的趋势大，平衡时金属板带负电荷， 溶液带正电荷。金属和溶液之间的双电层产生电溶液带正电荷。金属和溶液之间的双电层产生电 势差。势差。 - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Mn+ M () n MMaqne 若过程若过程(2)的趋势大，平衡时金属板带正电荷，的趋势大，平衡时金属板带正电荷， 溶液带负电荷。金属和溶液之间的双电层也产生溶液带负电荷。金属和溶液之间的双电层也产生 电势差。电

16、势差。 金属和溶液之间形成的电势差，就称为金属的金属和溶液之间形成的电势差，就称为金属的 电极电势电极电势。 + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - Mn+ M - - - 6.3.2电极电势的确定电极电势的确定 电极电势的绝对值无法测量。只能用比较的方法测电极电势的绝对值无法测量。只能用比较的方法测 量其量其相对值相对值。 IUPAC建议，采用建议，采用标准氢电极标准氢电极作为标准。作为标准。 标准氢电极：标准氢电极：镀有海绵镀有海绵 状铂黑的铂片，浸入氢离子浓状铂黑的铂片，浸入氢离子浓 度为度为

17、1.0molL-1的的H2SO4溶液中，溶液中， 在温度为在温度为298.15K时，不断通入时，不断通入 压力为压力为100kPa的氢气。的氢气。 + 2 E (H /H )=0.000V +- 2 2H (aq)+2eH (g) 为了比较不同电极的电极电势大小，提出了标准电极为了比较不同电极的电极电势大小，提出了标准电极 电势电势(Standard Electrode Potential)的概念。的概念。 标准电极电势标准电极电势(符号为符号为E)：指：指电对电对处于标准状态时该处于标准状态时该 电对的电极电势。溶液中的物质浓度电对的电极电势。溶液中的物质浓度1.0molL-1,气体分压气体

18、分压 为标准压力为标准压力p。 指定标准氢电极作为负极，指定指定标准氢电极作为负极，指定待测电极待测电极为正极，测为正极，测 定电池的电动势。定电池的电动势。 + 2 E EE (H /H )=E 电动势待测待测 例如例如,测定锌电极的标准电极电势测定锌电极的标准电极电势,应该组成下列电池。应该组成下列电池。 +-121 2 (-)Pt, H H (1.0mol L ) Zn (1.0mol L ) Zn(+) + 2 E EE (H /H )=E 2+2+ 电动势 Zn/ZnZn/Zn E0.762V 电动势 E= - 0.762V 2+ Zn/Zn 又例如又例如, , 欲测定铜电极的标准电极电势欲测定铜电极的标准电极电势, , 组成的电池组成的电池 为为 +-