第08章-氧化还原反应与电极电势-PPT.ppt

第第0808章章 氧化还原反应与电极电势氧化还原反应与电极电势一、氧化值一、氧化值定义：氧化值是某元素的一个原子的荷电数，这种定义：氧化值是某元素的一个原子的荷电数，这种荷电数是假设把每一个化学键中的电子指定给电负荷电数是假设把每一个化学键中的电子指定给电负性更大的原子而求得。性更大的原子而求得。规定氧化值为正值时加规定氧化值为正值时加“+”号，负值时加号，负值时加“-”号。号。-1+1+1-3第一节第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质3.氧的氧化值在大多数化合物中为氧的氧化值在大多数化合物中为-2，但过氧化物中为，但过氧化物中为-1,如如H2O2,超氧化物中为超氧化物中为-1/2,如如KO2。确定氧化值的规则如下：确定氧化值的规则如下：1.单质中元素的氧化值为零。如单质单质中元素的氧化值为零。如单质O26.电中性化合物中所有元素的氧化值代数和为零，如电中性化合物中所有元素的氧化值代数和为零，如H2O。4.单原子离子中元素的氧化值等于离子的电荷数；如单原子离子中元素的氧化值等于离子的电荷数；如Na+。5.多原子离子中所有元素的氧化值的代数和等于该离子所多原子离子中所有元素的氧化值的代数和等于该离子所带的电荷数。带的电荷数。2.氢的氧化值一般为氢的氧化值一般为+1，金属氢化物中为，金属氢化物中为-1，如，如KH和和CaH2。SO42-中元素氧化值的代数和为中元素氧化值的代数和为:61+(-2)4=-2。第一节第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质K2Cr2O7 中，中，Cr 元素的氧化值元素的氧化值：+6例例x=+6NH4+中，中，N 元素的氧化值元素的氧化值：-3Fe3O4 中，中，Fe 元素的氧化值元素的氧化值：+8/3-24+3x=0 x=+8/3第一节第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质CO CO2 CH4 C2H5OHC:+2+4-4-2 S2O32-S2O82-S4O62-S:+2+7+2.5 第一节第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质二、二、氧化还原反应及氧化剂和还原剂氧化还原反应及氧化剂和还原剂氧化还原反应：元素的氧化值发生改变的化学反应氧化还原反应：元素的氧化值发生改变的化学反应Zn+CuSO4 ZnSO4+Cu Ag+Fe2+Ag +Fe3+Ag+Cl-AgCl 第一节第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质氧化值升高的过程氧化值升高的过程氧化氧化 Zn Zn2+2e-氧化反应氧化反应Cu2+2e-Cu 还原反应还原反应氧化值降低的过程氧化值降低的过程还原还原氧化还原反应本质：电子的得失氧化还原反应本质：电子的得失氧化还原反应现象：氧化值的升降氧化还原反应现象：氧化值的升降-2e-Zn +Cu2+Zn2+Cu (失电子的反应失电子的反应)(得电子的反应得电子的反应)第一节第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质大家应该也有点累了，稍作休息大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流还原剂还原剂被氧化被氧化氧化值升高氧化值升高氧化剂氧化剂被还原被还原氧化值降低氧化值降低氧化值升高的物质氧化值升高的物质还原剂还原剂氧化值降低的物质氧化值降低的物质氧化剂氧化剂Zn +Cu2+Zn2+Cu-2e-4 4第一节第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质三、氧化还原电对三、氧化还原电对氧化反应氧化反应还原反应还原反应-2e-Zn +Cu2+Zn2+Cu氧化还原半反应的通式：氧化还原半反应的通式：或或第一节第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质 Zn Zn2+2e-Cu2+2e-Cu 例：例：Zn2+ZnCu2+Cu氧化还原电对：氧化还原电对：式中：式中：n为半反应中电子转移的数目为半反应中电子转移的数目 Ox表示氧化型物质，即某元素原子的氧化值相对表示氧化型物质，即某元素原子的氧化值相对较高的物质，由氧化剂组成较高的物质，由氧化剂组成 Red表示还原型物质，即元素原子的氧化值相对表示还原型物质，即元素原子的氧化值相对较低的物质，由还原剂组成较低的物质，由还原剂组成 氧化型氧化型/还原型（还原型（Ox/Red）第一节第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质第二节第二节 原电池原电池ZnZn片插入片插入CuSO4中发生的反应中发生的反应ab一、原电池及电极一、原电池及电极Cu2+ZnZn2+Cu(-)(-)(+)(+)利用氧化还原反应将化学能直接转化为电能的装置利用氧化还原反应将化学能直接转化为电能的装置叫做原电池，简称电池。叫做原电池，简称电池。Zn+CuSO4 ZnSO4+CuCu-Zn Cu-Zn 原电池原电池锌半电池锌半电池+铜半电池铜半电池(-)(-)(+)(+)半电池又称电极半电池又称电极1.电极导体电极导体2.氧化还原电对氧化还原电对组成：组成：第二节第二节 原电池原电池半电池反应：又称电极反应，半电池中发生的半电池反应：又称电极反应，半电池中发生的氧化反应或还原反应氧化反应或还原反应电池反应：原电池的两极发生的总的氧化还原电池反应：原电池的两极发生的总的氧化还原反应反应负极：输出电子的电极，负极：输出电子的电极，正极：接受电子的电极，正极：接受电子的电极，发生氧化反应发生氧化反应发生还原反应发生还原反应Zn+CuSO4 ZnSO4+Cu负极反应：负极反应：正极反应：正极反应：电池反应：电池反应：Cu-Zn Cu-Zn 原电池原电池第二节第二节 原电池原电池Zn Zn2+2e-Cu2+2e-Cu负极反应：负极反应：负极反应：负极反应：Zn+CuSO4 ZnSO4+Cu电池反应：电池反应：二、电池的书写方式二、电池的书写方式(3)一般把负极写在左边，正极写在右边，电极的极性在括号一般把负极写在左边，正极写在右边，电极的极性在括号 内用内用“”和和“”标明。标明。(4)两个半电池间的盐桥用两个半电池间的盐桥用“|”表示。表示。(1)用化学式表示电极中各物质的组成，并注明物质的状态。用化学式表示电极中各物质的组成，并注明物质的状态。溶液注明浓度，气体注明分压溶液注明浓度，气体注明分压(kPa)。(2)用用“|”表示电极的两种组成物质间有界面；同一相中不同表示电极的两种组成物质间有界面；同一相中不同 物质之间用物质之间用“，”分开。分开。(5)电极的电对自身不能作导体时，需外加一惰性电极导体，电极的电对自身不能作导体时，需外加一惰性电极导体，通常选用铂通常选用铂(Pt)作惰性电极导体作惰性电极导体,电极导体不用标明状态。电极导体不用标明状态。第二节第二节 原电池原电池Zn Zn2+Zn +Cu2+Zn2+CuZn +Cu2+Zn2+CuZn +Cd2+(0.1molL-1)Zn2+(0.01molL-1)+Cd(-)Zn|Zn2+(0.01molL-1)Cd2+(0.1molL-1)|Cd(+)|(c1)Cu2+Cu(c2)(-)(+)|Zn Zn2+(c1)Cu2+Cu(c2)锌电极、镉电极锌电极、镉电极Zn电电极极 Cu电极电极第二节第二节 原电池原电池(-)Zn|Zn2+(0.01molL-1)Cd2+(0.1molL-1)|Cd(+)|(-)Zn|Zn2+(0.01molL-1)Cd2+(0.1molL-1)|Cd(+)|(-)Zn|Zn2+(0.01molL-1)Cd2+(0.1molL-1)|Cd(+)|例：将下列氧化还原反应设计成原电池。例：将下列氧化还原反应设计成原电池。解：原电池的正极输入电子，原电池的负极输出电子，解：原电池的正极输入电子，原电池的负极输出电子，将将题示氧化还原反应设计成原电池题示氧化还原反应设计成原电池正极反应：正极反应：负极反应：负极反应：原电池符号：原电池符号：(-)Pt|Cl2(p)|Cl-(c1)|H+(c2),MnO4-(c3),Mn2+(c4)|Pt(+)第二节第二节 原电池原电池例：将氧化还原反应例：将氧化还原反应 设计成原电池。设计成原电池。(+)Ag+,Ag(-)Fe3+，Fe2+(-)Pt Fe3+(c1),Fe2+(c2)半电池（电极）半电池（电极）半电池（电极）半电池（电极）Fe2+Ag+Fe3+Ag|Ag+(c3)Ag(+)解：解：第二节第二节 原电池原电池 三、常见电极类型 1）金属金属离子电极 电极组成式：Zn Zn2+(c)电极反应：Zn Zn2+2e-2)气体离子电极 电极组成式：Pt Cl2(p)Cl-(c)电极反应：Cl2+2e-2Cl-第二节第二节 原电池原电池3)金属金属难溶物电极 电极组成式：Ag AgCl(s)Cl-(c)电极反应：AgCl+e-Ag+Cl-4)氧化还原电极 电极组成式：Pt Fe2+(c1),Fe3+(c2)电极反应：Fe3+e-Fe2+第二节第二节 原电池原电池溶解溶解M Mn+ne-沉积沉积一、电极电势的产生一、电极电势的产生电极电势：电极电势：MMMn+CuSOCuSO4 4CuCuMMn+MMn+MMM第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势原电池的电动势原电池的电动势二、原电池的电动势与电极电势的测定二、原电池的电动势与电极电势的测定 在没有电流通过的情况下，正负两极的电极电在没有电流通过的情况下，正负两极的电极电势之差称为原电池的电动势，用符号势之差称为原电池的电动势，用符号E E 表示，单位表示，单位为伏特（为伏特（V V）。）。第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势（一）、（一）、标准氢电极标准氢电极（二）、（二）、标准电极电势标准电极电势符号：符号：T=298K,c=1molL-1 或或 p=100kPa的电极电势。的电极电势。单位：单位：V第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势标准态标准态:例：测定例：测定第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势 电电极极的的电电极极电电势势越越大大，表表明明氧氧化化还还原原电电对对中中的的氧化型物质愈易得电子，它的氧化能力愈强。氧化型物质愈易得电子，它的氧化能力愈强。例如：例如：MMn+Mn+Mn+表明表明F F2 2容易得电子是强氧化剂容易得电子是强氧化剂第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势电极的电极电势越小，表明氧化还原电对中的电极的电极电势越小，表明氧化还原电对中的还原型物质愈易失电子，它的还原能力愈强。还原型物质愈易失电子，它的还原能力愈强。例如：例如：MMn+Mn+Mn+Mn+表明表明 Li Li 容易失电子是强还原剂容易失电子是强还原剂第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势例：标准状态下例：标准状态下 Sn2+、Fe3+、Sn、Fe2+中，那种物中，那种物质是较强的氧化剂，那种物质是较强的还原剂质是较强的氧化剂，那种物质是较强的还原剂?解：解：Sn2+/Sn，Fe3+/Fe2+查附录：查附录：Fe3+是较强氧化剂，是较强氧化剂，Sn是较强还原剂是较强还原剂第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势四、影响电极电势的因素四、影响电极电势的因素-Nernst方程方程 电极电势电极电势 标准电极电势标准电极电势n 电极反应式中得电极反应式中得(失失)电子的总数电子的总数cr(Ox)氧化型物质的相对浓度氧化型物质的相对浓度1.Nernst方程方程mOx+ne-qRedcr(Red)还原型物质的相对浓度还原型物质的相对浓度F F法拉第常数，法拉第常数，T T绝对温度，绝对温度，R R气体常数气体常数第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势T=298K时，时，第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势 应用应用Nernst方程应注意以下几个问题方程应注意以下几个问题：（1）计算前，应配平电极反应式；计算前，应配平电极反应式；Cl2+e-Cl-2 2 第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势（2）纯纯固固体体及及纯纯液液体体的的浓浓度度规规定定为为1，在在能能斯斯特特方方程程中中不不体体现现；气气体体物物质质可可以以用用分分压压p写写入入Nernst方程中；方程中；Zn2+2e-Zn Cl2+2e-2Cl-第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势（3）若若电电极极反反应应中中有有H或或OH-等等参参与与，其其浓浓度度必须写进能斯特方程中；必须写进能斯特方程中；MnO2(s)+4H+2e-Mn2+2H2O第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势(3)氧化型和还原型物质的浓度氧化型和还原型物质的浓度2.影响电极电势的因素影响电极电势的因素 (1)电极的本性电极的本性cr(Ox)或或 cr(Red),cr(Ox)或或 cr(Red),(2)温度温度第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势例例:计算计算298K时时 Zn2+浓度为浓度为 0.010molL-1的锌电极的电极电势。的锌电极的电极电势。Zn2+2e-Zn解：电极反应式：解：电极反应式：第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势 例例:电极反应：电极反应：解：氧化型：解：氧化型：MnO4-，H+还原型：还原型：Mn2+，H2O 当当 cr(MnO4-)cr(Mn2+)1molL-1时，时，求求 298K下，下，pH 6.0 时的电极电势时的电极电势。第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势 生成沉淀生成沉淀NaCl+Cl-cr(Ag+)减小，减小，电极电势（电极电势（）减小减小 Ag+e-Ag AgCl第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势例：在此电极溶液中加入例：在此电极溶液中加入NaCl，使其生成，使其生成 AgCl 沉淀，达沉淀，达平衡时平衡时cr(Cl-)=1.0，求，求298K时，时，(Ag+/Ag)=?解：解：Ag+Cl-AgCl Ag+e-Ag第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势（一）比较氧化剂和还原剂的强弱（一）比较氧化剂和还原剂的强弱 由由 的大小的大小判断：强氧化剂判断：强氧化剂+强还原剂，自发强还原剂，自发 由由 E E 判断：判断：E 0，自发，自发 E 8080使用。使用。电极反应电极反应:AgCl+e-Ag+Cl-二、指示电极二、指示电极1.玻璃电极玻璃电极电极电位对电极电位对H+离子浓度离子浓度(活度活度)的的变化符合变化符合Nernst方程的电极，方程的电极，称为称为pH指示电极。指示电极。使用最广泛的使用最广泛的pH指示电极为指示电极为玻玻璃电极璃电极(glass electrode)。第四节第四节 电势法测定溶液的电势法测定溶液的pHpH2.复合电极复合电极将指示电极和参比电极组装将指示电极和参比电极组装在一起就构成复合电极。在一起就构成复合电极。复合电极的优点在于使用方复合电极的优点在于使用方便，并且测定值较稳定。便，并且测定值较稳定。第四节第四节 电势法测定溶液的电势法测定溶液的pHpH三、电位法测定溶液的三、电位法测定溶液的pH值值测定溶液的测定溶液的pH，常用玻璃电极作，常用玻璃电极作pH指示电极，指示电极，饱和甘汞电极作参比电极，组成原电池。饱和甘汞电极作参比电极，组成原电池。(-)玻璃电极玻璃电极|待测待测pH溶液溶液|SCE(+)电池电动势为：电池电动势为：第四节第四节 电势法测定溶液的电势法测定溶液的pHpH第四节第四节 电势法测定溶液的电势法测定溶液的pHpH第五节第五节 生物传感器生物传感器生物芯片生物芯片:就是在玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物就是在玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。电子芯片上布列的是一个个半导体电子单元，而生物芯片上布电子芯片上布列的是一个个半导体电子单元，而生物芯片上布列的是一个个生物探针分子。列的是一个个生物探针分子。(1)(1)基因芯片：是将基因芯片：是将cDNAcDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。载体上制成。(2)(2)蛋白质芯片：是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微蛋白质芯片：是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上获得。阵列方式固定在微型载体上获得。(3)(3)细胞芯片：是将细胞按照特定的方式固定在载体上，用来细胞芯片：是将细胞按照特定的方式固定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用。检测细胞间相互影响或相互作用。(4)(4)组织芯片：是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，组织芯片：是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。拓展拓展Heratbeat and electrocardiography(心电图心电图)In a typical day an adults heart pumps more than 7000 L of blood through the circulatory system.More than two centuries ago,Luigi Galvani and Alessandro Volta,discovered that the contractions(收缩收缩)of the heart are controlled by electrical phenomena.Cell wall are membranes with variable permeability with respect to a number of physiologically important ions(especially Na+,K+and Ca2+).The concentrations of these ions are different for the fluids inside the cells(细胞内液，细胞内液，ICF)and outside the cells(细部外液，细部外液，ECF).For example,in cardiac muscle cells(心肌细胞心肌细胞)the concentrations of K+in the ICF and ECF are typically about 135 millimolar(毫摩尔毫摩尔/升升)and 4 mM,respectively.Importantly,for Na+the concentration difference between the ICF and ECF is opposite that for K+;typically,Na+ICF=10 mM and Na+ECF=145 mM.The cell membrane is initially permeable to K+ions,but much less so to Na+and Ca2+.the difference in concentration of K+ions between the ICF and ECF generates a concentration cell(浓差电浓差电池池).At the physiological temperature of 37 the potential in millivolts for moving from the ECF to the ICF is The negative sign indicates that work is required to move K+into the intracellular fluid.拓展拓展Changes in the relative concentration of the ions in the ECF and ICF lead to changes in the E(电动势电动势)of the voltaic cell(原电池原电池).The membrane of the cells regulate the concentrations of ions in the ICF,allowing them to change in a systematic way.The concentration changes cause the E to change in a cyclic fashion,as shown in figure 1.TimeElectrical potential拓展拓展