氧化还原反应和电极电势h.ppt
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1、第八章第八章 氧化还原反应和电极电势氧化还原反应和电极电势u掌握掌握:氧化值,氧还反应,氧还电对,半反应,:氧化值,氧还反应,氧还电对,半反应,标准电极电势等基本概念;原电池的书写;标准电极电势等基本概念;原电池的书写;NernstNernst方程式;电极电势和电动势的应用。方程式;电极电势和电动势的应用。u熟悉熟悉:标准氢电极;参比电极和指示电极等概念;:标准氢电极;参比电极和指示电极等概念;电势法测电势法测pHpH值的原理。值的原理。u了解了解:电极类型;电极电势的产生。:电极类型;电极电势的产生。教学目的和要求教学目的和要求1可编辑版氧化值氧化值氧化还原电对氧化还原电对1 12 2第一节
2、第一节 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质2可编辑版氧化值:氧化值:假设把每一个化学键中的成假设把每一个化学键中的成键电子对指定给键电子对指定给电负性电负性较大的原子后,较大的原子后,原子的原子的荷电数荷电数。原子吸引成键原子吸引成键电子的相对能电子的相对能力力一、氧化值一、氧化值氧化值是不是化合价?氧化值是不是化合价?化合价:化合价:一个原子与一定数目的其它一个原子与一定数目的其它元素的原子结合的个数比。元素的原子结合的个数比。NHHH-3+1 PBr3 HCl3可编辑版确定氧化值的规则确定氧化值的规则(1)单质的氧化值为零。)单质的氧化值为零。(2)H在化合物中的氧化值一般是在化合物中的
3、氧化值一般是+1,但在金属氢化物中的氧化值为但在金属氢化物中的氧化值为-1(CaH2)(3)O在化合物中的氧化值一般是在化合物中的氧化值一般是-2,在过氧化物中氧化值为在过氧化物中氧化值为-1(H2O2););在超氧化物中氧化值为在超氧化物中氧化值为-1/2(KO2););在在OF2中为中为+2。(4)卤素在卤化物中的氧化值为)卤素在卤化物中的氧化值为-1。(5)碱金属的氧化值是)碱金属的氧化值是+1。(6)碱土金属的氧化值是)碱土金属的氧化值是+2。4可编辑版例例:求求NH4+中中N的氧化值。的氧化值。解解:H的氧化值为的氧化值为+1,设设N的氧化值为的氧化值为x,x+(+1)4=+1得得:
4、x=-3例例:求求Fe3O4中中Fe的氧化值。的氧化值。解解:O的氧化值为的氧化值为-2,设设Fe的氧化值为的氧化值为x,3x+(-2)4=0得得:x=8/3exampleCHCH3 3ClCl和和CHClCHCl3 3化合价都是化合价都是4 4价;价;氧化值分别是氧化值分别是-2-2、+2+25可编辑版u碳的氧化值碳的氧化值 CO CO2 CH4example+2+4-4+2+7u硫的氧化值硫的氧化值 S2O32-S2O82-6可编辑版元素的氧化值发生了变化的化学反应。元素的氧化值发生了变化的化学反应。氧的氧化值:氧的氧化值:0 0-2-2;氧化值降低,发生了还原反应。;氧化值降低,发生了还
5、原反应。碳的氧化值:碳的氧化值:-4-4+4;+4;氧化值升高,发生了氧化反应。氧化值升高,发生了氧化反应。CHCH4 4(g)(g)O O2 2(g)CO(g)CO2 2(g)(g)2H2H2 2O(g)O(g)氧化还原反应氧化还原反应氧化值降低的物质称为氧化剂(氧化值降低的物质称为氧化剂(oxidantoxidant),),氧化值升高的物质称为还原剂(氧化值升高的物质称为还原剂(reductantreductant)氧化剂氧化剂还原剂还原剂7可编辑版失电子,氧化值升高,发生氧化反应,做还原剂失电子,氧化值升高,发生氧化反应,做还原剂得电子,氧化值降低,发生还原反应,做氧化剂得电子,氧化值降
6、低,发生还原反应,做氧化剂失升氧,失升氧,得降还,得降还,若说剂,若说剂,则相反。则相反。8可编辑版二、氧化还原电对二、氧化还原电对氧化还原反应可拆成两个半反应氧化还原反应可拆成两个半反应例:例:2Fe3+Sn2+2Fe2+Sn4+Sn2+-2e-Sn4+氧化反应氧化反应(氧化值升高氧化值升高)Fe3+e-Fe2+还原反应还原反应(氧化值降低氧化值降低)反应过程中得失电子数必须相等,氧化半反应反应过程中得失电子数必须相等,氧化半反应和还原半反应同时并存,不能单独存在。和还原半反应同时并存,不能单独存在。9可编辑版氧化值较高的物质叫做氧化型物质(氧化态);氧化值较高的物质叫做氧化型物质(氧化态)
7、;氧化值较低的物质叫做还原型物质(还原态)。氧化值较低的物质叫做还原型物质(还原态)。氧化型氧化型+ne-还原型还原型 氧化还原电对:氧化还原电对:Ox/Red (Sn4+/Sn2+)(Fe3+/Fe2+)Ox+ne-Red在组成上相差在组成上相差在组成上相差在组成上相差nene-的氧化型、还原型物质构成一个的氧化型、还原型物质构成一个的氧化型、还原型物质构成一个的氧化型、还原型物质构成一个氧化还原电对,也就是一个氧化还原电对,也就是一个氧化还原电对,也就是一个氧化还原电对,也就是一个半电池半电池半电池半电池,一个,一个,一个,一个电极电极电极电极。n为转移的电子数为转移的电子数10可编辑版M
8、nO4-+8H+5e-Mn2+4H2O 氧化型物质为氧化型物质为MnO4-和和H+;还原型物质为还原型物质为Mn2+(不包括溶剂(不包括溶剂H2O)注意:注意:拆分半反应时,参加反应的拆分半反应时,参加反应的H+必须写入。必须写入。11可编辑版原电池与电极原电池与电极电池的书写方式电池的书写方式常见电极类型常见电极类型1 12 23 3第二节第二节 原电池原电池12可编辑版一、原电池与电极一、原电池与电极锌片锌片硫酸铜溶液硫酸铜溶液e-自发的氧化自发的氧化还原反应还原反应13可编辑版饱和饱和KCl 或或 NH4NO3 溶液溶液+琼琼脂脂 胶冻胶冻作用:沟通回路;作用:沟通回路;中和过剩的电荷,
9、中和过剩的电荷,保持溶液电中性。保持溶液电中性。14可编辑版u定义:将氧化还原反应的化学能转变为电能的装置。定义:将氧化还原反应的化学能转变为电能的装置。u电池反应:电池反应:Zn+Cu2+Cu+Zn2+u组成:原电池由两个组成:原电池由两个 组成。组成。半电池半电池电极电极负极:负极:Zn电极反应:电极反应:Zn-2e-Zn2+氧化反应氧化反应还原剂还原剂正极:正极:Cu电极反应:电极反应:Cu2+2e-Cu 还原反应还原反应氧化剂氧化剂原电池的特点原电池的特点15可编辑版二、电池的书写方式二、电池的书写方式电解质电解质溶液溶液电极板电极板盐桥盐桥电极板电极板16可编辑版u将负极写在左边,正
10、极写在右边,并用将负极写在左边,正极写在右边,并用“”和和“”标明。连接的盐桥用标明。连接的盐桥用“”表示。表示。u物质的相界面用物质的相界面用“|”分开;同一相中的不同物质用分开;同一相中的不同物质用“,”隔开。隔开。u注明物质状态:溶液注明浓度;气体注明分压。注明物质状态:溶液注明浓度;气体注明分压。(1mol/L与一个标准大气压可不标注)与一个标准大气压可不标注)u如果电极中没有电极导体,应以不活泼的惰性导如果电极中没有电极导体,应以不活泼的惰性导体(如铂或石墨)做极板。体(如铂或石墨)做极板。u溶液紧靠盐桥书写。溶液紧靠盐桥书写。二、电池的书写方式二、电池的书写方式()Zn(s)Zn2
11、+(c1)Cu2+(c2)Cu(s)(+)17可编辑版例例8.1:将下列氧化还原反应设计成原电池,写出电极:将下列氧化还原反应设计成原电池,写出电极反应及电池符号。反应及电池符号。(1)Cl2+2I-=2Cl-+I2 (2)Sn2+Hg2Cl2 =Sn4+2Hg+2Cl-u解:解:(1)Cl2+2I-=2Cl-+I2u还原反应:还原反应:Cl2+2e-2Cl-u氧化反应:氧化反应:2I-2e-I2 u电对电对Cl2/Cl-为正极,为正极,I2/I-为负极。为负极。u电池符号为:电池符号为:()Pt|I2(s)|I-(c1)|Cl-(c2)|Cl2(p)|Pt()u(2)Sn2+Hg2Cl2 =
12、Sn4+2Hg+2Cl-u还原反应:还原反应:Hg2Cl2+2e-2Hg+2Cl-u氧化反应:氧化反应:Sn2+2e-Sn4+u电对电对Hg2Cl2/Hg为正极,为正极,Sn4+/Sn2+为负极。为负极。u电池符号为:电池符号为:()Pt|Sn2+(c1),Sn4+(c2)|Cl-(c3)|Hg2Cl2(s)|Hg(l)|Pt()18可编辑版Cu+FeCl3 =CuCl+FeCl2(-)Cu(s)CuCl(s)Cl-(c1)Fe3+(c2),Fe2+(c3)Pt(+)u负极反应:负极反应:Cu+Cl-e-CuClu正极反应:正极反应:Fe3+e-Fe2+19可编辑版三、常见电极类型三、常见电极
13、类型1、金属金属离子电极金属金属离子电极(金属插入其盐溶液中金属插入其盐溶液中)u Ag(s)|Ag+(c)电极反应:电极反应:Ag+e-Ag u Zn(s)|Zn2+(c)电极反应:电极反应:Zn2+2e-Zn u若金属与水反应,则先制成汞齐。若金属与水反应,则先制成汞齐。例:钠汞齐电极:例:钠汞齐电极:Na(Hg)(c1)Na+(c2)。电极反应式为:电极反应式为:Na+Hge-Na(Hg)20可编辑版2、气体离子电极、气体离子电极 (气体通入相应离子溶液中气体通入相应离子溶液中)u氯电极氯电极Cl2/Cl-:Pt|Cl2(p)|Cl-(c)Cl2+2e-2Cl-u氢电极氢电极H+/H2:
14、Pt|H2(p)|H+(c)2H+2e-H2 3、氧化还原电极、氧化还原电极(惰性电极浸入离子型氧化还原电对的溶液中)(惰性电极浸入离子型氧化还原电对的溶液中)u PtFe3+(c1),Fe2+(c2)Fe3+e-Fe2+21可编辑版4、金属金属难溶物或氧化物阴离子电极金属金属难溶物或氧化物阴离子电极(金属金属+其难溶物或氧化物其难溶物或氧化物与其有相同阴离子溶液中与其有相同阴离子溶液中)u AgAgCl电极:电极:Ag(s)AgCl(s)Cl(c)AgCl e-Ag Cl-u甘汞电极甘汞电极5、膜电极(离子选择性电极)膜电极(离子选择性电极)u由膜、内参比液和内参比电极三部分组成。由膜、内参
15、比液和内参比电极三部分组成。u玻璃膜电极、玻璃膜电极、气敏电极等。气敏电极等。石棉石棉22可编辑版解:解:2MnO4-+16H+10Cl-=2Mn2+5Cl2+8H2Ou正极反应:正极反应:MnO4-+8H+5e-Mn2+4H2Ou负极反应:负极反应:2Cl-2e-Cl2u正极:正极:Pt|MnO4-(c1),Mn2+(c2),H+(c3)u负极:负极:Pt|Cl2(p)Cl-(c)u电池符号:电池符号:(-)Pt|Cl2(p)|Cl-(c)MnO4-(c1),Mn2+(c2),H+(c3)|Pt(+)练习:将此反应设计为原电池,写出正负极反应、电练习:将此反应设计为原电池,写出正负极反应、电
16、池反应、电极组成式与分类、电池符号。池反应、电极组成式与分类、电池符号。2KMnO4+16HCl=2KCl+2MnCl2+5Cl2+8H2O氧化还原电极氧化还原电极气体气体离子电极离子电极23可编辑版电极电势的产生电极电势的产生原电池的电动势原电池的电动势电极电势的测定电极电势的测定电池电动势与电池电动势与GibbsGibbs自由能自由能影响电极电势的因素影响电极电势的因素NernstNernst方程方程1 12 23 34 45 5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电势的应用电极电势的应用6 624可编辑版一、电极电势的产生一、电极电势的产生u金属金属:金属原
17、子:金属原子+金属离子金属离子+自由电子自由电子 uM(s)Mn+(aq)+ne-溶解溶解uMn+(aq)+ne-M(s)沉积沉积M(s)Mn+(aq)+ne-溶解溶解沉积沉积25可编辑版M(s)Mn+(aq)+ne-溶解溶解沉积沉积 溶解溶解 沉积沉积 沉积沉积 溶解溶解 金属与溶液形成金属与溶液形成双电层而产生的电势差双电层而产生的电势差叫做叫做Mn+/M电对的电对的电极电势电极电势,用符号,用符号(Mn+/M)表示。表示。双电层双电层26可编辑版M活泼活泼M不活泼不活泼-+-Mn+稀稀Mn+浓浓若若 ,则溶解的趋势大,电势越,则溶解的趋势大,电势越低低;若若 ,则沉积的趋势大,电势越,则
18、沉积的趋势大,电势越高高.金属活泼金属活泼金属不活泼金属不活泼离子浓度小离子浓度小离子浓度大离子浓度大-27可编辑版二、原电池的电动势二、原电池的电动势u产生原因:电极都有不同的电极电势。产生原因:电极都有不同的电极电势。例如:例如:Cu电极电极Zn电极电极u定义:两个电极的电极电势之差称为原电池的电动定义:两个电极的电极电势之差称为原电池的电动势(势(electromotive force),用符号),用符号E表示。表示。28可编辑版三、电极电势的测定三、电极电势的测定(一)标准氢电极(一)标准氢电极u(Standard Hydrogen Electrode)SHE u规定:规定:25(29
19、8.15K),),H+浓度为浓度为1mol/L,H2分压为分压为100kPa,则电极电势为,则电极电势为0。u电极反应:电极反应:2H+2e-H2(g)无法测定电极电势的绝对值。无法测定电极电势的绝对值。29可编辑版测定电极电势测定电极电势u()Pt|H2(100kPa)|H+(a=1)|待测电极待测电极()u 电势:电势:E 待测待测 SHE 待测待测30可编辑版u 定义:以定义:以SHE为负极,其他为负极,其他标态标态下的电极为正极组下的电极为正极组成电池所测得的电动势。成电池所测得的电动势。Ox/Redu例:测定例:测定标准铜电极的电极电势标准铜电极的电极电势 标准态:标准态:298K,
20、离子浓度,离子浓度1 molL-1,气体压力气体压力100 kPa的纯净物。的纯净物。(二)(二)标准电极电势标准电极电势 31可编辑版u测定测定标准铜电极的电极电势标准铜电极的电极电势 u(-)Pt|H2|H+Cu2+|Cu(s)(+)uE=+-=(Cu2+/Cu)(H+/H2)=(Cu2+/Cu)0 =0.3419V 则则(Cu2+/Cu)=0.3419V32可编辑版u练习:已知利用标准氢电极测定练习:已知利用标准氢电极测定Zn电极时,电极时,电池电动势为电池电动势为-0.7618,求,求Zn2+/Zn=?u解解:E=+-=(Zn2+/Zn)(H+/H2)=(Zn2+/Zn)0 =-0.7
21、618V 则则(Zn2+/Zn)=0.7618V33可编辑版u按按电位由低到高电位由低到高电位由低到高电位由低到高排列,排列,H为为0,H前为负,前为负,H后为正。后为正。标准电极电势表标准电极电势表1.适用于标准态。不能用于非水溶液或高温下的适用于标准态。不能用于非水溶液或高温下的固相反应。固相反应。2.为还原电势为还原电势:SHE为负极,待测电极为正极。为负极,待测电极为正极。3.与电极反应的写法无关与电极反应的写法无关 Zn2+2e-Zn (Zn2+/Zn)=0.7618V Zn-2e-Zn2+(Zn2+/Zn)=0.7618V4.是强度性质,与物质的量无关,无加合性。是强度性质,与物质
22、的量无关,无加合性。Cl2+2e-2Cl-=1.35827V 1/2 Cl2+e-Cl-=1.35827V5.其他温度可参照此表其他温度可参照此表。34可编辑版四、电池电动势与四、电池电动势与Gibbs自由能自由能 一、自由能一、自由能u自发过程:不依靠外力而自动进行的过程。自发过程:不依靠外力而自动进行的过程。(如:水由高流到低,热由高温物体传到低温物体)(如:水由高流到低,热由高温物体传到低温物体)u自由能变自由能变:等温等压下等温等压下(系统变化过程中温度压力都系统变化过程中温度压力都不变不变),在可逆过程中系统对外做的最大非体积功。,在可逆过程中系统对外做的最大非体积功。u在原电池中进
23、行,则能产生有用功在原电池中进行,则能产生有用功电功电功:CuSO4 +Zn=ZnSO4 +Cu 35可编辑版二、电池电动势与自由能的关系二、电池电动势与自由能的关系u在在等等温温、等等压压、只只做做电电功功的的条条件件下下,原原电电池池体体系系的的Gibbs自由能降低值自由能降低值全部用于做全部用于做电功电功,即:,即:rGm Wmax=W电电 rGm=W电电=QE=nFE F-Faraday常数,常数,96485 C/molu标准状态:标准状态:rGm=nFE电量电量36可编辑版例例8.2:若把下列反应设计成原电池,求电池的电动势:若把下列反应设计成原电池,求电池的电动势E及反应的及反应的
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- 氧化 还原 反应 电极 电势
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