第一節(jié)氧化還原反應(yīng)的基本概念第二節(jié)原電池第三節(jié)電極電勢(shì).ppt

第一節(jié)氧化還原反應(yīng)的基本概念第二節(jié)原電池第三節(jié)電極電勢(shì)第四節(jié)電極電勢(shì)的應(yīng)用第五節(jié)元素標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)圖和電勢(shì)圖 第七章氧化還原反應(yīng)和電極電勢(shì) pH 四 氧化還原反應(yīng)方程式的配平 三 氧化還原電對(duì) 第一節(jié)氧化還原反應(yīng)的基本概念 二 氧化劑和還原劑 一 氧化值 一 氧化值 氧化值定義為某元素一個(gè)原子的荷電數(shù) 這種荷電數(shù)由假設(shè)把每個(gè)化學(xué)鍵中的電子指定給電負(fù)性較大的原子而求得 確定氧化值的規(guī)則如下 1 在單質(zhì)中 元素的氧化值為零 2 O的氧化值一般為 2 在過(guò)氧化物中為 1 在超氧化物中為 1 2 在OF2中為 2 3 H的氧化值一般為 1 在金屬氫化物中為 1 4 在單原子離子中 元素的氧化值等于離子的電荷數(shù) 在多原子離子中 各元素的氧化值代數(shù)和等于離子的電荷數(shù) 5 在中性分子中 所有元素的氧化值代數(shù)和等于零 例題 在K2Cr2O7中 Cr的氧化值為 6 例7 1計(jì)算K2Cr2O7中Cr的氧化值 解 在K2Cr2O7中 O的氧化值為 2 K的氧化值為 1 設(shè)Cr的氧化值為x 則有 元素的氧化值發(fā)生變化的反應(yīng)稱(chēng)為氧化還原反應(yīng) 在氧化還原反應(yīng)中 元素的氧化值升高的過(guò)程稱(chēng)為氧化 元素的氧化值降低的過(guò)程稱(chēng)為還原 氧化過(guò)程和還原過(guò)程總是同時(shí)發(fā)生的 在氧化還原反應(yīng)中 組成元素的氧化值升高的物質(zhì)稱(chēng)為還原劑 它的反應(yīng)產(chǎn)物稱(chēng)為氧化產(chǎn)物 組成元素的氧化值降低的物質(zhì)稱(chēng)為氧化劑 它的反應(yīng)產(chǎn)物稱(chēng)為還原產(chǎn)物 二 氧化劑和還原劑 判斷一種物質(zhì)是做氧化劑還是做還原劑 通常可以依據(jù)以下原則 1 當(dāng)元素的氧化值為最高值時(shí) 它的氧化值不能再增大 只能做氧化劑 2 當(dāng)元素的氧化值為最低值時(shí) 它的氧化值不能再減小 只能做還原劑 3 當(dāng)元素的氧化值為中間值時(shí) 它既可以做氧化劑 也可以做還原劑 在氧化還原反應(yīng)中 氧化劑與它的還原產(chǎn)物及還原劑與它的氧化產(chǎn)物分別組成一個(gè)氧化還原電對(duì) 簡(jiǎn)稱(chēng)為電對(duì) 在氧化還原電對(duì)中 組成元素的氧化值較高的物質(zhì)稱(chēng)為氧化型物質(zhì) 組成元素的氧化值較低的物質(zhì)稱(chēng)為還原型物質(zhì) 書(shū)寫(xiě)電對(duì)時(shí) 氧化型物質(zhì)寫(xiě)在左側(cè) 還原型物質(zhì)寫(xiě)在右側(cè) 中間用斜線(xiàn) 隔開(kāi) 在氧化還原電對(duì)中 氧化型物質(zhì)得電子 在反應(yīng)中做氧化劑 還原型物質(zhì)失電子 在反應(yīng)中做還原劑 三 氧化還原電對(duì) 在氧化還原反應(yīng)中 氧化劑中組成元素氧化值降低的總數(shù)等于還原劑中組成元素氧化值升高的總數(shù) 配平步驟如下 1 寫(xiě)出反應(yīng)物和產(chǎn)物的化學(xué)式 2 標(biāo)出氧化值發(fā)生變化的元素的氧化值 計(jì)算出氧化值升高和降低的數(shù)值 3 利用最小公倍數(shù)確定氧化劑和還原劑的化學(xué)計(jì)量數(shù) 4 配平氧化值沒(méi)有變化的元素原子 并將箭號(hào)改成等號(hào) 四 氧化還原反應(yīng)方程式的配平 一 氧化值法 例題 例7 2用氧化值法配平下列氧化還原反應(yīng) 解 標(biāo)出氧化值發(fā)生變化的組成元素的氧化值 計(jì)算氧化值升高和降低的數(shù)值 2 3 6 62 0 1 2利用最小公倍數(shù)確定氧化劑和還原劑的化學(xué)計(jì)量數(shù) 配平其他氧化值沒(méi)有變化的元素的原子 先將兩個(gè)半反應(yīng)配平 再將兩個(gè)半反應(yīng)合并為氧化還原反應(yīng)的方法稱(chēng)為離子 電子法 離子 電子法的配平步驟如下 1 寫(xiě)出氧化還原反應(yīng)的離子方程式 2 將氧化還原反應(yīng)分為兩個(gè)半反應(yīng) 二 離子 電子法 3 分別配平兩個(gè)半反應(yīng) 4 將兩個(gè)半反應(yīng)分別乘以相應(yīng)系數(shù) 使其得 失電子數(shù)相等 再將兩個(gè)半反應(yīng)合并為一個(gè)配平的氧化還原反應(yīng)的離子方程式 最后 在配平的離子方程式中添加不參與反應(yīng)的陽(yáng)離子和陰離子 寫(xiě)出相應(yīng)的化學(xué)式 例題 例7 3用離子 電子法配平下列氧化還原反應(yīng) 解 先寫(xiě)成離子方程式 將離子方程式分成兩個(gè)半反應(yīng) 分別配平兩個(gè)半反應(yīng) 根據(jù)得 失電子數(shù)相等的原則 將兩個(gè)半反應(yīng)合并 寫(xiě)出配平的離子方程式 最后寫(xiě)出配平的氧化還原反應(yīng)方程式 第二節(jié)原電池 一 原電池的組成二 原電池的表示方法三 原電池的電動(dòng)勢(shì)與反應(yīng)的摩爾吉布斯自由能變的關(guān)系 一 原電池的組成 利用氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱(chēng)為原電池 從理論上講 任何自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池 原電池由兩個(gè)半電池組成 半電池又稱(chēng)電極 每一個(gè)電極都是由電極導(dǎo)體和電解質(zhì)溶液組成 分別在兩個(gè)半電池中發(fā)生的氧化反應(yīng)或還原反應(yīng) 稱(chēng)為半電池反應(yīng)或電極反應(yīng) 原電池的兩極所發(fā)生的總的氧化還原反應(yīng)稱(chēng)為電池反應(yīng) 在原電池中 流出電子的電極稱(chēng)為負(fù)極 負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng) 流入電子的電極稱(chēng)為正極 正極發(fā)生還原反應(yīng) 原電池中的鹽橋是一支倒置的 型管 管中填滿(mǎn)了用飽和KCl 或NH4NO3 溶液和瓊脂調(diào)制成的膠凍 這樣KCl溶液不致流出 而陽(yáng)離子和陰離子可以自由移動(dòng) 鹽橋的作用是構(gòu)成原電池的通路和維持溶液的電中性 二 原電池的表示方法 為簡(jiǎn)便起見(jiàn) 原電池裝置常用原電池符號(hào)表示 書(shū)寫(xiě)原電池符號(hào)的規(guī)則如下 1 在半電池中用 表示電極導(dǎo)體與電解質(zhì)溶液之間的界面 2 原電池的負(fù)極寫(xiě)在左側(cè) 正極寫(xiě)在右側(cè) 并用 標(biāo)明正 負(fù)極 把正極與負(fù)極用鹽橋連接 鹽橋用 表示 鹽橋兩側(cè)是兩個(gè)電極的電解質(zhì)溶液 若溶液中存在幾種離子時(shí) 離子間用逗號(hào)隔開(kāi) 3 溶液要注明濃度 氣體要注明分壓力 4 如果電極中沒(méi)有電極導(dǎo)體 必須外加一惰性電極導(dǎo)體 惰性電極導(dǎo)體通常是不活潑的金屬 如鉑 或石墨 例題 原電池的正極發(fā)生還原反應(yīng) 負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng) 因此組成原電池時(shí) 電對(duì)為正極 電對(duì)為負(fù)極 原電池符號(hào)為 例7 4將氧化還原反應(yīng) 設(shè)計(jì)成原電池 寫(xiě)出該原電池的符號(hào) 解 先將氧化還原反應(yīng)分為兩個(gè)半反應(yīng) 氧化反應(yīng) 還原反應(yīng) 三 原電池的電動(dòng)勢(shì)與反應(yīng)的摩爾吉布斯自由能變的關(guān)系 在原電池中 當(dāng)電流趨于零時(shí) 正極的電極電勢(shì)與負(fù)極的電極電勢(shì)之差稱(chēng)為原電池的電動(dòng)勢(shì) E E E 在等溫 等壓條件下 系統(tǒng)的吉布斯自由能變等于系統(tǒng)所做的最大非體積功 對(duì)電池反應(yīng)來(lái)說(shuō) 最大非體積功就是最大電功 如果電池反應(yīng)是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行 例題 例7 5宇宙飛船上使用的氫 氧燃料電池 其電池反應(yīng)為 計(jì)算298 15K時(shí)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變和電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì) 解 298 15K時(shí) 反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變?yōu)?298 15K時(shí)原電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為 第三節(jié)電極電勢(shì) 一 電極電勢(shì)的產(chǎn)生二 標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的測(cè)定三 能斯特方程 一 電極電勢(shì)的產(chǎn)生 把金屬插入含有該金屬離子的溶液中 當(dāng)金屬的溶解速率與金屬離子的沉積速率相等時(shí) 建立了如下平衡 達(dá)到平衡時(shí) 如果金屬溶解的趨勢(shì)大于金屬離子沉積的趨勢(shì) 金屬表面帶負(fù)電 而金屬表面附近的溶液帶正電 若金屬離子沉積的趨勢(shì)大于金屬溶解的趨勢(shì) 金屬表面帶正電 而金屬表面附近的溶液帶負(fù)電 這種產(chǎn)生于金屬表面與含有該金屬離子的溶液之間的電勢(shì)差稱(chēng)為金屬電對(duì)的電極電勢(shì) 金屬電極的電極電勢(shì)主要取決于金屬和金屬離子的本性 此外受離子濃度和溫度的影響 金屬電極的電極電勢(shì) 二 標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的測(cè)定 單個(gè)電極的電極電勢(shì)是無(wú)法測(cè)定的 通常選定一個(gè)電極作比較標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定其標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為零 確定各個(gè)電極對(duì)此比較電極的相對(duì)電極電勢(shì) IUPAC建議采用標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為標(biāo)準(zhǔn)電極 電極的電極電勢(shì)就是給定電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極所組成的原電池的電動(dòng)勢(shì) 標(biāo)準(zhǔn)氫電極是用鍍有一層疏松鉑黑的鉑片作為電極導(dǎo)體 插入H 活度為1的酸溶液中 不斷通入100kPaH2 使鉑片吸附氫氣達(dá)到飽和 吸附在鉑片上的H2與溶液中的H 建立了如下平衡 這種產(chǎn)生在100kPaH2飽和了的鉑片與H 活度為 的酸溶液之間的電勢(shì)差 稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電勢(shì) 規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電勢(shì)為零 標(biāo)準(zhǔn)氫電極裝置圖 標(biāo)準(zhǔn)氫電極待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)電極 測(cè)定某給定電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)時(shí) 可將待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成下列原電池 測(cè)定出這個(gè)原電池的電動(dòng)勢(shì) 就是待測(cè)電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì) 測(cè)定銅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的裝置 三 能斯特方程 若某給定電極的電極反應(yīng)為 該原電池的電池反應(yīng)為 標(biāo)準(zhǔn)氫電極給定電極 把該電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池 該電池反應(yīng)的摩爾吉布斯自由能變?yōu)?按規(guī)定 和分別是給定電極的電極電勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì) 上式可改寫(xiě)為 例題 由上式得 例7 6寫(xiě)出下列電極反應(yīng)的能斯特方程 解 上述電極反應(yīng)的能斯特方程分別為 當(dāng)溫度為298 15K時(shí) 將T R F的量值代入能斯特方程 可得 在一定溫度下 氧化型物質(zhì)或還原型物質(zhì)的活度的變化將引起電極電勢(shì)的變化 增大氧化型物質(zhì)的活度或降低還原型物質(zhì)的活度 都會(huì)使電極電勢(shì)增大 降低氧化型物質(zhì)的活度或增大還原型物質(zhì)的活度 都會(huì)使電極電勢(shì)減小 例題 例7 7已知298 15K時(shí) 計(jì)算金屬銀插在AgNO3溶液中組成電極的電極電勢(shì) 解 298 15K時(shí) 電極的電極電勢(shì)為 例7 8已知298 15K時(shí) 計(jì)算將鉑片插在 溶液中組成的電極的電極電勢(shì) 解 298 15K時(shí) 電極的電極電勢(shì)為 例7 9已知298 15K時(shí) 把鉑片插入 溶液中 計(jì)算電極的電極電勢(shì) 解 298 15K時(shí) 電極的電極電勢(shì)為 一 比較氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)弱二 計(jì)算原電池的電動(dòng)勢(shì)三 判斷氧化還原反應(yīng)的方向四 確定氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的限度 第四節(jié)電極電勢(shì)的應(yīng)用 一 比較氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)弱 電極的電極電勢(shì)越大 電極反應(yīng) 越容易進(jìn)行 氧化型物質(zhì)越易得到電子 是越強(qiáng)的氧化劑 而對(duì)應(yīng)的還原型物質(zhì)越難失去電子 是越弱的還原劑 電極的電極電勢(shì)越小 電極中的還原型物質(zhì)越易失去電子 是越強(qiáng)的還原劑 而對(duì)應(yīng)的氧化型物質(zhì)越難得到電子 是越弱的氧化劑 當(dāng)電對(duì)處于非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 必須計(jì)算出各電對(duì)的電極電勢(shì) 然后再進(jìn)行比較 例題 例7 10在298 15K 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 從下列電對(duì)中選擇出最強(qiáng)的氧化劑和最強(qiáng)的還原劑 并列出各種氧化型物質(zhì)的氧化能力和還原型物質(zhì)的還原能力的強(qiáng)弱順序 解 查得 上述電對(duì)中 最大 最小 因此 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電對(duì)中的氧化型物質(zhì)是最強(qiáng)的氧化劑 電對(duì)中的還原型物質(zhì)是最強(qiáng)的還原劑 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 上述電對(duì)中氧化型物質(zhì)的氧化能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?還原型物質(zhì)的還原能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?在原電池中 電極電勢(shì)較大的電極是原電池的正極 電極電勢(shì)較小的電極是原電池的負(fù)極 原電池的電動(dòng)勢(shì)等于正極的電極電勢(shì)減去負(fù)極的電極電勢(shì) 二 計(jì)算原電池的電動(dòng)勢(shì) 例題 例7 11在298 15K時(shí) 將銀片插入AgNO3溶液中 鉑片插入FeSO4和Fe2 SO4 3混合溶液中組成原電池 試分別計(jì)算出下列兩種情況下原電池的電動(dòng)勢(shì) 并寫(xiě)出原電池符號(hào) 電極反應(yīng)和電池反應(yīng) 解 1 由于 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下將電對(duì)和組成原電池 電對(duì)為原電池正極 電對(duì)為原電池的負(fù)極 原電池的電動(dòng)勢(shì)為 原電池符號(hào)為 正極反應(yīng) 負(fù)極反應(yīng) 電池反應(yīng) 2 電對(duì)和的電極電勢(shì)分別為 由于 因此電對(duì)為正極 為負(fù)極 原電池電動(dòng)勢(shì)為 原電池符號(hào)為 正極反應(yīng) 負(fù)極反應(yīng) 電池反應(yīng) 三 判斷氧化還原反應(yīng)的方向 利用所設(shè)計(jì)的原電池的電動(dòng)勢(shì) 可以判斷氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向 時(shí) 反應(yīng)正向進(jìn)行 時(shí) 反應(yīng)處于平衡狀態(tài) 時(shí) 反應(yīng)逆向進(jìn)行 可以利用電對(duì)的電極電勢(shì)判斷氧化還原反應(yīng)方向 當(dāng)氧化劑所在電對(duì)的電極電勢(shì)大于還原劑所在電對(duì)的電極電勢(shì)時(shí) 氧化還原反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行 即在氧化還原反應(yīng)中 電極電勢(shì)較大電對(duì)中的氧化型物質(zhì)為氧化劑 電極電勢(shì)較小電對(duì)中的還原型物質(zhì)為還原劑 例題 例7 12判斷298 15K時(shí) 氧化還原反應(yīng) 在下列條件下進(jìn)行的方向 解 1 由于 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下將電對(duì)和組成氧化還原反應(yīng)時(shí) Pb2 為氧化劑 Sn為還原劑 上述氧化還原反應(yīng)正向進(jìn)行 2 電對(duì)和的電極電勢(shì)分別為 由于 因此將電對(duì)Sn2 Sn和Pb2 Pb組成氧化還原反應(yīng)時(shí) Sn2 為氧化劑 Pb為還原劑 上述氧化還原反應(yīng)逆向進(jìn)行 四 確定氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的限度 氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的限度可以用反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)來(lái)衡量 氧化還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)與原電池的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的關(guān)系為 當(dāng)T 298 15K時(shí) 上式可改寫(xiě)為 原電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)越大 氧化還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)就越大 反應(yīng)進(jìn)行就越完全 例題 例7 13試估計(jì)298 15K時(shí)氧化還原反應(yīng) 進(jìn)行的限度 解 298 15K時(shí)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)為 很大 說(shuō)明反應(yīng)正向進(jìn)行得很完全 解 在298 15K 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 將上述兩個(gè)電極設(shè)計(jì)成原電池 電極為負(fù)極 電極為正極 原電池符號(hào)為 例7 14已知298 15K時(shí) 試求298 15K時(shí)AgCl的標(biāo)準(zhǔn)溶度積常數(shù) 正極反應(yīng) 負(fù)極反應(yīng) 電池反應(yīng) 298 15K時(shí) 電池反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)為 298 15K時(shí) AgCl的標(biāo)準(zhǔn)溶度積常數(shù)為 第五節(jié)元素標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)圖和電勢(shì) pH圖 一 元素標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)圖二 電勢(shì) pH圖 一 元素標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)圖 把同一種元素組成的各電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)以圖的形式表示出來(lái) 這種圖稱(chēng)為元素標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)圖 一 元素標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)圖的表示方法按元素的氧化值由高到低的順序把各種不同氧化值物質(zhì)從左到右依次排列 將不同氧化值的物質(zhì)之間用直線(xiàn)連接 在直線(xiàn)上標(biāo)明兩種不同氧化值物質(zhì)所組成的電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì) 例如 圖中所對(duì)應(yīng)的電極反應(yīng)是在酸性溶液中發(fā)生的 1 計(jì)算電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)利用元素標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)圖 可以從某些已知電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)計(jì)算出另一個(gè)電對(duì)的未知標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì) 例如 二 元素標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)圖的應(yīng)用 由元素標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)圖得 由上式得 例題 例7 15已知Mn元素在堿性溶液中的電勢(shì)圖 試計(jì)算 解 電對(duì)在堿性溶液中的標(biāo)準(zhǔn)電極 電勢(shì)為 若 B將發(fā)生歧化反應(yīng) 若 B不能發(fā)生歧化反應(yīng) 而A與C能發(fā)生逆歧化反應(yīng) 判斷能否發(fā)生歧化反應(yīng)氧化值的升高和降低發(fā)生在同一物質(zhì)中的同一種元素上的氧化還原反應(yīng)稱(chēng)為