浙江省高中新課程骨干教師培訓(xùn)：化學(xué)反應(yīng)與能量

1、1化學(xué)反應(yīng)與能源化學(xué)反應(yīng)與能源2 熱化學(xué)與能量轉(zhuǎn)化 化學(xué)反應(yīng)的方向和限度 化學(xué)平衡和反應(yīng)速率 氧化還原反應(yīng)和能源的開發(fā)和利用3 熱化學(xué)與能量轉(zhuǎn)化熱化學(xué)與能量轉(zhuǎn)化 4一、熱化學(xué)能的變化一、熱化學(xué)能的變化 熱力學(xué)能熱力學(xué)能 U 是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，只要溫度 T、壓力 p、體積 V 和物質(zhì)的量 n 等狀態(tài)因素被確定時，U 值就被確定。 熱力學(xué)能以前稱內(nèi)能，符號為U單位（J 或 kJ）5U (Q + w) = 0 或 U = Q + w 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律又稱能量守恒定律熱力學(xué)第一定律焦耳等發(fā)現(xiàn)的Q 稱為熱稱為熱w 稱為功稱為功與途徑（或過程）有關(guān)6例 某過程中，系統(tǒng)從環(huán)境吸

2、收 40 kJ 的熱，對環(huán)境做功 20 kJ，求該過程中系統(tǒng)的熱力學(xué)能變。 即完成這一過程后，系統(tǒng)凈增了 20 kJ 的熱力學(xué)能解： 由熱力學(xué)第一定律解得：U(系統(tǒng)) = Q + W = 40 kJ + (20 kJ )= 20 kJ7二、化學(xué)反應(yīng)中的熱力學(xué)能變化和焓變二、化學(xué)反應(yīng)中的熱力學(xué)能變化和焓變 在化學(xué)反應(yīng)中，由于各種物質(zhì)熱力學(xué)能 U 各不相同，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，生成物的總熱力學(xué)能 U 相對于反應(yīng)物的總熱力學(xué)能 U 之間發(fā)生了變化，這種熱力學(xué)能的變化在化學(xué)反應(yīng)過程中以熱 Q 的形式表現(xiàn)出來。恒容反應(yīng)熱，記作 QV恒壓反應(yīng)熱，記作 Qp81. 恒容反應(yīng)熱恒容反應(yīng)熱 QV 與熱力學(xué)能變化與

3、熱力學(xué)能變化 U QV = U = U2 U1 上式說明，恒容過程中系統(tǒng)的熱量變化 QV 全部變成的熱力學(xué)能改變U。 V = 0體積功 pV 必為零在沒有非體積功時92. 恒壓反應(yīng)熱恒壓反應(yīng)熱 Qp 與焓變與焓變 H 恒壓過程中壓強(qiáng) p 不變，體積 V 可以變化 ，由熱力學(xué)第一定律Qp = U + pV = U + (p2V2 p1V1) = (U2 + p2V2) (U1 + p1V1)得熱力學(xué)中將 (U + pV) 定義為焓，量符號為 H， 上式說明，恒壓過程中系統(tǒng)熱量 QP 的變化等于終態(tài)和始態(tài)的 (U + pV) 值之差U = Q + w = Qp + (pV)10H = U + pV

4、 焓 H 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中的變化值就是H， H 在熱力學(xué)中稱在熱力學(xué)中稱焓變焓變，即Qp = H2 H1 = H即 焓的變化 H 在數(shù)值上等于等壓過程中吸收或放出的熱量，即 H0，表示系統(tǒng)吸熱，H0，表示系統(tǒng)放熱。 11Qv = Cw (H2O) m (H2O) + Cs T 圖: 彈式量熱器示意圖 溫度計點火線攪拌器樣品水絕熱外套和 鋼質(zhì)容器鋼彈Cw (H2O) 為水的質(zhì)量熱容，m (H2O) 為水的質(zhì)量，Cs 為鋼彈及內(nèi)部物質(zhì)和金屬容器組成的物質(zhì)系統(tǒng)的總熱容，T 為測量過程中溫度計的最終讀數(shù)與起始讀數(shù)之差。 三、等容過程中的熱量三、等容過程中的熱量 Qv 測定測定 12例 計算在 1

5、118 K、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反應(yīng) CaCO3(s) = CaO(s)+ CO2 (g)的 rH(T)。解：CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)fHm(298. 15 K)/ kJmol1 1207. 6 634.9 393.5rHm(298. 15 K) = fHm(CaO) + fHm(CO2)fHm(CaCO3) = (634. 9)(393. 5)(1207. 6) = 179. 2 kJmol1所以 rHm(1 118 K) 179. 2 kJmol113例 求 1 mol C2H5OH(l)在 298. 15 K、100 kPa 條件下與足量的 O2(g) 完全燃燒產(chǎn)生的熱

6、量。解：C2H5OH(l) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(g)f Hm /kJmol1 277. 6 0 393. 5 241. 8)K 15 .298(B m,fBBmrHH= 1 234. 8 kJmol1 = 2(393. 5 kJmol1) + 3(241. 8 kJmol1) 3 0 kJmol1 (277. 6 kJmol1) 14例 葡萄糖在體內(nèi)供給能量的反應(yīng)是最重要的生物化學(xué)反應(yīng)之一。其完全氧化的反應(yīng)如下：C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) = 6 CO2 (g) + 6 H2O(l)試?yán)梦镔|(zhì) 298 K 時的 f Hm(B) 估算每克葡萄糖

7、的熱值。C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) = 6 CO2 (g) + 6 H2O(l)f Hm(B)/kJmol1 1 274. 5 0 393. 5 285. 8 = 2 801. 3 kJmol1 = 6fHm(CO2,g) +6fHm(H2O,l) fHm(C6H12O6,s) 6fHm(O2,g)= 6(393. 5) + 6(285. 8) (1 274. 5) 60 kJmol1 B m,fBBmr HH解：15又知 M(C6H12O6) = 180 gmol1葡萄糖的熱值 111gkJ 56 .15molg 180molkJ 3 .801 2-所以： 同樣可計算脂肪、

8、蛋白質(zhì)、糖類的熱值。這就是根據(jù)熱量需求而進(jìn)行的食譜計算的原理。 16化學(xué)反應(yīng)的方向和限度化學(xué)反應(yīng)的方向和限度 17自然界中自動進(jìn)行的過程自由落體運(yùn)動兩個帶異性電荷的物體總是相互吸引而靠近自發(fā)過程自發(fā)過程中，系統(tǒng)的勢能總是降低的 石灰石(CaCO3)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下在 1 183 K 以上時能自發(fā)分解變成 CaO 和 CO2。rHm (1 183 K) 179 kJmol118CaCO3的分解：CaCO3 = CaO + CO2r H (1 183 K) 179 kJmol1一、自發(fā)反應(yīng)的能量變化 19 在統(tǒng)計熱力學(xué)中，把介觀微粒的狀態(tài)數(shù)用 表示，則熱力學(xué)熵（符號 S ）就有：S = k ln為介觀

9、微粒的狀態(tài)數(shù)，又稱混亂度， 1熵k 為玻爾茲曼常數(shù)，為 1. 381023 JK120 熵熵 S 是介觀微粒原子及其分子等結(jié)合態(tài)的混亂是介觀微粒原子及其分子等結(jié)合態(tài)的混亂度在宏觀上的一種量度，熵值的變化度在宏觀上的一種量度，熵值的變化 S 是介觀微粒是介觀微?；靵y度變化在宏觀上的表現(xiàn)混亂度變化在宏觀上的表現(xiàn)。介觀微粒運(yùn)動狀態(tài)數(shù) 越多，越混亂，它們的動能也就越大。微粒狀態(tài)的混亂度與動能 21吉布斯自由能與吉布斯自由能變量r G = r H T r S變量 rG 稱為吉布斯自由能變量或吉布斯函數(shù)變稱為吉布斯自由能變量或吉布斯函數(shù)變1878年，吉布斯（J.W.Gibbs）rG 就是系統(tǒng)內(nèi)原子及其結(jié)合

10、態(tài)微粒的勢能變化之總和22r G0 反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行;r G = 0 反應(yīng)進(jìn)行到極限，達(dá)到平衡;r G0 反應(yīng)不能進(jìn)行，根據(jù) rG 就可判斷任何一個反應(yīng)：自發(fā)反應(yīng)的判據(jù)23例 計算反應(yīng) 2 NO(g) + O2(g) = 2 NO2(g) 在 298. 15 K 時的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)變 r Gm，并判斷此時反應(yīng)的方向。 解： = 251. 3 287. 6 kJmol1= 72. 6 kJmol1 0B m,fBBmrGvG2 NO(g) + O2(g) = 2 NO2(g)f Gm (B)/ kJmol1 87. 59 0 51. 3所以此反應(yīng)向正向進(jìn)行。 24例 BaCl2 是鋼鐵處理中

11、常用的高溫鹽浴劑。長期使用會產(chǎn)生 BaO 有害成分。能否用 MgCl2 脫除 BaO？ 解： BaO(s) + MgCl2 (s) = BaCl2 (s) + MgO (s) f Gm (B)/ kJmol1 525. 1 591. 8 810. 4 569. 3= (810. 4 569. 3) (525. 1591. 8) kJmol1 = 262. 8 kJmol10 結(jié)論，加入 MgCl2 能使 BaO 轉(zhuǎn)化 BaO 成而脫除。 B m,fBBmrK) 298(GvG25化學(xué)平衡和反應(yīng)速率化學(xué)平衡和反應(yīng)速率 26 平衡狀態(tài)時系統(tǒng)內(nèi)各組分的壓力或濃度均不再改變時分壓商 Q 為一常數(shù) K

12、。 K 稱為標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)。qpzyppppppppK)Q()P()Z()Y(qpzyccccccccK)Q()P()Z()Y(一、化學(xué)平衡和標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)一、化學(xué)平衡和標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù) 對于任一反應(yīng) pP+qQyY+zZ，則有：27例如： 實驗室中制取 Cl2(g)的反應(yīng)MnO2(s) + 2 Cl-(aq) + 4 H+Mn2+(aq) + Cl2(g) + 2 H2O(l)4222/ )H()Cl()Cl()Mn(ccccppccK28例如：合成氨反應(yīng) N2 + 3 H22 NH3322231/ )H(/ )N(/ )NH(ppppppK1232N2 + H2NH323221232/

13、 )H(/ )N(/ )NH(ppppppK13N2 + H2NH323/ )H(/ )N(/ )NH(23123233ppppppKK1 = (K2)2 = (K3)3 顯然29合成氨氨分解反應(yīng)N2 + 3 H22 NH3N2 + 3 H22 NH3的K(合)的K(分)互為倒數(shù)例如)()(1分合KK301、化學(xué)反應(yīng)速率 對于任一化學(xué)反應(yīng) BBB0反應(yīng)進(jìn)度 BBdn反應(yīng)的轉(zhuǎn)化速率 dtd反應(yīng)速率 Vv四、化學(xué)反應(yīng)速率和催化劑四、化學(xué)反應(yīng)速率和催化劑 31tctVnVvd)B(d1dd1BBB速率單位： molL1s1時間單位： s (秒)， min (分)，h (小時) 或 y (年) 濃度單

14、位： moldm3 B： 計量數(shù)dc(B) ：濃度變化 32dtdc)D(dtdc)A(圖 反應(yīng)物或產(chǎn)物濃度隨時間的變化曲線 tc時間c(D)c(A)某時刻的反應(yīng)速率瞬時反應(yīng)速率33化學(xué)反應(yīng)的速率正比與反應(yīng)物濃度之積。1836 年，瓦格（Woage, P.）等質(zhì)量作用定律例如：反應(yīng) pP + qQ = yY + zZ v正= k正c p (P) c q (Q)v逆= k逆c y (Y) c z (Z)34半衰期(t1/2)，即反應(yīng)物消耗一半所需的時間。60Co 的 t1/2 = 5. 2年14C 的 t1/2 = 5 730 年238U 的 t1/2 = 4. 5109 年232Th 的 t1

15、/2 = 1. 41010 年14C 常用于文物的年代測定238U 常用于地球的年齡測定232Th 是半衰期最長的同位素60Co 是醫(yī)用放射性同位素例如半衰期35碰撞理論 只有具有足夠能量的反應(yīng)物分子的碰撞才有可能發(fā)生反應(yīng)。這種能夠發(fā)生反應(yīng)的碰撞叫有效碰撞有效碰撞。 發(fā)生反應(yīng)的有效碰撞的分子，還必須沿著特定的方向碰撞。 那些具有足夠高能量，能發(fā)生有效碰撞的分子稱為活化分子活化分子，要使普通分子成為活化分子所需最小能量稱為活化能活化能。2、活化分子和活化能 36OCONO過渡態(tài)理論 具有足夠能量的分子彼此以適當(dāng)?shù)目臻g取向相互靠近到一定程度時，會引起分子或原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性變化，使原來以化學(xué)鍵結(jié)

16、合的原子間的距離變長，而沒有結(jié)合的原子間的距離變短，形成了過渡態(tài)的構(gòu)型，稱為活化絡(luò)合物活化絡(luò)合物。例如：活化絡(luò)合物(過渡態(tài))反應(yīng)物(始態(tài))生成物(終態(tài))OCNOO+OCONO+37A+BCAB + CABCEa1abcEa2r Hm圖 反應(yīng)途徑的能量變化反應(yīng)歷程能量Ea2：逆反應(yīng)活化能Ea1：正反應(yīng)活化能r Hm = Ea1Ea2383、提高反應(yīng)速率的措施 1889年，阿侖尼烏斯(Arrhenius S，瑞典)ARTEklnlnaA ：指前因子（又稱頻率因子）， A 與溫度、濃度無關(guān)，僅與反應(yīng)有關(guān)；R ：摩爾氣體常數(shù)；T ：熱力學(xué)溫度；Ea：活化能。阿侖尼烏斯方程： 39若已知反應(yīng)的活化能，l

17、nk1 = Ea /RT1 + lnA在溫度 T2 時有： lnk2 = Ea/RT2 + lnA兩式相減得： 21a2111lnTTREkk在溫度 T1 時有：上式定量表明： (1)反應(yīng)速率常數(shù) k 與反應(yīng)時的溫度有關(guān)。因為活化能一般是正值，所以若溫度增加，k 值增加。40例 根據(jù)實驗結(jié)果，在高溫時焦碳中碳與二氧化碳的反應(yīng)為 C + CO2 2 CO，其活化能為 167. 36 kJmol1，計算自 900 K 升高到 1 000 K 時，反應(yīng)速率的變化。解： 已知 Ea = 167. 36 kJmol1，T1 = 900 K，T2 = 1 000 K，R = 8. 314 Jmol1K1將

18、以上值代入下式21a2111lnTTREkk000 119001314 . 81036 .1673= 2. 23737 . 912kk答：溫度自900 K 升高到 1 000 K時，其反應(yīng)速率增加到原來的 9. 37 倍。 41 (2) 反應(yīng)速率常數(shù) k 還與活化能 Ea 的大小有關(guān)，活化能降低，k 增大。增加反應(yīng)速率的具體措施可有以下幾種： (1)增大濃度(2)升高溫度(3)采用催化劑來降低反應(yīng)的活化能。 424、催化劑與化學(xué)反應(yīng)速率 催化劑與反應(yīng)物之間形成一種能量較低的活化配合物，改變了反應(yīng)的途徑，無催化活化配合物無催化活化配合物Ea無催化無催化反應(yīng)歷程能量催化活化配合物催化活化配合物Ea

19、催化催化反應(yīng)物生成物圖 催化劑改變反應(yīng)途徑示意圖 43例如：反應(yīng) 2 H2O2(aq) 2H2O(l) + O2(g)無催化劑時，反應(yīng)的活化能為 75. 3 kJmol1；用 I 做催化劑時，反應(yīng)的活化能為 56. 5 kJmol1， 若使用過氧化氫酶，更能把反應(yīng)速率提高到 1023 倍以上。44酶酶是生物體內(nèi)特殊的催化劑酶催化特點(1)高效(2)專一(3) 適宜的溫度和pH值45負(fù)催化劑能降低反應(yīng)速率的催化劑稱為負(fù)催化劑如防老劑緩蝕劑抗氧劑46 催化劑能縮短平衡到達(dá)的時間，但不能改變平衡狀態(tài)，反應(yīng)的平衡常數(shù)不受影響。催化劑不能啟動熱力學(xué)證明不能進(jìn)行的反應(yīng)（即 r Gm 0的反應(yīng)）。 催化劑有

20、均相催化和多相催化 475、光與化學(xué)反應(yīng)速率 茲韋勒（H.Zewail）激光閃爍技術(shù)在 ICN I + CN 的實驗中光解反應(yīng)的過渡態(tài)壽命約為200飛（1015）秒在 NaI Na + I的光解反應(yīng)實驗中 觀察到了反應(yīng)的過渡態(tài)在勢能面上的震蕩和解離的全過程。1999年他獲得了諾貝爾化學(xué)獎。48 光化學(xué)反應(yīng)比熱化學(xué)反應(yīng)更具有選擇性。利用激光的單色光的激發(fā)能量，可以設(shè)計化學(xué)反應(yīng)，如有機(jī)化學(xué)中可選擇恰當(dāng)頻率的紅外激光使（反應(yīng)物）結(jié)合態(tài)中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)活化，實現(xiàn)定向反應(yīng)，這就是所謂的“分子裁剪”。 分子裁剪49氧化還原反應(yīng)和能源的開發(fā)和利用氧化還原反應(yīng)和能源的開發(fā)和利用 50 T1T2CuSO4保溫

21、瓶溫度計鋅粉C 5 . 6T圖4-7 測定 CuSO4 溶液和Zn 反應(yīng)熱效應(yīng)的裝置一、氧化還原反應(yīng)和原電池的能量變化一、氧化還原反應(yīng)和原電池的能量變化 51Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) f Hm(298. 15)/ kJmol1 0 64. 8 153. 9 0Sm(298. 15)/ Jmol1K1 41. 6 99. 6 112. 1 33. 2r Hm(298. 15) = (153. 9) 64. 8 kJmol1 = 218. 7 Jmol1 r Sm(298. 15) = 112. 1 + 33. 2 (99. 6) 41. 6 Jmol1K

22、1 = 20. 9 Jmol1K1 TrSm(298. 15) = 298. 15 K (20. 9) Jmol1K1 = 6. 23 kJmol1 r Gm(298. 15) = r Hm(298. 15) Tr Sm(298. 15) = 218. 7 (6. 23) kJmol1 = 212. 47 kJmol1 52該原電池的電動勢為 1. 093 V。 原電池原電池是利用氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，電池所作的功，完全來自于系統(tǒng)的吉布斯自由能變。原電池原電池ZnCuSO4ZnSO4KClACu+圖 銅鋅原電池 e鹽橋53(4. 17) G = n F ERTnFERTGKmr

23、ln 在恒溫、恒壓，無限緩慢和可逆條件下，原電池輸出的最大電功 we 等于電池反應(yīng)過程中吉布斯自由能的變化。G = wew = nFE，1F = 96 500 Cmol1G = n F E (4. 17)05916 . 0lgnEK 54鹽橋的作用 鹽橋內(nèi)含 KCl 或 NaNO3 溶液，可用瓊脂溶膠或多孔塞保護(hù)、維持電荷平衡。原電池的結(jié)構(gòu)二、原電池的組成和電極反應(yīng)二、原電池的組成和電極反應(yīng) ZnCuSO4ZnSO4KClACu+圖 銅鋅原電池 e鹽橋55原電池裝置的圖式表示例如：Cu-Zn 原電池可表示為 有時相界較多，也有用“，”來代替“|”的。或用“，”來分隔兩種不同種類或價態(tài)物質(zhì)。 (

24、-) ZnZnSO4(c1)CuSO4(c2)Cu (+) 如如：（- -）Zn Zn2+(c1) Cu2+(c2) Cu（+） 規(guī)定：負(fù)極寫在左邊，正極寫在右邊，以雙虛垂線 “ ”表示鹽橋，以單垂線 “|” 表示兩個相之間的界面。 （-）Pt Fe3+，F(xiàn)e2+ Cl-，Cl2 Pt（+）（-）Zn H2SO4 Cu（+）56 同一種元素不同價態(tài)的組合形式，稱為氧化還原氧化還原電對電對。氧化還原電對習(xí)慣上常用符號 氧化態(tài)(Ox)還原態(tài)(Red)來表示， 氧化還原電對如： Cu2+Cu、Zn2Zn 、 Cr2O72Cr3+，H+H2 和 O2OH(Pt)H2(g) H+(c)。57若干概念(1

25、) 原電池是由兩個半電池組成的；半電池又叫電極。(2) 半反應(yīng)，又叫電極反應(yīng)氧化態(tài) + ne-還原態(tài)Cu2+ + 2e-Cu正極反應(yīng)：Zn - 2e-Zn負(fù)極反應(yīng)：電池反應(yīng)電池反應(yīng)： Cu2+ + Zn Zn2+ + Cu注意：電極反應(yīng)包括參加反應(yīng)的所有物質(zhì)，如：Cr2O72/Cr3+ ，Cr2O72- + 14 H+ + 6 e2 Cr3+ + 7 H2O58M(s)Mn+ + n eM+V1V2M+V1 V2Mn+Mn+(a)(b)(a)電勢差 E = V2 V1(b)電勢差 E = V1 V2圖 金屬的電極電勢 三、電極電勢的產(chǎn)生、計算和應(yīng)用三、電極電勢的產(chǎn)生、計算和應(yīng)用 1. 電極電勢

26、的產(chǎn)生592、標(biāo)準(zhǔn)電極電勢 規(guī)定規(guī)定E (HH2) = 0. 0000 V(Pt) H2 (100 kPa) H+(1 moldm3)圖 標(biāo)準(zhǔn)氫電極標(biāo)準(zhǔn)氫電極60當(dāng)c (KCl)為飽和溶液時， E = 0. 2412 V又稱參比電極(Pt)Hg，Hg2Cl2 KCl甘汞電極穩(wěn)定性好，使用方便Hg2Cl2(s) + 2 e 2 Hg(l) 2 Cl(aq) 圖 甘汞電極示意圖鉑絲純汞甘汞(Hg2Cl2 )和汞的糊狀物KCl 溶液燒結(jié)陶瓷芯或玻璃砂芯61表 甘汞電極的電極電勢 KCl 濃度飽 和1. 0 moldm3 0. 1 moldm3 電極電勢 E/V +0. 2445+0. 2830+0.

27、 3356622、影響電極電勢的因素、影響電極電勢的因素能斯特方程式能斯特方程式 對于任意給定的電極，電極反應(yīng)通式為 baccnFRTEE)()(ln還原態(tài)氧化態(tài)298. 15 K時:baccnEE)()(lgV 059 . 0還原態(tài)氧化態(tài)a(氧化態(tài)) + n e b(還原態(tài)) 63例如：22/ )Zn(lg2059 . 0)/ZnZn(ccEE)Br(1lg2059 . 0)/BrBr(22cEEZn2+(aq) + 2 e-Zn(s)Br2(l) + 2 e-2 Br-(aq)222/ )H(/ )H(lg2059 . 0)/HH(ppccEE2 H+ + 2 e-H2(g)64例 已知

28、O2 (g) + 4 H+ + 4e 2 H2O，E (O2/H2O) = 1. 229 V。計算當(dāng) H+ 濃度為 1. 0 moldm3，p(O2) = 100 kPa 時，求組成電對的電極電勢。 解： 422222/ )H(/ )O(lg4059 . 0)O/HO()O/HO(ccppEEV 815 . 0)100 . 1lg(4059 . 0299 . 147 可見，O2 和氧結(jié)合態(tài)物質(zhì)作為氧化態(tài)時的氧化能力隨酸度的降低而降低。所以 O2 在酸性溶液中氧化能力強(qiáng)，而中性、堿性溶液氧化能力減弱。 654、電極電勢的應(yīng)用、電極電勢的應(yīng)用(1)、比較氧化劑和還原劑的相對強(qiáng)弱Fe3+、Cu 分別

29、是較強(qiáng)的氧化劑與較強(qiáng)的還原劑，而 Cu2+、Fe2+ 分別是較弱的氧化劑和還原劑，例 制印刷電路底板，常用 FeCl3 溶液刻蝕銅箔，已知此反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，不查表比較 Cu2+ 和 Fe3+ 的氧化能力強(qiáng)弱解：反應(yīng)方程式為： 2 FeCl3 + Cu = CuCl2 + 2 FeCl2 或 2 Fe3+ + Cu = Cu2+ + 2 Fe2+ ，因此，F(xiàn)e3+ 的氧化能力大于Cu2+。 66 電 對 電 極 反 應(yīng) E (V) Na+/Na Na+(aq) + e- = Na(s) 2. 71 Zn2+/Zn Zn2+(aq) + 2e- = Zn(s) 0. 7618 H+/H2 2H+(

30、aq) + 2e- = H2 (g) 0 Cu2+/Cu Cu2+(aq) + 2e- = Cu(s) 0. 3419 O2/OH O2(g) + 2H2O + 4e- = 4 OH(aq) 0. 401 F2/F F2(g) + 2e- = F(aq) 2. 866 氧化能力逐漸增強(qiáng)還原能力逐漸增強(qiáng)67(2)、判斷氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向 例 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢 E(MnO2/Mn2+) = 1. 224 V，E(Cl2/Cl) = 1. 358 V，可以判斷反應(yīng)：MnO2(s) + 4 HCl(aq) = MnCl2(aq) + Cl2(g) + 2 H2O(g) 不能自發(fā)進(jìn)行，但為什么實驗室

31、常用濃鹽酸和MnO2反應(yīng)來制取氯氣？（設(shè)c(Mn2+) =1 moldm3） 如果增加反應(yīng)物鹽酸 (HCl) 的濃度，根據(jù)能斯特方程式，就可改變半反應(yīng) MnO2(s) + 4 H+(aq) + 2 e = Mn2+(aq) + 2 H2O 的電極電勢，有 解：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下： E(Cl2/Cl) E(MnO2/Mn2+)，但它們的差值僅為 1. 358 1. 224 = 0. 134 V，68242222/ )Mn(/ )H(lg205916 . 0)/MnMnO()/MnMnO(ccccEE= 1. 208 + 0. 05916 lgc(H+)/c2 對于半反應(yīng) 2 Cl = Cl2 + 2

32、e，根據(jù)能斯特方程式，同樣有2222/ )Cl(/ )Cl(lg205916 . 0)/ClCl()/ClCl(ccppEE22/ )Cl(/ )Cl(lg205916 . 0358 . 1ccpp欲使 p(Cl2)p逸出，至少要求 1. 208 + 0. 05916 lgc(H+)/c2 1. 358 0. 05916 lgc(Cl)/c，因為在此反應(yīng)中，加入 HCl 溶液，其 c(H+) = c(Cl) 所以解得結(jié)果為：c(H+) = c(Cl) 7. 0 moldm369(3)、計算原電池的電動勢例 煤的燃燒反應(yīng)為： C(石墨) 十 O2 CO2，反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變394. 5kJ

33、mo11。如果把上述反應(yīng)設(shè)計成燃料電池，其標(biāo)準(zhǔn)電動勢是多少？(以這個反應(yīng)為基礎(chǔ)的燃料電池目前還沒有設(shè)計成功)。由式(4-17 )得：G = nFE(電池) V 02 . 1molC 500 964molJ 500 394)(11nFGE 電池解：70(4)、計算氧化還原反應(yīng)平衡常數(shù) 在 298. 15 K時的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù) K；如果反應(yīng)開始時，c(Pb2+) = 2. 0 moldm3，求達(dá)到平衡時的 Sn2+ 濃度和 Pb2+ 濃度。 例 計算下列反應(yīng)：Sn(s) + Pb2+(aq) Pb(s) + Sn2+(aq) E(正) = E (Pb2+/Pb) 0. 1262 V, E(負(fù)) =

34、E (Sn2+/Sn) 0. 1375 V. 38 . 0059 . 02)1375 . 0(1262 . 0059 . 0)(lgnEEK負(fù)正K = 2.40 解：故71 設(shè)達(dá)到平衡時 c(Sn2+) x moldm3Sn(s) + Pb2+(aq) Pb(s) + Sn2+(aq)初始濃度(moldm3 ) 2. 0 0平衡濃度(moldm3 ) 2. 0 x x)Pb()Sn(22ccK40 . 2)0 . 2(xxc(Sn2+) x = 1. 4 moldm3 ，c(Pb2+) = 0. 6 moldm3721、鎘鎳蓄電池的工作原理 鎘鎳電池是一種常見的二次堿性電池。電池符號電池符號：

35、() Cd | KOH(1. 19 1. 21 gcm3) | NiO(OH) | C(+)電極反應(yīng)電極反應(yīng):負(fù)極：Cd(s) + 2 OH (aq) = Cd(OH)2(s) + 2 e正極：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH電池特點電池特點： 鎘鎳電池的內(nèi)部電阻小，電壓平穩(wěn)，反復(fù)充放電次數(shù)多，使用壽命長，且能夠在低溫環(huán)境下工作，常用于航天部門、電子計算器及便攜式家用電器的電源。四、化學(xué)電源四、化學(xué)電源73鎘鎳可充電電池742、氫鎳蓄電池 氫鎳電池是近幾年開發(fā)出來的一種新電池，主要針對鎘氫鎳電池是近幾年開發(fā)出來的一種新電池，主要針

36、對鎘鎳電池的鎘污染問題。鎳電池的鎘污染問題。電池符號電池符號：() Ti-Ni | H2(p) | KOH( c ) | NiO(OH) | C(+)電極反應(yīng)電極反應(yīng):負(fù)極：H2(p) = 2 H+(c) + 2e正極：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH電池特點電池特點： 氫鎳電池由于材料無毒，無污染而被稱為綠色環(huán)保電池，電池電動勢約為1. 2 V，循環(huán)壽命可以很長。75鎳氫電池構(gòu)造MH+NiOOHM+Ni(OH)2放電充電763、銀鋅蓄電池 特點：內(nèi)阻小、放電功率大、電壓平穩(wěn)、電性能穩(wěn)定、使用安全可靠、比能量高(是鉛酸蓄電池的5倍

37、，鎘鎳蓄電他的3倍)，因此多用于通信、激光武器、水中兵器、航空、航天、戰(zhàn)略核武器等軍事裝備，軍體器材遙控航模，新聞攝影和特殊電子儀器設(shè)備作配套電源。目前國內(nèi)外已有多種不同結(jié)構(gòu)特性的電池組正在各種軍事武器裝備上服役。 工作原理： Zn + 2 OH-ZnO + H2O + 2 e-充電放電Zn + 4 OH-Zn(OH)42- + 2 e-充電放電負(fù)極正極 AgO + H2O + 2 e-Ag + 2 OH-放電充電電池反應(yīng)：Zn + AgOAg + ZnO放電充電774、鋰電池 鋰電池是一類以金屬鋰或含鋰物質(zhì)為負(fù)極的化學(xué)電源的總稱。迄今，正在研究或生產(chǎn)中的鋰電池約有20多種，現(xiàn)在常用的是鋰蓄電池，電池可以反復(fù)充放電，降低了使用成本和減少了處理一次電池的困難。 當(dāng)鋰電極用碳電極代替時，便成了最新式的鋰離子蓄電池，電池中鋰離子源由