大專無機(jī)化學(xué)課件-氧化還原

1、化學(xué)綜合第八課第八課 氧化和還原氧化和還原 第一節(jié)第一節(jié) 氧化還原反應(yīng)的基本概念氧化還原反應(yīng)的基本概念 氧化數(shù)氧化數(shù)：是指某元素的一個原子的是指某元素的一個原子的表觀表觀荷電數(shù)荷電數(shù)。該荷電數(shù)是假定把該荷電數(shù)是假定把每一化學(xué)鍵中的電子每一化學(xué)鍵中的電子指定指定給給電負(fù)性更大的原子電負(fù)性更大的原子而求得的而求得的。一、氧化數(shù)一、氧化數(shù) oxidation state 確定氧化數(shù)的規(guī)則：確定氧化數(shù)的規(guī)則： 單質(zhì)中，元素的氧化數(shù)為零。單質(zhì)中，元素的氧化數(shù)為零。 在單原子離子中，元素的氧化數(shù)等在單原子離子中，元素的氧化數(shù)等于該離子所帶的電荷數(shù)于該離子所帶的電荷數(shù) 。 在大多數(shù)化合物中，氫的氧化數(shù)為在大

2、多數(shù)化合物中，氫的氧化數(shù)為 +1；只有在金屬氫化物中氫的氧化數(shù)為；只有在金屬氫化物中氫的氧化數(shù)為 -1。 通常，氧在化合物中的氧化數(shù)為通常，氧在化合物中的氧化數(shù)為-2；但是在過氧化物中，氧的氧化數(shù)為但是在過氧化物中，氧的氧化數(shù)為-1，在，在氟的氧化物中，如氟的氧化物中，如OF2 和和O2F2中，氧的氧中，氧的氧化數(shù)分別為化數(shù)分別為+2和和+1。例：7 I O IH 65的氧化數(shù)為中性分子中，各元素原子的氧化數(shù)的中性分子中，各元素原子的氧化數(shù)的代數(shù)和為零代數(shù)和為零 ，復(fù)雜離子的電荷等于各元，復(fù)雜離子的電荷等于各元素氧化數(shù)的代數(shù)和。素氧化數(shù)的代數(shù)和。38Fe OFe 43的氧化數(shù)為2.5 S O

3、S 264的氧化數(shù)為2S O S 232的氧化數(shù)為二、氧化與還原二、氧化與還原 氧化氧化：物質(zhì)失去電子（或電子偏離）的過程物質(zhì)失去電子（或電子偏離）的過程 有有電子得失電子得失或或電子轉(zhuǎn)移電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)，被稱為的反應(yīng)，被稱為氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng)Oxidation-Reduction Reactions 。還原還原：物質(zhì)獲得電子（或電子偏向）的過程物質(zhì)獲得電子（或電子偏向）的過程 氧化劑：氧化劑：得到電子，得到電子， 發(fā)生還原（半）反應(yīng)，發(fā)生還原（半）反應(yīng)， 氧化數(shù)降低，氧化數(shù)降低， 生成其生成其還原產(chǎn)物還原產(chǎn)物。 還原劑：還原劑：失去電子，失去電子， 發(fā)生氧化（半）反應(yīng)，發(fā)生氧化（半）反應(yīng)

4、， 氧化數(shù)升高，氧化數(shù)升高， 生成其生成其氧化產(chǎn)物氧化產(chǎn)物。 一個氧化還原反應(yīng)可看作由兩個半反應(yīng)一個氧化還原反應(yīng)可看作由兩個半反應(yīng)偶合而成：偶合而成：氧化半反應(yīng)氧化半反應(yīng)和和還原半反應(yīng)還原半反應(yīng)。概念判斷方法口訣概念判斷方法口訣 升升失失氧氧（被氧化、發(fā)生氧（被氧化、發(fā)生氧化反應(yīng)、生成氧化產(chǎn)物），化反應(yīng)、生成氧化產(chǎn)物），作作還原劑，表現(xiàn)還原性還原劑，表現(xiàn)還原性 降降得得還還（被還原、發(fā)生（被還原、發(fā)生還原反應(yīng)、生成還原產(chǎn)物），還原反應(yīng)、生成還原產(chǎn)物），作氧化劑，表現(xiàn)氧化性作氧化劑，表現(xiàn)氧化性每一半反應(yīng)中元素獲得電子后每一半反應(yīng)中元素獲得電子后（氧化值較?。ㄑ趸递^小）的存在形式稱的存在形式稱

5、還原型還原型，失去電子后，失去電子后（氧化值（氧化值較大）較大）的存在形式稱的存在形式稱氧化型氧化型， 氧化劑發(fā)生還原半反應(yīng))(2)(2sCueaqCu ) s (Cu)aq( Zn ) s (Zn)aq(Cu22還原劑發(fā)生氧化半反應(yīng))(2)(2aqZnesZn兩者合稱為一對兩者合稱為一對氧化還原電對氧化還原電對還原型 e 氧化型 n常見的氧化劑常見的氧化劑 活潑的非金屬單質(zhì)：活潑的非金屬單質(zhì)：O2、Cl2 高價態(tài)的微粒：濃硫酸、高價態(tài)的微粒：濃硫酸、HNO3、KMnO4、FeCl3、H2O2、HClO常見的還原劑常見的還原劑 活潑的金屬單質(zhì)活潑的金屬單質(zhì):Al、Zn、Fe 某些非金屬單質(zhì)：某

6、些非金屬單質(zhì)：C、H2 低價態(tài)的微粒：低價態(tài)的微粒：CO、H2S、S2-、HS-、SO2、H2SO3、HSO3-、SO32-、Br-、I-、Fe2+常見氧化劑、還原劑常見氧化劑、還原劑 氧化還原反應(yīng)方程式的配平氧化還原反應(yīng)方程式的配平Balancing Oxidation-Reduction Equations 配平方法：配平方法： 氧化數(shù)法：氧化數(shù)法：還原劑的氧化數(shù)升高總數(shù)等于還原劑的氧化數(shù)升高總數(shù)等于氧化劑的氧化數(shù)降低總數(shù)。氧化劑的氧化數(shù)降低總數(shù)。 離子電子法：離子電子法：還原劑失去電子總數(shù)等于氧還原劑失去電子總數(shù)等于氧化劑得到電子總數(shù)?；瘎┑玫诫娮涌倲?shù)。1 1、氧化數(shù)升降法、氧化數(shù)升降法

7、0+4+5+441x1x4 4 4 2C + HNO3 NO2 +CO2 + H2O例例: :KMnO4+ HCl KCl+ MnCl2+ H2O+ Cl2 +7+20-152x5 2 5 22 16 8x2FeFe3 3OO4 4+HNO+HNO3 3 Fe(NO Fe(NO3 3) )3 3 +NO +H +NO +H2 2OO Fe0 Fe0 FeFe2 2OO3 3+ HNO+ HNO3 3 Fe(NO Fe(NO3 3) )3 3 +NO + H +NO + H2 2OO+2+5+3+231x1x3328914 Cu + HNO3(稀) Cu(NO3)2 + NO+ H+ H2 2O

8、O0+2+5+223x2x3 33 8Al+ H2SO4 Al2(SO4)3+ H2 0+1+303x22x32332 4KMnO4+ H2S+ H2SO4 S+ MnSO4+K2SO4+ H2O+7-2+2052x2x5225583HCl + KClO3- KCl + Cl2 + H2O-1+5015x5x1363（1）若氧化劑和還原劑中）若氧化劑和還原劑中某元素的化合價全部改變某元素的化合價全部改變，配，配平宜從氧化劑、還原劑開始，即先考慮反應(yīng)物。（正向配平宜從氧化劑、還原劑開始，即先考慮反應(yīng)物。（正向配平）如平）如：（2）若氧化劑（或還原劑）中）若氧化劑（或還原劑）中某元素化合價只有部分

9、改變某元素化合價只有部分改變，配平宜從氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物開始，即先考慮生成物。配平宜從氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物開始，即先考慮生成物。（逆向配平）如：（逆向配平）如：（3）自身氧化還原（歧化）自身氧化還原（歧化）反應(yīng)方程式，宜從生成物開始反應(yīng)方程式，宜從生成物開始配平。（逆向配平）配平。（逆向配平） 離子電子法配平步驟： 用用離子式離子式寫出主要反應(yīng)物和產(chǎn)物寫出主要反應(yīng)物和產(chǎn)物(氣氣體、純液體、固體和弱電解質(zhì)則寫分子式體、純液體、固體和弱電解質(zhì)則寫分子式)。 分別分別寫出寫出氧化劑被還原和還原劑被氧氧化劑被還原和還原劑被氧化的化的半反應(yīng)半反應(yīng)。 分別分別配平兩個半反應(yīng)配平兩個半反應(yīng)方程式，等號兩方程式

10、，等號兩邊的各種元素的原子總數(shù)各自相等且電荷邊的各種元素的原子總數(shù)各自相等且電荷數(shù)相等。數(shù)相等。例例1：配平反應(yīng)方程式：配平反應(yīng)方程式)aq(SOK)aq(MnSO )aq(SOK)aq(KMnO424酸性溶液中324 確定確定兩半反應(yīng)方程式得、失電子數(shù)目兩半反應(yīng)方程式得、失電子數(shù)目的的最小公倍數(shù)最小公倍數(shù)。將兩個半反應(yīng)方程式中各項。將兩個半反應(yīng)方程式中各項分別分別乘以相應(yīng)的系數(shù)乘以相應(yīng)的系數(shù)，使得、失電子數(shù)目相，使得、失電子數(shù)目相同。然后，將兩者同。然后，將兩者合并合并，就得到了配平的氧，就得到了配平的氧化還原反應(yīng)的離子方程式。有時根據(jù)需要可化還原反應(yīng)的離子方程式。有時根據(jù)需要可將其改為分子

11、方程式。將其改為分子方程式。)4210e10H5SO O5H5SO223O8H2Mn10e16H2MnO224O4HMn5e8HMnO2242e2HSOOHSO242232+5得O3HSOK6MnSO22424O3H5SO2Mn6H5SO2MnO2242234MnSOSOMnO 2242343H SOSO5K2KMnO43242例例2：配平配平(aq)NaClO NaCl(aq)NaOH(aq)(g)Cl325+得：O3HNaClO5NaCl6NaOH3Cl232O3HClO5Cl6OH3Cl232O6HClO210Cl12OH6Cl23210eO6H2ClO12OHCl2322Cl2eCl2

12、解：化簡得：解：O8H6KBrCrO2K242O8H6Br2CrO2243+2得：KBrCrOKKOH42(l)Br(s)Cr(OH)23BrCrO24(l)Br2(s)Cr(OH)32Br2e (l)Br23eO4H3OHCrO8OH224(s)Cr(OH)33eO4HCrO5OH即： 224(s)Cr(OH)310OH(s)Cr(OH)32(l)Br2310KOH(s)Cr(OH)32(l)Br23例例3：配平方程式配平方程式酸性介質(zhì)：酸性介質(zhì)： 氧化數(shù)較高的一邊增加氧化數(shù)較高的一邊增加n個個H+，另一邊，另一邊 增加增加H2O堿性介質(zhì)：堿性介質(zhì)： 氧化數(shù)較低的一邊增加氧化數(shù)較低的一邊增加

13、n個個OH- ，另一邊，另一邊增加增加H2O小結(jié)：小結(jié)：配平氫、氧原子時配平氫、氧原子時 第二節(jié)第二節(jié) 原電池和電極電勢原電池和電極電勢1.Cu-Zn原電池裝置一、原電池 Galvanic Cells anode cathode 原電池：原電池：利用氧化還原反應(yīng)把化學(xué)能轉(zhuǎn)變利用氧化還原反應(yīng)把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。為電能的裝置。原電池原電池由兩個由兩個半電池半電池(電極電極)組成，組成，每個半電池包括每個半電池包括導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料和和電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液。鹽橋鹽橋內(nèi)充滿飽和了內(nèi)充滿飽和了KCl的瓊脂，可以消除兩的瓊脂，可以消除兩溶液間的電勢差溶液間的電勢差,并使溶液保持電中性，電子并使溶液保持

14、電中性，電子繼續(xù)流動。繼續(xù)流動。 (aq) Zn 2eZn(s)：)( 極2氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)電子流出負(fù) Cu(s) 2e(aq)Cu：)( 極2還原反應(yīng)還原反應(yīng)電子流入正Cu(s)(aq) Zn(aq)Cu Zn(s) 電池反應(yīng)電池反應(yīng)：22半電池反應(yīng)半電池反應(yīng)(電極反應(yīng)電極反應(yīng))兩電極間存在電勢差，稱為電池的電動勢E)( Cu )L(1.0molCu )L(1.0mol Zn Zn )( 1212 書寫原電池符號的規(guī)則：書寫原電池符號的規(guī)則： 負(fù)極負(fù)極“”在左邊，正極在左邊，正極“+”在右邊，在右邊，鹽橋用鹽橋用“”表示。表示。 兩電極參與電池反應(yīng)的電對物質(zhì)按所兩電極參與電池反應(yīng)的電對物質(zhì)按

15、所在相和各相接觸順序依次寫出。在相和各相接觸順序依次寫出。 半電池中兩相界面用半電池中兩相界面用“ ”分開，同分開，同相不同物種用相不同物種用“,”分開，溶液、氣體要注明分開，溶液、氣體要注明cB，pB 。2.電極與電池符號電極與電池符號負(fù)極在左正在右負(fù)極在左正在右,電極導(dǎo)體放兩頭電極導(dǎo)體放兩頭,缺少導(dǎo)體用鉑碳缺少導(dǎo)體用鉑碳,純的固、液、氣體把極板親純的固、液、氣體把極板親非標(biāo)態(tài)莫忘把濃度壓力標(biāo)非標(biāo)態(tài)莫忘把濃度壓力標(biāo),同異相之間將逗號要同異相之間將逗號要,鹽橋來將兩極聯(lián)鹽橋來將兩極聯(lián),反應(yīng)物種除水以外都寫到。反應(yīng)物種除水以外都寫到。1.金屬金屬-金屬離子電極金屬離子電極 電極符號電極符號 Zn

16、 | Zn2+ (c) 電極反應(yīng)電極反應(yīng): Zn2+ (aq) + 2e Zn(s) 3.電極的類型電極的類型2.金屬金屬-金屬難溶鹽金屬難溶鹽-陰離子電極陰離子電極 電極符號電極符號 Ag|AgCl | Cl (c) 電極反應(yīng)電極反應(yīng): AgCl(s) + e Ag(s)+Cl(aq) 4.氣體氣體-離子電極離子電極 電極符號電極符號 Pt | H2(p) | H+ (c) 電極反應(yīng)電極反應(yīng): 2H+ (aq) + 2e H2(g) 3.氧化還原電極氧化還原電極 電極符號電極符號 Fe3+ (c1) | Fe2+ (c2) 電極反應(yīng)電極反應(yīng): Fe3+ (aq) + e Fe2+ (aq)

17、113212L2.0mol2ClL0.1mol2Fe 101325PaClL1.0mol2Fe 例：將下列反應(yīng)設(shè)計成原電池并以原電池符號表示。)(Pt ， 101325PaCl L2.0molCl L0.1molFe , L1.0molFe Pt )( 211312解：)(aq2Cl 2e)g(Cl 極 正2)(aqFe e)(aqFe 極 負(fù) 32例：例： 寫出下列反應(yīng)的電極反應(yīng)和電池組成式寫出下列反應(yīng)的電極反應(yīng)和電池組成式 MnO4- + Fe2+ + H+ Mn2+ + Fe3+ + H2O Fe2+ Fe3+ + e - MnO4- + 8 H+ + 5e- Mn2+ + 4 H2O(

18、) Pt|Fe3+，F(xiàn)e2+ | | MnO4-，Mn2+，H+|Pt(+)/HH 電對：2電極反應(yīng)：表示為：H+ H2(g) Pt1. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE) standard hydrogen electrode V000. 0/HH2E gH 2eaq)(H22標(biāo)準(zhǔn)氫電極裝置圖二、 標(biāo)準(zhǔn)電極電勢)( Cu )L(1.0molCu 122.標(biāo)準(zhǔn)電極電勢標(biāo)準(zhǔn)電極電勢 )L(1.0molH )(H ,Pt )(12pV337. 0)/HH()/CuCu(22池EEEV337. 0)/CuCu( 2則 EH2Cu H Cu22把各種電極做成把各種電極做成標(biāo)準(zhǔn)電極標(biāo)準(zhǔn)電極，與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成

19、，與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池，再測出這些標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢，即可原電池，再測出這些標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢，即可得得標(biāo)準(zhǔn)電極電勢標(biāo)準(zhǔn)電極電勢：EOx/Red。 電極電勢的大小符號與電極反應(yīng)方向無關(guān)電極電勢的大小符號與電極反應(yīng)方向無關(guān)3. .標(biāo)準(zhǔn)電極電勢表標(biāo)準(zhǔn)電極電勢表 E 小小的電對對應(yīng)的還原型物質(zhì)的電對對應(yīng)的還原型物質(zhì)還原性強(qiáng)還原性強(qiáng)；E 大大的電對對應(yīng)的氧化型物質(zhì)的電對對應(yīng)的氧化型物質(zhì)氧化性強(qiáng)氧化性強(qiáng)。 E 與半反應(yīng)的與半反應(yīng)的計量系數(shù)計量系數(shù)無關(guān)無關(guān) 一些電對的一些電對的 E 與介質(zhì)的酸堿性有關(guān)與介質(zhì)的酸堿性有關(guān)酸性介質(zhì)： ；堿性介質(zhì)：EAEB V36. 1 (aq)Cl e(g)Cl21 2E V3

20、6. 1 (aq)2Cl 2e)g(Cl2E 標(biāo)準(zhǔn)電極電勢是熱力學(xué)數(shù)據(jù)，與反應(yīng)速率標(biāo)準(zhǔn)電極電勢是熱力學(xué)數(shù)據(jù)，與反應(yīng)速率無關(guān)。無關(guān)。 本書給出的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢數(shù)據(jù)只適用于本書給出的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢數(shù)據(jù)只適用于水溶液體系水溶液體系, 298K。1.對于反應(yīng)： 一、Nernst方程式JRTlg2.303rGmrGmJRTnFEFElg2.303n池池2121ReRehOxdgdbaOxJnFRTEElg303. 2池池JnKEKEKlg0592. 0)298()298(,15.298池池時,298.15K T時 e na還原型b氧化型()ln()()2.303=lg()babacRTEEnFccRTEnF

21、c氧化型還原型氧化型還原型()0.0592(298 )(298 )lg()bacEKEKnc氧化型還原型對于電極反應(yīng) Nernst方程式方程式/MnMnO24EO4HMn 5e8HMnO224例：4)Mn()H()MnO(lg5V0592. 0)/MnMnO(2824cccE使用使用Nernst方程時須注意幾點：方程時須注意幾點：1. Nernst方程可用于任意溫度、濃度和壓力條件下E池和E的求算，但是所查表得到的E值通常是298K時的值。2.電極反應(yīng)中有其他介質(zhì)等參與反應(yīng)時，也要一并寫入方程式。3.有氣體參加反應(yīng)，應(yīng)以其相對分壓(p/p)代入方程式。)()(cc，氧化型還原型)(c，還原型)

22、( c，氧化型 e 還原型氧化型電極反應(yīng)：n)()(lg3032氧化型還原型ccnFRT.EE)()(lg3032還原型氧化型ccnFRT.EE或E則：1. 氧化型或還原型的濃度或分壓氧化型或還原型的濃度或分壓影響電極電勢的因素影響電極電勢的因素 把兩個不同Ag+濃度的Ag+/Ag電極連接起來，是否有電流產(chǎn)生？：例 濃差電池這種由于濃度差異造成的電池稱為濃差電池。)/ClClO(3AE?)/ClClO( 時 L10.0mol)H(31Ec，L1.0mol)Cl()ClO( 13cc，求：當(dāng)2. 介質(zhì)的酸堿性介質(zhì)的酸堿性V45. 1)/ClClO( 3AE已知例：3)Cl()H()ClO(lg6

23、0.0592V)/ClClO(63AcccE) l (O3H)aq(Cl 6e)aq(6H)aq(ClO 解：23 V51. 10 .10lg6V0592. 061.45V 0.400V)100 . 1lg(4V0592. 01.229V414O)/H(O 22ELmol100 . 1)H( 即 14pH114，cV229. 1O)/H(O 298K 22A，已知例：E?O)/H(O 14pH )O( 222時，若：求Epp?)/OH(O 2BE/ )H( / )O(lg4V0592. 0O)/H(O 4222AccppE) l (O2H 4e)aq(4H)g(O 解：22V 400. 0)O

24、/HO(22ELmol0 . 1)OH( 即 14,pH 1當(dāng)c0.400V)/OH(O 2BE)aq(4OH 4e) l (O2H )g(O22，Ag1L1.0mol)Cl(cAg3.沉淀的生成對電極電勢的影響沉淀的生成對電極電勢的影響 )108 . 1)AgCl( ?Ag)/(AgCl ?Ag)/(Ag Lmol0 . 1)Cl( s AgClNaCl AgAgV799. 0Ag)/(Ag 10sp1KEEcE并求時，當(dāng)會產(chǎn)生加入電池中組成的半和，若在已知例：0.222V108 . 1lgV0592. 00.799V10)Ag/Ag(E)aq(Cl)aq(Ag (s) AgCl解：Ag(s

25、) e)aq(Ag(AgCl)Cl( ) Ag(spKcc(AgCl)Ag( , Lmol0 . 1)Cl(sp1時若Kcc)Ag( lgV0592. 0)Ag/Ag( cEAgCl)(lgV0592. 0)Ag/Ag(spKEV222. 0)/AgAg( E)aq(ClAg(s)eAgCl(s)1AgCl)()Ag( , Lmol0 . 1)Cl(sp時當(dāng)Kcc) /AgAgCl(EAgCl)(lgV0592. 0)/AgAg(spKEAgI AgBr AgCl減小 spK(AgI/Ag) (AgBr/Ag) (AgCl/Ag)EEE小結(jié)：小結(jié)：氧化型形成沉淀氧化型形成沉淀 ，E;還原型形成

26、沉淀還原型形成沉淀 ，E。)Ag/Ag( /Ag)S(Ag2 EE 氧化型和還原型都形成沉淀，還要看二者氧化型和還原型都形成沉淀，還要看二者 的相對大小的相對大小。Ksp 小結(jié)：氧化型形成配合物，氧化型形成配合物，E ，還原型形成配合物，還原型形成配合物， E ，4.4.配位平衡與氧化還原平衡之間的相互影響：配位平衡與氧化還原平衡之間的相互影響：電極電勢的應(yīng)用氧化劑（1）+ 還原劑（2） 還原劑（1）+ 氧化劑（2）判斷：判斷：（1）氧化劑和還原劑的）氧化劑和還原劑的相對強(qiáng)弱相對強(qiáng)弱（2）氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的）氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向方向（3）氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的）氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的程度程度 例：試比較例：試比較 KMnO4、Cl2、FeCl3 在酸性介質(zhì)中的氧化能力在酸性介質(zhì)中的氧化能力氧化能力：氧化能力：KMnO4 Cl2 FeCl3 判斷氧化劑、還原劑的相對強(qiáng)弱判斷氧化劑、還原劑的相對強(qiáng)弱E EE E解解:0.7711.35831.51E /VFeFe3+3+/Fe2+ClCl2 2/Cl-MnO4-/Mn2+電對電對 對于某一給定反應(yīng)，先區(qū)分該反應(yīng)的氧化對于某一給定反應(yīng)，先區(qū)分該反應(yīng)的氧化劑和還原劑，以氧化劑及其還原型的電對為正劑和還原劑，以氧化劑及其還原型的電對為正極，還原劑及其氧化型的電對為負(fù)極，極，還原劑及其氧化型