無機(jī)化學(xué)第8章氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)_第1頁
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文檔簡介

8

氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)第8章氧化還原反應(yīng)§8.1基本概念§8.2原電池與電極電勢§8.3氧化還原反應(yīng)的方向和限度§8.4電極電勢的應(yīng)用

氧化還原反應(yīng)是一類極其重要的化學(xué)反應(yīng)。實驗室制取氧氣的反應(yīng),工業(yè)上生產(chǎn)硝酸過程中涉及的幾個反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng)。4NH3+5O2

=4NO+6H2O2NO+O2

=2NO23NO2+H2O=2HNO3+NO8.1基本概念氧化還原反應(yīng)氧化-還原反應(yīng):有電子得失(或電子偏移)的反應(yīng)。

氧化劑+還原劑還原產(chǎn)物+氧化產(chǎn)物化合價降低,還原反應(yīng)化合價升高,氧化反應(yīng)

氧化數(shù):是指某元素的一個原子的荷電數(shù),該荷電數(shù)是假定把每一化學(xué)鍵中的電子指定給電負(fù)性更大的原子而求得的。

)s(Cu)aq(Zn

)s(Zn)aq(Cu22得失電子++++)g(2HCl

)g(Cl)g(H22電子偏移+8.1.1元素的氧化數(shù)

確定氧化數(shù)的規(guī)則:

①單質(zhì)中,元素的氧化數(shù)為零。②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)。③在大多數(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-1。④通常,氧在化合物中的氧化數(shù)為-2;但是在過氧化物中,氧的氧化值為-1,在氟的氧化物中,如OF2和O2F2中,氧的氧化數(shù)分別為+2和+1。例:⑤中性分子中,各元素原子的氧化數(shù)的代數(shù)和為零,復(fù)雜離子的電荷等于各元素氧化數(shù)的代數(shù)和?;蟽r:氧化還原反應(yīng)中得失電子數(shù),只能為整數(shù)。氧化數(shù):得失電子或平均化合價。可以為整數(shù)或分?jǐn)?shù)。CrOOOOO

例如:CrO5中Cr的氧化數(shù)為正10,但是從右圖所示的結(jié)構(gòu)式中,可以看出Cr的化合價為正6。這是Cr的最高價態(tài),等于其所在的族數(shù)。配平原則:①電荷守恒:氧化劑得電子數(shù)等于還原劑失電子數(shù)。②質(zhì)量守恒:反應(yīng)前后各元素原子總數(shù)相等。8.1.3氧化還原反應(yīng)方程式的配平

配平步驟:①用離子式寫出主要反應(yīng)物和產(chǎn)物(氣體、純液體、固體和弱電解質(zhì)則寫分子式)。②分別寫出氧化劑被還原和還原劑被氧化的半反應(yīng)。③分別配平兩個半反應(yīng)方程式,等號兩邊的各種元素的原子總數(shù)各自相等且電荷數(shù)相等。例1:配平反應(yīng)方程式

④確定兩半反應(yīng)方程式得、失電子數(shù)目的最小公倍數(shù)。將兩個半反應(yīng)方程式中各項分別乘以相應(yīng)的系數(shù),使得、失電子數(shù)目相同。然后,將兩者合并,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)需要可將其改為分子方程式。+)42-+--++=+10e10H5SO

O5H5SO223+-+-+=++O8H2Mn10e16H2MnO224+-+-+=++O4HMn5e8HMnO②224①-+--++=+2e2HSOOHSO24223②③①×2+②×5得O3HSOK6MnSO22424++=O3H5SO2Mn6H5SO2MnO2242234++=++-++--+---++MnSOSOMnO

①2242343HSOSO5K2KMnO4324++2酸性介質(zhì):多n個O+2n個H+,另一邊+n個H2O堿性介質(zhì):多n個O+n個H2O,另一邊+2n個OH-小結(jié):8.2

原電池與電極電勢8.2.1原電池1.原電池:將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置稱為原電池。

銅鋅原電池示意圖負(fù)極Zn=Zn2++2e正極Cu2++2e

=Cu電池反應(yīng):Zn+Cu2+

=Cu+Zn2+

將飽和的KCl溶液灌入U形管中,用瓊膠封口,倒架在兩池中。由于K+和Cl-的定向移動,使兩池中過剩的正負(fù)電荷得到平衡,恢復(fù)電中性。于是兩個半電池反應(yīng)乃至電池反應(yīng)得以繼續(xù),電流得以維持。2.鹽橋

3.電池符號

例如Cu-Zn電池符號(–)

ZnZn2+(1mol·dm-3)‖Cu2+(1mol·dm-3)Cu

(+)

左邊負(fù)極,右邊正極;兩邊的Cu,Zn表示極板材料;離子的濃度,氣體的分壓要在()內(nèi)標(biāo)明?!韮上嗟慕缑?;‘‖’代表鹽橋。鹽橋連接著不同電解質(zhì)的溶液或不同濃度的同種電解質(zhì)的溶液。8.2.2電極電勢和電動勢

1.

電極電勢

Cu-Zn電池中,為什么電子從鋅片流向銅片?為什么Cu為正極,Zn為負(fù)極?或者說為什么銅片的電勢比鋅片的高?這是我們首先要回答的問題。圖7-2鋅電極的雙電層圖7-3銅電極的雙電層2原電池的電動勢

電極電勢E表示電極中極板與溶液之間的電勢差。當(dāng)鹽橋?qū)蓚€電極的溶液連通時,認(rèn)為兩溶液之間的電勢差被消除,則兩電極的電極電勢之差即原電池的電動勢。用E池

表示電動勢,則有E池=E+-E-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢有E?池=E?+-E?-例如:(–)ZnZn2+(1mol·dm-3

)‖Cu2+(1mol·dm-3)Cu(+)

E?池=E?+-E?-=0.34-(-0.76)=1.10V

3.標(biāo)準(zhǔn)氫電極:涂滿鉑黑鉑絲作為極板,插入到H+(1mol·dm-3)溶液中,并向其中通入H2(1.013105Pa).標(biāo)準(zhǔn)氫電極示意圖氫電極的半反應(yīng)為2H++2e=H2符號Pt|H2(p)|H+(c

)

=0.34V+0V=0.34V

例如:標(biāo)準(zhǔn)氫電極與標(biāo)準(zhǔn)銅電極組成的原電池。(-)Pt|H2(p)|H+(1mol·dm-3)‖Cu2+(1mol·dm-3

)|Cu(+)

測得該電池的電動勢E?池=0.34V,

由公式E?池=E?+-E?-

得E?+=E?池+E?-

4.

其它類型的電極電極類型 電對 電極Me—Men+電極Zn2+/Zn Zn∣Zn2+A—An-電極Cl2/Cl-Cl-,Cl2∣Pt氧化還原電極Fe3+/Fe2+Fe3+,Fe2+∣PtMe—難溶鹽電極AgCl/AgAg∣AgCl,Cl-

飽和甘汞電極

甘汞電極:實際測量非常重要的一種電極,標(biāo)準(zhǔn)氫電極使用不多,原因是氫氣不易純化,壓強(qiáng)不易控制,鉑黑容易中毒。電極反應(yīng)Hg2Cl2+2e=2Hg+2Cl-符號Pt|Hg|Hg2Cl2|KCl標(biāo)準(zhǔn)電極電勢E?=0.268V

飽和甘汞電極電勢E=0.2415V

5.標(biāo)準(zhǔn)電極電勢表

在電極反應(yīng)中,左側(cè)是氧化數(shù)高的物質(zhì),稱為氧化型;右側(cè)是氧化數(shù)低的物質(zhì),稱為還原型。在電對中只寫出氧化數(shù)有變化的物質(zhì),如Cr2O7

2-/Cr3+

Cr2O7

2-+14H++6e=2Cr3++7H2O=1.23V

電極反應(yīng)的通式氧化型+ze=還原型

按照E?值增大的順序列表即標(biāo)準(zhǔn)電極電勢表。

電極電勢表說明:(1)電極電勢高,其氧化型的氧化能力強(qiáng);電極電勢低其還原型的還原能力強(qiáng)。(2)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢表是酸介質(zhì)中的表。(3)堿介質(zhì)中另有一張標(biāo)準(zhǔn)電極電勢表。例如2H2O+2e=H2+2OH-

E?=-0.83VCu(OH)2+2e=Cu+2OH-

E?=-0.22V4影響電極電勢的因素1.電動勢的Nernst方程

對于aA+bB=cC+dD有化學(xué)反應(yīng)等溫式

換底,得將和代入式中

298K時

2

電極電勢的Nernst方程對于電池反應(yīng)aA+bB=cC+dD正極aA=cC

A:氧化型C:還原型

負(fù)極dD=bBD:氧化型B:還原型298K,能斯特方程為Nernst方程反映了電極電勢與濃度、溫度的關(guān)系。能斯特方程為:例如298K時,寫出下列反應(yīng)的Nernst方程。

2H++2e=H2

Cr2O7

2-+14H++6e=2Cr3++7H2O)()(cc,氧化型還原型)(c,還原型)(c,氧化型2.影響電極電勢的因素

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②介質(zhì)的酸堿性

例7-3標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極反應(yīng)為2H++2e=H2E

=0V若H2的分壓保持不變,將溶液換成1.0mol·dm-3HAc,求其電極電勢E

的值。

解:

代入Nernst方程

求得

E=-0.14V。

例計算下面原電池的電動勢(-)Pt|H2(p

)|H+(10-3mol·dm-3)‖H+(10-2mol·dm-3)|H2(p

)|Pt(+)解:正極和負(fù)極的電極反應(yīng)均為2H++2e=H2

由公式得所以電動勢可以由下式算出,Ag③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

10sp1-+--++×=====KEEcE并求時,當(dāng)會產(chǎn)生加入電池中組成的半和,若在已知例:0.222V=108.1lgV0592.00.799V10×+=-)Ag/Ag(+E)aq(Cl)aq(Ag

(s)

AgCl+-+解:Ag(s)

e)aq(Ag+-+(AgCl))}Cl(

)}{Ag({sp=-+Kcc(AgCl))Ag(

,

Lmol0.1)Cl(sp1==+--時若Kcc)}Ag({

lgV0592.0)Ag/Ag(

+=++cEAgCl)(lgV0592.0)Ag/Ag(sp+=+KEV222.0=+)/AgAg(=E)aq(ClAg(s)eAgCl(s)++--1==--+AgCl)()Ag(

,

Lmol0.1)Cl(sp時當(dāng)Kcc)/AgAgCl(E+AgCl)(lgV0592.0)/AgAg(sp+=KEAgI

AgBr

AgCl減小

spK(AgI/Ag)

(AgBr/Ag)

(AgCl/Ag)EEE>>小結(jié):氧化型形成沉淀,E↓;還原型形成沉淀,E↑。)Ag/Ag(

/Ag)S(Ag2+<例:EE)Cu/Cu(

/CuI)(Cu22+++>EE氧化型和還原型都形成沉淀,看二者的相對大小。若(氧化型)<(還原型),則E↓;反之,則E↑。?)/CuCu(L1.0mol))Cu(NH(21243==+-+時,Ec,L1.0mol)NH(

中,加入氨

13=-水,當(dāng)cCu氨水④配合物的生成對電極電勢的影響,0.3394V)/CuCu(2=+:已知例E

Cu/Cu

。在1030.2))Cu(NH(212243f×=++K?)Cu/)Cu(NH(

243=+并求E解:時

Lmol01))Cu(NH()NH(12433-+==當(dāng).cc)aq()Cu(NH

)aq(4NH)aq(Cu24332+++2+)}NH()}{Cu({)})Cu(NH({f43243+=Kccc

))Cu(NH(1)Cu(243f2++=Kc0.0265V-=1030.21lg2V0592.00.3394V12×+=)Cu

/Cu(2+E)}Cu(lg{2V0592.0)Cu

/Cu(

22+=++cE)s(Cu

2e)aq(Cu

2+-+))Cu(NH(1lg20592V.0)Cu

/Cu(243f2+=++KE思考:,

Lmol0.1))Cu(NH()(NH

12433時當(dāng)-+==cc)aq(4NH)s(Cu

2e)aq()Cu(NH3243-+++V0265.0/Cu)Cu(Cu)/)(Cu(NH2243++-==EECu)/)(Cu(NH

243即+E/Cu)Cu(

Cu)/)(Cu(NH2243++<EE)/CuCu(

)CuI/(Cu

222相比,何者大?與++-+EE))Cu(NH

(

1lg2V0592.0/Cu)Cu(243f2+++=KE

e)aq(Cl)aq()Cu(NH

243已知思考:--+++

小結(jié):氧化型形成配合物,E↓,還原型形成配合物,E↑,

氧化型和還原型都形成配合物,看的相對大小。若(氧化型)>(還原型),則E↓;反之,則E↑。)aq(4NHCuCl(s)

3+),/CuCu()CuCl())(Cu(NH2sp243f及,借助+++EKK

)

/CuCl)Cu(NH(

243?如何求得+E8.3氧化還原反應(yīng)的方向和限度8.3.1電動勢和電池反應(yīng)的關(guān)系

化學(xué)反應(yīng)Zn+Cu2

+——Cu+Zn2+在燒杯中進(jìn)行時,雖有電子轉(zhuǎn)移,但不產(chǎn)生電流,屬于恒溫恒壓無非體積功的過程。其自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)是r

G<0

若利用Cu-Zn電池完成上述反應(yīng),則有電流產(chǎn)生。該反應(yīng)屬于恒溫恒壓有非體積功——電功W過程。在第三章化學(xué)熱力學(xué)研究過這類反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)是-rG>-W

電功等于電量與電勢差之積,即W=-qE。

q=nF, 法拉第常數(shù)F=96500庫侖/摩爾 故電功W可由下式表示

W=-nEF

一般認(rèn)為電池反應(yīng)的進(jìn)行方式是可逆的。故有

當(dāng)反應(yīng)均為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時,E即是E,故有8.3.2E

?和電池反應(yīng)的K?的關(guān)系

由和

得故換底,得

298K時,公式可以寫成

從而可以由E

求得氧化還原反應(yīng)的平衡常數(shù)K?

,以討論反應(yīng)進(jìn)行的程度和限度。

Zn+Cu2+

=Cu+Zn2+298K時的K

解:將反應(yīng)分解成兩個半反應(yīng),從表中查出E。Cu2++2e=Cu

E+=+0.34V

Zn2++2e=Zn

E-=-0.76V

=0.34V-(-0.76V)=1.10V由公式

例求反應(yīng)AgCl=Ag++Cl-298K時的K

解:關(guān)鍵是設(shè)計電池反應(yīng)。

在反應(yīng)式的兩邊引進(jìn)物質(zhì)Ag,方程式變成AgCl+Ag=Ag++Ag+Cl-

AgCl+e=Ag+Cl-

E

+=+0.222VAg++e=AgE

-=+0.800V

=0.222V-0.800V=-0.578V

所以K

=1.5810–10=-9.808.4.1判斷氧化劑、還原劑的相對強(qiáng)弱E小的電對對應(yīng)的還原型物質(zhì)還原性強(qiáng);E

大的電對對應(yīng)的氧化型物質(zhì)氧化性強(qiáng)?!?.4電極電勢的應(yīng)用8.4.2判斷氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件為△rGm<0因為△rGm

=–nFEMF

即:EMF

0反應(yīng)正向自發(fā)進(jìn)行;

EMF

0反應(yīng)逆向自發(fā)進(jìn)行。

lgV05920

MFMFQn.EE-=

例:判斷在酸性溶液中H2O2與Fe2+混合時,能否發(fā)生氧化還原反應(yīng)?若能反應(yīng),寫出反應(yīng)方程式。0

V994.0

0.769V1.763V>=-=Fe

OH222+發(fā)生的反應(yīng):與解:)aq(OH

2e)aq(2H)g(O222++-+V6945.0=E)l(O2H

2e)aq(2H)aq(OH222++-+V763.1=E)aq(Fe

e)aq(Fe23++-+=E

0.769V

+)s(Fe

2e)aq(Fe2+-

0.4089V

-=E

)l(O2H)aq(Fe2)aq(2H

)aq(Fe2)aq(OH23222++++++)Fe/Fe(

)OH/OH(23222MF-=++EEE進(jìn)行?

時的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下能否向右25℃

?

)g(Cl

HCl

能用

實驗室中為

)2(2什么

)1(

試判斷反應(yīng):例0

0.131V1.360V1.2293V<-=-=所以,該反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下不能向右進(jìn)行。O(1)2H)g(Cl(aq)MnCl

4HCl(aq))s(MnO

2222+++

)l(O2H)aq(Mn

2e)aq(4H)s(MnO)1(

222++++-+解:V2293.1=EV360.1(aq)Cl

2

2e

(g)Cl2=+--E)Cl/(Cl

)Mn/(MnO

222MF-=-+EEEV30.1

121lg2V

0592.0

1.36V

2=+=1.36V

12lg2V

0592.0

1.2293V

4=+=)/MnMnO(22+E方法一:L12mol)Cl()H(

HCl

)2(1==--+cc中,濃]/)Cl([/)Cl(lg2V

0592.0)/ClCl()/ClCl(2222+=---ccppEE]/)Mn([]/)H([lg2V

0592.0)/MnMnO(

2422+=+++ccccE

)l(O2H)aq(Mn

2e)aq(4H)s(MnO222++++-+0

0.06V

>=12121lg2V0592.00.131V

24×--=)aq(2Cl)aq(4H)s(MnO2++-+方法二:)l(O2H)g(Cl)aq(Mn

222+++]/)Cl([]/)H([]/)Mn(][/)Cl([lg2V0592.0

2422MFMF-=-++ccccccppEE0

0.06V

1.30V1.36V>=-=)/ClCl()/MnMnO(222MF-=-+EEE8.4.3確定氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的限度,

時K15.298T=或lg2.303mrKRTG-=DMFmrZFEG-=Dlg2.303MF因為KRTZFE-=-lg3032MFKZFRT.E=V0257.0lnMFZEK=V0592.0lgMFnEK=

2.107V=)V955.0(512V.1--=4224)aq(6H)aq(OC5H)aq(2MnO+++-解:例:求反應(yīng)222)l(O8H)aq(2Mn)g(10CO

+++的平衡常數(shù)。422224MF)OCH/CO()Mn/MnO(

-=+-EEEMF563

0.0592V2.107V10

0.0592V

lg=×==nEK35610=K試求AgCl的溶度積常數(shù)。例:已知298K時下列電極反應(yīng)的E

值:

0.7991V=E0.2222V=EAg(s)

e)aq(Ag+-+)aq(ClAg(s)

e(s)

AgCl++--

Ag(s)

e)aq(Ag+-+

)aq(ClAg(s)

e(s)

AgCl++--(s)

AgCl

)aq(Cl)aq(Ag+-+1spKK=0.5769V

=

0.222V0.7991V

-=MF)Ag/AgCl()Ag/Ag(

-=+EEEMF0.0592V

lg=ZEKMFsp7449.90.0592V0.5769V

0.0592V

lg-===ZEK10-sp101.80

×=K經(jīng)常以pH=0和pH=14兩種條件作圖,橫線上的E值分別表示和。8.5元素電勢圖及應(yīng)用

在特定的pH條件下,將元素各種氧化數(shù)的存在形式依氧化數(shù)降低的順序從左向右排成一行。用線段將各種氧化態(tài)連接起來,在線段上寫出其兩端的氧化態(tài)所組成的電對的E值。便得到該pH值下該元素的元素電勢圖。下面是溴的元素電勢圖

BrO4-———BrO3-———HBrO———

Br2———Br-

+1.76+1.49+1.59+1.07

BrO4-———BrO3-———BrO-———

Br2———Br-

+0.52_+1.07+0.93+0.54+0.45

1

酸性的強(qiáng)弱而次溴酸則是弱酸,因為在酸性條件下它以分子態(tài)HBrO存在,并不發(fā)生電離。從元素電勢圖上,可以看出一些酸的強(qiáng)弱,以及非強(qiáng)酸在給定的pH條件下的電離方式。從上面溴元素的酸式圖上看出,在強(qiáng)酸介質(zhì)中,高溴酸的存在形式為BrO4-

,完全電離。故高溴酸是強(qiáng)酸。同理,溴酸和氫溴酸也是強(qiáng)酸。因為在酸中它們的存在形式分別為BrO3-和Br-。從下面碘元素電勢圖中,可以判斷高碘酸不是強(qiáng)酸,因為它在酸介質(zhì)中以分子態(tài)H5IO6存在,不發(fā)生電離。

H5IO6——IO3-——HIO——I2——I-

H3IO62-——IO3-——IO-——I2——I-

1.701.141.450.54

0.700.140.450.54

從碘元素的堿式圖中,可以進(jìn)一步看出在pH=14的條件下,將電離出兩個氫離子,以H3IO62-形式存在。

2計算電對的電極電勢例如,下圖是酸性體系中碘元素電勢圖的一部分:+1.14V+1.45VIO3-———HIO———I2可以從圖中直接得到IO3-/HIO

和HIO/I2兩個已知電對的電極電勢?,F(xiàn)在的問題是,如何求得不相鄰的IO3-和I2

組成的未知電對的電極電勢。寫出兩個已知電對和一個未知電對的電極反應(yīng)(1)IO3-+5H++4e=HIO+2H2OE1=1.14V

(2)HIO+H++e=1/2I2+H2OE2=1.45V(3)IO3-+6H++5e=1/2I2+3H2OE3=?

由于反應(yīng)(3)=(1)+(2),故有

A——————B——————C

結(jié)論:對于電勢圖中一般的三種氧化態(tài)A,B,CE1

E2E3z1ez2e[z3=(z1+z2)]e

有關(guān)系式

對于若干相關(guān)電對,則應(yīng)有

I2+2e=2I-E

=0.54V

?I2+e=I-E

=0.54V不論電極反應(yīng)的化學(xué)計量數(shù)是怎樣的倍數(shù)關(guān)系,其電極電勢E的值是不變的。但是上面兩個電極反應(yīng)的是不同的,且具有一定的倍數(shù)關(guān)系。這種倍數(shù)關(guān)系可由公式中的z值來確定。

3

判斷某種氧化態(tài)的穩(wěn)定性考察氯元素的圖的一部分:0.401.36

ClO-———Cl2———Cl-它意味著ClO-+H2O+e=1/2Cl2+2OH-

E1=0.40V

1/2Cl2+e=Cl-

E2=1.36V若組成原電池,因E2>E1,故2為正極1為負(fù)極。電池反應(yīng)為Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O E=0.96V這種反應(yīng)稱為歧化反應(yīng)。歧化反應(yīng)的條件E右>E左。

+0.77V-0.45V Fe3+————Fe2+————

Fe下面是Fe的元素電勢圖和Cu的元素電勢圖的一部分

E(右)<E(左),將發(fā)生逆歧化反應(yīng)

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