基础化学徐春祥主编第七章氧化还原反应和电极电势ppt课件.ppt

第一节 氧化还原反应的基本概念第二节 原电池 第三节 电极电势和原电池的电动势第四节 电极电势的应用 第五节 直接电势法测定溶液的,第七章 氧化还原反应和电极电势,pH,四、氧化还原反应方程式的配平,三、氧化还原电对,第一节氧化还原反应的基本概念,二、氧化剂和还原剂,一、氧化值,一、氧化值,氧化值定义为某元素一个原子的荷电数， 这种荷电数由假设把每个化学键中的电子指定 给电负性较大的原子而求得。 确定氧化值的方法如下： (1) 在单质中，元素的氧化值为零。 (2) O元素的氧化值，在正常氧化物中皆为 -2；但在过氧化物中为 -1；而在超氧化物中为 -1/2；在OF2中为+2。,(3) H 元素在一般化合物中的氧化值为+1；但在金属氢化物中为-1。 (4) 在简单离子中，元素的氧化值等于该元素离子的电荷数；在复杂离子中，元素的氧化值代数和等于离子的电荷数。 (5) 在中性分子中，所有元素的氧化值代数和等于零。,例题,在 Na2S2O3 中，S 元素的氧化值为 +2。,例7-1 计算 Na2S2O3 中 S 元素的氧化值。,解：在Na2S2O3中，O元素的氧化值为-2，Na元素的氧化值为 +1。设 S 元素的氧化值为 x，则有：,元素的氧化值发生变化的反应称为氧化还原反应。在氧化还原反应中，元素的氧化值升高的过程称为氧化；氧化值降低的过程称为还原。 使别的物质氧化 (元素的氧化值升高) 而本 身被还原 (元素的氧化值降低) 的物质称为氧化剂；使别的物质还原 (元素的氧化值降低) 而本身被氧化 (元素的氧化值升高) 的物质称为还原剂。,二、氧化剂和还原剂,判断一种物质是做氧化剂还是做还原剂，通常可以依据以下原则： (1) 当元素的氧化值为最高值时，它的氧化 值不能再增大，只能做氧化剂。 (2) 当元素的氧化值为最低值时，它的氧化 值不能再减小，只能做还原剂。 (3) 处于中间氧化值的元素，它既可以做氧 化剂，也可以做还原剂。,氧化剂与它的还原产物及还原剂与它的氧化产物称为氧化还原电对，简称为电对。其中，氧化值较高的物质称为氧化型物质，用符号 Ox 表示；氧化值较低的物质称为还原型物质，用符号Red 表示。书写电对时，氧化型物质在左侧，还原型物质在右侧，中间用斜线“”隔开，即把电对写成 OxRed。 在氧化还原电对中，氧化型物质得电子，在反应中做氧化剂；还原型物质失电子，在反应中做还原剂。氧化型物质的氧化能力越强，其对应的还原型物质的还原能力就越弱；氧化型物质的氧化能力越弱，其对应的还原型物质的还原能力就越强。,三、氧化还原电对,先将两个半反应配平， 再将两个半反应合并 为氧化还原反应的方法称为离子-电子法。 离子- 电子法的配平步骤如下： (1) 将反应物和产物以离子形式写出，例如：,四、氧化还原反应方程式的配平,(2) 将氧化还原反应分为两个半反应，一个 发生氧化反应，另一个发生还原反应：,(3) 分别配平两个半反应：,(4) 确定两个半反应得、失电子数的最小公倍数，将两个半反应分别乘以相应系数，使其得、失电子数相等，再将两个半反应合并为一个配平的氧化还原反应的离子方程式。,最后，在配平的离子方程式中添加不参与反应的阳离子和阴离子，写出相应的化学式，就可以得到配平的氧化还原反应方程式。,例题,例7-2 用离子-电子法配平下列氧化还原反应：解：先写成离子反应式：将离子反应式分成两个半反应：,分别配平两个半反应：,根据得、失电子数相等的原则，将两个半反应合并，写出配平的离子方程式：,最后写出配平的氧化还原反应方程式：,第二节 原 电 池,一、原电池的组成 二、原电池符号,一、原电池的组成,利用氧化还原反应将化学能转变为电能的装置称为原电池。从理论上讲，任何自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。,原电池中的盐桥是一支倒置的型管，管中填满了用饱和 KCl(或NH4NO3) 溶液和琼脂调制成的胶冻，这样 KCl 溶液不致流出，而阴、阳离子可以在其中自由移动。盐桥的作用是构成原电池的通路和维持溶液的电中性。 原电池由两个半电池组成。半电池又称电极，每一个电极都是由电极导体和电解质溶液组成。,分别在两个半电池中发生的氧化反应或还 原反应，称为半电池反应或电极反应。原电池 的两极所发生的总的氧化还原反应称为电池反 应。 在原电池中，流出电子的电极称为负极，流入电子的电极称为正极。原电池的正极发生 还原反应，负极发生氧化反应。,二、原电池符号,为简便起见，原电池常用符号表示。书写原 电池符号的方法如下： (1) 在半电池中用“ ”表示电极导体与电解质溶液之间的界面。 (2) 原电池的负极写在左侧，正极写在右侧并用“”、“”标明正、负极，把正极与负极用盐桥连接，盐桥用“ ”表示，盐桥两侧是两个电极的电解质溶液。,=,，,(3) 溶液要注明浓度，气体要注明分压力 (4) 如果电极中没有电极导体，必须外加一惰性电极导体，惰性电极导体通常是不活泼的金属（如铂）或石墨。,例题,。,原电池的正极发生还原反应，负极发生氧化反应。因此组成原电池时，电对 为正极，电对 为负极。故原电池符号为：,第三节电极电势和原电池的电动势,一、电极电势的产生二、原电池的电动势 三、标准电极电势 四、原电池的电动势与摩尔吉布斯函数变的关系 五、Nernst 方程,一、电极电势的产生,把金属插入含有该金属离子的盐溶液中，金属表面的金属离子有溶解到溶液中成为水合离子的趋势，溶液中的水合金属离子也有从金属表面获得电子，沉积在金属表面上的趋势。当金属的溶解速率与金属离子的沉积速率相等时，建立了如下平衡：,溶解,沉淀,当达到平衡时，如果金属溶解的趋势大于金属离子沉积的趋势，金属表面带负电，而金属表面附近的溶液带正电；反之，若金属离子沉积的趋势大于金属溶解的趋势，金属表面带正电，而金属表面附近的溶液带负电。这种产生于金属表面与含有该金属离子的溶液之间的电势差称为电对 的电极电势。,二、原电池的电动势,在没有电流通过的情况下，正、负两极的电极电势之差称之为原电池的电动势。,三、标准电极电势,至今还没有办法能够准确测量单个电极的电极电势的绝对值。但可以选定一个电极作为比较标准，确定各个电极对此比较电极 (称为参比电极) 的相对电极电势。 IUPAC建议采用标准氢电极作为标准电极这个建议已被接受，并成为正式的约定。根据这个规定，电极的电极电势就是给定电极与同温度下标准氢电极所组成的原电池的电动势。,。,(一) 标准氢电极 吸附在铂片上的 H2 与溶液中的 H+ 建立了如下动态平衡：,这种产生在100 kPa H2饱和了的铂片与 H+活度为的酸溶液之间的电势差，称为标准氢电极的电极电势。规定标准氢电极的电极电势为零：,=,（-）标准氢电极 待测标准电极 （+）,测量某给定电极的标准电极电势时，可将待测标准电极与标准氢电极组成下列原电池：,(二) 标准电极电势的测量,测量出这个原电池的电动势，就是待测电极的标准电极电势。,测定铜电极的标准电极电势,四、原电池的电动势与摩尔吉布斯函数变 的关系,在等温、等压条件下，系统的吉布斯函数变等于系统所做的最大非体积功。对于电池反应来说，最大非体积功就是最大电功。,上式除以反应进度得：,如果电池反应是在标准状态下进行，又可改写为：,例题,例7-4 宇宙飞船上使用的氢-氧燃料电池，其电池反应为：计算 298.15 K 时反应的标准摩尔吉布斯函数变和电池的标准电动势。,解：298.15 K 时，反应的标准摩尔吉布斯函数变为：,298.15 K 时原电池的标准电动势为：,某给定电极的电极反应为：,五、Nernst 方程,电池反应为：,=,（-）标准氢电极 待测电极 （+）,把该电极与标准氢电极组成原电池：,按规定， 和 分别是给定电极的电极电势 和标准电极电势。上式可改写为： 上式称为 Nernst 方程。,例题,整理得：,电池反应的摩尔吉布斯函数变为：,例7-5 写出下列电极反应的 Nernst 方程式：,解：上述电极反应的 Nernst 方程式分别为：,温度为 298.15 K 时，将 T, R, F 的量值代入 Nernst 方程，可得:,根据 Nernst方程，在一定温度下，对于给定的电极，氧化型物质或还原型物质的活度的变化将引起电极电势的变化。增大氧化型物质的活度或降低还原型物质的活度，都会使电极电势增大；相反，降低氧化型物质的活度或增大还原型物质的活度，将使电极电势减小。,例题,例7-6 已知 298.15 K 时， 。计算金属银插在 AgNO3 溶液中组成 电极的电极电势。,解：298.15K时， 电极的电极电势为：,计算结果表明：当 Ag 浓度由 降低到 时，电极电势相应地由 0.7991V减小到 0.6806 V。,例7-7 已知298.15 K 时， 。计算将铂丝插在 ， 溶液中组成 电极的电极电势。解：298.15 K 时， 电极的电极电势为： 计算结果表明: 当Fe2+浓度由 降低到 时,电极电势相应地由0.769 V增大 0.828V。,例7-8 已知298.15K时， 。把铂丝插入 , 溶液中，计算 电极的电极电势。,解：298.15 K 时，电极的电极电势为：,计算结果表明：当浓度从 降低到 时， 电极的电极电势由 1.512 V 减小到 1.228 V。,一、比较氧化剂和还原剂的相对强弱 二、计算原电池的电动势 三、判断氧化还原反应的方向 四、确定氧化还原反应进行的程度 五、元素电势图,第四节电极电势的应用,一、比较氧化剂和还原剂的相对强弱,电极电势反映出电极中氧化型物质得到电子的能力和还原型物质失去电子的能力。电极的电极电势越大，就意味着电极反应：,越容易进行，氧化型物质越易得到电子，是越强的氧化剂；而对应的还原型物质越难失去电子，是越弱的还原剂。电极的电极电势越小，电极中的还原型物质越易失去电子，是越强的还原剂；而对应的氧化型物质越难得到电子，是越弱的氧化剂。,用电极电势比较氧化剂和还原剂的相对强弱时，要考虑浓度及 pH 等因素的影响。当电对处于非标准状态下，必须计算出各电对的电极电势，然后再进行比较。,例题,例7-9 在298.15K、标准状态下，从下列电对中选择出最强的氧化剂和最强的还原剂，并列出各种氧化型物质的氧化能力和还原型物质的还原能力的强弱顺序。,解：查得：,上述电对中， 最大,而 最小，因此，在标准状态下 电对中的氧化型物质 是最强的氧化剂；电对 中的还原型物质 是最强的还原剂。 在标准状态下，上述电对中氧化型物质的氧化能力由强到弱的顺序为：还原型物质的还原能力由强到弱的顺序为：,在原电池中，电极电势较大的电极是原电池的正极，电极电势较小的电极是原电池的负极。原电池的电动势等于正极的电极电势减去负极的电极电势。,二、计算原电池的电动势,例题,例7-10 在298.15K 时，将银丝插入 AgNO3 溶液中，铂片插入FeSO4和 Fe2(SO4)3 混合溶液中组成原电池。试分别计算出下列两种情况下原电池的电动势，并写出原电池符号、电极反应和电池反应。 解：,，,。,(1) ，在标准状态下将电对 和 组成原电池，标准电极电势较大的电对 为原电池正极，标准电极电势较小的的电对 为原电池的负极。 原电池的电动势为：,原电池符号为：,=,电极反应和电池反应分别为：,正极反应：,负极反应：,电池反应：,(2) 电对 和 的电极电势分别为：,由于 ，故电对 为正极， 为负极。,原电池电动势为：,=,原电池符号为：,电极反应和电池反应分别为：,正极反应：,负极反应：,电池反应：,三、判断氧化还原反应的方向,任何一个氧化还原反应，原则上都可以设计成原电池。利用所设计的原电池的电动势，可以判断氧化还原反应进行的方向：,时， ，反应正向进行；,时， ，反应处于平衡状态；,时， ，反应逆向进行。,从原电池的电动势与电极电势的关系来看，只有 时，氧化还原反应才能自动向正反应方向进行。,实际上，利用氧化剂和还原剂的相对强弱判断氧化还原反应方向更为方便。在氧化还原反应中，总是较强的氧化剂与较强的还原剂相互作用，生成较弱的还原剂和较弱的氧化剂。,例题,例7-11 判断 298.15 K 时,氧化还原反应:在下列条件下进行的方向。解：,，,。,(1) 由于 ，因此标准状态下Pb2+为较强的氧化剂，Sn为较强的还原剂在标准状态下，将电对 和 组成氧化还原反应时，Pb2+ 做氧化剂，Sn 做还原剂，上述氧化还原反应正向进行。,(2) 和 的电极电势分别为：,。,由于 ，因此 Sn2+为较强的氧化剂，Pb 为较强的还原剂。将电对 和 组成氧化还原反应时，Sn2+做氧化剂， Pb 做还原剂，上述氧化还原反应逆向进行。,四、确定氧化还原反应进行的程度,氧化还原反应进行的程度可以用反应的标准平衡常数来衡量。氧化还原反应的标准平衡常数与原电池的标准电动势的关系为：,当 T =298.15 K 时，上式可改写为：,原电池的标准电动势越大，对应的氧化还原反应的标准平衡常数也就越大，反应进行得就越完全。,例题,例7-12 试估计 298.15 K 时反应： 进行的程度。解：反应的标准电动势为：,298.15 K 时反应的标准平衡常数为：,很大，说明反应正向进行得很完全。若平衡时 Zn2+ 浓度为 ，则 Cu2+ 浓度仅为 。,例7-13已知298.15K时下列电极的标准电极电势：,解：在 298.15 K、标准状态下将上述两个电极设计成一个原电池，电极 为负极，电极 为正极。原电池符号为：,试求 298.15 K 时 AgCl 的标准溶度积常数。,=,正极反应：,负极反应：,电池反应：,298.15 K 时，电池反应的标准平衡常数为： 298.15 K 时，AgCl 的标准溶度积常数为：,五、元素电势图,把各电对的标准电极电势以图的形式表示出来，这种图称为元素电势图。 （一）元素电势图 按元素的氧化值由高到低的顺序把各个不同氧化值物质从左到右依次排列，将不同氧化值的物质之间用直线连接，在直线上标明两种不同氧化值物质所组成的电对的标准电极电势。例如：,图中所对应的电极反应是在酸性溶液中发生的：,1. 计算电对的标准电极电势利用元素电势图，可以从某些已知电对的标准电极电势计算出另一个电对的未知标准电极电势。例如 ：,（二）元素电势图的应用,由元素电势图得：由上式得：,例题,例7-14 已知 Mn 元素在碱性溶液中的电势图,试计算,。,解：电对 在碱性溶液中的标准电,极电势为：,若 ，B 将发生歧化反应：,若 ，B不能发生歧化反应，而 A 与 C 能发生逆歧化反应：,. 判断歧化反应能否发生 氧化值的升高和降低发生在同一物质中的同一种元素上的氧化还原反应称为歧化反应。 在元素电势图中：,第五节 直接电势法测定溶液的,一、指示电极 二、参比电极三、溶液 的测定,一、指示电极,指示电极的电极电势与待测离子浓度之间的定量关系符合 Nernst 方程式，或电极电势与被测离子浓度的对数成直线关系。氢电极是H+ 的指示电极，当时，氢电极的电极电势为：,实际上，广泛使用的H+ 指示电极是玻璃电极。玻璃电极的电极电势与待测溶液的pH、温 度有关：,二、参比电极,参比电极的电极电势已知且恒定，它是测定原电池的电动势和计算指示电极的电极电势的基准。 （一）甘汞电极 甘汞电极是由 Hg，Hg2Cl2(甘汞)和 KCl 溶液组成的电极，其电极组成为: Hg, Hg2Cl2(s) | KCl(aq),时，饱和甘汞电极的电极电势为 0.2415 V。,甘汞电极的电极反应为：,甘汞电极的 Nernst 方程式为：,（二）银-氯化银电极 银-氯化银电极是在银丝上镀一层AgCl，浸 在一定浓度的KCl溶液中构成，它的电极组成可 表示为 Ag,AgCl(s)|KCl(aq)。Ag-AgCl 的电极反 应为： Ag-AgCl 电极的 Nernst 方程式为：,三、溶液 pH 的测定,用直接电势法测定溶液的 pH 时，以玻璃电极为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，插入待测溶液中组成如下原电池： （-）玻璃电极待测溶液饱和甘汞电极（）,此原电池的电动势为：,在实际测定时，常采用直接比较法。将指示电极和参比电极分别插入 pH 已知的标准缓冲溶液（S）、pH未知待测溶液（X）中，分别测定标准缓冲溶液和待测溶液组成的原电池的电动势 ES 和 EX 。,以上两式相减可得： 当 =298.15 K 时，上式可以改写为：,例题,解： 298.15时待测溶液的 pH 为：,例7-13 298.15 K 时，将玻璃电极和饱和甘汞电极插入 pH 为 3.75 的标准缓冲溶液中组成原电池，测得原电池电动势为 0.0954 V。再将玻璃电极和饱和甘汞电极插入待测溶液中组成原电池，测得原电池电动势为 0.240 V，试求待测溶液的 pH。,