第五章氧化还原反应课件.ppt
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1、第5章 氧化还原反应,5.1 氧化还原反应的基本概念5.2 氧化还原方程式配平5.3 电极电势5.4 电极电势的应用5.5 元素电势图及其应用,教学目的:1. 掌握氧化还原反应的基本概念,能配平氧化还原反应式。2. 理解电极电势的概念,能用能斯特方程进行有关的计算。3. 掌握电极电势在有关方面的应用。4. 了解原电池电动势与吉布斯自由能变得关系。5. 掌握元素电势图及其应用。,5.1 氧化还原反应的基本概念,5.1.1 氧化和还原氧化:物质失去电子的作用;还原:物质获得电子的作用;5.1.2 氧化数氧化数:指某元素一个原子的表观电荷数。,经验规则: 化合物中各元素氧化数的代数和为零。单质中,原
2、子的氧化数等于零。(N2, H2, O2 等)在中性分子中,所有原子氧化值的代数和为零。 在复杂离子中,所有原子的氧化值代数和等于离子的电荷数。碱金属+1 、碱土金属+2、F-1。氢的氧化值一般为+1,氧的氧化值一般为-2 在卤化物中,卤素为-1O: 1(H2O2); -0.5 (KO2 ); OF2 +2 ;H: 1, CaH2 、NaH,氧化还原反应凡有电子得失或共用电子对偏移发生的反应。 氧化失去电子或共用电子对偏离的变化,相应的物质称为“还原剂”; 还原得到电子或共用电子对接近的变化,相应的物质称为“氧化剂”。 氧化过程:元素的氧化数; 还原过程:元素的氧化数。例1:2 Na(s) +
3、 Cl2 (g) = 2 Na+Cl-(s) H2(g) + Cl2(g) = 2 HCl (g),2 KClO3 (s) 2 KCl(s) + 3 O2(g) 2 HgO (s) 2 Hg(l) + O2(g) 同一物质,既是氧化剂,又是还原剂,但氧化、还原发生在不同元素的原子上,称为自氧化还原反应 Cl2 (g) + H2O (l) = HOCl (aq) + HCl (aq) 同一物质中同一元素的原子,有的氧化数,有的氧化数,称为“歧化反应”。,5.2 氧化还原反应方程式配平,5.2.1 氧化数法*适用于任何氧化还原反应 依据:氧化数增减的数值必须相等(还原剂氧化数的升高总值 = 氧化剂
4、氧化数降低总值 ),第一步是氧化数的配平 标出氧化剂及其还原产物和还原剂及其氧化产物中相关元素的氧化数,以化学式为单位计算氧化剂和还原剂的氧化数变化,按最小公倍数的原则,并各乘以最小因数(即化学计量系数)使氧化数增减的总数相等。,还原剂As2S3中As、S 两种元素的氧化数均升高,故将其合并考虑2 As:2(5-3)=4 3 S :3(6-(-2)=24因此,As2S3的氧化数共升高28还原剂HNO3中仅N的氧化数降低HNO3:2 - 5 = -3最小公倍数为84,因此得:,第二步是介质配平,即按介质的酸性、中性、或碱性配平反应式两边氧化数未改变的原子数。得,第三步是按第一步和第二步进行检查,
5、确认无误后将箭头改为双横线。得,KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 A.据反应事实,写出反应产物,注意介质酸性:KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 MnSO4 +Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2OB.调整计量系数,使氧化数升高值 = 降低值: +7 +2KMnO4+5FeSO4 + H2SO4 +2 +3 MnSO4+5/2Fe2(SO4)3 + K2SO4+ H2OC.若出现分数,可调整为最小正整数:2 KMnO4 +10 FeSO4 + H2SO4 2 MnSO4 + 5 Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O,D. 配平各元素原子数(观察法)先配平非H
6、、O原子,后配平H、O原子。 (1)配平K+、SO42-数目 SO42-:左11,应+7;右18 2 KMnO4 +10 FeSO4 + 8 H2SO4 2 MnSO4 +5 Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O(2)配平H+数目 H+:左16,右2,应8H2O 2 KMnO4 +10 FeSO4 + 8 H2SO4 = 2 MnSO4 +5 Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8 H2O(3)配平(或核对)O在原子数目:检查确认已平衡。,对于电解质在溶液中的反应,也可通过“离子方程式”表示(更简洁),配平步骤类似: MnO4- + Fe2+ + H+ Mn2+ + Fe3+ +
7、 H2O MnO4- + 5 Fe2+ + 8 H+ = Mn2+ + 5 Fe3+ + 4 H2O,MnO4- 在酸性条件下产物为Mn2+ ;中性条件下为MnO2 碱性条件下为MnO42-。若写为: MnO4- + 3 Fe2+ + 4 H+ = MnO2+ 3 Fe3+ + 2 H2O 错!产物与实验事实不符,不是MnO2,而是Mn2+;若写为:MnO4- +5 Fe2+ + 4 H2O = Mn2+ +5 Fe3+ + 8 OH-错!虽然物料平衡、电荷平衡,但介质不符。,HClO3 + P4 HCl + H3PO4,+ 5 0 -1 +5,HClO3 + P4 HCl + H3PO4,(
8、 -1 ) (+5 ) = - 6,( +5 ) 0 4 = + 20,10HClO3 + 3P4 10 HCl + 12H3PO4,10HClO3 + 3P4 + 18 H2O 10 HCl + 12H3PO4,10HClO3 + 3P4 + 18 H2O =10 HCl + 12H3PO4,5.2.2 离子电子法,配平原则: 电荷守恒:得失电子数相等 质量守恒:反应前后各元素原子总数相等。,配平步骤: 把氧化剂中起氧化作用的离子及其还原产物,还原剂中起还原作用的离子及其氧化产物,分别写成两个未配平的离子方程式。 分别将原子数和电荷数配平。 根据电荷守恒,以适当系数分别乘以两个半反应式,然后
9、合并,整理,即得配平的离子方程式。,Cr2O72- + HSO3- Cr3+ + SO42-第一步,分别写出两个半反应式:,Cr2O72- Cr3+ (还原) HSO3- SO42-(氧化)第二步,由于反应是在酸性介质中进行的,在第一个半反应式中,产物的氧原子数少于反应物的氧原子数,应在左侧加H+,使所有的氧原子都化合而成H2O,并在左侧加上一定数量的电子使反应前后电荷也相等,即:,Cr2O72- + 14H+ + 6e 2Cr3+ + 7H2O (还原)HSO3- + H2O SO42- + 3H+ +2e (氧化),第三步,根据获得电子和失去电子数必须相等的原则,将两边电子消去,加合而成一
10、个配平了的离子反应式:,Cr2O72- + 14H+ + 6e 2Cr3+ + 7H2O3(HSO3- + H2O SO42- + 3H+ +2e)加合 Cr2O72- + 5H+ + 3 HSO3- 2Cr3+ + 4H2O + 3SO42- 检查 Cr2O72- + 5H+ + 3 HSO3- = 2Cr3+ + 4H2O + 3SO42-,1.把反应分为氧化反应, 还原反应(均为“半反应”, “电极反应”): (还原反应) (氧化反应)2.调整两个“半反应”的计量系数,使得电子总数 = 失电子总数.,3. 合并上述2个“半反应”:,MnO4- + SO32- = SO42- + Mn2+
11、(2) MnO4- + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4H2O SO32- + H2O = SO42- + 2H+ + 2e- (3) 2 + 5得 2MnO4- + 16H+ + 10e- = 2Mn2+ + 8H2O+) 5SO32- + 5H2O = 5SO42- + 10H+ + 10e- 2MnO4- + 5SO32- + 6H+ = 2Mn2+ + 5SO42- + 3H2O2KMnO4 + 5K2SO3 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 6K2SO4 + 3H2O,书 P 103例题 5-3,5-4,5.3 电极电势,5.3.1 原电池5.3.2 电极电势5.3.3
12、 能斯特方程5.3.4 原电池的电动势与吉布斯自由能的关系,5.3.1 原电池: 借助于氧化还原反应,把化学能转变成电能的装置。 Zn+CuSO4(aq) = ZnSO4(aq)+Cu,工作状态的化学电池同时发生三个过程: 两个电极表面分别发生氧化反应和还原反应电子流过外电路。离子流过电解质溶液,锌-铜原电池(Daniell Cell电池)发生的反应:Zn极(负极): Zn - 2e = Zn2+Cu极(正极): Cu2+ + 2e = Cu原电池总反应: Zn(s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq) + Cu(s),盐桥(饱和KCl(aq) + 琼脂)的作用:作为正、负离子通道,使
13、两个“半电池”的溶液都保持电中性。原电池:负极: 电势低, 电子流出, 发生氧化反应;正极: 电势高, 电子流入, 发生还原反应。,原电池符号:原电池的装置可以用符号表示,通常对符号作如下规定: 半电池的两相之间的界面用“”表示,同相的不同物种用“,”隔开。 两个半电池之间的盐桥或隔膜用“”表示。 负极写在左边,正极写在右边,分别用符号(-)和(+)表示。 表示出相应的离子浓度或气体压力。 (-) Zn(s) | ZnSO4 (1 mol.L-1) | CuSO4 (1 mol.L-1) | Cu(s) (+),练习用原电池符号表示以下反应Sn4+(0.1mol/L) + Cd = Sn2+
14、(0.01mol/L) + Cd2+(0.1mol/L),【例题】根据原电池符号写出电极反应和电池反应方程式(-)(Pt), H2(100kPa) | H+(1molL-1) | Fe3+(1molL-1) , Fe2+(1 molL-1) | Pt(+)负极:氧化反应 H2 - 2e = 2H+正极:还原反应 Fe3+ + e = Fe2+ 放电总反应: H2 + 2Fe3+ = 2H+ + 2Fe2+,给出电池符号,要能够写出半反应(电极反应)和电池反应方程式。 给出总反应方程式,要能够设计为原电池,写出电池符号和半反应(电极反应)方程式. 研究化学电池中氧化还原反应过程以及化学能与电能互
15、相转变规律的化学分支,称为“电化学”。 化学电池原电池(即化学能电能的装置 )和电解池(电能化学能的装置 ),电解池是使用直流电促使非自发的氧化还原反应发生的装置, 例:电解精炼铜 . 电解池: 阳极(Anode)-与原电池正极连接,总是发生氧化反应: Cu(s) = Cu2+(aq) + 2e (阳极为粗铜)阴极(Cathode)-与原电池负极连接,总是发生还原反应: Cu2+(aq) + 2e = Cu(s) (阴极为精铜),M活泼,M不活泼,稀,溶解 沉积 沉积 溶解,-,+,+,-,-,+,+,-,-,浓,双电层理论,5.3.2 电极电势, 金属-金属离子电极 电极反应Zn2+ + 2
16、e = Zn 电极符号Zn (s) Zn2+ + (aq) 气体-离子电极 电极反应2H+ (aq)+ 2e = H2(g) 电极符号Pt H2(g) H+ (aq),电极的类型, 金属-金属难溶盐电极 电极反应AgCl(s)+ e = Ag(s)+ Cl- (ag) 电极符号Ag-AgCl (s) Cl- (aq) 氧化还原电极或浓差电极 电极反应Fe 3+ (aq)+ e = Fe 2+ (ag) 电极符号PtFe 3+ (aq,c1), Fe 2+ (aq, c2),标准电极电势 :指标准电极的电势. 凡是符合标准态条件的电极都是标准电极.,(2) 标准氢电极:标准电极电势的绝对值是无法
17、测定的.于是建立了标准氢电极。,Pt | H2(100kPa) | H+(1mol.L-1),(3)参比电极甘汞电极,电极反应 : Hg2Cl2(s) + 2e = Hg(l) +2Cl- (KCl)电极符号: Pt, Hg (l) l Hg2Cl2 (s) l Cl- (2.8 mol L-1) E (Hg2Cl2(s)/Hg(l) ,饱和) = +0.2415 V电极符号: Pt, Hg (l) l Hg2Cl2 (s) l Cl- (1 mol L-1) E (Hg2Cl2(s)/Hg(l) ) = +0.2628 V,(4)指示电极 金属-金属离子电极;金属-金属难溶盐电极;浓差电极(
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