氧化还原反应和电极电势4节.ppt
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1、第七章 氧化还原反应和电极电势,学习内容,1.氧化还原反应的基本概念,2.原电池,5.电势法测定溶液的pH值(自阅),7 氧化还原反应和电极电势,3.电极电势,4.电极电势的应用,Zn+Cu SO4=ZnSO4+Cu,第一节 氧化还原反应的基本概念,-e-,+e-,锌元素被氧化,铜元素被还原,锌作还原剂,硫酸铜作氧化剂,元素所带的荷电数,化合价,取值:,0,1,2,整数,H2,H0,NaCl,Na+1,Cl-1,Fe3O4中铁元素的一个铁原子的荷电数,即Fe的化合价是多少呢?,O-2,不是整数,氧化值:用来表征一种元素在化合物中所处的化合状态,7-1 氧化还原反应的基本概念,一、氧化值 oxi
2、dation number,定义:,元素的氧化值是指该元素的一个原子的荷电数,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。,电负性是指成键原子吸引电子的能力。218页,求算元素氧化值的规则:,1.单质分子中,元素的氧化值为零。,2.简单原子离子中,元素的氧化值 等于它所带的电荷 数;,H2,O2,F2,Na,Zn,,0 0 0 0 0,Na+,Cl-,Ca2+,S2-,电荷数为+1,-1,+2,-2,钠元素氧化值为+1,氯 为-1,钙 为+2,硫 为-2,3.复杂离子中,所有元素的氧化值之和 等于离子的电荷数。,4.一个化合物中所有元素的氧化值之和为零。,SO42-,Mn
3、O4-,S+6O4-2 2-,+6+4(-2)=,-2,Mn+7O4-2-,+7+4(-2)=,-1,Na Cl,Ca C2 O4,K O H,+1-1,+1-2+1,+2 x-2,+1+(-1)=0,+1+(-2)+1=0,+2+2x+4(-2)=0,x=+3,5.大多数化合物中,氧元素的氧化值为-2,,氢元素的氧化值为+1。,例外,,过氧化物中,H2O2,O-1,金属氢化物中,NaH,H-1,OF2,F-1,O+2,原因:,电负性,F 4.0 O 3.5,OF的共用电子对,偏向F,氟氧化值为-1,,氧的氧化值为+2。,6.氧化值可以是分数。,Fe3O4,O-2,氧化值是由正负化合价的概念分
4、化发展而来,说明:,氧化值包含了化合价,同时还可以是分数。,氧化值是一个有一定人为性的经验概念,,它是按照一定规则指定了的一种数字,,用来表征元素在化合状态时的形式电荷数,,与物质结构无关。,例7-1,计算KMnO4、MnO42-、MnO2、Mn2+中Mn氧化值。,解:,已知K的氧化值为+1,,O的氧化值为-2,设Mn在这些化合物中的氧化值为x,在KMnO4中,,在MnO42-中,,在MnO2中,,Mn2+的氧化值为+2,+1+x+4(-2)=0,x=+7,x+4(-2)=-2,x=+6,x+2(-2)=0,x=+4,思考题1,指出下列元素的氧化值。,NH3,K2Cr2O7,CO2,CH4,H
5、NO3,Na2S2O3,-3,+6,+4,-4,+2,+5,二、氧化还原反应 oxidation-reduction,Cu+2 FeCl3=CuCl2+2 FeCl2,元素的氧化值发生了变化的化学反应。称,-2e-,+e-,Cu被氧化,Fe被还原,Cu还原剂,FeCl3氧化剂,氧化剂和还原剂之间发生了电子转移,,且氧化反应和还原反应同时发生。,氧化反应:,还原反应:,Cu Cu2+2 e-,Fe3+e-Fe2+,Cu+2 FeCl3=CuCl2+2 FeCl2,2 Fe3+Sn2+2 Fe2+Sn4+,氧化反应:,还原反应:,Sn2+Sn4+2 e-,Fe3+e-Fe2+,如果某元素的氧化值改
6、变,都用还原反应表示,元素的氧化值,高 低,得e物质,失e物质,共轭的氧化还原体系,某元素,高氧化态物质,氧化型Ox,低氧化态物质,还原型Red,还原反应:,氧化态和它的还原态组成氧化还原电对,,简称 电对 redox couple。,记为 Ox/Red,电对,Cu2+/Cu,Fe3+/Fe2+,Cl2/Cl-,Sn4+/Sn2+,Ag+/Ag,167页,某物质的氧化型的氧化能力,(+e 能力),其共轭的还原型的还原能力,反之,,还原能力强的,其共轭的氧化能力就弱。,Cu2+易得e,Cu 难失e,Zn 易失e,Zn2+难得e,思考题2,写出下列氧化还原反应的电对:,2 Fe2+Br2 2 Fe
7、3+2Br-,5H2C2O4+2MnO4-+6H+2Mn2+10CO2+8H2O,Hg2+Hg Hg22+,4 I-+4H+O2 2 I2+2H2O,Fe3+/Fe2+,Br2/Br-,MnO4-/Mn2+,CO2/H2C2O4,Hg2+/Hg22+,Hg22+/Hg,I2/I-,O2/H2O,7-2 原电池 primary cell,一、原电池的概念,将化学能转变成电能的装置。,产生电流,维持电路畅通,消除液体接触电势差,正极反应:,负极反应:,正极反应或负极反应,都称为电极反应,,或半电池反应,,简称半反应。,电池反应式:,Cu2+Zn=Cu+Zn2+,原电池,利用氧化还原反应将化学能转变
8、成电能的装置。,为了方便,,常用符号来表示cell装置。,7-2 原电池,二、原电池primary cell的组成式(符号表示法),其书写规定:,1、负极写在左边,正极写在右边;,2、“|”表示相界面;,同一相中不同组分,用“,”分开;,“|”,表示盐桥;,3、插在溶液中的惰性电极(Pt或C)也应写在电极中;,4、溶液注明活度a,气体注明分压Pi。,图7-1 铜-锌原电池示意图,e,e,Zn,Cu,ZnSO4,CuSO4,I,铜-锌原电池符号为:,(-),Zn,Zn2+(1mol/L),|,|,Cu2+(1mol/L),(+),Cu,|,Cu,Ag,Ag+,Cu2+,电池组成式:,(-),Ag
9、,Ag+(1mol/L),|,|,Cu2+(1mol/L),(+),Cu,|,Pt,Fe2+Fe3+,Ag,Cl-,(+):,(-):,正极组成:,Fe3+,Fe 2+Pt,Ag AgCl Cl-,负极组成:,该电池组成为:,|,(-),(+),Fe3+,Fe 2+Pt,Ag AgCl Cl-,任何一个自发进行的氧化还原反应,原则上都可以设计成一个相应的原电池。,Cu2+Zn=Cu+Zn2+,(-),Zn,Zn2+(1mol/L),|,|,Cu2+(1mol/L),(+),Cu,|,(-),Ag,Ag+(1mol/L),|,|,Cu2+(1mol/L),(+),Cu,|,Fe3+,Fe 2+P
10、t,Ag AgCl Cl-,|,(-),(+),2Ag+Cu=2Ag+Cu2+,Fe3+Ag+Cl-=Fe 2+AgCl,电极类型,电池中电极的种类很多,按其特点分:,金属-金属离子电极,金属-难溶盐-阴离子电极,氧化还原电极,气体电极,离子选择性电极,银电极,甘汞电极,含惰性极板的电极,氢电极,玻璃电极,了解,银电极:金属银与银离子组成的电极,电极组成:,电极反应式:,电对:,Ag+/Ag,Ag+Ag,了解,电极组成:,电极反应式:,电对:,电极组成:,电极反应式:,电对:,含惰性极板的电极:,Pt插入含有Fe3+,Fe2+离子的溶液中组成的电极,氢电极:吸附饱和H2的Pt插入H+溶液中,F
11、e3+/Fe2+,Fe3+,Fe 2+Pt,H+H2 Pt,H+/H2,了解,例7-3,将下列氧化还原反应拆成两个半反应,,写出电极组成和电池符号。,2MnO4-+5H2O2+6H+=2Mn2+8H2O+5O2,(+):MnO4-,Mn2+,H+Pt,(-):Pt O2 H2O2,H+,Pt O2H2O2,H+,MnO4-,Mn2+,H+Pt,|,(-),(+),解:,两个半反应:,电极组成:,该电池符号:,(-):,(+):,7-3 电极电势 electrode potential,一、电极电势的产生,电极电势产生的原因很复杂,一般认为是由化学作用引起的。,以金属及其盐溶液组成的电极为例简要
12、说明:,电极组成:Mn+M,金属活泼溶液很稀,溶解 沉积,e留在M中,金属电势降低,二、原电池的电动势 electromotive force,定义:,电池的正极与负极之间的平衡电势差。,符号:,(为希腊字母,读epsilon),=+-,电极电势也用符号 电对 表示,电池的电动势:,电极电势的大小取决于,金属的本性(活泼程度)、温度、金属离子的浓度等。,电极电势的符号:,Ox/Red,电池电动势的大小和方向在物理学上是可以测定的。但要得到一个电极的电极电势的绝对值,科学技术至今无法做到。,为了获得各种电极的电极电势的相对大小,必须选定一个电极作为标准。,International Union
13、of Pure and Applied Chemistry,IUPAC选定“标准氢电极”的电势作为标准,人为地规定 标准氢电极的电极电势为零。,二、标准电极电势,1、标准氢电极 standard hydrogen electrode,简记 SHE,将镀有铂黑(铂粉)的铂片浸入到 H+活度为1mol/L的酸溶液中,298.15K时连续通入压力为100kPa的纯氢气流,使铂黑吸附氢气达饱和。,铂黑,H2,图7-3 标准氢电极SHE,电极组成:,Pt H2(100kPa)H+(1mol/L),电极反应:,规定:,2、电极的标准状态:,298.15K,各电极的反应物浓度 1mol/L,,气体,P=10
14、0kPa,物质皆为纯净物,3、电极的标准电极电势,符号:,定义:,标准状态下,某电极与标准氢电极之间的电势差。,原电池:,(-)标准氢电极SHE待测电极(+),测得该电池电动势:,-,=,例,电池:(-)SHECu2+(1mol/L)|Cu(+),298.15K时,测得,-,铜电极的标准电极电势比标准氢电极的电势,高 0.3394伏特,例,电池:(-)SHEZn2+(1mol/L)|Zn(+),298.15K时,测得,-,=0.0000V,=-0.7621 V,锌电极的标准电极电势比标准氢电极的电势,低 0.7621伏特,三、标准电极电势表,1、标准电极电势表,见362页附录五,电极组成,Ox
15、+ze Red,K+K,K+e K,-2.936,Zn2+Zn,Zn2+2e Zn,Cu2+Cu,Cu2+2e Cu,-0.7621,+0.3394,0.0000,MnO4-,Mn2+,H+Pt,MnO4-+8H+5e Mn2+4H2O,+1.512,H+H2,Pt,2H+2e H2,按电极电势由低到高的顺序排列;,标准电极电势表,高低反映了氧化还原电对得失电子的难易程度,使用此表注意几个问题:,越大,越小,电对Ox/Red,Red易失 e,还原能力越强,Ox易得 e,氧化能力越强,值是在标准状态下的水溶液中测得的。,不适用于非水溶液系统及高温下的固相间的反应。,表中所列 值的正负号不因电极反
16、应 进行的方向而改变;,包括反应所需的H+、OH-、H2O等,=-0.7621 V,=?V,-0.7621,是电极处于平衡状态下的电势,电极的标准电极电势具有强度性质,没有加合性,与物质的数量无关。,似温度:25水+25水,25水,+0.769,实际上大多数化学反应都是在非标准状态下进行的,且溶液中的离子浓度随时改变。,如果电极反应不是在标准状态时,电极的电极电势该是多少呢?,一个电极的电极电势的大小不仅与电极的本性有关,而且与溶液中的离子浓度、温度等因素有关。这些相关性体现在 Nernst 方程式中,五、Nernst equation,(电极在非标准状态下电极电势的计算公式),电极反应:,电
17、极电势的能斯特方程式:,电对Ox/Red在指定浓度下的电极电势,电对Ox/Red的标准电极电势,R:摩尔气体常数,T:绝对温度,F:Faraday常数,R=8.314 Jmol-1K-1,T=(273.15+t)K,F=96485 Cmol-1=96485 JV-1mol-1,ln x=2.303 lg x,25 即 T=273.15+25=298.15(K),=,=0.05916,25时,电极电势的Nernst方程式:,Ox/Red=Ox/Red+,7式,正确书写能斯特方程式,注意:,1、必须配平半反应;,2、Red包含半反应中右边所有的物质,,Ox包含半反应中左边所有的物质;,3、对于纯固
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- 氧化 还原 反应 电极 电势
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