《大学化学教学课件》9氧化还原反应.ppt
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1、1. 掌握掌握氧化值的概念、电池组成式、氧化还原氧化值的概念、电池组成式、氧化还原 反应的方向的判断、电极电位的反应的方向的判断、电极电位的Nernst方程方程 式、氧化还原反应的平衡常数。式、氧化还原反应的平衡常数。2. 熟悉熟悉原电池结构及正、负电极反应的特点,原电池结构及正、负电极反应的特点,能正确地将一个氧化还原反应拆成两个半反能正确地将一个氧化还原反应拆成两个半反应并组成原电池。应并组成原电池。3. 了解了解电极类型、电极电位产生的原因,电动电极类型、电极电位产生的原因,电动势与自由能的关系、电位法测定溶液势与自由能的关系、电位法测定溶液pH的的原理、新型化学电池和生物电化学传感器。
2、原理、新型化学电池和生物电化学传感器。本章教学要求本章教学要求33*自发地将化学能转变成电能;自发地将化学能转变成电能;将电能转变为化学能将电能转变为化学能 生命现象最基本的过程是电荷运生命现象最基本的过程是电荷运动,电化学是生命科学的一门基础相动,电化学是生命科学的一门基础相关学科。关学科。 电化学方法和电化学仪器已经成电化学方法和电化学仪器已经成为发现、诊断、估量疾病进程和治疗为发现、诊断、估量疾病进程和治疗疾病的重要方法和手段。疾病的重要方法和手段。 第一节第一节 原电池原电池 一、原电池的概念一、原电池的概念 二二 电极反应与电池反应电极反应与电池反应 三、电极组成式及电极类型三、电极
3、组成式及电极类型 四、电池组成式四、电池组成式 五、电池电动势五、电池电动势6CuSO4溶液溶液Zn 棒棒一段时间后一段时间后一层一层CuZn + CuSO4Cu + ZnSO47Zn + CuSO4Cu + ZnSO4图图9-1 原电池结构示意图原电池结构示意图还原半反应还原半反应Cu2+ + 2e- Cu氧化半反应氧化半反应Zn -2e- Zn2+e e 电流电流正极正极负极负极e e Zn2+CuK+Cl-()(+) 利用利用氧化还原反应氧化还原反应将将化学能化学能转变转变成成电能电能的装置称为原电池的装置称为原电池(primary (primary cell)cell),简称电池。,简
4、称电池。 理论上讲,任何一个氧化还原反应都理论上讲,任何一个氧化还原反应都可以设计成一个原电池。可以设计成一个原电池。 一、原电池的概念一、原电池的概念 半电池包括电极材料(电极板)和电解质溶液,氧半电池包括电极材料(电极板)和电解质溶液,氧化还原电对的电子得失反应在溶液中进行。化还原电对的电子得失反应在溶液中进行。 半电池半电池 Zn2+/Zn半电池半电池 Cu2+/Cu电极板电极板 电极板电极板 盐桥盐桥 将将ZnSO4 溶液和溶液和Zn片构成片构成Zn半电池,是原电池半电池,是原电池的负极的负极(anode); CuSO4溶液和溶液和Cu片构成片构成Cu半半 电电池,是原电池的正极池,是
5、原电池的正极(cathode)。 负极反应负极反应 Zn - 2e- Zn2+ (氧化反应)(氧化反应) 正极反应正极反应 Cu2+ + 2e- Cu (还原反应)(还原反应) 由正极反应和负极反应所构成的总反应,称为由正极反应和负极反应所构成的总反应,称为 电池反应电池反应(cell reaction)。Zn + Cu2+ Cu + Zn2+19701970年年IUPACIUPAC给出的定义是:元素的氧化值是给出的定义是:元素的氧化值是该元素一个原子的表观荷电数,这种荷电数是该元素一个原子的表观荷电数,这种荷电数是将成键电子指定给电负性较大的原子而求得。将成键电子指定给电负性较大的原子而求得
6、。 如:氯化钠(如:氯化钠(NaClNaCl)分子,)分子, NaNaClCl键中,键中, ClCl的氧化数为的氧化数为-1-1,NaNa的氧化数为的氧化数为+1+1。 1 1、金属、金属金属离子电极金属离子电极电极反应:电极反应: ZnZn2+ 2+ + 2e+ 2e- - Zn Zn组成式组成式 PtPt(s s)| Cl| Cl2 2( (p p)| Cl)| Cl(c)(c)反应式反应式 ClCl2 2 + 2e + 2e- - 2Cl 2ClClCl2 2PtPt丝丝 PtPt片片氯气电极氯气电极氯化银电极氯化银电极组成式组成式 Ag(s) | AgClAg(s) | AgCl(s
7、s)| Cl| Cl(c c)Ag + Cl Ag + Cl 反应式反应式 AgClAgCl(s s)+ e+ e- -Ag-AgClAg-AgCl电极电极组成式:组成式:PtPt(s s)|Fe|Fe3+3+(c(c1 1) ),FeFe2+2+(c(c2 2) )反应式:反应式:FeFe3+3+ + e + e- - Fe Fe2+2+PtPt丝丝PtPt片片FeFe2+2+和和FeFe3+3+溶液溶液铁离子电极铁离子电极 原电池组成式:原电池组成式:为了书写方便,原电池常用为了书写方便,原电池常用电池组成式表示,如:电池组成式表示,如:Cu-ZnCu-Zn原电池的组成式为:原电池的组成式
8、为:()ZnZn(s s)| Zn| Zn2+2+(c c1 1)|Cu |Cu 2 2 + +(c c2 2)| Cu| Cu(s s)()(+ +)(1 1)负极在左,以)负极在左,以“()”表示;正极在右,以表示;正极在右,以“(+ +)”表示。表示。(2 2)“| |”表示两相之间的界面,表示两相之间的界面,“|”表示盐桥。表示盐桥。(3 3)同一相中的不同物质用)同一相中的不同物质用“,”分开。分开。(4 4)当气体或液体不能和普通导线相连时,应以不)当气体或液体不能和普通导线相连时,应以不活泼的惰性导体,如:铂或碳作电极板起导电作用;活泼的惰性导体,如:铂或碳作电极板起导电作用;(
9、5 5)纯气体、液体和固体,如:)纯气体、液体和固体,如:H H2 2(g g)、)、BrBr2 2(l l)和和I I2 2(s s),紧靠电极板;),紧靠电极板;(6 6)电极中各物质的物理状态应标出,如气态)电极中各物质的物理状态应标出,如气态(g g)、液态()、液态(l l)、固态()、固态(s s),若为溶液应注明浓),若为溶液应注明浓度,当浓度为度,当浓度为1mol/L1mol/L时,可以不标。时,可以不标。 解:解:(1)根据反应式()根据反应式(1)中,氧化值的变化判断,)中,氧化值的变化判断,电对电对H+/H2为负极,为负极,Cu2+/Cu为正极。则:为正极。则:()电极反
10、应式)电极反应式 H2 -2e- = 2H+ 氧化半反应氧化半反应(+)电极反应式)电极反应式 Cu2+ + 2e- = Cu 还原半反应还原半反应电池组成式电池组成式()Pt(s) | H2(p)| H+(c1)| Cu2+(c2)|Cu(s)(+)(1)Cu2+ + H2(g)= Cu + 2H+(2)MnO4- + 5Fe2+ + 8H+ = 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O根据反应式(根据反应式(2)中,氧化值的变化判断,电对)中,氧化值的变化判断,电对Fe3+/Fe2+为负极,为负极,MnO4-,H+/Mn2+为正极。则:为正极。则:()电极反应式)电极反应式 Fe2+ - e
11、- = Fe3+ 氧化反应氧化反应(+)电极反应式)电极反应式 MnO4- +8H+ +5e- = Mn2+ + 4H2O 还原反应还原反应电池组成式:电池组成式:(2)MnO4- + 5Fe2+ + 8H+ = 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O思考题:第思考题:第5题题第二节第二节 电极电位电极电位 一、电极电位的产生一、电极电位的产生 二、电极电位的测定二、电极电位的测定 三、标准电极电位表三、标准电极电位表 把电子留在极板上把电子留在极板上M(s) - ne-Mn+(aq) 进入溶液中进入溶液中溶解溶解Mn+(aq)+ ne-从极板上得到电子从极板上得到电子 M(s)变为原子沉积在
12、极板上变为原子沉积在极板上析出析出 M(s)在极板上在极板上在溶液中在溶液中留在板极上留在板极上溶解溶解析出析出Mn+(aq) + ne- 金属越不活泼,离子浓度越大,第二种倾向越金属越不活泼,离子浓度越大,第二种倾向越大,达到平衡时金属表面带正电荷,溶液带负电荷。大,达到平衡时金属表面带正电荷,溶液带负电荷。(如金属铜)(如金属铜) 金属越活泼,离子浓度越稀,第一种倾向越大,金属越活泼,离子浓度越稀,第一种倾向越大,达到平衡时金属表面带负电荷,溶液带正电荷。达到平衡时金属表面带负电荷,溶液带正电荷。(如金属锌)。(如金属锌)。电极反应式电极反应式 2H+(1mol/L-1)+ 2e- H2(
13、100kPa)电极组成式电极组成式Pt(s) | H2(100kPa)| H+(a = 1)298.15K下,下, SHE = 0.0000V标准氢电极示意图标准氢电极示意图100kPa 纯纯H2盐桥盐桥1mol/LH+Pt丝丝 在标准状态下,测定的相对平衡电位,称为在标准状态下,测定的相对平衡电位,称为标准电极电位,用符号标准电极电位,用符号“”表示,单位为表示,单位为V V。 规定的标准状态为:规定的标准状态为:指定温度为指定温度为298.15K298.15K,组成电极的离子浓度为组成电极的离子浓度为1mol/L1mol/L,气体物质的分压,气体物质的分压为为100kPa100kPa,液体
14、或固体为纯净物。,液体或固体为纯净物。 若构成原电池的两电极均在标准状态下,测定若构成原电池的两电极均在标准状态下,测定的电动势,称为标准电动势,用符号的电动势,称为标准电动势,用符号“E E”表示。表示。E E = = + + 将待测标准电极和标准氢电极组成一个原电池,将待测标准电极和标准氢电极组成一个原电池,通过对消法测定该电池的电动势,就可求出待测电通过对消法测定该电池的电动势,就可求出待测电极电位的相对值。极电位的相对值。(- -)标准氢电极)标准氢电极| | 待测电极(待测电极(+ +)例如:测定标准铜电极的电极电位。看下图例如:测定标准铜电极的电极电位。看下图 测定标准铜电极的测定
15、标准铜电极的 电极电位装置图电极电位装置图 (H+/H2) (Cu2+/Cu)(二)(二) 电极电位的测定电极电位的测定E E = = + + = = (Cu2+/CuCu2+/Cu) (H+/H2H+/H2) (CuCu2+2+/Cu/Cu)= = E E (H H+ +/H/H2 2) = 0.3419V= 0.3419V 0.0000V = 0.3419V 0.0000V = 0.3419V 将测得的各种氧化还原电对的标准电极电位,将测得的各种氧化还原电对的标准电极电位,按一定的方式汇集在一起,就构成了标准电极电位按一定的方式汇集在一起,就构成了标准电极电位表。表。表表8-1 一些常见的
16、氧化还原半反应和标准电极电位(一些常见的氧化还原半反应和标准电极电位(298.15K)半半 反反 应应/V Na+ + e- Na -2.71 Zn2+ + 2e- Zn -0.7618 Pb2+ + 2e- Pb -0.1262 2H+ + 2e- H2 0.0000 AgCl + e- Ag + Cl- 0.22233 Cu2+ + 2e- Cu 0.3419 I2 + 2e- 2I- 0.5355 Ag+ + e- Ag 1.066 MnO4- + 8H+ +5e- Mn2+ +4H2O 1.507 氧化剂的氧化能力增强氧化剂的氧化能力增强还原剂的还原能力增强还原剂的还原能力增强 2.2
17、.根据电极电位的高低,可以判断氧化还原能力的相对根据电极电位的高低,可以判断氧化还原能力的相对强弱。强弱。 (1 1) 值越低,表示(值越低,表示(Ox / RedOx / Red)中,)中, RedRed失电失电子的能力越强,是较强的还原剂;子的能力越强,是较强的还原剂;三、标准电极电位表及其应用三、标准电极电位表及其应用几点说明:几点说明: 1.1.该表只适用于水溶液,不能用于非水溶液或高温下的该表只适用于水溶液,不能用于非水溶液或高温下的固相反应。固相反应。 值越高,表示(值越高,表示(Ox / RedOx / Red)中,)中, OxOx得电子的能力越得电子的能力越强,是较强的氧化剂。
18、强,是较强的氧化剂。 (3 3)氧化还原反应的方向:)氧化还原反应的方向:较强氧化剂较强氧化剂 + + 较强还原剂较强还原剂如:如: ( (CuCu2+2+/Cu/Cu)= )= 0.3419V 0.3419V (ZnZn2+2+/Zn/Zn)=0.7618V0.7618VZn + CuZn + Cu2+2+(2 2)较强的氧化剂其对应的还原剂的还原能力较弱;)较强的氧化剂其对应的还原剂的还原能力较弱; 较强的还原剂其对应的氧化剂的氧化能力较弱;较强的还原剂其对应的氧化剂的氧化能力较弱;如:如: MnOMnO4 4- - / Mn/ Mn2+2+和和CrCr2 2O O7 72- 2- / C
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