氧化还原反应与电极电势1.pptx
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1、2023/3/251教学基本要求教学基本要求掌握标准电极电势及应用;掌握标准电极电势及应用;Nernst方程式的计方程式的计算。算。熟悉原电池的基本概念、组成及其表示方法;常熟悉原电池的基本概念、组成及其表示方法;常用的参比电极与指示电极。用的参比电极与指示电极。了解用电势法测定溶液了解用电势法测定溶液pH值的原理与方法。值的原理与方法。原电池的概念、组成及其表示方法;原电池的概念、组成及其表示方法;Nernst方程式的计算及电极电势的应用;方程式的计算及电极电势的应用;用电势法测定溶液用电势法测定溶液pH值的原理与方法。值的原理与方法。重点、难点第1页/共51页2023/3/252反应物质之
2、间有电子转移的反应称为氧化还原反应(oxidation-reduction reaction)失去电子的过程叫氧化(oxidation),失去电子的物质叫做还原剂(reducing agent);得到电子的过程叫还原(reduction),得到电子的物质叫氧化剂(oxidizing agent)氧化剂被还原,还原剂被氧化。第五章 氧化-还原反应与电极电势 第一节 氧化-还原反应的基本概念 第2页/共51页2023/3/253 国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)规定氧化数的概念为:在单质或化合物中,假设把每个化学键中的电子指定给所连接的两原子中电负性较大的一个原子,这样所得的某元素一个原子的
3、电荷数就是该元素的氧化数,即氧化数是某元素一个原子的形式荷电数(表观荷电数,apparent charge number),这种荷电数由假设把每个化学键中的电子指定给电负性更大的原子而求得。氧化数(oxidation number)氧化值第一节 氧化-还原反应的基本概念 第3页/共51页2023/3/254氧化数(1)在单质中,元素的氧化数为零。如Cl2、N2、P4(白磷)分子中,元素的氧化数都为零。(2)在离子中,对于单原子离子来说,元素的氧化数等于它所带的电荷数。如Fe2+离子的氧化数为2。多原子离子的荷电数等于各元素氧化数的代数和。(3)中性分子中所有原子的氧化数的代数和等于零。(4)对
4、几种元素的氧化数有下列规定:除金属氢化物(如LiH、CaH2)中氢的氧化数为-1外,其余氢的化合物中氢的氧化数都是+1。氧的氧化数一般为-2,例外的有:H2O2等过氧化物中氧的氧化数是-1;OF2中是+2。氟在其所有化合物中的氧化数都为-1;其他卤素,除了与电负性更大的卤素结合时(如ClF、ICl3)或与氧结合时具有正的氧化数外,氧化数都为-1。第4页/共51页2023/3/255氧化值可为整数,也可为分数。例:Fe3O4 中,Fe:+8/3;S4O62-中,S:+5/2。按确定元素氧化值规则的先后顺序,就能正确确定化合物中各元素的氧化值。例:KMnO4,先确定K,+1;再确定O,-2;最后确
5、定Mn,+7。第5页/共51页2023/3/256计算Na2S4O6中S元素的氧化数。()计算 HClO3中 Cl 的氧化数。(+5)MnO4-中的Mn (+7)K2Cr2O7中的Cr (+6)Na2S2O3中的S (+2)HClO中 Cl 的氧化数。(+1)H2O2第6页/共51页2023/3/257(1)当元素的氧化数为最高值时,它的氧化数不能再增大,只能做氧化剂。如Cr2O72-、MnO4-是常用的氧化剂。(2)当元素的氧化数为最低值时,它的氧化数不能再减小,只能做还原剂。如S2-、I-是常用的还原剂。(3)当元素的氧化数为中间值时,它既可以做氧化剂,也可以做还原剂。如:I2有时是氧化剂
6、,有时是还原剂。第7页/共51页2023/3/258二、氧化与还原二、氧化与还原 氧化(反应):氧化值升高的过程。还原(反应)氧化值降低的过程。氧化-还原反应(oxidation reduction reaction):凡是氧化值发生了变化的化学反应。氧化剂(oxidant):氧化值降低的物质。还原剂(reductant):氧化值升高的物质。氧化剂氧化值降低被还原还原剂氧化值升高被氧化氧化还原反应的基本概念例如:2Na+Cl2=2NaCl H2+Cl2=2HCl第8页/共51页2023/3/259Zn:氧化值从0升到了+2,它本身被氧化,是还原剂,并使Cu2+发生还原。Zn+Cu2+Zn2+C
7、u 2Fe3+Sn2+2Fe2+Sn4+Cu:氧化值从+2变到了0,它本身被还原,是氧化剂,同时使Zn发生氧化。Fe:氧化值从+3降到了+2,Fe3+被还原,为氧化剂。Sn:氧化值从+2升高到了+4,Sn2+被氧化,为还原剂。氧化还原反应的基本概念第9页/共51页2023/3/2510 物质的氧化态和它的还原态可以互相转化如 Zn2+与Zn、Cu2+与Cu、Fe3+与Fe2+、Sn4+与Sn2+:氧化-还原电对(redox couple)记为:Ox/Red 同一元素的不同氧化值的两种物质氧化态(oxidation state,Ox)(氧化值较高的物质)和它的还原态(reduction stat
8、e,Red)(氧化值较低的物质)。三、氧化-还原电对 Zn2+2e Zn Cu2+2e Cu Fe3+e Fe2+Sn4+2 e Sn2+通式:Ox+ne Red Zn2+/Zn、Cu2+/Cu、Fe3+/Fe2+、Sn4+/Sn2+氧化还原反应的基本概念第10页/共51页2023/3/2511 物质的氧化态和它的还原态互为共轭关系。在这一共轭关系中,若物质的氧化态的氧化性越强,与其共轭的还原态物质的还原性就越弱;反之,物质还原态的还原性越强,则与它共轭的氧化态物质的氧化性就越弱。氧化-还原反应实质上是两个氧化还原电对间电子的转移反应。每个氧化-还原反应可拆分为两个半反应:2Fe3+Sn2+2
9、Fe2+Sn4+可拆分成:Fe3+e Fe2+Sn4+2 e Sn2+2MnO4-+5H2O2+6H+2Mn2+5O2+8H2O 可拆分成:MnO4-+8H+5e Mn2+4H2O H2O2 2H+O2+2e 氧化还原反应的基本概念第11页/共51页2023/3/2512 将锌片置于蓝色的硫酸铜溶液中,锌片会逐渐溶解变为Zn2+而进入溶液;溶液中的Cu2+则不断地变成红棕色的金属Cu从溶液中析出,沉积在锌片表面上。第二节第二节 原原 电电 池池 Zn+CuSO4 ZnSO4+Cu Zn与Cu2+之间发生了电子的转移,Zn失去电子被氧化,Cu2+得到电子被还原。电子的流动是无秩序的,没有进行定向
10、移动,因而不会产生电流。第12页/共51页2023/3/25131.原电池原电池(primary cell),简称电池:将氧,简称电池:将氧化还原反应的化学能转化还原反应的化学能转化成电能的装置。化成电能的装置。理论上讲,任何一个理论上讲,任何一个氧化还原反应都可以设氧化还原反应都可以设计成一个原电池。计成一个原电池。原电池第13页/共51页2023/3/2514原电池中盐桥的作用是构成原电池的通路和维持溶液的电中性。2.原电池的组成:原电池是由两 个半电池组成。F 锌片和硫酸锌溶液组成一个 半电池,Zn向外电路输出 电子,为负极;F 铜片和硫酸铜溶液组成另一 半电池,Cu2+从外电路获得 电
11、子生成金属Cu为正极。原电池第14页/共51页2023/3/2515 两个半电池两个半电池(或电极电极electrode)。半电池包括电极材料(电极板)和电解质溶液,电极板是电池反应中电子转移的导体,氧化还原电对的电子得失反应在溶液中进行。盐桥盐桥连接两个半电池,沟通原电池的内电路。半电池 Zn2+/Zn半电池 Cu2+/Cu电极板 电极板 盐桥原电池的组成第15页/共51页2023/3/2516锌电极(负极)Zn-2e Zn2+发生氧化反应 3.电池反应(cell reaction)铜电极(正极)发生还原反应 Cu2+2e Cu 或Zn+CuSO4 ZnSO4+Cu Zn2+Cu Zn+Cu
12、2+负极电对中的还原态物质在原电池反应中做还原剂,正极电对中的氧化态物质在原电池反应中做氧化剂。原电池第16页/共51页2023/3/25174.4.原电池组成式书写原则:原电池组成式书写原则:(1)原电池的负极写在左边,正极写在右边,两电极以盐桥相 连,用“”表示,在盐桥两侧是两个电极的电解质溶液。(2)电极板与电极其余部分(电解质溶液)的界面用“”分开。同一相中不同物质之间,及电极中其它相界面用“,”分开。(3)当气体或液体不能直接与普通导线相连时,应以不活泼的 惰性金属(如铂)或石墨作电极板起导电作用。(4)纯气体、纯液体和固体,如H2(g)、O2(g)、I2(s)、Br2(l),需紧靠
13、电极板,并注明以何种状态存在。(5)溶液注明浓度,气体注明分压。标准状态下浓度表示为c。标准状态下的铜锌原电池的电池符号表示为:(-)ZnZnSO4(c)CuSO4(c)Cu(+)原电池(-)ZnZnSO4(c)CuSO4(c)Cu(+)第17页/共51页2023/3/2518例:将氧化-还原反应设计成原电池,并写出原电池符号:解:根据正极发生还原反应,负极发生氧化反应的规 律,先将氧化-还原反应拆分成两个半反应:还原反应正极反应 MnO4-+8H+5e Mn2+4H2O 氧化反应负极反应 H2O2 2H+O2+2e 组成原电池时,MnO4-/Mn2+电对为正极,O2/H2O2电对为负极。原电
14、池符号可写为:(-)Pt,O2(g)H2O2(c1),H+(c2)MnO4-(c3),Mn2+(c4),H+(c5)Pt(+)原电池第18页/共51页2023/3/2519解:根据正极发生还原反应,负极发生氧化反应的规 律,先将氧化-还原反应拆分成两个半反应:还原反应正极反应 MnO4-+8H+5e Mn2+4H2O 氧化反应负极反应 Fe2+Fe3+e 组成原电池时,MnO4-/Mn2+电对为正极,Fe3+/Fe2+电对为负极。原电池符号可写为:(-)PtFe3+(c1),Fe2+(c2)MnO4-(c3),Mn2+(c4),H+(c5)Pt(+)原电池练习:将氧化-还原反应设计成原电池,并
15、写出原电池符号:MnO4-+Fe2+H+Mn2+Fe3+H2O 第19页/共51页2023/3/2520例:写出原电池:(-)PtSn2+(c1),Sn4+(c2)Fe3+(c3),Fe2+(c4)Pt(+)的电极反应及电池反应式。解:根据原电池中负极发生氧化反应,正极发生还原 反应的原则,写出电极反应为:正极反应还原反应 Fe3+e Fe2+负极反应氧化反应Sn2+Sn4+2e 根据电池反应中正极电对中氧化态物质为氧化剂,负极电对中的还原态物质为还原剂的原则,电池总反应可写成:2Fe3+Sn2+2Fe2+Sn4+原电池第20页/共51页2023/3/2521第三节第三节 电极电势电极电势 一
16、、电极电势的产生 把金属插入含有该金属离子的溶液中,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:第21页/共51页2023/3/2522电极表面双电层(doublecharge layer)结构影响电极电势的因素:氧化态还原态得失电子的能力,浓度,温度第22页/共51页2023/3/25232.标准电极电势无法测定出单一电极的电极电势,只能测定电池的电动势(两个电极的电势差)E池=E+-E-参比电极(reference electrode)第23页/共51页2023/3/2524 标准氢电极/HH 电对:2+电极反应:表示为:H+H2(g)Pt 标准氢电极(SHE)()V000
17、.0/HH2=+E()gH 2eaq)(H22+标准氢电极装置图298.15K第24页/共51页2023/3/2525标准电极电势 (浓度,温度,压力)标准氢电极(SHE)|待测电极 Ex=E池(-)Pt,H2(P)|H+(1molL-1)Cu2+(1molL-1)|Cu(+)测得该电池的电动势E=0.34V,所以ECu2+/Cu=0.34V(-)Zn|Zn2+(1molL-1)H+(1molL-1),H2(p)|Pt(+)测得该电池的电动势E=0.76V,所以EZn2+/Zn=-0.76V第25页/共51页2023/3/2526标准电极电势表见303页注意:1 氧化态+ne 还原态2.酸碱度
18、的影响3.系数的改变不影响4.只适用于水溶液5.相对值第26页/共51页2023/3/2527F判断氧化还原能力的相对强弱判断氧化还原能力的相对强弱 愈高,电对中氧化型得电子能力愈强,是较强氧化剂;愈高,电对中氧化型得电子能力愈强,是较强氧化剂;愈低,电对中还原型失电子能力愈强,是较强还原剂。愈低,电对中还原型失电子能力愈强,是较强还原剂。F电对的电对的Ox的氧化能力越强,其的氧化能力越强,其Red的还原能力就越弱;的还原能力就越弱;Red的还原能力越强,其的还原能力越强,其Ox的氧化能力就的氧化能力就越弱。越弱。F 值高的氧化态和值高的氧化态和 值低的还原态作用,是一个自发过值低的还原态作用
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- 关 键 词:
- 氧化 还原 反应 电极 电势
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