大学化学课件---氧化还原反应

大学化学2013年秋季大学化学氧化还原反应与电化学基础页码‹#›知识要点逻辑主线重点概念氧化还原反应，原电池正负极及书写，能斯特方程式书写，电极电势的影响因素，电池电动势与热力学平衡常数关系电极电势应用：氧化剂和还原剂强弱、反应进行方向、反应限度等，元素电势图与歧化反应电化学应用：几种常见的一次、二次化学电池以及燃料电池的特点、正负极反应式，金属 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 （钢铁）腐蚀类型（析氢腐蚀、吸氧腐蚀、浓差腐蚀）与防腐原理（加入缓蚀剂、阴极保护法）氧化还原反应与原电池电极电势确定电极电势应用【计算 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 解题思路】第一步:写出电极反应方程式；第二步:找出平衡状态时各物质的浓度；第三步:写出能斯特方程的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式，将平衡状态时各物质浓度代入计算电化学应用实例页码‹#›氧化还原平衡氧化还原反应(oxidation-reductionreaction）原电池（galvaniccells）电极电势(electrodepotential)能斯特方程式(Nernstequation)电极电势应用(applicationofelectrodepotential)页码‹#›氧化态氧化态：是指某元素的一个原子所带的形式电荷数，该形式电荷数是假定把分子中成键的电子指定给电负性较大的原子之后，该原子所带的电荷。请指出下列物质中各元素的氧化态H2H2OH2O2NaHMn3O4K2Cr2O7CH4CO2页码‹#›有电子得失或电子转移的反应，被称为氧化还原反应。氧化还原反应氧化还原反应的特征是反应前后元素氧化态发生了变化。这种变化的实质是反应物之间存在电子转移Cu2++ZnZn2++Cu电子得失H2(g)+Cl2(g)2HCl(g)电子转移氧化：氧化态增加的过程还原：氧化态降低的过程氧化剂：放出电子还原剂：得到电子页码‹#›Cu-Zn原电池装置原电池的构造实验：Zn片直接放入ZnSO4溶液中，Cu片直接放入CuSO4溶液中,两溶液用盐桥，以及电流计连接在一起，反应发生，电流计上有电流产生。页码‹#›当用电流计连接Cu、Zn两极，（1）电流计的指针偏转（有电流通过）（2）Cu片上有金属Cu沉积，Zn片溶解（3）取出盐桥，电流计指针指向零点，无电流产生放入盐桥，电流计指针偏转，有电流产生。盐桥：是一U型管，内装由琼脂和饱和KCl溶液制成的胶冻，胶冻的组成大部分是水，离子可在其中自由移动。这种借助于氧化还原反应将产生的化学能转变成电能的装置称为原电池。页码‹#›原电池能够产生电流的原因：从金属性来看，Zn比Cu活泼Zn(s)-2e-→Zn2+(aq)氧化反应电子从Zn板流出，经导线进入Cu板Cu2+(aq)+2e-→Cu(s)还原反应从而使化学能→电能页码‹#›在没有盐桥的情况下，随着反应的进行，Zn失去电子变成Zn2+进入ZnSO4溶液，将使ZnSO4溶液因Zn2+增加而带正电荷，将阻碍电子的流出。CuSO4溶液中的Cu2+从铜片上得到电子，成为金属铜沉积在铜片上，将使CuSO4溶液因SO42-离子过剩而带负电荷，将阻碍电子的流入。这两种情况都会阻碍原电池反应的进行，以致不能产生电流。而使用盐桥后盐桥中的K+向CuSO4溶液移动，Cl-向ZnSO4溶液移动，以保持溶液呈中性，使电流持续产生。页码‹#›氧化还原电对Zn+Cu2+Cu+Zn2+其中，同一种元素有两种不同的氧化态，因而形成两种不同的物质。氧化态高的物质——氧化型Zn2+Cu2+氧化态低的物质——还原型ZnCu同一种元素的氧化型物质和与其对应的还原型物质就构成了一个整体——氧化还原电对。表示为氧化型/还原型对于Zn元素Zn2+/Zn对于Cu元素Cu2+/Cu氧化型和还原型物质在一定的条件下可以互相转化：氧化型+ne-还原型式中n表示电子的计量系数。页码‹#›每一个原电池实际上是由两个不同的氧化还原电对组成的。每一个氧化还原电对又构成一个“半电池”，两个“半电池”组成了一个原电池。铜锌（Cu-Zn）原电池，其组成为：锌半电池Zn2+/Zn半电池反应Zn-2e-→Zn2+铜半电池Cu2+/Cu半电池反应Cu2++2e-→Cu页码‹#›原电池正负级概念 在原电池中：电子流出的一极——负极电子流入的一极——正极两极上的反应——电极反应或半电池反应在铜锌原电池中，锌片为负极，铜片为正极。负极：Zn(s)-2e-Zn2+(aq)氧化反应正极：Cu2+(aq)+2e-Cu(s)还原反应两极反应相加，就得到电池反应：Zn(s)+CuSO4(aq)Cu(s)+ZnSO4(aq)●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页码‹#›书写原电池符号的 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 负极“-”在左边，正极“+”在右边，盐桥用“‖”表示。半电池中两相界面用“|”分开，同相不同物种用“,”分开，溶液、气体要注明cB，pB。液相(电解质溶液)在内,即在盐桥两旁,气相或固相物质在外。纯液体、固体和气体写在惰性电极一边用“,”分开。页码‹#›(一)Zn∣Zn2+(lmol·L-1)‖Cu2+(lmol·L-1)∣Cu(s)(+)界c1盐c2界面桥面原电池的表示法—原电池符号页码‹#›注意：如果组成电对的两种物质本身没有导电的电极，例如Fe3+/Fe2+、MnO4-/Mn2+、Cl2/Cl-等电对，在构成半电池时，可以用金属铂或其它惰性导体（如石墨）作电极。这些电极称为惰性电极。即不参与原电池的氧化还原反应，但可导电的物质。若用惰性电极须注明其材料。例如,AgCl-Ag电极与 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 氢电极组成的原电池符号为：AgCl+e-⇌Ag+Cl-（－）Pt,H2(100kPa)∣H+(1mol·l-1)‖Cl-(c1)|AgCl(s)，Ag（＋）页码‹#›例题:若反应CuSO4(1mol·L-1)+Ni=NiSO4(1mol·L-1)+Cu设计成原电池,写出电极反应式,原电池符号.解答负极:Ni－2eNi2+正极:Cu2++2eCu原电池符号:页码‹#›例题:写出原电池符号,各离子浓度均为1mol·L-1Sn2++2Fe3+=Sn4++2Fe2+负极:Sn2+－2eSn4+正极:Fe3++eFe2+原电池符号:解答页码‹#›把金属放在它的盐溶液中，则金属和盐溶液间便产生了电势差，此电势差即为金属的电极电势用符号E（氧化型/还原型）表示，单位是伏特（V）。电极电势的大小可以用来①衡量金属在溶液中失去电子的能力，②表示金属正离子获得电子的能力。组成原电池的两极电势差为原电池的电动势①电极电势概念E=E＋—E－电极电势(electrodepotential)页码‹#›②标准电极电势是指标准电极的电势.凡是符合标准态条件的电极都是标准电极.这里在强调以下标准态:●所有的气体分压均为1×105Pa●溶液中所有物质的浓度均为1mol·l-1●所有纯液体和固体均为1×105Pa条件下最稳定或最常见单质③标准氢电极事实上,标准电极电势的绝对值是无法测定的.于是建立了标准氢电极.表示为:H+H2(g)Pt页码‹#›④甘汞电极由于标准氢电极的制作和使用都很困难,平时人们采用相对稳定的甘汞电极作参比电极表示方法:Pt,Hg(1)Hg2Cl2(s)Cl-(2.8molL-1)电极反应:Hg2Cl2(s)+2e-2Hg(l)+2Cl-(aq)标准甘汞电极:c(Cl-)=1.0molL-1Eq(Hg2Cl2/Hg)=0.2628V饱和甘汞电极:c(Cl-)=2.8molL-1(KCl饱和溶液)E(Hg2Cl2/Hg)=0.2415V页码‹#›⑤标准电极电势的测定这样,就依次可测出各个电极在标准态时的电势.页码‹#›●采用还原电势●Eq小的电对对应的还原型物质还原性强Eq大的电对对应的氧化型物质氧化性强●Eq无加和性（与电极反应写法无关）●一些电对的Eq与介质的酸碱性有关,因此有表和表⑥标准电极电势表页码‹#›页码‹#›电池电动势、吉布斯自由能、平衡常数的关系页码‹#›R=8.314J·mol－1·K－1，F=96485C·mol－1，T取298.15K能斯特方程式(Nernstequation)页码‹#›应用能斯特方程式时应注意以下几点[氧化型][还原型]分别表示氧化型物质和还原型物质的相对浓度，如果是气态物质，则用相对分压表示电极反应中出现的纯固体或纯液体，不列入方程式中电极反应中，如有H+、OH－等其他离子参与反应，则这些物质也应列入方程式中，其中H+离子浓度应出现在分子部分，OH－离子浓度应出现在分母部分如MnO4－+8H++5e－Mn2++4H2O由于H+离子浓度的方次很高，所以对E值的影响较大。这也是介质酸碱性对氧化还原反应趋势有很大影响的原因所在。页码‹#›例题:计算在25℃时，Zn2+浓度为0.001mol·L﹣1时，Zn2+/Zn电对的电极电势。电极反应:Zn2+(aq)+2e－解答Zn(s)利用能斯特方程式得：查表得:而所以浓度/分压对电极电势的影响页码‹#›例题:计算中性溶液中，=Pθ时，O2/OH-电极的电极电势（298.15K）。电极反应为：O2+2H2O+4e－4OH－已知：中性溶液c(H+)=c(OH－)=1.0×10-7mol·L﹣1即[OH－]=1.0×10-7=0.401+=0.81V解答页码‹#›例题在298K时，将Pt片插入溶液中,求该电极的电极电势解答酸度对电极电势的影响页码‹#›沉淀生成对电极电势的影响解原来的Ag+/Ag溶液中，电极反应为：Ag++eAg加入NaCl溶液，则有沉淀反应：Ag++Cl-AgCl↓当c(Cl-)=1.0mol·L-1时：[Ag+]=根据电极反应，由能斯特方程得：E(Ag+/Ag)=E(Ag+/Ag)+0.0592Vlg[Ag+]=0.7996V+0.0592Vlg(1.8×10-10)=0.223V可见，由于AgCl沉淀的生成，使Ag+浓度减少，Ag+/Ag电对的电极电势随之下降。上述电对的电极电势实际上就是以下电对的标准电极电势：AgCl(s)+eAg(s)+Cl-(aq)E(AgCl/Ag)=0.223V例题在Ag+/Ag电对的溶液中，加入NaCl溶液，使Cl-浓度为1.0mol·L-1，求E(Ag+/Ag)的值。页码‹#›弱电解质生成对电极电势的影响例题电极反应：2H++2eH2E(H+/H2)=0.000V在该反应系统中加入HAc-NaAc混合溶液，当p(H2)=100kPa，c(HAc)=c(Ac-)=1.0mol·L-1时，求E(H+/H2)的值。页码‹#›配合物生成对电极电势的影响例题已知(Au+/Au)=1.691V，，计算{[Au(CN)2]-/Au}值?页码‹#›课堂练习书写以下电化学反应能斯特方程表达式：O2+2H2O+4e－4OH－2H++2eH2MnO4－+8H++5e－Mn2++4H2OFe3++eFe2+页码‹#›电极电势应用计算原电池的电动势判断氧化剂和还原剂的相对强弱判断氧化还原反应进行的方向判断氧化还原反应的限度选择合适的氧化剂和还原剂页码‹#›(1)计算原电池的电动势计算下列原电池在298K时的电动势，指出正、负极，写出电池反应式。查表知：（-）Pt|Fe2+(0.10mol.L-1),Fe3+(1.0mol.L-1)||NO3﹣(1.0mol.L-1),HNO2(0.010mol.L-1L),H+(1.0mol.L-1)|Pt（+）NO3﹣+3H++2e-HNO2+H2OE0=0.94V--Fe3++e-Fe2+E0=0.771V例题由Nernst方程式得:电池反应式：NO3﹣+3H++2Fe2+=HNO2+H2O+2Fe3+-解答页码‹#›E=E(+)-E(-)=0.94-0.771=0.169V页码‹#›氧化态+ne-还原态Eq/v氧化态的氧化性增强还原态的还原性增强-3.045-0.7630.0000.3371.362.87Li++e-LiZn2++2e-Zn2H++2e-H2CuCl2+2e-Cu2++2Cl-F2+2e-2F-(2)判断氧化剂和还原剂的相对强弱显然，下面电对的氧化态可以氧化上面电对的还原态，叫作对角线规则。页码‹#›判断在标准状态下反应2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+能否自发由左向右进行？因为,还原性Cu>Fe2+氧化性Fe3+>Cu2+，故上述反应可由左向右自发进行(3)判断氧化还原反应进行的方向例题查标准电极电势表得：电极电势值小的还原态物质可以和电极电势值大的氧化态物质自发地进行反应，即向原电池<0，E>0，的方向进行解答页码‹#›例题①判断下列反应在标准状态时能否向右进行？MnO2(s)+4HCl(aq)MnCl2(aq)+Cl2(g)+2H2O(l)②实验室为什么能用MnO2和浓HCl(12mol·L﹣1)反应制取氯气？①查表知：＝1.23V=1.3596V<所以在标准状态下，该反应不能向右进行②如果c(H+)=c(Cl－)=12mol·L﹣1，即[H+]=[Cl－]=12，假定c(Mn2+)=1mol·L﹣1，p(Cl2)=100kPa（常压），则[pCl2]=1。解答页码‹#›对于电极反应：MnO2(s)+4H+(aq)+2e－Mn2+(aq)+2H2O(l)Cl2(g)+2e－2Cl－(aq)根据能斯特方程式分别有：=1.23+2×0.059lg12=1.36V=1.3596+lg=1.29V>所以实验室可以用MnO2和浓HCl反应制取氯气。页码‹#›试计算25℃时，反应Sn+Pb2+Sn2++Pb的平衡常数；如果反应开始时，c(Pb2+)为2.0mol·L-1，平衡时c(Pb2+)和c(Sn2+)各为多少？(3)判断氧化还原反应的限度例题平衡常数与电极电动势之间的关系页码‹#›有一含有Cl-、Br-、I-的混合溶液，欲使I-氧化为I2，而Br-和Cl-不发生变化。在常用的氧化剂H2O2、Fe2(SO4)3和KMnO4中选择哪一种合适？查标准电极电势表得：(4)选择合适的氧化剂和还原剂例题解答页码‹#›课堂练习pH＝7，其它离子的浓度皆为1.0mol/L时，说明Cr2O72-+14H++6Br-→3Br2+2Cr3++7H2O在25℃是否能自发进行。已知EӨ(Cr2O72-/Cr3+)=1.232V，EӨ(Br2/Br-)=1.066V。页码‹#›元素电势图元素电势图：将同一元素的不同氧化态物质，按其氧化态从高到低横向排列，不同氧化态物质之间以直线连接，并在线上标明相邻氧化态物质组成电对时的标准电极电势值。+1.47页码‹#›歧化反应在氧化还原反应中，有些元素的氧化态可以同时向较高和较低氧化态转变。这种反应称为歧化反应如果>,则B发生歧化反应B→A+C如果>,则B发生歧化反应A+C→B页码‹#›通过元素电势图计算电极电势?+0.514页码‹#›借自发的氧化还原反应将化学能直接转变为电能的装置称为化学电源化学电源的分类一次电池（原电池）放电后不能充电或补充化学物质使其复原的电池二次电池（蓄电池）放电后通过充电使其复原的电池连续电池（燃料电池）化学电源页码‹#›1.锌-锰干电池电池符号：(-)Zn|ZnCl2,NH4Cl(糊状)|MnO2|C(+)电极反应:(-)Zn(s)→Zn2+(aq)+2e-(+)2MnO2+2NH4+(aq)+2e-→Mn2O3+2NH3(g)+2H2O(l)电动势1.5V。它携带方便。但反应不可逆，寿命有限。一次电池页码‹#›电池符号:(-)Zn∣Hg∣KOH(糊状，含饱和ZnO)∣HgO∣C(+)电极反应:(-)Zn+2OH--2e-→ZnO+H2O(+)HgO(s)+H2O+2e-→Hg(l)+2OH-锌-汞电池体积小能量高，贮存性能优良，是常用电池中放电电压最平稳的电源之一。缺点是使用汞不利于环保。2.锌-汞电池页码‹#›1.铅蓄电池电池符号(-)Pb|H2SO4|PbO2(+)电极反应：负极：Pb+SO42--2e-=PbSO4正极：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应式Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O放电充电蓄电池页码‹#›在一次电池和二次电池中，含有汞、锰、镉、铅、锌等重金属，使用后如果随意丢弃，就会造成环境污染。研究无污染电池和无害化处理是目前亟需解决的两个方面重金属通过食物链后在人体内聚积，就会对健康造成严重的危害。重金属聚积到一定量后会使人发生中毒现象，严重的将导致人的死亡。因此，加强废电池的管理，不乱扔废电池实现有害废弃物的“资源化、无害化”管理，已迫在眉睫。化学电源与保护页码‹#›正极：Li1-xCoO2+xLi++xe-------->LiCoO2负极：LixC6------->6C+xLi++xe-总反应：6C+LiCoO2------->LixC6+Li1-xCoO22.锂离子电池页码‹#›锂离子电池正极材料（LiCoO2)基本结构:由紧密排列的氧离子与处于八面体位置的Co3+形成稳定的CoO2层。嵌入的锂离子进入CoO2层间，处于八面体位置。LiCoO2的突出特点是易于合成、材料化学组成高度确定，且电池循环寿命长。页码‹#›在放电过程中可以不断地输入化学物质，通过反应把化学能转变成电能，连续产生电流的电池。燃料电池就是一种连续电池。能量转换率很高，理论上可达100％。实际转化率约为70%~80％。燃料电池由燃料(氢、甲烷、肼、烃、甲醇、煤气、天然气等)、氧化剂(氧气、空气等)、电极和电解质溶液等组成。连续电池页码‹#›氢－氧燃料电池H+H+H+H+页码‹#›优点:a.能量转换效率高，运行寿命长。b.无噪声，无污染c.可连续大功率供电燃料电池汽车—我国和世界正在大力发展的绿色汽车氢－氧燃料电池页码‹#›Microbialfuelcells微生物燃料电池技术产电细菌生活污水工业废水动植物残渣，排泄物等等页码‹#›PrincipleofMFCs燃料来源多样化理论上，所有可生物降解的有机物都可作为MFCs的燃料操作条件温和常温、常压、接近中性的环境中工作，电池维护成本低，安全性强能量转化效率高微生物燃料电池是将来热电联用系统的重要组成部分无污染微生物燃料电池的产物为水和CO2Anodereaction:Cathodereaction:页码‹#›ConfigurationsofMFCs页码‹#›BacteriainMFCs页码‹#›金属的腐蚀：当金属与周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏。估计每年腐蚀而报废的钢铁设备相当于钢铁年产量的1/4,发达国家年经济损失占GDP的3~4%。因此在了解金属腐蚀机理的基础上懂得如何防止金属腐蚀和了解如何进行金属材料的化学保护十分必要。金属腐蚀的本质都是金属原子失电子被氧化的过程。金属的腐蚀与防止页码‹#›金属与周围介质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀叫化学腐蚀。（1）化学腐蚀化学腐蚀发生在非电解质溶液中或干燥的气体中，在腐蚀过程中不产生电流。如：钢铁的高温氧化脱碳、石油或天然气输送管部件的腐蚀等。化学腐蚀原理比较简单,属于一般的氧化还原反应。腐蚀分类页码‹#›钢铁的高温氧化:高温高温致密疏松，易龟裂，向纵深腐蚀O2,H2OCO页码‹#›金属与周介质发生电化学作用而引起的金属腐蚀。例如,钢铁在潮湿的环境中生锈,发生的就是电化学腐蚀：（2）电化学腐蚀E较小的金属易失电子，被氧化而腐蚀，是腐蚀电池的阳极（也称负极）。电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多,腐蚀的速率一般也快得多。页码‹#›电化学腐蚀类型在酸性较强的条件下钢铁发生析氢腐蚀,电极反应为:阳极:Fe－2e-=Fe2+阴极:2H++2e-=H2↑在弱酸性或中性条件下钢铁发生吸氧腐蚀,电极反应为：阳极:Fe-2e-=Fe2+阴极:2H2O+O2+4e-=4OH－吸氧腐蚀比析氢腐蚀更为普遍。（2）吸氧腐蚀（1）析氢腐蚀因氧气分布不均而引起的吸氧腐蚀称作为浓差腐蚀。页码‹#›1.改变金属的内部结构：例：把铬、镍加入普通钢中制成不锈钢。2.保护层法：例：在金属表面涂漆、电镀或用化学方法形成致密而耐腐蚀的氧化膜等。如白口铁(镀锌铁)、马口铁(镀锡铁)。3.缓蚀剂法:在腐蚀介质中，加入少量能减小腐蚀速率的物质以防止腐蚀的方法。①无机缓蚀剂：在中性或碱性介质中主要采用无机缓蚀剂，如铬酸盐、重铬酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐等。主要是在金属的表面形成氧化膜或沉淀物。②有机缓蚀剂：在酸性介质中，一般是含有N、S、O的有机化合物。常用的缓蚀剂有乌洛托品、若丁等。腐蚀的防止页码‹#›4.阴极保护法:将被保护的金属作为腐蚀电池或电解池阴极而不受腐蚀。它一般分为牺牲阳极保护法和外加电流法。①牺牲阳极保护法用较活泼的金属或其三元合金如(Zn、Al)连接在被保护的金属上，被保护的金属作为腐蚀电池阴极而达到不遭腐蚀的目的。页码‹#›②外加电流法将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个电极。被保护金属作为电解池阴极，在直流电的作用下阴极受到保护。利用电解装置,只要外加电压足够强,就可使被保护的金属不被腐蚀。此法可用于防止土壤、海水和河水中金属设备的腐蚀。页码‹#›