氧化还原反应精选幻灯片.ppt

10.1氧化还原反应与原电池,10.3影响电极电势的因素,10.4化学电源与电解,10.5图解法讨论电极电势,第10章氧化还原反应,10.2电池反应的热力学,1,基本要求：,掌握原电池组成和原电池中化学反应的热力学原理；了解电极电势概念，熟悉用能斯特方程计算电极电势和原电池电动势，掌握电极电势在化学上的应用；掌握原电池的电动势和电池反应的、的关系；掌握影响电极电势的因素；掌握电势图解及其应用；了解化学电源、电解的原理。,2,重点：,原电池的组成、图式、电极反应、电池反应；原电池电动势和电池反应的关系，和电池反应的关系；标准电极电势的测定，运用能斯特方程计算非标准的电极电势或电动势；电极电势在化学上的应用：氧化剂还原剂相对强弱的比较，氧化还原反应方向的判断，氧化还原反应进行程度的衡量；元素电势图和自由能氧化数图的应用。,3,难点：,氧化还原方程式与原电池的图式之间的互写；原电池的电动势与电池反应的摩尔吉布斯函数变的相关计算；原电池的电动势和电池反应的、的关系；电极电势在化学上的应用；,4,10.1氧化还原反应与原电池,RedoxreactionandPrimarycell,10.1.1化合价与氧化数,化合价：一种元素一定数目的原子跟其它元素一定数目的原子化合的性质。,氧化数：一种元素一个原子的荷电数，是假定把每一化学键中的电子指定给电负性更大的原子而求得的。,5,1、氧化与还原定义,（1）与氧结合的过程叫氧化(Oxidation)，除去氧的过程叫还原(Reduction),局限性：覆盖范围小。,6,（2）失去电子的过程叫氧化，得到电子的过程叫还原,Zn(s)Zn2+(aq)+2e-,Cu2+(aq)+2e-Cu(s),局限性：形成共价分子的氧化过程不存在失电子过程。,（3）氧化值增加的过程叫氧化，氧化值降低的过程叫还原,7,（1）定义,根据某些人为规定，给单质和化合状态原子确定的电荷数；或某元素一个原子的表观电荷数。,（2）原则,把每个化学键中的电子指定给电负性更大的原子而求得。,8,（3）确定,在单质中，元素的氧化数为零；,在中性分子中所有原子氧化数代数和应等于零；,除金属氢化物（如NaH）外，化合物中氢的氧化数均为+1；,9,在所有的氟化物中氟的氧化数为-1。,通常，在化合物中，氧的氧化数为-2；在过氧化物（H2O2，BaO2）中，氧的氧化数为-1；在超氧化物中（KO2），氧的氧化数为；在氧的氟化物（OF2，O2F2）中，氧的氧化数分别为+2和+1。,10,11,10.1.2原电池,Zn(s)+CuSO4(aq)ZnSO4(aq)+Cu(s),反应可自发进行。,1、原电池,12,13,Zn直接和CuSO4溶液接触，Zn失去的电子直接给Cu2+，电子流动无序，Zn片溶解，Cu析出，温度升高。结论：化学能转变为热能。,装置1:将Zn片直接插入CuSO4溶液中,现象：Zn片溶解，Cu析出。,14,装置2:Zn片插入ZnSO4溶液中,Cu片插入CuSO4溶液中，两烧杯用一倒置的U形管连通盐桥。两金属用导线相连，中间连一个检流计。,检流计,e-,e-,ZnSO4(aq)1.0molL-1,Zn,CuSO4(aq)1.0molL-1,Cu,KCl(aq),盐桥,原电池,15,现象：（1）检流计指针偏转：Zn是负极，Cu是正极；（2）Zn片溶解，Cu片上有Cu析出；（3）取出盐桥，指针回零，放入盐桥，指针偏转，说明盐桥构成了电的通路。,Zn(s)Zn2+(aq)+2e-（负极）Cu2+(aq)+2e-Cu(s)（正极）Zn(s)+CuSO4(aq)ZnSO4(aq)+Cu(s),解释：,16,结论：装置2使氧化反应和还原反应分在两个不同的区域进行；电子转移通过外电路实现，于是有了电子的定向流动，从而产生电流，实现了化学能向电能的转化。,17,原电池的定义,利用自发的氧化还原反应，使化学能直接转变为电能的装置叫原电池。,原电池的条件,自发的氧化还原反应；,氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域里进行；,装置内外构成电的通路。,18,构造：将饱和KCl中加入琼脂加热后，装入U形管中，冷却后成为凝胶。有可自由移动的K+，Cl-。作用：构成电的通路。,2、盐桥,19,ZnSO4溶液,CuSO4溶液,Zn,Cu,盐桥,检流计,e-,e-,+,-,Zn2+,SO42-,+,-,盐桥(SaltBridge)的功效,20,进行氧化反应和还原反应的两个不同的区域，也称电极。ZnZnSO4组成锌电极，CuCuSO4组成铜电极。,Zn(s)Zn2+(aq)+2e-Cu2+(aq)+2e-Cu(s),3、基本术语,21,两个半电池中进行的氧化和还原反应就是两个半反应。,Zn(s)Zn2+(aq)+2e-Cu2+(aq)+2e-Cu(s),22,两个半反应中氧化态和相应的还原态物质构成的两个氧化还原电对。氧化态/还原态：Zn2+/ZnCu2+/Cu,两个半反应组成的氧化还原总反应叫电池反应。,Zn(s)+CuSO4(aq)ZnSO4(aq)+Cu(s),23,电子的流出极叫负极：Zn极电子的流入极叫正极：Cu极,（5）正负极,阳极(PositiveElectrode)：凡是进行氧化反应的电极叫阳极。阴极(NegativeElectrode)：凡是进行还原反应的电极叫阴极。,（6）阴阳极,24,（-）ZnZnSO4CuSO4Cu（+）,（2）半电池中两相界面用“|”表示,电池图解式，电池符号,5、原电池表示方法,（1）左负右正,25,Zn|ZnSO4|CuSO4|Cu,Zn(s)|ZnSO4(c1)|CuSO4(c2)|Cu(s),（3）两半电池之间用“|”表示,（4）注明溶液的浓度(气体注明分压)、相态,26,解：电对Fe3+/Fe2+Ag+/Ag氧化反应Fe2+(aq)Fe3+(aq)+e-(-)还原反应Ag+(aq)+e-Ag(s)(+),Pt|Fe2+(c1)，Fe3+(c2)|Ag+(c3)|Ag,Fe2+(c1)|Fe3+(c2)|Ag+(c3)|Ag,27,解：负极，氧化反应Zn(s)Zn2+(aq)+2e-正极，还原反应2H+(aq)+2e-H2(g)氧化还原反应Zn(s)+2H+(aq)Zn2+(aq)+H2(g),28,例：已知下列电池图解：Zn(s)|Zn2+(c1)|H+(c2)|H2(p)|Pt写出原电池的电极反应和电池反应。,10.1.3电极电势和电动势,(ElectrodePotentialandElectromotiveForce),1、电极电势,金属越活泼，溶液越稀，这种倾向越大。,同时,金属越不活泼，溶液越浓，这种倾向越大。,29,(a)若M是活泼金属Zn，溶解的趋势沉积的趋势，溶液带“+”，电极带“-”,形成双电层，产生电势差电极电势(平衡)，用E(Zn2+/Zn)表示。,30,(b)若M是不活泼金属Cu，溶解的趋势E(Sn2+/Sn)=-0.14V,E(Sn2+/Sn)E(Pb2+/Pb),电极反应Sn2+(aq)+2e-Sn(s),91,正反应不能自发进行，逆反应能自发进行。,发生的反应是,结论：,Pb(s)+Sn2+(aq)Pb2+(aq)+Sn(s),92,4.判断氧化还原反应进行的次序,93,5.判断氧化还原反应进行的限度,94,解:(1)电对Cu2+/CuAg+/Ag(2)负极反应Cu(s)Cu2+(aq)+2e-正极反应:2Ag+(aq)+2e-2Ag(s),95,例：计算Cu(s)+2Ag+(aq)Cu2(aq)+2Ag(s)的K已知:E(Ag+/Ag)=0.7996VE(Cu2+/Cu)=0.337V,96,例：求反应Ag+Cl=AgCl(s)的K及Ksp,解：Ag+Cl+Ag=AgCl+Ag负极：Ag+Cl-e=AgCl(氧化作用)正极：Ag+e=Ag(还原作用)lgK=0.5773/0.059=9.75K=5.62109Ksp=1/K=1.781010,6.把非氧化还原反应设计成原电池计算平衡常数,97,10-4化学电源与电解(ChemicalPowerandElectrolysis),10.4.1化学电源简介,锌锰干电池干电池原理：,()Zn|ZnCl2，NH4Cl(糊状)|MnO2|C(),()ZnZn2+2e-()MnO2+2NH4+2e-Mn2O3+2NH3+H2OZn+2MnO2+2NH4+Zn2+Mn2O3+2NH3+H2O,98,锌汞电池(纽扣电池),(-)Zn(Hg)|KOH(糊状，含饱和ZnO)|HgO|C(+)特点：工作电压稳定，保持在1.34V左右。,锌-氧化汞电池示意图,电极反应:(-)Zn+2OH-2e-ZnO+H2O(+)HgO(s)+H2O+2e-Hg(l)+2OH-,99,锌银电池（纽扣电池）(-)Zn|KOH|Ag2O|(+)电极反应：（+）Ag2O2+2H2O+4e-=2Ag+4OH-（-）Zn+2OH-=Zn(OH)2+2e-特点：放电电压平稳，比能量大，工作电压约为1.6V。缺点：价格昂贵。,100,锂电池以金属锂为负极的电池总称。电压为2.83.6V，比能量大，工作温度在-5570间，在20下可贮存10年之久。它们部是近年来研制的新产品，日前主要用于军事度间技术等特殊领域，在心脏起博器等微、小功率场合也打应用。,101,铅蓄电池（酸性二次电池）铅蓄电池原理：,102,放电反应：()PbSO42-2ePbSO4,()PbO24H+SO42-2ePbSO42H2OPbPbO22H2SO42PbSO42H2O充电反应是放电反应的逆反应。蓄电池的优点：价格便宜，充放电可逆性好，稳定可靠，温度及电流密度适应性强等。是二次电池中使用最广泛、技术是最成熟的。蓄电池的缺点：笨重，抗震性差，有腐蚀性。研究方向：轻量高能化、免维护密闭化。,103,镉镍电池（碱性二次电池）,()Cd|KOH(1.191.21gcm-3)|NiO(OH)|C()放电反应：()Cd2OH-Cd(OH)2e-()2NiO(OH)2H2O2e-2Ni(OH)2+2OH-Cd2NiO(OH)2H2O2Ni(OH)2Cd(OH)2充电反应是放电反应的逆反应。特点：电阻小，电压平稳，使用寿命长，可在低温环境中工作。,104,镍氢电池（绿色环保电池）,()Ti-Ni|H2(p)|KOH（c）|NiO(OH)|C()E=1.20V特点：无毒、无污染，循环使用寿命长。,燃料电池碱性氢氧燃料电池燃料电池的组成：燃料(氢和甲烷等为负极反应物)；氧化剂(氧气和氯气等为正极反应物)；电极和电解质溶液等。燃料电池的应用：主要是航天工业。,105,燃料电池原理：(-)C|H2|KOH|O2|C(+),106,()2H24OH-4H2O4e-()O22H2O4e4OH-,总反应：2H2O22H2O若p（H2）p（O2）1.01325105Pa,C（KOH）6.9molL-1则：E(H2O/H2）E(H2O/H2)+(0.059/4)lg(1/6.94)0.82770.04960.8773VE(O2/OH-)E(O2/OH-)-(0.059/4)lg6.940.4010.04960.352V,107,EE(O2/OH-)-E(H2O/H2),0.352(0.8773)1.23V燃料电池的优点：不污染环境，能量转化效率高，寿命长，可连续大功率供电。燃料电池的缺点：腐蚀性和催化剂技术（使用贵重金属为催化剂）另外，磷酸型燃料电池为目前最为成熟的燃料电池。它以磷酸为电解质，用天然气和空气作为电池的还原剂和氧化剂。,108,10.4.2分解电压与超电压,原电池反应的逆反应就是电解反应。,电解是借助外加电能实现化学反应的过程。电解过程通常在电解池中完成。,电解池中，与直流电源的负极相连的极叫做阴极，与直流电源的正极相连的极叫做阳极。,109,阴极上电子过剩，在阳极上电子缺少，电解液(或熔融液)中的正离子移向阴极，负离子移向阳极。阴极反应：溶液中的正离子在阴极上得到电子，进行还原反应；阳极反应：溶液中的负离子在阳极上失去电子，进行氧化反应。在电解池的两极反应中,氧化态物质得到电子或还原态物质给出电子的过程都叫做放电。,110,分解电压：通常把能使电解得以顺利进行的最低电压称为实际分解电压，简称分解电压。,实验装置参见图，其现象为在外加电压很小时，电流很小；电压逐渐增加，电流增大仍小，电极上没有气泡发生；只有当电压增加到一定值时，电流开始剧增，而以后随电压的增加，电流直线上升。同时，在两极上有明显的气泡发生，电解能够顺利进行。,111,如果把上述实验结果以电压为横坐标，以电流密度为纵坐标作图。图中D点的电压读数即为实际分解电压。各种物质的分解电压是通过实验确定的。,112,电解时，电解槽的实际分解电压理论分解电压的差值叫做超电压。E(超)=E(分)-E(理),电解产物判断原则：在阴极最易得电子的物质先被还原。在阳极最易失电子的物质先被氧化。,要根据实际分解电势高低判断得失电子的先后顺序。,113,例：用Pt做电极电解1mol.L-1NaOH溶液产物是？解溶液中离子有Na+，OH-，H+电对Na+/Na，O2/OH-，H+/H2电极电势/V-2.710.401-0.829溶液为碱性，还原剂只有OH-，在阳极被氧化生成氧气；在阴极两种氧化剂中H+更易被还原所以生成氢气。NaOH的作用：导电介质。,114,电解的应用1.电镀：应用电解的方法将一种金属覆盖到另一种金属零件表面上的过程。将被镀的零件作为阴极材料，用相应的金属作为阳极材料，其盐为电镀液。单金属电镀：例如，电镀锌阴极：被镀零件阳极：金属锌电镀液：酸性镀锌，碱性镀锌,115,2.阳极氧化：阳极氧化即把金属在电解过程中作为阳极，使之氧化得到厚度为5300的氧化膜。例如，铝及其铝合金的阳极氧化阳极：2Al+6OH-（aq）=Al2O3+3H2O+6e-（主要）4OH-（aq）=2H2O+O2+4e-（次要）阴极：2H+（aq）+2e-=H2（g）,116,3.电刷镀：阴极是经清洁处理的工件，阳极用石墨(或铂铱合金、不锈钢等)，外面包以拥花包套，称为镀笔。在镀笔的棉花包套中浸满金属电镀溶液后进行相应的加工。,117,当同种元素可以形成三种或三种以上的氧化值物种时，它们可以组成多种不同的电对，各电对的标准电极电势的定量关系能用图的形式表示，这种图称为元素电势图。,1.定义,10.5.1元素电势图,10.5图解法讨论电极电势,118,(1)元素氧化值从高到低排列Fe3+Fe2+Fe(2)各氧化态物质之间用直线相连Fe3+Fe2+Fe(3)直线上标明两物种构成电对的标准电极电势Fe3+0.77VFe2+-0.44VFe,2.组成,119,(1)判断歧化反应能否发生。,3.应用,3MnO42-(aq)+4H+(aq)2MnO4-(aq)+MnO2(s)+2H2O(l),120,121,10.5.2自由能氧化态图,1.自由能-氧化数图的做法在某pH值下（常是pH=0或pH=14）针对某种元素作图。横坐标：各种氧化数；纵坐标：自由能,以碱介质中（pH=14）碘元素为例，说明图的做法。,122,（1）首先以各种氧化态与单质I2组成电对；（2）写出各电对的电极反应式和它的电极电势E；（3）再利用公式rGm=-nEF求出各电对或者说各个电极反应的rGm；（4）按以上数据作图。,123,5个坐标点：（-1，-52）（0，0）（1，43）（5，97）（7，230）,124,2.判断氧化还原性质,结论：线段的斜率k与线段两端的氧化态组成的电对的电极电势E成正比关系。,线段的斜率越大，电对的氧化型的氧化性越强；线段的斜率越小，电对的还原型的还原性越强。,125,3.判断歧化反应,由于在元素电势图的横坐标上，低氧化数在左，高氧化数在右，所以：若某一个氧化态位于两侧两氧化态的连线的上方，则会出现上述的则即该氧化态不稳定，将发生歧化反应。相反，若某一个氧化态位于两侧两氧化态的连线的下方，则该氧化态稳定。位于两侧两氧化态将发生逆歧化反应。,126,1下列各组物质可能共存的是()。,Cu2+,Fe2+,Sn4+,