氧化还原反应与电极电位最终版

1、1234解解: KMnO4: +1 + x + 4 (-2) =0 x = +7 K2Cr2O7: 2 (+1) + 2y + 7 (-2) =0 y = +6567又如又如: Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 HCl中的中的H+得到电子得到电子,氧化值降低氧化值降低,被被还原还原, HCl称为称为氧化剂氧化剂(oxidizing agent),又又称称电子的受体电子的受体(electron acceptor)。 锌锌失去电子失去电子,氧化值升高氧化值升高,被氧化被氧化,称为称为还原剂还原剂(reducing agent),又称又称电子的供体电子的供体(electron donor)。

2、 891011Ox + ne- Red 1213如如: MnO4-/Mn2+;Cu2+/Cu;Zn2+ /Zn;还原半反应还原半反应:氧化半反应氧化半反应:F e3 + + e- Fe2+ Sn2+ Sn4+ + 2e-又如：又如： 2Fe3+ Sn2+ 2 Fe2+ Sn4+1415如如:1. 写出离子方程式。写出离子方程式。MnO4- + Cl- Mn2+ + Cl22. 将离子方程式拆成氧化和还原两个半反将离子方程式拆成氧化和还原两个半反应应还原半反应：还原半反应：氧化半反应：氧化半反应：MnO4- Mn2+Cl- Cl2KMnO4 + HCl MnCl2 + Cl216MnO4- +

3、8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O 2Cl- - 2e- Cl2 174. 根据氧化剂和还原剂得失电子数相等根据氧化剂和还原剂得失电子数相等,找出最找出最小公倍数小公倍数,合并成一个配平的离子方程式。合并成一个配平的离子方程式。2 2MnO4-16H+10e- 2Mn2+8H2O 5 10Cl- - 10e- 5Cl22MnO4-+16H+10Cl- 2Mn2+ 5Cl2 + 8H2O182KMnO4+16HCl 2KCl +2MnCl2+ 5Cl2 + 8H2O19电化学的起源电化学的起源20The Nobel Prize in Chemistry 2000for the disco

4、very and development of conductive polymers21CuCuSO4溶液溶液Zn2223242526由此可见由此可见,电池反应就是氧化还原反应。正极反应电池反应就是氧化还原反应。正极反应就是还原半反应就是还原半反应;负极反应就是氧化半反应。负极反应就是氧化半反应。2728 将两电极组合起来将两电极组合起来,就可以构成一个就可以构成一个原电池原电池。电池组成式电池组成式: 电极写在两边电极写在两边,中间用中间用“|”表示盐表示盐桥连接桥连接,习惯上习惯上,正极写右边正极写右边,负极写左边。负极写左边。29如如 Cu-Zn Cu-Zn 原电池的电池组成式为原电池

5、的电池组成式为: : (-) Zn Zn 2+(c1)Cu2+(c2) Cu (+) 3031 电极反应：电极反应：Fe3+ + e- Fe2+ 32Cu + FeClCu + FeCl3 3CuCl(s)+ FeClCuCl(s)+ FeCl2 2还原半反应还原半反应: : FeFe3+3+ + e Fe + e Fe2+2+ 氧化半反应氧化半反应: : CuCu0 0 Cu Cu+ + + 2e + 2e(-) Cu , CuCl(S) Cl- (c1) Fe3+ (c2), Fe2+ (c3) Pt(+)33 例例8-28-2 高锰酸钾与浓盐酸作用制取氯气的反应如下：高锰酸钾与浓盐酸作用

6、制取氯气的反应如下：2KMnO4+16HCl 2KCl +2MnCl2+ 5Cl2 + 8H2O将将此反应设计为原电池，写出正负极反应、电池反应、电此反应设计为原电池，写出正负极反应、电池反应、电极组成式和电池组成式。极组成式和电池组成式。 解解: 将上述反应方程式改写成离子方程式将上述反应方程式改写成离子方程式,2MnO4-+16H+10Cl- 2Mn2+ 5Cl2 + 8H2O MnO4-8H+5e- Mn2+4H2O 34 Cl2 + 2e- 2Cl- 电池反应：电池反应： 2MnO4-+16H+10Cl- 2Mn2+ 5Cl2 + 8H2O正极组成式正极组成式: Pt| MnO4- (

7、c1) ,Mn2+ (c2) , H+ (c3)负极组成式负极组成式: Pt,Cl2(p) | Cl- (c ) 电池组成表示式电池组成表示式:(-) Pt, Cl2(p) | Cl- (c ) MnO4- (c1),Mn2+ (c2), H+ (c3) | Pt(+)35原电池的两电极间存在电位差原电池的两电极间存在电位差, ,每个电极上存在每个电极上存在不同的电位不同的电位( (势能势能) )。电极电位是如何产生的。电极电位是如何产生的? ?把金属浸入其相应盐溶液时把金属浸入其相应盐溶液时: : M - ne- - Mn+(aq)M(s)Mn+(aq)在金属板上在溶液中留在金属板上沉积溶解

8、+ne36 当达到平衡时当达到平衡时, ,若若金属溶解的趋势金属溶解的趋势大于金属离子析出大于金属离子析出的趋势的趋势, ,则金属极板则金属极板上会带有过剩的负上会带有过剩的负电荷电荷, ,等量的正电荷等量的正电荷将分布在溶液中将分布在溶液中, ,因因静电引力静电引力, ,形成了形成了双双电层结构电层结构。双电层结构双电层结构37 双电层双电层的厚度约为的厚度约为1010-10-10米的数量级米的数量级, ,其间的其间的电位差电位差, ,称为称为电极电位电极电位( (势势),),又称又称绝对电极电位绝对电极电位。符号为符号为( (氧化态氧化态/ /还原态还原态) ;) ;单位为单位为V(V(伏

9、特伏特) ) 。如如:(Zn2+/Zn);(Cu2+/Cu);(O2/OH-) (MnO4-/Mn2+); (Cl2/Cl-)等。等。 电极电位主要取决于电极的电极电位主要取决于电极的本性本性,并受并受温度、介质温度、介质和和离子浓度离子浓度(或活度或活度)等因素。等因素。38392 H+(aq)2e- H2 (g) 40 1. 铂片上镀上一层铂粉铂片上镀上一层铂粉即铂黑即铂黑, 增强吸附氢气的增强吸附氢气的能力并提高反应速率。能力并提高反应速率。 2. IUPAC规定规定: : T=298.15K、P=100kPa H+=1mol.L-1 (严格讲是活度严格讲是活度)时，时， (H(H+ +

10、/H/H2 2) ) = 0.000 V = 0.000 V 41(二二)标准电极电位（标准电极电位（ ）在在标准态标准态下下,将将待测电极待测电极与与标准氢电标准氢电极极组成电池组成电池,所测得的电池的电动势所测得的电池的电动势就是该电极的就是该电极的标准电极电位标准电极电位。42标准态标准态:同热力学的标准态一致同热力学的标准态一致,电极反应物的浓度为电极反应物的浓度为1mol.L-1（严格是活度为（严格是活度为1）,气体分压为气体分压为100kPa,温温度未定度未定,IUPAC推荐为推荐为298.15K。4344(-)ZnZn 2+(1molL-)H+ (1molL-) H2(101.3

11、kPa),Pt (+) 0ZnZn20_00E0ZnZn0HH22V7618. 0V7618. 00ZnZn245 1. 仅适用于仅适用于标准态的水溶液标准态的水溶液。对于非水溶液、。对于非水溶液、高温、固相反应并不适用（因为表中数据是在高温、固相反应并不适用（因为表中数据是在水溶液中求得的）。水溶液中求得的）。Ox +nebReda4647482 Fe3+ +2e 2Fe2+ (Fe3+/Fe2+)=0.771VFe3+ +e Fe2+ (Fe3+/Fe2+)=0.771V49例如例如:Zn + Cu2+ = Cu + Zn 2+ (CuCu2+2+/Cu) /Cu) = 0.3419V (

12、ZnZn2+2+/Zn) /Zn) = -0.7618V50 判断标准状态下下列氧化还判断标准状态下下列氧化还原反应自发进行的方向原反应自发进行的方向:Br2Fe2BrFe2322 Fe2+ e Fe3+ Br22e 2Br- 解解:V771.00FeFe23V0873. 10BrBr251自由能（自由能（G）:系统的状态函数系统的状态函数,只与系统只与系统的始态和终态有关的始态和终态有关,而与过程无关。自由而与过程无关。自由能变化（能变化（rGm）等于等温、等压下）等于等温、等压下,可逆可逆过程中对外作的最大非体积功（过程中对外作的最大非体积功（-W f,最最大大）。即）。即:52rGm可用

13、来判断化学反应的方向可用来判断化学反应的方向:)(G)(Gmrmr反反应应物物产产物物 rGm=rGm0,反应正向自发进行。反应正向自发进行。rGm 0,反应逆向自发进行。反应逆向自发进行。rGm= 0,反应达平衡状态。反应达平衡状态。标准态各物质的自由能变标准态各物质的自由能变rGm 可查表得到可查表得到53一、电池电动势与化学反应一、电池电动势与化学反应Gibbs自由能的关系自由能的关系根据根据原电池中原电池中,最大非体积是电功。最大非体积是电功。 rGm = -nFE当电池中各物质均处于标准态时当电池中各物质均处于标准态时 rGm = -nFE54 二、用电池电动势判断氧化还原二、用电池

14、电动势判断氧化还原反应自发性反应自发性Ox1 + Red1 Ox2 + Red2 反应反应rGm = 0，E = 0，反应达到平衡。，反应达到平衡。rGm0，E 0，反应正向自发进行；，反应正向自发进行；rGm0 ，E 0，反应逆向自发进行；，反应逆向自发进行；55反应的反应的rGm ，并判断反应是否自发进行。，并判断反应是否自发进行。例例8-3 根据标准电极电位，计算反应根据标准电极电位，计算反应 Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ 2Cr3+ + 6Fe3+ + 7H2O解解:首先将氧化还原反应拆成两个半反应首先将氧化还原反应拆成两个半反应正极反应正极反应 Cr2O72- + 1

15、4H+ +6e- 2Cr3+ + 7H2O E = (Cr2O72- / Cr3+ ) (Fe3+/ Fe2+) = 1.232V - 0.771V =0.461V56rGm = -nFE = -6 96485C mol-1 0.461V = -2.669 105J mol-1 =-266.9kJ mol-1 0故反应正向自发进行。故反应正向自发进行。 E = - rGm nF57 根据：根据： rGm = -nFE 05916. 0lgnEK 5805916. 0lgnEK 59解解: 将以上反应设计成原电池将以上反应设计成原电池, 电极反应为电极反应为: E = (Cu2+ / Cu )

16、(Zn2+/Zn) = 0.34192 V (-0.7618V) =1.1037V电池反应中电池反应中n=2, 3124.3705916. 01037. 1205916. 0lg nEK K = 2.503 103760思考思考 rGm = + RT lnQ rGm61 rGm = -nFE rGm = -nFE得：得： -nFE = -nFE + RT lnQ QlnnFRTEE 当当T =298.15K时时, 代入相关常数代入相关常数, 上式变为上式变为:QnEElg05916.0 62对于任意一个已配平的氧化还原方程式对于任意一个已配平的氧化还原方程式: : 反应商可写为反应商可写为:b

17、daOxeOxddccccQ)()()()(2121ReRe bdaOxeOxddccccnFRTEE)()()()(ln2121ReRe bdaOxeOxddccccnEE)()()()(lg05916. 02121ReRe 63bdaOxeOxddccccnEE)()()()(lg05916. 02121ReRe 电池电动势的电池电动势的Nernst方程式方程式64E = + - -bdaOxeOxddccccnFRT)()()()(ln)(2121ReRe )()(ln)()(ln2211ReReeOxbdaOxddccnFRTccnFRT aOxddccnFRT)()(ln11Re eOxbdccnFRT)()(ln22Re 65 (Ox/Red) = (Ox/Red) + lg RTn F(cOx ) p(cRed)q (Ox/Red) = (Ox/Red) + lg 0.