普通化学电化学PPT课件

1、14.4.1 1 原原电电池池4.4.1.1.1 1 原原电电池池中中的的化化学学反反应应1.1.原原电电池池对于自发反应：Cu2+ZnZn2+CurGm(298.15K)y=-212.55kJmol-1原电池原电池是将化学能直接转变为电能的装置。是将化学能直接转变为电能的装置。第1页/共47页2原原电电池池的的组组成成 根据检流计指针偏转方向知电流方向： CuZn可知,电势:Zn低,Cu高因而电极名:Zn负,Cu正第2页/共47页3盐桥组成：含有饱和氯化钾的琼胶溶液作用：沟通内电路，中和两溶液中过剩的电荷，保证反应继续进行。金属导体如金属导体如 CuCu、ZnZn惰性导体如惰性导体如 PtP

2、t、石墨棒、石墨棒电极材料电极材料第3页/共47页4原原电电池池符符号号（或图示）规定：负在左，正在右； 离子在中间，导体在外侧； 固-液有界面（|）,液-液有盐桥(）或如:(-)ZnZnSO4(c1)CuSO4(c2)Cu(+) （-）ZnZn2+(c1)Cu2+(c2)Cu（+）（-）PtFe3+，Fe2+Cl-Cl2Pt（+） （-）ZnH2SO4Cu（+）注意：注意：当当c c= =c cyy， p= =pyy 时，可略去不写时，可略去不写。第4页/共47页52. 电电极极和和电电极极反反应应e-由电流方向知两极反应:负极反应：Zn-2e-Zn2+氧化半反应正极反应：Cu2+2e-Cu

3、还原半反应 图图4.1铜锌原电池装置图铜锌原电池装置图原电池是由两个半电池组成的；半电池中的反应就是半反应,即电极反应，所以半电池又叫电极（不是电极导体）。第5页/共47页6还原态氧化态+ne-半反应（电极反应）涉及同一元素的氧化态和还原态：这种共轭关系，称为氧化还原电对，记为：“氧化态/还原态” 如： Zn2+/Zn， H+/H2， Fe3+/Fe2+， O2/OH-， Hg2Cl2/Hg， MnO4-/Mn2+ , 等。其中n：为电子的化学计量系数，也为反应过程中，导线内通过的电子的摩尔数。每摩尔电子所带的电量：Q=NAe= 96485C/mol法拉第常数:F=96485C/mol第6页/

4、共47页73.电电池池反反应应Cu2+ZnZn2+Cu 任一自发的氧化还原反应都可以组成一个原电池。如：(-)Zn Zn2+ (c1)Cu2+(c2) Cu(+)再如：Cu(s)+ 2Ag+(aq)=Cu2+(aq)+2Ag(s)(-)Cu Cu2+(c1) Ag+(c2) Ag(s) (+)负极反应：Zn-2e-Zn2+氧化半反应正极反应：Cu2+2e-Cu还原半反应 负极反应： Cu-2e-Cu2+氧化半反应还原半反应 正极反应：Ag+e-Ag第7页/共47页8Cu+ FeCl3CuCl (s) + FeCl2(-)Cu CuCl(S) Cl-Fe3+,Fe2+ Pt(+) 从以上原电池可

5、知：铜电极：Cu Cu2+，在铜银和铜铁原电池中作为负极，而在铜锌原电池中作为正极。这与在电池反应中，此电极发生的是氧化还是还原反应有关。负极反应： Cu-e-+ Cl-CuCl(S)氧化半反应还原半反应 正极反应：Fe3+e-Fe2+再如：第8页/共47页94.1.2原电池的热力学1.原原电电池池反反应应的的rGm与与电电动动势势E的的关关系系QEElnlnnFnFRTRT故有： -nFE= -nFE + RTlnQG = G + RTlnQyG = -nFE; G = -nFEyyyrGm=Wmax= -QE = -nFE（n为电池反应中转移电子的总摩尔数为电池反应中转移电子的总摩尔数)对

6、于反应： aA(aq)+bB = gG (aq) +dD (aq) 电动势的能斯特方程：（4.2a）注意：原电池电动势E的数值与电池反应计量式的写法无关。电动势E的数值不随化学计量数改变。第9页/共47页102. 电电池池反反应应的的Kyy与与Eyy的的关关系系0.05920.0592EKn nlg有-rGm= RTlnK 和 nFE = RT lnKyyyy298.15K时 G =G + RTlnQy当G =0 时Q= K 反应达平衡RTRTnFnF2.3032.303EK=lg只要测量出原电池的标准电动势，就可准确求出标准平衡常数。这比用测量浓度而得出的结果要准确的多。第10页/共47页1

7、14.2 电电极极电电势势原电池能产生电流的事实，说明在原电池的两极之间存在电势差值。也说明每一个电极都有一定的电势。如:电极电势的符号记为:(氧化态/还原态)(Zn2+/Zn)，(Cu2+/Cu),(MnO4-/Mn2+), (Cl2/Cl-)等。(O2/OH-)电极电势的含义：电极电势的大小反映了电极中氧化态物质和还原态物质在水溶液中氧化还原能力的相对强弱。第11页/共47页12两个电极的电势差值构成原电池的电动势：两个电极的电势差值构成原电池的电动势：()(=E负）正可以用仪器测量原电池的电动势（即两电极的电势差值)。但是没法测出每个电极的电势的绝对值。如同没法测量高度的绝对值一样。（平

8、时所测的高度是以海平面为相对标准）电化学中规定以标准氢电极的电极电势为相对标准。第12页/共47页134.2.1.标标准准电电极极电电势势（1 1）标标准准氢氢电电极极Pt H2 ，p (H2) H+ ，C (H+)标准条件： C (H+)=1.0moldm-1 p (H2)=100kPa标准氢电极的电极电势：(H+/H2)=0.00V第13页/共47页14（2 2）电电极极电电势势的的测测定定以标准氢电极为参比电极,待测电极与之组成原电池,测其电动势。氢锌原电池装置图氢锌原电池装置图 如：Zn-H2在标准条件下组成电池， 测得电动势: E =0.7618Vy由_E (Zn2+/Zn)=-0.

9、7618V可得：=0- (Zn2+/Zn) =0.7618V第14页/共47页15(3)甘甘汞汞电电极极因标准氢电极使用不方便，故常用甘汞电极：PtHgHg2Cl2Cl-当c（KCl）为饱和时， （Hg2Cl2/Hg）饱和 =0.2412V（Hg2Cl2/Hg）=0.2801V图图4.3甘汞电极示意图甘汞电极示意图第15页/共47页16（4 4）标标准准电电极极电电势势表表 将测得的各电对的标准电极电势列表电 对电 极 反 应 标准电极电势 K+/K K+e-K -2.931Zn2+/Zn Zn2+2e- Zn -0.7618H+/H2 2H+2e-H2 0.0000Cu2+/Cu Cu2+2

10、e-Cu +0.3419F2/F F2+2e-2F- +2.866*参见课本399页附录10（酸式表）第16页/共47页17（5 5）标标准准电电极极电电势势的的意意义义此表的特点： 电极电势值由上下 增大 电对的还原态:由上下还原性递减； 电对的氧化态:由上下氧化性增强. 的意义：电对的标准电极电势代数值越大，其氧化态越易得电子，氧化性越强； 电对的标准电极电势代数值越小，其还原电对的标准电极电势代数值越小，其还原态越易失电子，还原性越强态越易失电子，还原性越强。第17页/共47页18如:(Cl2/Cl-)=1.3583V,(Br2/Br-)=1.066V，(I2/I-)=0.5355V。可

11、知：Cl2氧化性较强，而I-还原性较强。 值与半反应写法无关。即：1/2O2+H2O+2e-4OH-同2OH-与O2+2H2O+4e- 值与电极反应方向(正、逆)无关。 Zn-2e-Zn2+与Zn2+2e-Zn 值相同标准电极电势与非标准电极电势的关系？标准电极电势与非标准电极电势的关系？第18页/共47页19对于电极反应：氧化态+ne-还原态c cc cc cc cnFnFRTRT（还原态）/（还原态）/(氧化态）/(氧化态）/lnln4.2.2. 电极电位的能斯特方程式，则还原态氧化态，或还原态，氧化态ccc c(n为电极反应中转移的电子数为电极反应中转移的电子数)(4.4b)第19页/共

12、47页20应用(4.4b)式时注意：（1）n 为半反应中的电子的计量数；（2）F=96485(库仑/摩尔)为法拉第常数（3）c氧或c还皆以半反应中各物质的计量数为指数的浓度；（4）c(或p )为两侧各物质浓度(分压)之积；（5）纯液体、纯固体不表示在式中。第20页/共47页214 4)/)/(OH(OH)/)/(O(Olglg4 40.0592V0.0592V) )/OH/OH(O(O2 22 2c cc cp pp p例如：O2+2H2O+4e-4OH-其能斯特方程式：c cc cc cc c（还原态）/（还原态）/(氧化态）/(氧化态）/lglgn n0.05920.0592QEElglg

13、n n0.05920.0592: :代入得代入得molmol96485C96485CF F , ,K Kmolmol8.314J8.314J将R将R 298.15K时,298.15K时,当T当T1 11 11 1第21页/共47页22如，对于：温度、酸度的影响体现于式中 T25时，0.0592换为0.000198TMnO4-+8H+5e-Mn2+4H2O) )/ /M Mn n( (M Mn nO O2 24 48 82 28 8) )( () )(Mn(Mn) )(H(H) )(MnO(MnOlglg5 50.05920.05924 4c cc cc cc c由上例看出：有H+、OH-参加的

14、反应，c(H+)对 值影响很大。参考参考P169P169例例4.14.14.34.3第22页/共47页234.3 电电动动势势与与电电极极电电势势在在化化学学上上的的应应用用 4.3.1 氧化剂和还原剂相对强弱的比较 代数值大的电对中，氧化态易得电子,是较强的氧化剂； 代数值小的电对中,还原态易失电子,是较强的还原剂。例： 电对: I2/I-， Br2/Br-， Fe3+/Fe2+已知: /V:0.5355, 1.066, 0.771解解：氧化能力顺序：氧化能力顺序：BrBr2 2FeFe3+3+I I2 2 还原能力顺序：还原能力顺序：I I- -FeFe2+2+BrBr- -规律：第23页

15、/共47页24最大的电对中的氧化态物质与最大的电对中的氧化态物质与最小的电对中的还原态物质最先反应最小的电对中的还原态物质最先反应规律： 电对: I2/I-， Br2/Br-， Fe3+/Fe2+已知: /V:0.5355, 1.066, 0.771若有一种氧化剂，如KMnO4， 反应顺序：I- Fe2+ -Br-若有一种还原剂，如Zn， 反应顺序：Br2 - Fe3+ - I2例：V51. 124MnoMn/ (Zn2+/Zn)=-0.7618V参考参考P171P171例例4.44.4第24页/共47页254.3.2 氧化还原反应方向的判断据此，可用电动势判断反应方向：E 0 正向非自发；E

16、 =0 G =0 平衡状态；E 0 G 0 正向自发。和rGm= -nFE非标准状态下：对于简单的电极反应，E 0.2v或 正向自发但是有H+或OH-参加反应时,则必须E0正向自发。yrGmy= -nFEy反应的吉布斯函数变与原电池电动势关系为：第25页/共47页26补补充：充：在在原原电电池池中中的的应应用用* * 判判断断正正负负极极 例题：用以下二电极组成原电池： (1) ZnZn2+（1.0mol.dm-3 ) (2) ZnZn2+(0.001mol.dm-3) 判断正、负极，计算电动势。 正极：发生还原(+e-)反应， 是 大的电对； 负极：发生氧化(-e-)反应， 是 小的电对。第

17、26页/共47页27解：按能斯特方程式： (Zn2+/Zn)=l lg g( (0 0. .0 00 01 1) )2 20 0. .0 05 59 92 22 =-0.8506V (Zn2+/Zn)= =-0.7618V1 可见:(1)为正极,(2)为负极；其电池反应为: Zn2+(正)+Zn(负)=Zn(正)+Zn2+(负)其电动势为: 这种电池称为浓差电池，电动势太小。V089. 021E第27页/共47页28判判断断电电池池反反应应的的产产物物大的电对中：大的电对中：氧化态物质为反应物，氧化态物质为反应物， 还原态物质为产物还原态物质为产物；小的电对中：小的电对中：还原态物质为反应物还

18、原态物质为反应物， 氧化态物质为产物。氧化态物质为产物。规律：例：由所给的两电对组成原电池，已知：V51. 124MnoMn/ (Zn2+/Zn)=-0.7618V写出电池反应式为：2MnO4-+16H+ +5Zn 2Mn2+ 8H2O+5Zn2+计算电动势：Zn/ZnMn/224MnoEEy =1.51-(-0.7618)=2.2718V第28页/共47页29例4.5：C(Pb2+)=0.1mol.dm-3 ，C(Sn2+)1.0mol.dm-3，问下述反应进行的方向: Pb2+Sn=Sn2+Pb根据题意,Sn2+Sn为负极,Pb2+Pb为正极 解:按能斯特方程式,有 (Pb2+/Pb) =

19、 (Pb2+/Pb)+(0.0592V/2)lg(0.1) =-0.1262V-0.0296V=-0.1558V而 (Sn2+/Sn)= (Sn2+/Sn)=-0.1375V。答:题给反应向逆向()进行。所以电动势E = (Pb2+/Pb)- (Sn2+/Sn) =-0.019V0参考p172例4.5第29页/共47页304.3.3 氧化还原反应进行程度的衡量电化学方法实质是热力学方法；由此可以判断反应的方向和程度K 大，正反应进行的程度大。大，正反应进行的程度大。y0.05920.0592EKn nlg298.15K时：任意温度时： G =G + RTlnQ当G =0 时Q= K 平衡yRT

20、RTnFnF2.3032.303EKlg有rGm= - RTlnK 和 nFE = RT lnKyyyy(4.3b)第30页/共47页31例：例：电动势Ey=-0.771V lgKy=2(-0.771V)/0.0592V=-26.05 Ky=8.9110-27 答：正反应进行程度极小。判断下述反应进行的程度：2H+2Fe2+H2+2Fe3+解: (H+/H2)=0.0V， (Fe3+/Fe2+)=0.771V（参见课本中参见课本中p172-例例4.5例例4.7）第31页/共47页32小结：电极电势的应用*在原电池中的应用 判断正负极 大的电对，对应的还原半反应正极反应 小的电对，对应的氧化半反

21、应负极反应判断电池反应的产物计算电池的电动势：E = -计算标准电池反应的G y 和K*在氧化还原反应中的应用 氧化剂与还原剂的相对强弱； 氧化还原反应进行的方向； 氧化还原反应进行的程度。第32页/共47页334.6 金属的腐蚀与防止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叫做金属的腐蚀。 金属腐蚀是一种社会公害。估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备约相当于年产量的30 。虽然腐蚀不可避免，但可以通过腐蚀科学和腐蚀工程技术，防止或减少腐蚀的危害。金属腐蚀的本质:都是金属原子失电子被氧化的过程。 第33页/共47页344.6.1 腐蚀的分类 金属与周围介质直接发生氧化还原

22、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：属于一般的氧化还原反应。第34页/共47页35化学腐蚀反应举例1)钢铁的高温氧化FeO2740KFe3O4FeOCO2FeO + COH2OFeO + H2高温高温致密致密疏松，易龟裂，向纵深腐蚀疏松，易龟裂，向纵深腐蚀 2)钢的脱碳O2,H2OCO钢的脱碳原理示意图钢的脱碳原理示意图第35页/共47页36金属与周围介质发生电化学作用而引起的金属腐蚀。例如:钢铁在潮湿环境中生锈, 就是电化学腐蚀。较小的金属易

23、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。2. 电电化化学学腐腐蚀蚀第36页/共47页371）析析氢氢腐腐蚀蚀在酸性较强的条件下钢铁发生析氢腐蚀,电极反应为:阳极:Fe2e-=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）吸氧腐蚀第37页/共47页38* 构成宏电池的腐蚀微微电电池：池：是是指指由由同同一一金金属属（钢钢筋）筋）内内提提供供阴阴极极和和阳阳极极的的锈锈蚀蚀电电池池, ,阳阳极极为为金金

24、属属（钢钢筋）筋）未未生生锈锈部部分分, ,阴阴极极为为金金属属（钢钢筋筋上上铁）铁）的的氧氧化化物物. .宏宏电电池：池：是是指指由由不不同同金金属属（钢钢筋）筋）之之间间分分别别提提供供阴阴极极和和阳阳极极的的锈锈蚀蚀电电池池, ,阳阳极极为为未未生生锈锈的的钢钢筋筋, ,阴阴极极为为已已生生锈锈钢钢筋筋的的锈锈蚀蚀部部分。分。第38页/共47页39再再如：如：金金属属铁铁和和铜铜直直接接接接触，触，置置于于含含有有N Na aC Cl l、K K3 3 F Fe e( (C CN)N)6 6 、酚酚酞酞的的溶溶液液里，里，由由于于 两者构成了宏电池腐蚀，它们的电势差作为推动力，铁作为阳极

25、，失去电子受到腐蚀。阳极反应： Fe = Fe2 2e 3Fe2+ 2Fe(CN)63- = Fe3Fe(CN)62-（蓝色沉淀)阴极(铜表面)反应： O2(g) 2H2O (l)4e = 4OH在阴极有OH生成，随c(OH)增大，酚酞变红(Fe2/Fe) （Cu2+/Cu），第39页/共47页40* 构成宏电池的腐蚀2如果将金属铁和锌直接接触，环境同上，则由于 锌作为阳极受到腐蚀，而铁作为阴极，铁表面的氧气得电子生成氢氧根离子，所以在铁附近的酚酞变红色。两极的电极反应式分别如下：阳极反应式为： Zn = Zn2 2e-3Zn2+2Fe(CN)63- = Zn3Fe(CN)62 (黄色沉淀)阴

26、极（铁表面）反应： O2 (g) 2H2O(l) 4e = 4OH (Zn2+/Zn) (Fe2+/Fe)应用：铁管道与锌接触能防止管道的腐蚀。第40页/共47页413）差异充气腐蚀观看动画光滑金属片也会因电解质溶液中溶解O2量不同而引起电化学腐蚀。腐蚀液腐蚀液NaCl+K3Fe(CN)6+酚酞酚酞 滴在光滑铁片，滴在光滑铁片，中央变蓝：中央变蓝：因因 O2小，小， 小，作为阳极小，作为阳极Fe - 2e-=Fe2+, 遇遇 Fe(CN)63-变蓝变蓝边缘变红：边缘变红：因因 O2大，大， 大，作为阴极大，作为阴极2H2O+O2+4e-=4OH生成生成OH后使酚酞变红后使酚酞变红。第41页/共47页424.6.3 金属腐蚀的防止1.改变金属的内部结构*例如：把铬、镍加入普通钢中制成不锈钢。 2. 保护层法*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