普通化学电化学学习教案

1、普通普通(ptng)化学电化学化学电化学第一页，共47页。24.4.1 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电电池池对于(duy)自发反应：Cu2+ZnZn2+CurGm(298.15K)y=-212.55kJmol-1原电池是将化学能直接转变原电池是将化学能直接转变(zhunbin)(zhunbin)为电能的装置。为电能的装置。第1页/共47页第二页，共47页。3原原电电池池的的组组成成 根据检流计指针偏转方向(fngxing)知电流方向(fngxing)： CuZn可知,电势(dinsh):Zn低,Cu高因而电极名:Zn负,Cu正第2页/共47页第三页，共4

2、7页。4组成：含有饱和氯化钾的琼胶溶液(rngy)作用：沟通内电路，中和两溶液(rngy)中过剩的电荷，保证反应继续进行。金属金属(jnsh)(jnsh)导体如导体如 Cu Cu、ZnZn惰性导体如惰性导体如 Pt Pt、石墨棒、石墨棒电极电极(dinj(dinj)材料材料第3页/共47页第四页，共47页。5原原电电池池（或图示）规定：负在左，正在右； 离子(lz)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（+） （-）

3、ZnH2SO4Cu（+）注意注意(zh y)(zh y)：当：当c=cyc=cy， p=py p=py 时，可略去不写。时，可略去不写。第4页/共47页第五页，共47页。62. 电电极极(dine-由电流方向知两极(lingj)反应:负极(fj)反应：Zn-2e-Zn2+氧化半反应正极反应：Cu2+2e-Cu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页第六页，共47页。7还原(hun yun)态氧化(ynghu)态+ne-半反应（电极反应）涉及同一(tngy)元素的氧

4、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/共47页第七页，共47页。83.电电池池(Cu2+ZnZn2+Cu 任一自发的氧化还原(hun yun)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)

5、=Cu2+(aq)+2Ag(s)(-)CuCu2+(c1) Ag+(c2) Ag(s) (+)负极(fj)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页第八页，共47页。9Cu+ FeCl3CuCl (s) + FeCl2(-)CuCuCl(S)Cl-Fe3+,Fe2+ Pt(+) 从以上原电池可知：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(zhngj)。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(fj)反应： Cu-

6、e-+ Cl-CuCl(S)氧化(ynghu)半反应还原半反应 正极反应：Fe3+e-Fe2+再如：第8页/共47页第九页，共47页。104.1.2原原电电池池的的热热力力学学1.原原电电池池反反应应QEElnlnnFnFRTRT故有： -nFE= -nFE + RTlnQG = G + RTlnQyG = -nFE; G = -nFEyyyrGm=Wmax= -QE = -nFE（n为电池为电池(dinch)反应中转移电子的总摩反应中转移电子的总摩尔数尔数)对于(duy)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

7、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页第十页，共47页。112. 电电池池反反应应(fn0.05920.0592EKn 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(biozhn)电动势，就可准确求出标准(biozhn)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页第十一页，共47页。12原电池能产生电流(dinli)的事实，说明在原电池的两极之间存在电势差值。也说

8、明每一个电极都有一定的电势。如:电极电势的符号(fho)记为:(氧化(ynghu)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页第十二页，共47页。13两个两个(lin )电极的电势差值构成原电池电极的电势差值构成原电池的电动势：的电动势：()(=E负）正可以用仪器测量(cling)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(cling)高度的绝对值一样。（平时所测

9、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页第十三页，共47页。144.2.1.标标准准(biozhn)电电极极PtH2 ，p (H2) H+ ，C (H+)标准条件： C (H+)=1.0moldm-1 p (H2)=100kPa标准(biozhn)氢电极的电极电势：(H+/H2)=0.00V第13页/共47页第十四页，共47页。15（2 2）电电极极电电以标准(biozhn)氢电极为参比电极,待测电极与之组成原电池,测其电动势。氢锌原电池装置氢锌原电池装置(zhungzh)图图 如：Zn-H2在标准条件下组成电池， 测得电动势: E =0.7

10、618Vy由_E (Zn2+/Zn)=-0.7618V可得：=0- (Zn2+/Zn) =0.7618V第14页/共47页第十五页，共47页。16(3)甘甘汞汞因标准(biozhn)氢电极使用不方便，故常用甘汞电极：PtHg Hg2Cl2 Cl-当c（KCl）为饱和(boh)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页第十六页，共47页。17（4 4）标标准准( (b bi i 将测得的各电对的标准(biozhn)电极电势列表电 对电 极 反 应 标准(biozhn)电极电势 K+/K K+e-

11、K -2.931Zn2+/Zn Zn2+2e- Zn -0.7618H+/H2 2H+2e-H2 0.0000Cu2+/Cu Cu2+2e-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页第十七页，共47页。18（5 5）标标此表的特点： 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(ynghu)态:由上下氧化(ynghu)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电对的标准电极电势代数值(shz)(shz)越小，越小，其还原态越易失电子，

12、还原性越强。其还原态越易失电子，还原性越强。第17页/共47页第十八页，共47页。19如:(Cl2/Cl-)=1.3583V,(Br2/Br-)=1.066V，(I2/I-)=0.5355V。可知(k zh)：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 值相同标准标准(biozhn)电极电势与非标准电极电势与非标准(biozhn)电极电势电极电势的关系？的关系？第18页/共47页第十九页，共47页。20对于电极反应：氧化态+ne-还

13、原态c cc cc cc cnFnFRTRT（还原态）/（还原态）/(氧化态）/(氧化态）/lnln4.2.2. 电电极极(d，则还原态氧化态，或还原态，氧化态ccc c(n为电极反应中转移为电极反应中转移(zhuny)的电的电子数子数)(4.4b)第19页/共47页第二十页，共47页。21应用(4.4b)式时注意：（1）n 为半反应(fnyng)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(wzh)的计量数为指数的浓度；（4）c(或p )为两侧(lin c)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页第二十

14、一页，共47页。224 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 n0.05920.0592QEElglgn 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页第二十二页，共47页。23如

15、，对于(duy)：温度、酸度的影响(yngxing)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-参加的反应，c(H+)对 值影响很大。参考参考(cnko)P169(cnko)P169例例4.14.14.34.3第22页/共47页第二十三页，共47页。244.3 电电动动势势与与电电极极电电势势在在化化学学上上

16、的的应应用用4.ru)的的比比较较 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：氧化能力顺序解：氧化能力顺序(shnx)(shnx)：Br2Fe3+I2Br2Fe3+I2 还原能力顺序还原能力顺序(shnx)(shnx)：I-Fe2+Br-I-Fe2+Br-规律(gul)：第23页/共47页第二十四页，共47页。25最大的电对中的氧化态物质最大的电对中的氧化态物质(wzh)(wzh)与与最小的电对中的还原态物质最小的

17、电对中的还原态物质(wzh)(wzh)最最先反应先反应规律(gul)： 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(fnyng)顺序：I- Fe2+ -Br-若有一种还原剂，如Zn， 反应(fnyng)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页第二十五页，共47页。264.3.2 氧氧化化(y据此，可用电动势判断反应(fnyng)方向：E 0 正向非自发；E =0 G

18、=0 平衡(pnghng)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页第二十六页，共47页。27补补充充( (b bc ch hn ng)g)例题：用以下(yxi)二电极组成原电池： (1) Zn Zn2+（1.0mol.dm-3 ) (2) Zn Zn2+(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

19、小的电对。第26页/共47页第二十七页，共47页。28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(kjin):(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页第二十八页，共47页。29判判断断电电池池( (d d大的电对中：氧化大的电对中：氧化(ynghu)(ynghu)态物质为态物质为反应物，

20、反应物， 还原态物质为还原态物质为产物；产物；小的电对中：还原态物质为反应物，小的电对中：还原态物质为反应物， 氧化氧化(ynghu)(ynghu)态物质态物质为产物。为产物。规律(gul)：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页第二十九页，共47页。30例4.5：C(Pb2+)=0.1mol.dm-3 ，C(Sn2+)1.0mol.dm

21、-3，问下述反应(fnyng)进行的方向: Pb2+Sn=Sn2+Pb根据题意(t y),Sn2+Sn为负极,Pb2+Pb为正极 解:按能斯特方程式,有 (Pb2+/Pb) = (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(n xin)()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页第三十页，共47页。314.3.3 氧氧化化还还原原反反应应电化学方法实质是热力学方法；由

22、此可以(ky)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(rny)温度时： G =G + RTlnQ当G =0 时Q= K 平衡yRTRTnFnF2.3032.303EKlg有rGm= - RTlnK 和 nFE = RT lnKyyyy(4.3b)第30页/共47页第三十一页，共47页。32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(chngd)极小。判断下述反应(fnyng)进行的程度：2H+2Fe2+H2+

23、2Fe3+解: (H+/H2)=0.0V， (Fe3+/Fe2+)=0.771V（参见（参见(cnjin)课本中课本中p172-例例4.5例例4.7）第31页/共47页第三十二页，共47页。33小小结结( (x xi i *在原电池中的应用(yngyng) 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，对应的氧化半反应负极反应判断电池反应的产物(chnw)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页第三十三页，共47页。344.6 金金属属(j当金

24、属与周围(zhuwi)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(bo fi)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页第三十四页，共47页。354.6.1 腐腐蚀蚀 金属与周围介质直接发生氧化(ynghu)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(guchng)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

25、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页第三十五页，共47页。36化化学学腐腐蚀蚀反反应应1)钢铁(gngti)的高温氧化FeO2740KFe3O4FeOCO2FeO + COH2OFeO + H2高温高温致密致密(zhm(zhm)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页第三十六页，共47页。37金属(jnsh)与周围介质发生电化学作用而引起的金属(jnsh)腐蚀。例如:钢铁在潮湿环境中生锈(shn xi), 就是电化学腐蚀。较小的金属易失电子，被氧化而腐蚀，是腐蚀电池的阳极

26、（也称负极）。电化学腐蚀比化学腐蚀普遍(pbin)得多,腐蚀的速率一般也快得多。第36页/共47页第三十七页，共47页。381）析析在酸性较强的条件下钢铁发生析氢腐蚀,电极(dinj)反应为:阳极(yngj):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页第三十八页，共47页。39*构构成成(guc属属（钢钢筋）筋）内内提提供供阴阴极极( (y yn nj j)和和阳阳极极的的锈锈蚀蚀电电池池, ,阳阳极极为为金金属属（钢钢筋

27、）筋）未未生生锈锈部部分分, ,阴阴极极( (y yn nj j)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( (y yn nj j)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( (y yn nj j)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页第三十九页，共47页。40再再如：如：金金属属铁铁和和铜铜直直接接( (z zh hj ji i)接接触，触，液液里，里，由由于于 两者构成(guchng)了宏电池腐蚀，它们的电势差

28、作为推动力，铁作为阳极，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页第四十页，共47页。41*构构成成(gu如果将金属铁和锌直接接触，环境(hunjng)同上，则由于 锌作为阳极受到腐蚀，而铁作为阴极(ynj)，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+2

29、Fe(CN)63- = Zn3Fe(CN)62 (黄色沉淀)阴极(ynj)（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页第四十一页，共47页。423）差差异异充充观看(gunkn)动画光滑金属片也会因电解质溶液中溶解(rngji)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页第四十二页，共47页。434.6.3 金金属属腐腐蚀蚀(j1.改变金属(jnsh)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(zhm)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