医用化学 第8章 氧化还原反应与电极电位课件

1、医用化学2010级临床医学7-8班，9-13-14班参考教材：基础化学（第7版），人民卫生出版社第八章 氧化还原反应与电极电位Oxidation-Reduction Reactions and Electrode Potential内容提要氧化还原反应氧化值氧化还原反应氧化还原反应方程式的配平原电池与电极电位原电池电极电位的产生标准电极电位电池电动势与Gibbs自由能（略）电池电动势与化学反应自由能变的关系用电池电动势判断氧化还原反应的自发性内容提要电极电位的Nernst方程式及影响电极电位的因素电极电位的Nernst方程式电极溶液中各物质浓度对电极电位的影响电位法测定溶液的pH常用参比电极指

2、示电极电位法测定溶液的pH值教学基本要求掌握电池组成式的书写，了解电极电位产生的原因，熟悉标准电极电位概念，掌握用标准电极电位判断氧化还原反应的方向。掌握离子-电子法配平氧化还原反应式。掌握电极电位的 Nernst 方程、影响因素及有关计算。了解电位法测量溶液 pH值的原理。熟悉氧化值和氧化还原反应的意义， 熟练计算元素氧化值。了解电动势与自由能的关系，掌握通过标准电动势计算氧化还原反应平衡常数的方法。第一节 氧化还原反应一、氧化值（氧化数 oxidation number）1970年IUPAC给出的定义是：氧化值是某元素一个原子的表观荷电数（apparent charge number），这

3、种荷电数是假设把每一个化学键中的电子指定给电负性更大的原子而求得。 例：NH3中，N的氧化值是-3，H的氧化值是+1。第一节 氧化还原反应确定元素氧化值的规则：单质中原子的氧化值为零。单原子离子中原子的氧化值等于离子的电荷。例如Na+离子中Na的氧化值为1。氧的氧化值在大多数化合物中为-2，但在过氧化物中为-1，如在H2O2、Na2O2中；在超氧化物KO2中为-1/2；在臭氧化物KO3中为-1/3；在OF2中为+2。氢的氧化值在大多数化合物中为+1，但在金属氢化物中为-1，如在NaH、CaH2中。第一节 氧化还原反应氧化值可为整数，也可为分数。例： Fe3O4 中，Fe：+8/3； S4O62

4、- 中，S：+5/2。按确定元素氧化值6条规则的先后顺序，先定不会变的，再定很少变的，后定不明确的。例：KMnO4，先确定K，+1； 再确定O，-2； 最后确定Mn，+7。第一节 氧化还原反应二、氧化还原反应不同类型的氧化还原反应电子转移Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+电子偏移C + O2 = CO2这两类不同的氧化还原反应可以用氧化值概念统一：元素的氧化值发生了变化 。第一节 氧化还原反应定义氧化还原反应元素的氧化值发生了变化的化学反应称为氧化还原反应。 Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+氧化值升高称为氧化反应，例如ZnZn2+ ；氧化值降低称为还原反应，例如Cu2+Cu

5、。电子供体失去电子，称为还原剂，如 Zn；电子受体得到电子，称为氧化剂，如Cu2+。 第一节 氧化还原反应 氧化还原半反应和氧化还原电对氧化还原半反应用通式写做氧化型 + ne- 还原型或 Ox + ne- Red 式中n为半反应中电子转移的数目。Ox 表示氧化值相对较高的氧化型物质；Red表示氧化值相对较低的还原型物质。 氧化还原电对：氧化型物质及对应的还原型物质，合称为氧化还原电对。 氧化还原电对通式：氧化型/还原型（Ox/Red） 例如：如Cu2+/Cu；Zn2+/Zn；Cl2/Cl-第一节 氧化还原反应 氧化还原半反应和氧化还原电对 写氧化还原半反应时，所有参与半反应的物质时，虽然它们

6、在反应中未得失电子，也应写入半反应中。如半反应MnO4- + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O 氧化型包括MnO4-和H+，还原型为Mn2+ (溶剂H2O不包括)。 第一节 氧化还原反应MnO4- + 8H+ Mn2+ + 4H2O2Cl- Cl2电荷平衡MnO4- + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O 2Cl- - 2e- Cl2 配平氧化还原方程式（得失电子数相等）2：2MnO4- + 16H+ + 10e- 2Mn2+ + 8H2O5： 10Cl- - 10e- 5Cl2 2MnO4- + 16H+ + 10Cl- 2Mn2+ + 5Cl2 + 8H2O第二节 原电池

7、和电极电位一、原电池将氧化还原反应的化学能转化成电能的原型装置称为原电池(primary cell)，简称电池。原电池可以将自发进行的氧化还原反应，所产生的化学能转变为电能，同时做电功。理论上讲，任何一个氧化还原反应都可以设计成一个原电池。 第二节 原电池和电极电位原电池的组成两个半电池（或电极）。半电池包括电极材料（电极板）和电解质溶液，电极板是电池反应中电子转移的导体，氧化还原电对的电子得失反应在溶液中进行。 盐桥连接两个半电池，沟通原电池的内电路。半电池 Zn2+/Zn半电池 Cu2+/Cu电极板 电极板 盐桥第二节 原电池和电极电位电池的反应将ZnSO4 溶液和Zn片构成Zn半电池，是

8、原电池的负极(anode)； CuSO4溶液和Cu片构成Cu半电池，是原电池的正极(cathode)。负极反应 Zn Zn2+ + 2e- （氧化反应）正极反应 Cu2+ + 2e- Cu （还原反应）由正极反应和负极反应所构成的总反应，称为电池反应(cell reaction)。Zn + Cu2+ Cu + Zn2+第二节 原电池和电极电位原电池组成式“|”表示相界面，同一相的不同物质用“,”隔开。“|”表示盐桥。溶质标浓度；气体标压力。溶液靠盐桥,电极板在两边。左负，右正。(-) Zn | Zn2+ (c1) | Cu2+ (c2) | Cu (+)第二节 原电池和电极电位例 写出下列反应

9、的电极反应和电池组成式MnO4- + Fe2+ + H+ Mn2+ + Fe3+ + H2O解 配平半反应（电极反应）Fe2+ Fe3+ + e -MnO4- + 8 H+ + 5e- Mn2+ + 4 H2O 该电池有一个缺陷：没有自身材料做导线。一般可用铂做导线；有时也用干电池的碳芯。 电池组成式(-) Pt|Fe3+,Fe2+ | | MnO4-,Mn2+,H+|Pt (+)第二节 原电池和电极电位电极类型金属-金属难溶盐-阴离子电极 如：Ag-AgCl电极电极组成式 Ag | AgCl(s) | Cl-(c)电极反应 AgCl + e- Ag + Cl-氧化还原电极 如：Fe3+/Fe

10、2+电极电极组成式 Pt | Fe2+(c1), Fe3+(c2)电极反应 Fe3+ e- Fe2+第二节 原电池和电极电位二、电极电位的产生问题：电流是由电压驱动的，电压哪来？金属电极板浸入其盐溶液中，存在相反的过程，速率相等时，建立动态平衡： 金属极板表面上带有过剩负电荷；溶液中等量正电荷的金属离子受负电荷吸引，较多地集中在金属极板附近，形成所谓双电层结构，其间电位差称为电极电位。 第二节 原电池和电极电位二、电极电位的产生金属愈不活泼，其析出趋势愈大，例如Cu 结果，金属离子夺取金属体表的电子析出单质，使金属电极表面带上正电荷，而溶液中离子的负电荷多于正电荷。在金属极板附近，正电荷与负电

11、荷也排列形成相反的“双电层结构”，并产生不同的电极电位。 把所有电极的电极电位，按大小排列成序。第二节 原电池和电极电位三、标准电极电位电极电位符号ox/red，单位V。电极电位与电对本性、温度、浓度有关。电极电位绝对值无法直接测定，使用的是相对值，以标准氢电极( SHE)为参比电极。IUPAC规定标准氢电极SHE=0.00000V2H+(aq) + 2e- H2(g)T=298.15K，p(H2)=100kPac(H2)=1 molL-1第二节 原电池和电极电位三、标准电极电位电极电位的测定将待测电极和已知电极组成原电池原电池的电动势：E=待测-已知IUPAC建议电极电位应是下述电池的平衡电

12、动势：Pt | H2(100kPa) |H+(a=1)Mn+(a) |M第二节 原电池和电极电位三、标准电极电位标准电极电位及应用标准态下测得的氧化还原电对的电极电位就是标准电极电位，符号oox/red。是热力学标准态下的电极电位；反应用 Ox + ne- Red表示，所以电极电位又称为还原电位；电极电位是强度性质，与物质的量无关，如 Zn2+ + 2e- Zn (Zn2+/Zn) = -0.761 8V 1/2Zn2+ + e- 1/2Zn (Zn2+/Zn) = -0.761 8V电极电位与物质本性、温度、浓度、酸度有关。第二节 原电池和电极电位标准电极电位表(298.15K) 半反应o

13、/VNa+e- Na-2.71Zn2+2e- Zn-0.761 8Pb2+2e- Pb-0.126 22H+2e- H20.000 00Cu2+2e- Cu0.341 9O2+2H+2e- H2O20.695Cl2+ 2e- 2Cl-1.358 27MnO4-+8H+5e- Mn2+4H2O1.507氧化剂的氧化能力增强 还原剂的还原能力增强 第二节 原电池和电极电位标准电极电位及应用标准电极电位的应用判断氧化还原能力的相对强弱电极电位愈高，电对中氧化型物质得电子能力愈强，是较强氧化剂；电极电位值愈低，电对中还原剂型物质失电子能力愈强，是较强还原剂。表中，最强的氧化剂是MnO4-，最强的还原剂

14、是Na。较强氧化剂对应的还原剂型物质的还原能力较弱，较强还原剂对应的氧化剂型物质的氧化能力较弱。第二节 原电池和电极电位标准电极电位及应用标准电极电位的应用较强氧化剂和较强还原剂作用，生成较弱的还原剂和较弱的氧化剂，这是一个自发过程。如Zn + Cu2+ Cu + Zn2+ (Cu2+/Cu)=0.341 9V(Zn2+/Zn)=-0.761 8V较强氧化剂Cu2+与较强还原剂Zn发生反应，生成较弱还原剂Cu与较弱氧化剂Zn2+。这个反应的逆过程是非自发的。 第三节 电池电动势与Gibbs自由能一、电池电动势与化学反应Gibbs自由能变的关系在等温等压下，系统Gibbs降低值等于可逆过程中对外

15、所作的最大非体积功。原电池是可逆电池，系统所作的非体积功全部为电功： Gm= W电功,最大= -qE=- nFEn是转移电子的物质的量，单位mol；电动势 E单位V。法拉第常数F = 96 485 Cmol-1。W单位J。当电池中各物质均处于标准态时Gom= - nFEo第三节 电池电动势与Gibbs自由能二、用电池电动势判断氧化还原反应的自发性对于一个氧化还原反应：Ox1 + Red2 Red1 + Ox2电池组成 ：Pt | Ox2(aq), Red2(aq) | Ox1(aq), Red1(aq) | Pt原电池电动势：E = (Ox1/Red1) - (Ox2/Red2) Gm= -

16、nFE第三节 电池电动势与Gibbs自由能二、用电池电动势判断氧化还原反应的自发性于是有：(Ox1/Red1)(Ox2/Red2)，E0，Gm0, 反应正向自发；(Ox1/Red1)(Ox2/Red2)，E0, 反应逆向自发；(Ox1/Red1)=(Ox2/Red2)，E=0，Gm=0, 反应达到平衡。第三节 电池电动势与Gibbs自由能二、用电池电动势判断氧化还原反应的自发性标准状态下：o (Ox1/Red1)o(Ox2/Red2)，Eo0，Gom0, 反应正向自发；o(Ox1/Red1)o(Ox2/Red2)，Eo0, 反应逆向自发；o (Ox1/Red1)=o(Ox2/Red2)，Eo=

17、0，Gom=0, 反应达到平衡。第三节 电池电动势与Gibbs自由能例 计算Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ 2Cr3+ + 6Fe3+ + 7H2O的Gom，并判断反应在标准状态下是否自发进行。解 正极 Cr2O72- + 14H+ + 6e- 2Cr3+ + 7H2O查表得 o(Cr2O72-/Cr3+) = 1.232V负极 Fe3+ + e- Fe2+，查表得o (Fe3+/Fe2+)= 0.771V Eo = o(Cr2O72-/Cr3+) -o (Fe3+/Fe2+)= 1.232V - 0.771V = 0.461V配平氧化还原方程式中电子转移数n = 6Gom= -

18、nFEo =-266.9kJmol-10.2V时，或n = 1，Eo0.4V时，Ko 106，此平衡常数已相当大，反应进行得比较完全。第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素一、电极电位的Nernst方程式由热力学等温方程Gm= Gom + RTlnQ 又 Gm= - nFE， Gom= - nFEo有 -nFE = - nFEo + RTlnQ两边同除以-nF，得这就是电池电动势的Nernst方程。Q为反应商。第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素对于一个氧化还原反应：aOx1+bRed2 dRed1+eOx2代入电池电动势的Nernst方程第四节 电极电位的N

19、erst方程式及影响电极电位的因素注意到：反应商Q写做电池电动势的Nernst方程变为第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素整理得到：一般地： p Ox + ne- q Red这就是电极电位的Nernst方程第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素当T=298.15K，将相关常数代入电极电位的Nernst方程：根据已配平的半反应可以方便地写出电极电位的Nernst方程式，例如：Cr2O72-+14H+6e- 2Cr3+7H2O 第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素从电极电位的Nernst方程可以看出：任意电极电位，主要取决于标准电极电位（电极本性

20、），次要取决于温度、浓度（氧化剂、还原剂、相关介质）。温度一定时，氧化型浓度愈大，则值愈大；还原型浓度愈大，则值愈小。（谁多则谁强）当氧化型或还原型物质浓度很大或很小时，或电极反应式中的系数很大时，能对电极电位产生显著的影响。第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素例如：KMnO4在不同状况下的标准电极电位：(1) 碱性： MnO4- + e MnO42- 00.588V(2) 中性： MnO4- + H2O + 3e MnO2 + 4OH- 00.595V(3) 酸性： MnO4- + 8H+ + 5e Mn2+ + 4H2O 01.507V(4) 酸性： MnO4- + 4H

21、+ + 3e MnO2 + 2H2O 01.679V第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素二、溶液中各物质浓度对电极电位的影响 酸度若介质中的H+和OH-能参加电极反应，则pH变化会影响电极电位。例 电极反应：Cr2O72- + 14 H+ + 6e- 2Cr3+ + 7H2Oo=1.232V，若Cr2O72-和Cr3+浓度均为1molL-1，求298.15K，pH=6时的电极电位。 第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素解 Cr2O72- + 14 H+ + 6e- 2Cr3+ + 7H2O,c(Cr2O72-) = c(Cr3+) = 1 molL-1，pH

22、=6，c(H+) = 110-6 molL-1， n = 6所以第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素二、溶液中各物质浓度对电极电位的影响 生成难溶解物质若氧化还原电对被沉淀，极大降低氧化型或还原型物质浓度，使电极电位发生变化。例 已知Ag+ + e- Ag， o =0.799 6V若加入NaCl生成AgCl沉淀，并保持Cl-浓度为1molL-1，求298.15K时的电极电位（已知的Ksp(AgCl)=1.7710-10）。第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素解 Ag+ + e- Ag n = 1Ag+ Cl- AgClAg+= Ksp / Cl-=1.771

23、0-10 =0.799 6V-0.577V = 0.223V第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素二、溶液中各物质浓度对电极电位的影响 生成难电离物质（弱酸、弱碱、水等)弱酸（或弱碱）生成将使氧化型或还原型物质的离子浓度降低，电极电位发生变化。例 已知o(Pb2+/Pb) = -0.126 2V，原电池(-) PbPb2+(1molL-1)H+(1molL-1)H2(100kPa),Pt (+)问：(1)在标准态下， 2H+ + Pb H2 + Pb2+反应能发生吗？(2)若在H+溶液中加入NaAc，且使平衡后HAc及Ac-浓度均为1molL-1，H2的分压为100kPa，反应

24、方向将发生变化吗？ 第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素解 (1) 正极：2H+ + 2e- H2，o(H+/H2) = 0.0000V 负极：Pb2+ 2e- Pb，o(Pb2+/Pb)=-0.1262V=0.000 00 V-(-0.126 2V)= 0.126 2V0由于电池电动势大于零，该反应能正向自发进行。(2)加入NaAc后，氢电极溶液中存在下列平衡：HAc H+ +Ac-H+=HAcKHAc / Ac-达平衡后，溶液中HAc及Ac-浓度均为1 molL-1 , 第四节 电极电位的Nerst方程式及影响电极电位的因素 KHAc=1.7610-5，H+=1.7610

25、-5 molL-1 =-0.281V-(-0.126 2V)=-0.155V80使用。第五节 电位法测定溶液的pH二、指示电极用来指示溶液中某种被测离子浓度(活度)的电极，称某离子电极。玻璃电极使用最广泛的pH指示电极为玻璃电极(glass electrode)。该电极的玻璃管的下端，接有半球型玻璃薄膜(约为0.1mm)，膜内装有盐酸溶液，并用氯化银-银电极作内参比电极。第五节 电位法测定溶液的pHpH指示电极的基本原理当玻璃膜内外两侧的氢离子浓度不等时，就会出现电位差，称为膜电位。膜电位的大小，取决于膜外待测溶液的氢离子浓度，即pH值。玻璃电极的电极电位与待测溶液的H+浓度，符合Nernst

26、方程： 第五节 电位法测定溶液的pH复合电极将指示电极和参比电极组装在一起就构成复合电极(combination electrode)。pH复合电极，通常由玻璃电极、AgCl/Ag电极或玻璃电极-甘汞电极组合而成。参比电极的补充液由外套上端小孔加入。复合电极的优点在于使用方便，并且测定值较稳定。第五节 电位法测定溶液的pH三、电位法测定溶液的pH值测定溶液的pH，常用玻璃电极作pH指示电极，饱和甘汞电极作参比电极，组成原电池。(-) 玻璃电极 | 待测pH溶液 | SCE (+)电池电动势为：第五节 电位法测定溶液的pH三、电位法测定溶液的pH值在一定温度下，SCE为常数，K玻未知，需先将玻璃

27、电极和饱和甘汞电极插入pHs的标准缓冲溶液中进行测定，测定的电池电动势为Es 联立测定待测溶液的pH的电池电动势E ：第五节 电位法测定溶液的pH三、电位法测定溶液的pH值两式相减，整理得：式中，pHs为已知标准值，E和Es分别为由待测溶液、标准pHs溶液，与电极组成的电池电动势，T为测定时的温度，即可求出待测溶液的pH值。IUPAC确定此式为pH操作定义(operational definition of pH)。 第五节 电位法测定溶液的pH四、pH计第五节 电位法测定溶液的pH四、便携式pH计第五节 电位法测定溶液的pH四、便携式pH计 仪表式pH计第五节 电位法测定溶液的pH四、便携式pH计第五节 电位法测定溶液的pH四、笔式pH计第五节 电位法测定溶液的pH四、笔式pH计第五节 电位法测定溶液的pH四、笔式pH计第五节 电位法测定溶液的pH四、笔式pH计第五节 电位法测定溶液的pH四、土壤pH计第六节 电化学和生物传感器传感技术是现代信息技术的重要组成部分。一、传感器(sensor)概述功能：能感受特定的检测对象，并按照一定规律转换成输出光或电信号的器件或装置。特征：集分离、鉴定于一体；可实现集成化、自动化、器件化、微型化；在线或在体分析。组成：敏感元件、转换元件、信号处理单元、相应附件。