2023高考化学新考点氧化还原反应与电化学

氧化还原反应与电化学

10.1氧化数与氧化还原方程式的配平

一、元素的晶化数（Oxidationnumber）（氧化态

Oxidationstate）（中学：化合价）

单质：000000

CNaNe

H2O2O360

化合物：2氧化数=0

+1-1+2-1+1-1+1-2

HO

NaClCaF2H:C12

氧翼化数曾的子本化质合：物中，即正、负离子所带的电荷数；皿廿+

是盘着中，即元素的山喇整驾器

电施X，共用电子对离得较远的兀素为正氧化数，电负性大、共用电

子以离得较近的元素为负氧化数。

二、氧化还原反应

-（一）氧化还原反应定义

■ex2

+

・例1：2Na(s)+Cl2(g)=2NaCl-(s)

2+

■Fe(s)+Cu2+(aq)=Fe(aq)+Cu(s)

・H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)

化

应

夏

失

还

储反

得

或共

子

^凡

-

生

移

^的

。

子

发

庆

离

对m

置

去

第

或

量

电

事

华

相

应

“

质

”

丁）

还

到

菊

或

电

近

事

隽

修

变

应

质

“

71”

(一)氧化还原反应定义(续)

■氧化数：00+1-1

+

■例h2Na(s)+Cl2(g)=2NaCl-(s)

H

■2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)

■氧化过程：元素的氧化数f；

■还原过程：元素的氧化数

■凡元素氧化数发生变化的过程，就是氧化还原反应。

(二)自氧化还原反应

例：A

2KC1O3(s)t2KC1(S)+3O2(g)

A

2HgO(s)f2Hg([)+O2(g)

同一物质，既是氧化剂，又是还原剂，

但氧化、还原发生在不同元素的原子上。

(三)歧化反应

例0+1-1

Cl2(g)+H2o(1)=HOCl(aq)+HCl(aq)

同一物质中同一元素的原子，有的氧化数3有的氧化

数I，称为“歧化反应”；逆反应称为“逆歧化反应”

或“归中反应”

三、氧化还原反应方程式的配平

(一)氧化数法：适用于任何氧化还原反应。

依据：还原剂氧化数的升高总值=氧化剂氧化数降低总值

例1：KMnO4+FeSO4+H2SO4—

1.据反应事实，写出反应产物，注意介质酸碱性：

KMnO4+FeSO4+H2SO4—MnSO4+Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O

2.调整计量系数，使氧化数升高值=降低值：

+7+2

KMnO4+5FeSO4+H2SO4

+2+3

—MnSO4+5/2Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O

3.若出现分数，可调整为最小正整数：

2KMnO4+10FeSO4+H2SO4

=2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O

3.配平各元素原子数(观察法)

先配平非H、O原子，后配平H、O原子。

(1)配平K+、-数目

2

SO4：左11,应+7；右18

2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4

2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O

(2)配平H+数目

H+：左16,右2,应8H2。

2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4

=2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O

(3)配平(或核对)O原子数目：已平衡。

对于电解质在溶液中的反应，也可通过“离子方程式”

表示（更简洁），配平步骤类似：

_2++2+3+

MnO4+Fe+H—Mn+Fe+H2O

2+2+3+

MnO4+5Fe+H+—Mn+5Fe+H2O

2++2+3+

MnO4+5Fe+8H—Mn+5Fe+H2O

2+2+3+

MnO4+5Fe+8H=Mn+5Fe+4H2O

（3）配平（或核对）O原子数目：已平衡。

'（1）物料平衡

注意（2）电荷平衡

介质酸碱性

注意

-若写为：

2+3+

■MnO4+3Fe+4H+=MnO2；+3Fe+2H2O

■错！产物与实验事实不符，不是MnO?］，而是

MM+；

-若写为：

2+2+3+

■MnO4-+5Fe+4H2O=Mn+5Fe+8OH-

■错！虽然物料平衡、电荷平衡，但介质不符。

例2：歧化反应方程式配平

I2(s)+OHTI+IO3

射既是氧化剂，又是还原剂，可分开写：

I2(s)+5I2(s)+OH-10I+2IO3

再配平H、O原子数目：

I2(s)+5I2(s)+12OH-10I+20+6H2O

合并L

6I2(s)+12OH—10I+2IO3+6H2O

约简计量系数：

3I2(s)+6OH=51+IO3+3H2O

（二）离子-电子法:

只适用于发生在水溶液中的氧化还原反应。

2+2+3+

例：MnO4+Fe+H+-Mn+Fe+H2O

1.把反应分为氧化反应,还原反应两个“半反应”（“电极反

应”）：

+2+

MnO4+8H+5e-Mn+4H2O（还原反应）

Fe2+―Fe3++e（氧化反应）

2.调整两个“半反应”的计量系数，使得电子总数=失电子总

数.

5e和e的计量系数最小公倍数是5:

+2+

MnO4+8H+5e-Mn+4H2O（还原反应）

5X（Fe2+―Fe3++e）（氧化反应）

3.合并上述2个“半反应”：

2++2+3+

MnO4+5Fe+8H=Mn+5Fe+4H2O

10.2原电池的电动势与电极电位（势）

一、原电池、电解池与电化学

（一）原电池：

氧化还原反应是电子转移的反应。

同一溶液内的氧化还原反应过程，

电子转移时无定向运动，不产生电流,

只放热（右图）：

2e

I1

2+

例：Zn（s）+Cu2+（aq）=Zn（aq）+Cu（s）

Daniell电池(锌■铜原电池)若选择适当的电极，组装为

“原电池”，使转移的电子定向

运动一产生电流。

原电池：是化学能一电能的装

置。

—c"----->-•'—c"----->

Z--------------------"

i

AnodeCathode

「%OK2sO4saltbridge®.

SO1-^---------►K+(：

Anode

compartmentcompartment

Zn―*Zn2++2e-fjCu2++2e-->Cu

oxidation-1aBPorousreductionjohnFredericDaniell

plugsE

1790-1845

Netreaction^^

Cu2+(aq)+Zn(s)6Cu(s)+Zn2+(aq)

锌-铜电池(DaniellCell电池)教材p.269图11.2

盐桥：K2so4(或Na2so4，KC1)+琼胶，维持电路畅通

电极反应：

Zn极(负极,Anode):

2+

Zn(s)=Zn(aq)+2e

Cu极(正极，Cathode):

2+

Cu(aq)+2e=Cu(s)

原电池放电总反应：

2+

Zn(s)+Cu(aq)=Zl>2+(aq)+Cu(s)

总结“原电池”放电反应：

负极(Anode):电势低，电子流出，发生氧化反应；

正极(Cathode):电势高，电子流入，发生还原反应。

注：English:____

盐桥(饱和KClgq)+琼脂)的作用

作为正、负离子通道，使两个“半电池”的溶液都

保持电中性，维持电路畅通。

2

Cl,SO4->ZnSO4(aq)

+2+

K,ZnfCuSO4(aq)

KC1也可以用K2sO4,Na2sO4等其它电解质代替。

原电池符号

锌-铜电池(DaniellCell电池)

33

(-)Zn(s)|ZnSO4(lmoVdm)||CuSO4(1mol/dm)|Cu(s)(+)

相界浓度或活度盐桥

可简化为(不严格)：

(一)Z%)|ZnSO41|CuSO41Cu(s)(+)

2+2+

■放电总反应：Zn(s)+Cu(aq)=Zn(aq)+Cu(s)

■给出总反应方程式，要能够设计为原电池，写出

电池符号和半反应(电极反应)方程式。

例2.原电池一氢铁电池

0+3

■(-)(Pt),H2(lp)|H(lmoldm-)11

Fe3+(1moldm-3),Fe2+(1moldm-3)IPt(+)

+

-负极：氧化半反应H2=2H+2e

■正极：还原半反应Fe3++e=Fe2+

■放电总反应：

3++2+

H2+2Fe=2H+2Fe

给出电池符号，要能够写出半反应

(电极反应)和放电总反应方程式。

例3.原电池一锌镒干电池结构

■NH4C1,ZnCl2

和M11O2浆状

物

BS

A-

T

TZ

EE

R

-正极：石墨YD

♦MS

CMT-

iaCTZ

（带铜帽）3S■tcN+

s0SnEE

zMSoMC

8N1

xB3

aSs

0lCC

MDMt-uX

Nt0YKCZ

U2fM1

1«SGSS4

5»1G980

0RW.iC0

-负极：锌。55S

A-2

FZV

«O

a二0

n-L

3，T

（外壳）EUS

AS,-.S

L.-

X

▲FIGURE18.16Crosssection

clanch^(dry)cell

例3.原电池一锌镒干电池放电反应

■负极(氧化反应)：

2+

Z%)一Zn(aq)+2e

■正极(还原反应)：

Mno2(s)+H+(aq)+e-MnO(OH)(s)

2MnO(OH)(s)一Mn2O3(s)+H2O(1)

合并，得总的放电反应：

Zn⑸+2Mn()2(s)+2H+(aq)->

Zn2+(aq)+Mn2O3(s)+H?。⑴

例4.氢氧燃料电池

-放电反应（作原电池）：

负极（anode）：（氧化反应）

2H2（g）+4OH-网）一

4H2O（I）+4e

正极（cathode）：（还原反应）

02（g）+2H2O（1）+4e-4OH"（aq）

放电总反应：

2H2（g）+。2e）一2H2o（l）

=1.23V

最干净的能源！

氢氧燃料电池动力汽车

▲TheDaimler-BenzNECAR3

prototyperunsonhydrogen-oxygen

fuelcells.Hydrogenisproducedon

boardfrommethanol.

例5.固态锂电池

负极：（氧化反应）

L%）―Li++2e

正极：（还原反应）

TiS2（s）+e一

放电总反应：

2005年12月，日本生产出锂电

池驱动汽车,最高时速超过300

km/h.

例6.锌汞纽扣电池

放电反应（作原电池）：

负极：（氧化反应）

Zn（s）+2OH（aq）一

ZnO（s）+甘20（i）+2e

正极：（还原反应）

HgO（s）+H2O（1）+2e^

Hg（|）+2OH-幽）

放电总反应：

Zn（»+HgO（s）—

ZnO⑻+Hg（1）

（二）电解池是使用直流电促使非自发的氧

化还原反应发生的装置，即电能T化学能的装

置。（Cation-permeablemembrane阳离子渗透膜）

18.12Comif

Cabon-pcrnicikMc*

mcmbrurw

卜-NaQH1叼）

3一14,0(0

ZCl'u.p―•»OaW)t2*T2H,O(/>>2c--

-1rrthlonde(.bntie)flow5intotheanodecompartment,whereCJ-isoxi-

・•J••Cl-gat,andwaterentersthecathodecompartment,whereitiscon-

,11H；>；.isandOH-ions.Betweenthean<xieandcathodecompartments

；•<.(,iiinrmbrdncth«itispermeabletocationsbutnottoanionsor

•­!•?fh<nit-rnbranckeepstheCl?andOH-ionsapartbutallowsacurrentof

：>­.n.ti<>w(nlothrenthode<i>inpartment.thuscarryingthecurrvntin

例1NaCl水溶液电解池阳极(anode)：Cl-(aq)一C12((J)+2e(氧化反应)

+

阴极(cathode)：2H(aq)+2eH2(g)(还原反应)

例2.融熔NaCl电解池示意图

阳极：2Cl-(1)->Cl2(g)+2e(氧化反应)

+

阴极：2Na(1)+2e-2Na(1)(还原反应)

例3.铅蓄电池

・放电反应(作原电池)：

负极：Pb(s)+HSO4-(aq)->

PbSO4(s)+H+(aq)+2e

正极：

PbO2(s)+HSO4(aq)+3H%q)+2e-

PbSO4(s)+2H2O(I)

放电总反应：

Pb(s)+PbO2(s)+2HSO4-(aq)+2H+(aq)

^2PbSO4(s)+2H2O(1)

充电总反应(作电解池)：

2PbSO4(s)+2H2O(1)一

Pb(s)+Pb02(s)+2HSO4-(aq)+2

H+(aq)

例4.银镉碱性充电电池

放电反应(作原电池)：

负极：(氧化反应)

()

Cd(s)+2OHaqT

Cd(OH)2⑸+2e

-

正极：(还原反应)Anode：Cd(s)+20H-(碉)一＞Cd(OH)2(s)+2e

-

NiO(OH)(s)+H2O(l)+e->CatlvKkNiO(OH)(s)+H20(/)+e-♦Ni(OH)2(s)+OFT(㈣)

Ni(OH)2(s)+OH(aq)

FIGURE18.11Recharge-►

放电总反应：ablenickel-cadmiuni,or

ni-cad,storagebatteries.

2cd(OH)2⑸MNidH短

充电总反应(作电解池)：

中黑明焜(湍:轲H2O(1)

(二)电解池(续)

例5：电解精炼铜.电解池：

阳极(Anode)-与原电池正极连接，总是发生氧化反应:

2+

Cu(s)=Cu(aq)+2e_

阴极(Cathode)与原电池负极连接，总是发生还原反应：

Cl>2+(aq)+2e=Cu(s)

电解的应用：电镀

-电镀银

■阳极Ag（s）（接原电池+极）

Ag一Ag++e

（氧化反应）

-阴极（镀件）（接原电池-极）

Ag++e—Ag

（还原反应）

电解的应用:电镀（续）

-阴极

（汽车车体镀件）

（接原电池-极）

▲Electroplatingisusedtoenhance

theappearanceanddurabilityofa

widevarietyofobjects,frombaby

shoestoautomobilebodies.

(三)电化学(Electrochemistry)

研究化学电池中氧化还原反应过程

以及化学能与电能互相转变规律的化学

分支，称为“电化学”。

化学电池：（1）原电池（化学能一电能）

（2）电解池（电能一化学能）

原电池和电解池的电极反应

■原电池(上)放电反应：

■负极(Anode):电势低，电子流出，

发生氧化反应；

■正极(Cathode):电势高，电子流入,

发生还原反应。

-电解池(下)电解反应：

■阳极(Anode):连接原电池正极，发

生氧化反应；

■阴极(Cathode):连接原电池负极，

发生还原反应。

注：English:发生氧化反应的电极记为

Anode,发生还原反应的电极记为

Cathode.

二、原电池的电动势与电极电位（势）

（一）原电池的电动势£（或E）

指原电池正、负电极之间的平衡电势差。

£="忙（10.1.1）

屋=g（10.1.2）

可用电位差计或高阻抗晶体管伏特计直接

测量.

例：上述Daniellcell,测出电动势

£°=+1.10V

表示Cu电极电势比Zn电极高1.10V

电极电位的产生一“双电层模型”

教材p.270图113

-把金属晶体插入它的盐溶液中：

■M⑸tMn+）+ne（e留在M（»表面）

■一金属“溶（解”

■—Mn+的）沉积

-在一定温度下达到“平衡”，有两种可能:

■1.M活泼性3或/和Mn+gq）浓度小，

一占优，生成左边的“双电层”。

■2.乂活泼性1，或/和Mn+的）浓度大，

一占优，生成右边的“双电层”。

“双电层模型”在一定温度下达到“平衡”，有两种

可能：

1.M活泼性T，或/和Mn+（aq）浓度小，

一占优，生成左边的“双电层”。

2.M活泼性卜或/和Mn+网）浓度大，

一占优，生成右边的“双电层”。教材p.270图11-3.

Cu/Cu2+

■+■

-+-

-+-

-+-

-+-

-+_

+

+

（e留在单⑸表面）

+

电极电位的产生一“双电层模型”

Zn(s)-ZnSC>4(aq)和Cu(s)-CuSOmq)双电层形成

Cathode

+二■+

+二+

+■+

二

-二+

-A+

电极电位的产生（续）

2+

例：Zn（s）=Zn（aq）+2e

一金属“溶解”占优势

2+

Cu（s）=Cu（aq）+2e

<—Mn+（aq）沉积占优势

电极电位（势），——金属与其盐溶液之间产生

的这种电势差，称为“电极电位”（势）。

符号：〃SI单位:V.

由于0。（ZM+/ZH）v。。（Cu2+/Cu）,当以盐桥连接这

两个溶液且外电路接通（构成回路）时，就有电子从

Zn电极流出，经外电路流入Cu电极，产生电流。

10.3标准电极电位(势)

单个电极的电位绝对值无法测量，只能测定两个

电极的电位差——电极电位只能采用相对标准。

一、标准氢电极

IUPAC规定，以标准氢电极的电位作为电极电位的相

0+

对标准：^(H/H2)=OV

写法：(氧化型/还原型)(电对),称为“还原电位”；

“氧化型/还原型”称为“电对”，例如：

H/H2,

Cu2+/Cu,Zn2+/Zn.

标准氢电极符号：(Pt),H2(lP®)|H+(lmoldm-3)

+

电极反应：2H(aq)+2e=H2(g)

标准氢电极示意图

e+e+

(Pt),H2(1p)|H(1moldm-3)规定。(H/H2)=0V

H2(g)

1atm

Bubbles

ofH2(g)

InertPtprovidesa

surfaceforelectron

transfer

常用甘汞电极作为“二级标准”

标准甘汞电极：

e

^(Hg2Cl2(s)/Hg(1))=+0.280V

饱和甘汞电极：

0(Hg2a2(s)/Hg⑴，饱和)=+0.241

V

-电极符号：

(Pt),Hg2Cl2(s)|Hg(1)

■电极反应：

Hg2Cl2(s)+2e=Hg(1)+2Cl

(KC1)

玻璃电极（测定溶液pH）

二、标准电极电位（势）

其它电极的标准电极电位都可通过与标准氢电极组成

原电池，测定其电动势而算出。