原电池与电极电势

PAGEPAGE8重庆三峡医药高等专科学校教案[课程名称]基础化学序号：28班级日期节次[教学题目]第二节原电池与电极电势[目的要求]1．了解原电池的组成及原理。2．电极电势的产生及能斯特方程。 [教学重点]原电池的组成及原理；[教学难点]电极电势的产生及能斯特方程；[教学活动]讲授实验电教讨论练习演示[教学资源]挂图实物文献资料任课教师签名：[教学进程][复习]氧化还原共轭关系[引入新课](80分钟)[板书]第二节原电池与电极电势一、原电池（primarycell）实验一：把锌放入硫酸铜溶液中，一段时间后，锌片慢慢溶解，红棕色铜不断在锌片析出，蓝色硫酸铜溶液慢慢变浅。原理：Zn+Cu2+→Zn2++Cu,锌、铜之间发生氧化还原反应，锌、铜直接接触，电子转移没有秩序，没有电流产生。随着反应进行，溶液温度上升，化学能转化为热能。实验二：采用如下图装置（原电池），一段时间后，锌片慢慢溶解，红棕色铜不断在铜片析出，蓝色硫酸铜溶液慢慢变浅，检流计A的指针发生偏转。锌电极（锌半电池）锌电极（锌半电池）锌片+硫酸锌溶液铜电极（铜半电池）铜片+硫酸铜溶液盐桥（含饱和KCl溶液胶冻）负极正极电流方向图1铜-锌原电池原理：Zn+Cu2+→Zn2++Cu,锌、铜之间发生氧化还原反应，锌、铜之间通过导线与盐桥连接，电子转移有秩序，有电流产生，化学能转化为电能。1．原电池的装置：正极（池子、电解质溶液、铜片）、负极（池子、电解质溶液、锌片）、导线、盐桥盐桥的作用（沟通电路，使反应顺利进行）：反应发生后，Zn2+的形成将增加左边烧杯中的正电荷，而Cu的沉积则导致右边烧杯中负电荷过剩。通过盐桥，Cl-向锌半电池移动，K+向铜半电池移动，每一上烧杯中始终保持电中性，反应得以顺利进行。2．原电池的反应原理能自发进行的氧化还原反应均可设计成原电池，氧化还原反应中的氧化反应部分在负极发生；氧化还原反应中的还原反应部分在正极发生。如：铜—锌原电池——又叫丹尼尔电池。Zn+CuSO4→ZnSO4+Cu或离子方程式：Zn+Cu2+→Zn2++Cu锌极发生氧化反应，向外电路输出电子，是原电池的负极；Zn-2e=Zn2+铜极发生还原反应，从外电路接受电子，是原电池的正极；Cu2++2e=Cu3．原电池的功能：借助于氧化还原反应把化学能转化为电能。4．原电池的电极反应、电池反应、电池符号、电极符号、电对符号（1）电极符号：eq\o\ac(○,1)以“|“表示相界面eq\o\ac(○,2)同一相中不同物质之间及电极中其他相界面之间，可用“，”相隔。eq\o\ac(○,3)电池中各有关物质应注明浓度，气体以分压表示。eq\o\ac(○,4)有固体电极（本身作电极）eq\o\ac(○,5)只有溶液电对反应或气体电极则外加辅助电极。如：Pt|MnO4-(c),Mn2+(c),H+(c)；Pt,H2(P)|H+(c)Pt|Fe3+(c1),Fe2+(c2)；Hg,Hg2Cl2|Cl-(c)（2）电极符号与电对符号区别：电极符号是固相、气相在外侧，液相在内侧；电对符号是高价氧化型在前/低价还原型在后。（3）电池符号：习惯上负极写在左边，正极写在右边，以“||”表示盐桥。123电池反应Cu2++Zn=Zn2++Cu2MnO4-+10Cl-+16H+=2Mn2++5Cl2+8H2OAgCl+Zn=ZnCl2+2Ag电极反应正极Cu2++2e=CuMnO4-+5e+8H+=Mn2++4H2OAgCl+e=Ag+Cl-负极Zn-2e=Zn2+2Cl--2e=Cl2Zn-2e=Zn2+电对符号Cu2+/CuZn2+/ZnMnO4-/Mn2+Cl2/Cl-AgCl/AgZn2+/Zn电极符号Zn|Zn2+(c)Cu|Cu2+(c)Pt|MnO4-(c),Mn2+(c),H+(c)Pt,Cl2(P)|Cl-(c)AgCl,Ag|Cl-(c)Zn|Zn2+(c)电池符号(-)Zn|Zn2+(c1)||Cu2+(c2)|Cu(+)(-)Pt,Cl2(P)|Cl-(c1)||MnO4-(c2),Mn2+(c3),H+(c4)|Pt(+)(-)Zn|ZnCl2(c)||ZnCl2(c)|AgCl,Ag(+)例题：5-3设计一个原电池，使其进行下列反应：Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O解：首先把反应分为氧化反应和还原反应氧化反应：6Fe2+-6e=6Fe3+还原反应：Cr2O72-+6e+14H+=2Cr3++7H2O其次写出正、负极的电极表达式：负极：Pt|Fe3+(c1),Fe2+(c2)正极：Pt|Cr2O72-(c3),Cr3+(c4)，H+(c5)最后写出电池符号：(-)Pt|Fe3+(c1),Fe2+(c2)||Cr2O72-(c3),Cr3+(c4)，H+(c5)|Pt(+)二、电极电势1．能斯特的双电层理论——电极电势的产生金属放入其自身的盐溶液中，会存在两种过程：金属的溶解与金属离子在金属表面的沉积，当两种过程达到平衡时，就会在金属表面与表面附近的溶液中形成双电层。就象电场中的正极与负极一样，双电层间存在着电势——称为电极电势，称号：φ。活泼性不同的金属，其电势不同，金属越活泼，电极电势越低；金属越不活泼，电极电势越高。——按照代数中的数轴方面，与化合价、温度的变化一致。电极电势升高电极电势升高电极电势降低0+0.28V-0.28V当两个电极通过导线相连时，电子从活泼金属上（电子密度大）通过外部电路向不活泼金属（电子密度小）输送。即：电极电势低的电极上发生氧化反应，电极电势低高的电极上发生还原反应。2．原电池的电动势原电池的电动势等于原电池两极的电势差。E池=φ（+）-φ（-）电极电势的绝对值无法得知，设标准氢电极电势为零，用其它电极与之相连形成原电池，通过电流方向和大小测得电动势，求出电极电势。（打比方：海拔是以海平面为基准来进行测定的相对值。插入图片：地形图）3．标准氢电极与标准电极电势（1）标准氢电极——插入图片：标准氢电极（2）标准电极电势eq\o\ac(○,1)电极电势的影响因素：金属本身的活动性、该离子的浓度、体系的温度。eq\o\ac(○,2)标准电极电势的条件：溶液活度为1.0mol/L，气体分压为101325Pa；液体和固体为纯净物时的电极电势。把标准氢电极与任一其它标准电极相连形成原电池，测得电动势就是该标准电极的电极电势（相对值）。例如：锌电极与标准氢电极组成原电池，锌电极作负极，电池电动势为0.7618V,E池=φ（+）-φ（-）=φө（H+/H2）-φө（Zn2+/Zn）=0-φө（Zn2+/Zn）=0.7618V则：φө（Zn2+/Zn）=-0.7618V又例如：铜电极与标准氢电极组成原电池，铜电极作正极，电池电动势为0.7618V。E池=φ（+）-φ（-）=φө（Cu2+/Cu）-φө（H+/H2）=φө（Cu2+/Cu）-0=0.3419V则：φө（Cu2+/Cu）=0.3419V详见：表5-1附表：6-1、6-2eq\o\ac(○,3)标准电极电势（或电极电势）的意义：数值大小反映电对中氧化型和还原型物质氧化还原能力的强弱：φө代数值越大，电对中氧化型物质氧化性越强，是较强的氧化剂，容易得电子转变为其共轭还原型，其共轭还原型则还原性较弱。φө代数值越小，电对中氧化型物质氧化性越弱，是较弱的氧化剂，不容易得电子转变为其共轭还原型，其共轭还原型则还原性较强。例：对于氧化还原反应：ox1+red2=red1+ox2氧化性：ox1>ox2还原性:red2>red1eq\o\ac(○,4)注意事项：1）φө的正负号、数值大小与电极反应式的写法无关，无论半反应是氧化反应还是还原反应，无论各物质前面系数是整数或分数，代数值不变。因为是平衡时的数值且φө是强度性质。举例：Zn-2e=Zn2+φө（Zn2+/Zn）=-0.7618V；Zn2++2e=Znφө（Zn2+/Zn）=-0.7618V；2Zn-4e=2Zn2+φө（Zn2+/Zn）=-0.7618V；2）φө是标准状态下的水溶液中测定，不适用于其它非水溶液。3）仅说明氧化还原反应的趋势和程度，末涉及反应速率。举例：（NH4）2S2O8与MnSO4的反应，由于φө（S2O82-/SO42-）2.01V>φө（MnO4-/Mn2+）1.51V,故可以发生下列反应：5S2O82-+2Mn2++8H2O=2MnO4-+16H++10SO42-但实验中看不到紫红色生成，必须加入少量硝酸银溶液和催化剂并加热才能使反应速率加快，看到紫红色。4）注意具体电对（氧化型与还原型）与φө的一致性。有些物质即有氧化性又有还原性，在不同反应中可能对应不同的值。如：H2O2+2H++2e=2H2Oφө（H2O2/H2O）=1.776VO2+2H++2e=H2O2φө（O2/H2O2）=0.695V5）注意溶液酸碱性与φө的一致性：酸性介质查酸表，碱性介质查碱表。三、能斯特方程——非标准状态下的φ的计算nFnFφ=φө+lnRT[ox][red]]能斯特（Nernst）方程:φ:非标准状态电极电势(v)φө:标准状态电极电势(v)R:气体常数8.314J·mol-1·K-1T:热力学温度(K)n:电极反应中转移的电子数(mol)F:Faraday常数（96487C·mol-1)[ox]:电极反应中氧化型一侧各物质浓度（mol·L-1）的幂的乘积，幂的指数为反应中各物质前面的系数。[red]:电极反应中还原型一侧各物质浓度（mol·L-1）的幂的乘积，幂的指数为反应中各物质前面的系数。电极反应中如某一物质为固体或纯液体，浓度为1，气体的浓度单位则为atmT=298K时，能斯特方程:[red]][ox]0.0592φ=φө+lgn结论：（1）氧化型物质浓度增大时，其氧化型物质的氧化性增强，还原型物质浓度增大时，其氧化型物质的氧化性降低。（2）与酸性有关的氧化还原反应，H+浓度增大，其氧化型物质的氧化性增强。（3）沉淀反应、配合物的生成等会直接影响离子的浓度，从而最终影响电极电势的大小。四、电极电势的应用（了解）（一）比较氧化剂和还原剂的相对强弱1．标态下：φө值较大的电对中的氧化型是较强的氧化剂；φө值较小的电对中的还原型是较强的还原剂。可根据φө选择适当的氧化剂。2．非标态下：通过能斯特方程计算出之后再判断。（二）判断氧化还原反应进行的方向