【無機化學】第11次課第6章 氧化還原反應1

1、第第6章章 氧化還原反應氧化還原反應和電化學和電化學主要內(nèi)容主要內(nèi)容6.1氧化還原反應氧化還原反應*6.2原電池原電池6.3電極電勢電極電勢6.4電極電勢的應用電極電勢的應用(下一次課下一次課)*6.5有關(guān)氧化還原反應的計算示例有關(guān)氧化還原反應的計算示例*6.6電解與電鍍電解與電鍍(略略)6.7化學電源化學電源(略略)6.1氧化還原反應氧化還原反應6.1.1氧化態(tài)氧化態(tài)6.1.2氧化劑和還原劑氧化劑和還原劑6.1.3氧化還原方程式的配平氧化還原方程式的配平*6.1.1 氧化態(tài)氧化態(tài)氧化態(tài)：元素某一原子所帶的氧化態(tài)：元素某一原子所帶的形式形式電荷。電荷。形式電荷形式電荷：是假設(shè)把分子中共價鍵合的

2、電：是假設(shè)把分子中共價鍵合的電子指定給電負性較大的原子之后所帶的電子指定給電負性較大的原子之后所帶的電荷。荷。形式電荷的確定形式電荷的確定在單質(zhì)中，元素的氧化態(tài)定為零。例如，在單質(zhì)中，元素的氧化態(tài)定為零。例如，金屬銅中金屬銅中Cu的氧化態(tài)為零。記為的氧化態(tài)為零。記為Cu0。在離子化合物中，簡單離子的氧化態(tài)等在離子化合物中，簡單離子的氧化態(tài)等于該離子所帶的電荷。例如，于該離子所帶的電荷。例如，CaCl2中，中，Ca的氧化態(tài)為的氧化態(tài)為+2，記為，記為Ca+2；Cl的氧化態(tài)為的氧化態(tài)為-1，記為，記為Cl-1。注意：氧化態(tài)注意：氧化態(tài)不可不可寫為寫為Ca2+，2+表示帶表示帶2個個正電荷。正電荷。

3、形式電荷的確定形式電荷的確定在已知結(jié)構(gòu)的共價化合物中，共用電子在已知結(jié)構(gòu)的共價化合物中，共用電子指定給電負性較大的原子之后，兩個原子指定給電負性較大的原子之后，兩個原子所帶的所帶的形式電荷形式電荷就是它們的氧化態(tài)就是它們的氧化態(tài)例如，例如，H2S中，中，H的電負性為的電負性為2.2，S的電負的電負性為性為2.6，HS鍵的共用電子對指定給鍵的共用電子對指定給S之之后，后，S的氧化態(tài)為的氧化態(tài)為S-2，H的氧化態(tài)為的氧化態(tài)為H+1。形式電荷的確定形式電荷的確定對于組成復雜或結(jié)構(gòu)未知的化合物，對于組成復雜或結(jié)構(gòu)未知的化合物，按照按照“分子中各元素氧化態(tài)的分子中各元素氧化態(tài)的代數(shù)和代數(shù)和等等于零于零；

4、各離子中各元素氧化態(tài)各離子中各元素氧化態(tài)代數(shù)和代數(shù)和等等于離子的電荷于離子的電荷”原則計算確定元素氧化原則計算確定元素氧化態(tài)。態(tài)。氧氧的氧化態(tài)主要為的氧化態(tài)主要為-2。但是在。但是在過氧化過氧化物物中為中為-1，在，在超氧化物超氧化物中中-0.5，在，在氟化物氟化物中為中為+1，+2。形式電荷的確定形式電荷的確定氫的氧化態(tài)一般為氫的氧化態(tài)一般為+1，只是在金屬氫，只是在金屬氫化物為化物為-1。例如。例如CaH2，NaH。舉例：求算舉例：求算CH4(甲烷甲烷)，H3COH (甲醇甲醇) ，HCOH (甲醛甲醛) ，HCOOH (甲酸甲酸) ，H2CO3 (碳酸碳酸)中中C的氧化態(tài)的氧化態(tài)。cHH

5、HHCH4甲烷甲烷CH4(甲烷甲烷)中中 H的氧化態(tài)的氧化態(tài)為為+1，CH4分子中各元素分子中各元素氧化態(tài)氧化態(tài)代數(shù)和為零代數(shù)和為零，則，則C的氧化態(tài)為的氧化態(tài)為-4，記為，記為C- 4。H3COH (甲醇甲醇)中中 H的氧化的氧化態(tài)為態(tài)為+1，O的氧化態(tài)為的氧化態(tài)為-2，+4-2+C=0，則，則C- 2。cOHHHHH3COH甲醇甲醇HCOH (甲醛甲醛)中中 H的氧化的氧化態(tài)為態(tài)為+1，O的氧化態(tài)為的氧化態(tài)為-2，+2-2+C=0，則，則C0。cHHOHCOH甲醛甲醛cOHHOHCOOH甲酸甲酸HCOOH (甲酸甲酸)中中 H的氧化的氧化態(tài)為態(tài)為+1，O的氧化態(tài)為的氧化態(tài)為-2，+2-22

6、+C=0，則，則C+2。6.1.2 氧化劑和還原劑氧化劑和還原劑在在指定指定的氧化還原反應中，元素的氧化還原反應中，元素氧化態(tài)氧化態(tài)降低的降低的反應物反應物為為氧化劑氧化劑；反之；反之氧化態(tài)升氧化態(tài)升高的高的反應物反應物為為還原劑還原劑。+70+4+642242KMn O +S =2Mn O +K S O 氧化劑 還原劑 0+2244+20Mg +NaSO =Mg SO +2Na還原劑 氧化劑 w注意注意：指定指定方程式中方程式中正反應正反應方向不一定是方向不一定是真實的真實的。6.1.3 氧化還原方程式的配平氧化還原方程式的配平* * * *氧化態(tài)法氧化態(tài)法離子離子- -電子法電子法( (在

7、電極電勢中講在電極電勢中講) )氧化態(tài)法配平原則氧化態(tài)法配平原則寫出反應物和生成物的分子式寫出反應物和生成物的分子式。42324424KMnO +K SO +H SO ()MnSO +K SO稀標出元素有變化的標出元素有變化的氧化態(tài)氧化態(tài)，計算出反應前，計算出反應前后氧化態(tài)后氧化態(tài)變化的數(shù)值變化的數(shù)值，并使，并使降降、升升值相等。值相等。42324+7+442+642+KMn O +K S O +H SO ()Mn SO +K S O稀Mn的氧化態(tài)降低的氧化態(tài)降低52 2= =1010S的氧化態(tài)升高的氧化態(tài)升高25=5=1010配平氧化劑、還原劑以及氧化還原產(chǎn)物配平氧化劑、還原劑以及氧化還原產(chǎn)

8、物。42324424KMnO22+ K SO +H SO ()M55nSO + K SO稀配平氧化態(tài)沒有變化的元素。（難點?。┡淦窖趸瘧B(tài)沒有變化的元素。（難點?。?232442422KMnO +5K SO + H SO ()2MnSO + K363H OSO稀經(jīng)驗：想辦法配平氧和氫，再考慮其它離子經(jīng)驗：想辦法配平氧和氫，再考慮其它離子左邊：氧左邊：氧過多過多，酸介質(zhì)加，酸介質(zhì)加H+；堿介質(zhì)加；堿介質(zhì)加H2O左邊：氧左邊：氧不夠不夠，酸介質(zhì)加水；堿介質(zhì)加，酸介質(zhì)加水；堿介質(zhì)加OH6.2原電池原電池6.2.1原電池的概念原電池的概念6.2.2原電池的表示方法原電池的表示方法*6.2.3原電池的電動

9、勢原電池的電動勢6.2.1 原電池的概念原電池的概念Cu-Zn原電池裝置原電池裝置原電池原電池: :把化學能轉(zhuǎn)化成電能的裝置叫做原電池。把化學能轉(zhuǎn)化成電能的裝置叫做原電池。半電池半電池1半電池半電池2鹽橋鹽橋?qū)Ь€導線負極負極( (電子流出電子流出):):氧化反應氧化反應Zn(s) - 2e- Zn2+(aq)正極正極( (電子流入電子流入):):還原反應還原反應Cu2+(aq) + 2e- Cu(S)電池反應電池反應: :Zn(s) + Cu2+ (aq) Zn2+(aq) + Cu(s)6.2.2原電池的表示方法原電池的表示方法半電池半電池1：由：由Zn和和ZnSO4構(gòu)成。構(gòu)成。 Zn2+為

10、氧化型物質(zhì)；為氧化型物質(zhì)；Zn為還原型物質(zhì)為還原型物質(zhì)半電池半電池2：由：由Cu和和CuSO4構(gòu)成。構(gòu)成。 Cu2+為氧化型；為氧化型；Cu為還原型為還原型金屬導體如金屬導體如 Cu、Zn惰性導體如惰性導體如 Pt、石墨棒、石墨棒電極電極 半電池反應通式為：半電池反應通式為：氧化型氧化型 + ne- 還原型還原型 半電池反應可以用電對表示：氧化型半電池反應可以用電對表示：氧化型/ /還原還原型被稱為。例如，型被稱為。例如，Zn2+/Zn ；Cu2+/Cu)( Cu )L(1.0molCu )L(1.0mol Zn Zn )( 1212 原電池符號的書寫規(guī)則原電池符號的書寫規(guī)則*： 負極負極“-

11、”在左邊，正極在左邊，正極“+”在右邊，鹽橋用在右邊，鹽橋用“”表示。表示。 純液體、固體和氣體寫在惰性電極一邊純液體、固體和氣體寫在惰性電極一邊, 并并用用“,”分開。分開。 半電池中兩相界面用半電池中兩相界面用“ ”分開，同相但不同分開，同相但不同的物種用的物種用“,”分開，溶液溶質(zhì)、氣體要注明分開，溶液溶質(zhì)、氣體要注明cB，pB 原電池的組成為：電對、鹽橋和導線?？稍姵氐慕M成為：電對、鹽橋和導線?？梢杂秒姵胤柋硎驹姵匾杂秒姵胤柋硎驹姵?13212L2.0mol2ClL0.1mol2Fe 101325PaClL1.0mol2Fe 例：例：將下列反應設(shè)計成原電池并以原電池符號將下列

12、反應設(shè)計成原電池并以原電池符號表示。表示。解解：)(Pt ， 101325PaCl L2.0molCl L0.1molFe , L1.0molFe Pt )( 211312正極：正極：Cl2(g) + 2e- 2Cl-(aq)負極：負極：Fe2+(aq) - e- Fe3+(aq) 純液體、固體和氣體寫在惰性電極一邊純液體、固體和氣體寫在惰性電極一邊, 并并用用“,”分開。分開。6.2.3 原原電池電動勢的測定電池電動勢的測定 E 電動勢，電動勢， E =E正正-E負負。電動勢的大電動勢的大小可以由數(shù)字電壓表或電位差計來測定。小可以由數(shù)字電壓表或電位差計來測定。)( Cu )L(1.0molC

13、u )L(1.0molZn Zn )( 1212E-標準電動勢，例如，銅標準電動勢，例如，銅-鋅原電池鋅原電池 E= 1.10V。6.3電極電勢電極電勢6.3.1金屬電極電勢的產(chǎn)生金屬電極電勢的產(chǎn)生6.3.2電極電勢的確定電極電勢的確定6.3.3能斯特方程式能斯特方程式* 金屬浸入其鹽的溶液中，在金屬和溶液的界面金屬浸入其鹽的溶液中，在金屬和溶液的界面上會有兩種可能的過程：上會有兩種可能的過程： (1)受極性溶劑分子的吸引，金屬原子把電子留受極性溶劑分子的吸引，金屬原子把電子留在金屬上，自身以溶劑化離子的形式進入溶液。在金屬上，自身以溶劑化離子的形式進入溶液。()(1)nMMaqne6.3.1

14、金屬電極電勢的產(chǎn)生金屬電極電勢的產(chǎn)生 (2) 受金屬表面自由電子的吸引，溶液中的金屬受金屬表面自由電子的吸引，溶液中的金屬離子沉積到金屬板上。離子沉積到金屬板上。2)(nMaqneM當兩種趨勢的速度相等就建立了動態(tài)平衡當兩種趨勢的速度相等就建立了動態(tài)平衡： 若過程若過程(1)的趨勢大，平衡時金屬板帶負電荷，的趨勢大，平衡時金屬板帶負電荷，溶液帶正電荷。金屬和溶液之間的雙電層產(chǎn)生電溶液帶正電荷。金屬和溶液之間的雙電層產(chǎn)生電勢差。勢差。-+ + +Mn+M()nMMaqne 若過程若過程(2)的趨勢大，平衡時金屬板帶正電荷，的趨勢大，平衡時金屬板帶正電荷，溶液帶負電荷。金屬和溶液之間的雙電層也產(chǎn)生

15、溶液帶負電荷。金屬和溶液之間的雙電層也產(chǎn)生電勢差。電勢差。 金屬和溶液之間形成的電勢差，就稱為金屬的金屬和溶液之間形成的電勢差，就稱為金屬的電極電勢電極電勢。+-Mn+M- - -6.3.2電極電勢的確定電極電勢的確定 電極電勢的絕對值無法測量。只能用比較的方法測電極電勢的絕對值無法測量。只能用比較的方法測量其量其相對值相對值。 IUPAC建議，采用建議，采用標準氫電極標準氫電極作為標準。作為標準。 標準氫電極：標準氫電極：鍍有海綿鍍有海綿狀鉑黑的鉑片，浸入氫離子濃狀鉑黑的鉑片，浸入氫離子濃度為度為1.0molL-1的的H2SO4溶液中，溶液中，在溫度為在溫度為298.15K時，不斷通入時，不

16、斷通入壓力為壓力為100kPa的氫氣。的氫氣。+2E (H /H )=0.000V+-22H (aq)+2eH (g) 為了比較不同電極的電極電勢大小，提出了標準電極為了比較不同電極的電極電勢大小，提出了標準電極電勢電勢(Standard Electrode Potential)的概念。的概念。 標準電極電勢標準電極電勢(符號為符號為E)：指：指電對電對處于標準狀態(tài)時該處于標準狀態(tài)時該電對的電極電勢。溶液中的物質(zhì)濃度電對的電極電勢。溶液中的物質(zhì)濃度1.0molL-1,氣體分壓氣體分壓為標準壓力為標準壓力p。 指定標準氫電極作為負極，指定指定標準氫電極作為負極，指定待測電極待測電極為正極，測為正

17、極，測定電池的電動勢。定電池的電動勢。+2 E EE (H /H )=E電動勢待測待測 例如例如,測定鋅電極的標準電極電勢測定鋅電極的標準電極電勢,應該組成下列電池。應該組成下列電池。 +-1212(-)Pt, H H (1.0mol L ) Zn (1.0mol L ) Zn(+) +2 E EE (H /H )=E2+2+電動勢Zn/ZnZn/Zn E0.762V 電動勢 E= - 0.762V2+Zn/Zn 又例如又例如, , 欲測定銅電極的標準電極電勢欲測定銅電極的標準電極電勢, , 組成的電池組成的電池為為+-1212(-)Pt, H H (1.0mol L ) Cu (1.0mol L ) Cu(+) +2 E EE (H /H )=E2+2+電動勢Cu /CuCu /Cu E0.345V電動勢 E= 0.345V2+Cu /Cu 如果如果, 待測電極中待測電極中沒有可導電的金屬沒有可導電的金屬, 測定時用惰性測定時用惰性(Pt片片)電極插入該電極的溶液中電極插入該電極的溶液中,測其標準電極電勢測其標準電極電勢.+-121312(-)Pt, H H (1.0mol L ) Fe (1.0mol L ),Fe (1.0mol LP (+)t) +2 E EE (H /