浙江省高中新課程骨干教師培訓：化學反應(yīng)與能量

1、1化學反應(yīng)與能源化學反應(yīng)與能源2 熱化學與能量轉(zhuǎn)化 化學反應(yīng)的方向和限度 化學平衡和反應(yīng)速率 氧化還原反應(yīng)和能源的開發(fā)和利用3 熱化學與能量轉(zhuǎn)化熱化學與能量轉(zhuǎn)化 4一、熱化學能的變化一、熱化學能的變化 熱力學能熱力學能 U 是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，只要溫度 T、壓力 p、體積 V 和物質(zhì)的量 n 等狀態(tài)因素被確定時，U 值就被確定。 熱力學能以前稱內(nèi)能，符號為U單位（J 或 kJ）5U (Q + w) = 0 或 U = Q + w 熱力學第一定律熱力學第一定律又稱能量守恒定律熱力學第一定律焦耳等發(fā)現(xiàn)的Q 稱為熱稱為熱w 稱為功稱為功與途徑（或過程）有關(guān)6例 某過程中，系統(tǒng)從環(huán)境吸

2、收 40 kJ 的熱，對環(huán)境做功 20 kJ，求該過程中系統(tǒng)的熱力學能變。 即完成這一過程后，系統(tǒng)凈增了 20 kJ 的熱力學能解： 由熱力學第一定律解得：U(系統(tǒng)) = Q + W = 40 kJ + (20 kJ )= 20 kJ7二、化學反應(yīng)中的熱力學能變化和焓變二、化學反應(yīng)中的熱力學能變化和焓變 在化學反應(yīng)中，由于各種物質(zhì)熱力學能 U 各不相同，當化學反應(yīng)發(fā)生后，生成物的總熱力學能 U 相對于反應(yīng)物的總熱力學能 U 之間發(fā)生了變化，這種熱力學能的變化在化學反應(yīng)過程中以熱 Q 的形式表現(xiàn)出來。恒容反應(yīng)熱，記作 QV恒壓反應(yīng)熱，記作 Qp81. 恒容反應(yīng)熱恒容反應(yīng)熱 QV 與熱力學能變化與

3、熱力學能變化 U QV = U = U2 U1 上式說明，恒容過程中系統(tǒng)的熱量變化 QV 全部變成的熱力學能改變U。 V = 0體積功 pV 必為零在沒有非體積功時92. 恒壓反應(yīng)熱恒壓反應(yīng)熱 Qp 與焓變與焓變 H 恒壓過程中壓強 p 不變，體積 V 可以變化 ，由熱力學第一定律Qp = U + pV = U + (p2V2 p1V1) = (U2 + p2V2) (U1 + p1V1)得熱力學中將 (U + pV) 定義為焓，量符號為 H， 上式說明，恒壓過程中系統(tǒng)熱量 QP 的變化等于終態(tài)和始態(tài)的 (U + pV) 值之差U = Q + w = Qp + (pV)10H = U + pV

4、 焓 H 在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中的變化值就是H， H 在熱力學中稱在熱力學中稱焓變焓變，即Qp = H2 H1 = H即 焓的變化 H 在數(shù)值上等于等壓過程中吸收或放出的熱量，即 H0，表示系統(tǒng)吸熱，H0，表示系統(tǒng)放熱。 11Qv = Cw (H2O) m (H2O) + Cs T 圖: 彈式量熱器示意圖 溫度計點火線攪拌器樣品水絕熱外套和 鋼質(zhì)容器鋼彈Cw (H2O) 為水的質(zhì)量熱容，m (H2O) 為水的質(zhì)量，Cs 為鋼彈及內(nèi)部物質(zhì)和金屬容器組成的物質(zhì)系統(tǒng)的總熱容，T 為測量過程中溫度計的最終讀數(shù)與起始讀數(shù)之差。 三、等容過程中的熱量三、等容過程中的熱量 Qv 測定測定 12例 計算在 1

5、118 K、標準狀態(tài)下反應(yīng) CaCO3(s) = CaO(s)+ CO2 (g)的 rH(T)。解：CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)fHm(298. 15 K)/ kJmol1 1207. 6 634.9 393.5rHm(298. 15 K) = fHm(CaO) + fHm(CO2)fHm(CaCO3) = (634. 9)(393. 5)(1207. 6) = 179. 2 kJmol1所以 rHm(1 118 K) 179. 2 kJmol113例 求 1 mol C2H5OH(l)在 298. 15 K、100 kPa 條件下與足量的 O2(g) 完全燃燒產(chǎn)生的熱

6、量。解：C2H5OH(l) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(g)f Hm /kJmol1 277. 6 0 393. 5 241. 8)K 15 .298(B m,fBBmrHH= 1 234. 8 kJmol1 = 2(393. 5 kJmol1) + 3(241. 8 kJmol1) 3 0 kJmol1 (277. 6 kJmol1) 14例 葡萄糖在體內(nèi)供給能量的反應(yīng)是最重要的生物化學反應(yīng)之一。其完全氧化的反應(yīng)如下：C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) = 6 CO2 (g) + 6 H2O(l)試利用物質(zhì) 298 K 時的 f Hm(B) 估算每克葡萄糖

7、的熱值。C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) = 6 CO2 (g) + 6 H2O(l)f Hm(B)/kJmol1 1 274. 5 0 393. 5 285. 8 = 2 801. 3 kJmol1 = 6fHm(CO2,g) +6fHm(H2O,l) fHm(C6H12O6,s) 6fHm(O2,g)= 6(393. 5) + 6(285. 8) (1 274. 5) 60 kJmol1 B m,fBBmr HH解：15又知 M(C6H12O6) = 180 gmol1葡萄糖的熱值 111gkJ 56 .15molg 180molkJ 3 .801 2-所以： 同樣可計算脂肪、

8、蛋白質(zhì)、糖類的熱值。這就是根據(jù)熱量需求而進行的食譜計算的原理。 16化學反應(yīng)的方向和限度化學反應(yīng)的方向和限度 17自然界中自動進行的過程自由落體運動兩個帶異性電荷的物體總是相互吸引而靠近自發(fā)過程自發(fā)過程中，系統(tǒng)的勢能總是降低的 石灰石(CaCO3)在標準狀態(tài)下在 1 183 K 以上時能自發(fā)分解變成 CaO 和 CO2。rHm (1 183 K) 179 kJmol118CaCO3的分解：CaCO3 = CaO + CO2r H (1 183 K) 179 kJmol1一、自發(fā)反應(yīng)的能量變化 19 在統(tǒng)計熱力學中，把介觀微粒的狀態(tài)數(shù)用 表示，則熱力學熵（符號 S ）就有：S = k ln為介觀

9、微粒的狀態(tài)數(shù)，又稱混亂度， 1熵k 為玻爾茲曼常數(shù)，為 1. 381023 JK120 熵熵 S 是介觀微粒原子及其分子等結(jié)合態(tài)的混亂是介觀微粒原子及其分子等結(jié)合態(tài)的混亂度在宏觀上的一種量度，熵值的變化度在宏觀上的一種量度，熵值的變化 S 是介觀微粒是介觀微?；靵y度變化在宏觀上的表現(xiàn)混亂度變化在宏觀上的表現(xiàn)。介觀微粒運動狀態(tài)數(shù) 越多，越混亂，它們的動能也就越大。微粒狀態(tài)的混亂度與動能 21吉布斯自由能與吉布斯自由能變量r G = r H T r S變量 rG 稱為吉布斯自由能變量或吉布斯函數(shù)變稱為吉布斯自由能變量或吉布斯函數(shù)變1878年，吉布斯（J.W.Gibbs）rG 就是系統(tǒng)內(nèi)原子及其結(jié)合

10、態(tài)微粒的勢能變化之總和22r G0 反應(yīng)自發(fā)進行;r G = 0 反應(yīng)進行到極限，達到平衡;r G0 反應(yīng)不能進行，根據(jù) rG 就可判斷任何一個反應(yīng)：自發(fā)反應(yīng)的判據(jù)23例 計算反應(yīng) 2 NO(g) + O2(g) = 2 NO2(g) 在 298. 15 K 時的標準摩爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)變 r Gm，并判斷此時反應(yīng)的方向。 解： = 251. 3 287. 6 kJmol1= 72. 6 kJmol1 0B m,fBBmrGvG2 NO(g) + O2(g) = 2 NO2(g)f Gm (B)/ kJmol1 87. 59 0 51. 3所以此反應(yīng)向正向進行。 24例 BaCl2 是鋼鐵處理中

11、常用的高溫鹽浴劑。長期使用會產(chǎn)生 BaO 有害成分。能否用 MgCl2 脫除 BaO？ 解： BaO(s) + MgCl2 (s) = BaCl2 (s) + MgO (s) f Gm (B)/ kJmol1 525. 1 591. 8 810. 4 569. 3= (810. 4 569. 3) (525. 1591. 8) kJmol1 = 262. 8 kJmol10 結(jié)論，加入 MgCl2 能使 BaO 轉(zhuǎn)化 BaO 成而脫除。 B m,fBBmrK) 298(GvG25化學平衡和反應(yīng)速率化學平衡和反應(yīng)速率 26 平衡狀態(tài)時系統(tǒng)內(nèi)各組分的壓力或濃度均不再改變時分壓商 Q 為一常數(shù) K

12、。 K 稱為標準平衡常數(shù)標準平衡常數(shù)。qpzyppppppppK)Q()P()Z()Y(qpzyccccccccK)Q()P()Z()Y(一、化學平衡和標準平衡常數(shù)一、化學平衡和標準平衡常數(shù) 對于任一反應(yīng) pP+qQyY+zZ，則有：27例如： 實驗室中制取 Cl2(g)的反應(yīng)MnO2(s) + 2 Cl-(aq) + 4 H+Mn2+(aq) + Cl2(g) + 2 H2O(l)4222/ )H()Cl()Cl()Mn(ccccppccK28例如：合成氨反應(yīng) N2 + 3 H22 NH3322231/ )H(/ )N(/ )NH(ppppppK1232N2 + H2NH323221232/

13、 )H(/ )N(/ )NH(ppppppK13N2 + H2NH323/ )H(/ )N(/ )NH(23123233ppppppKK1 = (K2)2 = (K3)3 顯然29合成氨氨分解反應(yīng)N2 + 3 H22 NH3N2 + 3 H22 NH3的K(合)的K(分)互為倒數(shù)例如)()(1分合KK301、化學反應(yīng)速率 對于任一化學反應(yīng) BBB0反應(yīng)進度 BBdn反應(yīng)的轉(zhuǎn)化速率 dtd反應(yīng)速率 Vv四、化學反應(yīng)速率和催化劑四、化學反應(yīng)速率和催化劑 31tctVnVvd)B(d1dd1BBB速率單位： molL1s1時間單位： s (秒)， min (分)，h (小時) 或 y (年) 濃度單

14、位： moldm3 B： 計量數(shù)dc(B) ：濃度變化 32dtdc)D(dtdc)A(圖 反應(yīng)物或產(chǎn)物濃度隨時間的變化曲線 tc時間c(D)c(A)某時刻的反應(yīng)速率瞬時反應(yīng)速率33化學反應(yīng)的速率正比與反應(yīng)物濃度之積。1836 年，瓦格（Woage, P.）等質(zhì)量作用定律例如：反應(yīng) pP + qQ = yY + zZ v正= k正c p (P) c q (Q)v逆= k逆c y (Y) c z (Z)34半衰期(t1/2)，即反應(yīng)物消耗一半所需的時間。60Co 的 t1/2 = 5. 2年14C 的 t1/2 = 5 730 年238U 的 t1/2 = 4. 5109 年232Th 的 t1

15、/2 = 1. 41010 年14C 常用于文物的年代測定238U 常用于地球的年齡測定232Th 是半衰期最長的同位素60Co 是醫(yī)用放射性同位素例如半衰期35碰撞理論 只有具有足夠能量的反應(yīng)物分子的碰撞才有可能發(fā)生反應(yīng)。這種能夠發(fā)生反應(yīng)的碰撞叫有效碰撞有效碰撞。 發(fā)生反應(yīng)的有效碰撞的分子，還必須沿著特定的方向碰撞。 那些具有足夠高能量，能發(fā)生有效碰撞的分子稱為活化分子活化分子，要使普通分子成為活化分子所需最小能量稱為活化能活化能。2、活化分子和活化能 36OCONO過渡態(tài)理論 具有足夠能量的分子彼此以適當?shù)目臻g取向相互靠近到一定程度時，會引起分子或原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性變化，使原來以化學鍵結(jié)

16、合的原子間的距離變長，而沒有結(jié)合的原子間的距離變短，形成了過渡態(tài)的構(gòu)型，稱為活化絡(luò)合物活化絡(luò)合物。例如：活化絡(luò)合物(過渡態(tài))反應(yīng)物(始態(tài))生成物(終態(tài))OCNOO+OCONO+37A+BCAB + CABCEa1abcEa2r Hm圖 反應(yīng)途徑的能量變化反應(yīng)歷程能量Ea2：逆反應(yīng)活化能Ea1：正反應(yīng)活化能r Hm = Ea1Ea2383、提高反應(yīng)速率的措施 1889年，阿侖尼烏斯(Arrhenius S，瑞典)ARTEklnlnaA ：指前因子（又稱頻率因子）， A 與溫度、濃度無關(guān)，僅與反應(yīng)有關(guān)；R ：摩爾氣體常數(shù)；T ：熱力學溫度；Ea：活化能。阿侖尼烏斯方程： 39若已知反應(yīng)的活化能，l

17、nk1 = Ea /RT1 + lnA在溫度 T2 時有： lnk2 = Ea/RT2 + lnA兩式相減得： 21a2111lnTTREkk在溫度 T1 時有：上式定量表明： (1)反應(yīng)速率常數(shù) k 與反應(yīng)時的溫度有關(guān)。因為活化能一般是正值，所以若溫度增加，k 值增加。40例 根據(jù)實驗結(jié)果，在高溫時焦碳中碳與二氧化碳的反應(yīng)為 C + CO2 2 CO，其活化能為 167. 36 kJmol1，計算自 900 K 升高到 1 000 K 時，反應(yīng)速率的變化。解： 已知 Ea = 167. 36 kJmol1，T1 = 900 K，T2 = 1 000 K，R = 8. 314 Jmol1K1將

18、以上值代入下式21a2111lnTTREkk000 119001314 . 81036 .1673= 2. 23737 . 912kk答：溫度自900 K 升高到 1 000 K時，其反應(yīng)速率增加到原來的 9. 37 倍。 41 (2) 反應(yīng)速率常數(shù) k 還與活化能 Ea 的大小有關(guān)，活化能降低，k 增大。增加反應(yīng)速率的具體措施可有以下幾種： (1)增大濃度(2)升高溫度(3)采用催化劑來降低反應(yīng)的活化能。 424、催化劑與化學反應(yīng)速率 催化劑與反應(yīng)物之間形成一種能量較低的活化配合物，改變了反應(yīng)的途徑，無催化活化配合物無催化活化配合物Ea無催化無催化反應(yīng)歷程能量催化活化配合物催化活化配合物Ea

19、催化催化反應(yīng)物生成物圖 催化劑改變反應(yīng)途徑示意圖 43例如：反應(yīng) 2 H2O2(aq) 2H2O(l) + O2(g)無催化劑時，反應(yīng)的活化能為 75. 3 kJmol1；用 I 做催化劑時，反應(yīng)的活化能為 56. 5 kJmol1， 若使用過氧化氫酶，更能把反應(yīng)速率提高到 1023 倍以上。44酶酶是生物體內(nèi)特殊的催化劑酶催化特點(1)高效(2)專一(3) 適宜的溫度和pH值45負催化劑能降低反應(yīng)速率的催化劑稱為負催化劑如防老劑緩蝕劑抗氧劑46 催化劑能縮短平衡到達的時間，但不能改變平衡狀態(tài)，反應(yīng)的平衡常數(shù)不受影響。催化劑不能啟動熱力學證明不能進行的反應(yīng)（即 r Gm 0的反應(yīng)）。 催化劑有

20、均相催化和多相催化 475、光與化學反應(yīng)速率 茲韋勒（H.Zewail）激光閃爍技術(shù)在 ICN I + CN 的實驗中光解反應(yīng)的過渡態(tài)壽命約為200飛（1015）秒在 NaI Na + I的光解反應(yīng)實驗中 觀察到了反應(yīng)的過渡態(tài)在勢能面上的震蕩和解離的全過程。1999年他獲得了諾貝爾化學獎。48 光化學反應(yīng)比熱化學反應(yīng)更具有選擇性。利用激光的單色光的激發(fā)能量，可以設(shè)計化學反應(yīng)，如有機化學中可選擇恰當頻率的紅外激光使（反應(yīng)物）結(jié)合態(tài)中的化學鍵或官能團活化，實現(xiàn)定向反應(yīng)，這就是所謂的“分子裁剪”。 分子裁剪49氧化還原反應(yīng)和能源的開發(fā)和利用氧化還原反應(yīng)和能源的開發(fā)和利用 50 T1T2CuSO4保溫

21、瓶溫度計鋅粉C 5 . 6T圖4-7 測定 CuSO4 溶液和Zn 反應(yīng)熱效應(yīng)的裝置一、氧化還原反應(yīng)和原電池的能量變化一、氧化還原反應(yīng)和原電池的能量變化 51Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) f Hm(298. 15)/ kJmol1 0 64. 8 153. 9 0Sm(298. 15)/ Jmol1K1 41. 6 99. 6 112. 1 33. 2r Hm(298. 15) = (153. 9) 64. 8 kJmol1 = 218. 7 Jmol1 r Sm(298. 15) = 112. 1 + 33. 2 (99. 6) 41. 6 Jmol1K

22、1 = 20. 9 Jmol1K1 TrSm(298. 15) = 298. 15 K (20. 9) Jmol1K1 = 6. 23 kJmol1 r Gm(298. 15) = r Hm(298. 15) Tr Sm(298. 15) = 218. 7 (6. 23) kJmol1 = 212. 47 kJmol1 52該原電池的電動勢為 1. 093 V。 原電池原電池是利用氧化還原反應(yīng)將化學能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，電池所作的功，完全來自于系統(tǒng)的吉布斯自由能變。原電池原電池ZnCuSO4ZnSO4KClACu+圖 銅鋅原電池 e鹽橋53(4. 17) G = n F ERTnFERTGKmr

23、ln 在恒溫、恒壓，無限緩慢和可逆條件下，原電池輸出的最大電功 we 等于電池反應(yīng)過程中吉布斯自由能的變化。G = wew = nFE，1F = 96 500 Cmol1G = n F E (4. 17)05916 . 0lgnEK 54鹽橋的作用 鹽橋內(nèi)含 KCl 或 NaNO3 溶液，可用瓊脂溶膠或多孔塞保護、維持電荷平衡。原電池的結(jié)構(gòu)二、原電池的組成和電極反應(yīng)二、原電池的組成和電極反應(yīng) ZnCuSO4ZnSO4KClACu+圖 銅鋅原電池 e鹽橋55原電池裝置的圖式表示例如：Cu-Zn 原電池可表示為 有時相界較多，也有用“，”來代替“|”的?；蛴谩埃眮矸指魞煞N不同種類或價態(tài)物質(zhì)。 (

24、-) ZnZnSO4(c1)CuSO4(c2)Cu (+) 如如：（- -）Zn Zn2+(c1) Cu2+(c2) Cu（+） 規(guī)定：負極寫在左邊，正極寫在右邊，以雙虛垂線 “ ”表示鹽橋，以單垂線 “|” 表示兩個相之間的界面。 （-）Pt Fe3+，F(xiàn)e2+ Cl-，Cl2 Pt（+）（-）Zn H2SO4 Cu（+）56 同一種元素不同價態(tài)的組合形式，稱為氧化還原氧化還原電對電對。氧化還原電對習慣上常用符號 氧化態(tài)(Ox)還原態(tài)(Red)來表示， 氧化還原電對如： Cu2+Cu、Zn2Zn 、 Cr2O72Cr3+，H+H2 和 O2OH(Pt)H2(g) H+(c)。57若干概念(1

25、) 原電池是由兩個半電池組成的；半電池又叫電極。(2) 半反應(yīng)，又叫電極反應(yīng)氧化態(tài) + ne-還原態(tài)Cu2+ + 2e-Cu正極反應(yīng)：Zn - 2e-Zn負極反應(yīng)：電池反應(yīng)電池反應(yīng)： Cu2+ + Zn Zn2+ + Cu注意：電極反應(yīng)包括參加反應(yīng)的所有物質(zhì)，如：Cr2O72/Cr3+ ，Cr2O72- + 14 H+ + 6 e2 Cr3+ + 7 H2O58M(s)Mn+ + n eM+V1V2M+V1 V2Mn+Mn+(a)(b)(a)電勢差 E = V2 V1(b)電勢差 E = V1 V2圖 金屬的電極電勢 三、電極電勢的產(chǎn)生、計算和應(yīng)用三、電極電勢的產(chǎn)生、計算和應(yīng)用 1. 電極電勢

26、的產(chǎn)生592、標準電極電勢 規(guī)定規(guī)定E (HH2) = 0. 0000 V(Pt) H2 (100 kPa) H+(1 moldm3)圖 標準氫電極標準氫電極60當c (KCl)為飽和溶液時， E = 0. 2412 V又稱參比電極(Pt)Hg，Hg2Cl2 KCl甘汞電極穩(wěn)定性好，使用方便Hg2Cl2(s) + 2 e 2 Hg(l) 2 Cl(aq) 圖 甘汞電極示意圖鉑絲純汞甘汞(Hg2Cl2 )和汞的糊狀物KCl 溶液燒結(jié)陶瓷芯或玻璃砂芯61表 甘汞電極的電極電勢 KCl 濃度飽 和1. 0 moldm3 0. 1 moldm3 電極電勢 E/V +0. 2445+0. 2830+0.

27、 3356622、影響電極電勢的因素、影響電極電勢的因素能斯特方程式能斯特方程式 對于任意給定的電極，電極反應(yīng)通式為 baccnFRTEE)()(ln還原態(tài)氧化態(tài)298. 15 K時:baccnEE)()(lgV 059 . 0還原態(tài)氧化態(tài)a(氧化態(tài)) + n e b(還原態(tài)) 63例如：22/ )Zn(lg2059 . 0)/ZnZn(ccEE)Br(1lg2059 . 0)/BrBr(22cEEZn2+(aq) + 2 e-Zn(s)Br2(l) + 2 e-2 Br-(aq)222/ )H(/ )H(lg2059 . 0)/HH(ppccEE2 H+ + 2 e-H2(g)64例 已知

28、O2 (g) + 4 H+ + 4e 2 H2O，E (O2/H2O) = 1. 229 V。計算當 H+ 濃度為 1. 0 moldm3，p(O2) = 100 kPa 時，求組成電對的電極電勢。 解： 422222/ )H(/ )O(lg4059 . 0)O/HO()O/HO(ccppEEV 815 . 0)100 . 1lg(4059 . 0299 . 147 可見，O2 和氧結(jié)合態(tài)物質(zhì)作為氧化態(tài)時的氧化能力隨酸度的降低而降低。所以 O2 在酸性溶液中氧化能力強，而中性、堿性溶液氧化能力減弱。 654、電極電勢的應(yīng)用、電極電勢的應(yīng)用(1)、比較氧化劑和還原劑的相對強弱Fe3+、Cu 分別

29、是較強的氧化劑與較強的還原劑，而 Cu2+、Fe2+ 分別是較弱的氧化劑和還原劑，例 制印刷電路底板，常用 FeCl3 溶液刻蝕銅箔，已知此反應(yīng)能自發(fā)進行，不查表比較 Cu2+ 和 Fe3+ 的氧化能力強弱解：反應(yīng)方程式為： 2 FeCl3 + Cu = CuCl2 + 2 FeCl2 或 2 Fe3+ + Cu = Cu2+ + 2 Fe2+ ，因此，F(xiàn)e3+ 的氧化能力大于Cu2+。 66 電 對 電 極 反 應(yīng) E (V) Na+/Na Na+(aq) + e- = Na(s) 2. 71 Zn2+/Zn Zn2+(aq) + 2e- = Zn(s) 0. 7618 H+/H2 2H+(

30、aq) + 2e- = H2 (g) 0 Cu2+/Cu Cu2+(aq) + 2e- = Cu(s) 0. 3419 O2/OH O2(g) + 2H2O + 4e- = 4 OH(aq) 0. 401 F2/F F2(g) + 2e- = F(aq) 2. 866 氧化能力逐漸增強還原能力逐漸增強67(2)、判斷氧化還原反應(yīng)進行的方向 例 根據(jù)標準電極電勢 E(MnO2/Mn2+) = 1. 224 V，E(Cl2/Cl) = 1. 358 V，可以判斷反應(yīng)：MnO2(s) + 4 HCl(aq) = MnCl2(aq) + Cl2(g) + 2 H2O(g) 不能自發(fā)進行，但為什么實驗室

31、常用濃鹽酸和MnO2反應(yīng)來制取氯氣？（設(shè)c(Mn2+) =1 moldm3） 如果增加反應(yīng)物鹽酸 (HCl) 的濃度，根據(jù)能斯特方程式，就可改變半反應(yīng) MnO2(s) + 4 H+(aq) + 2 e = Mn2+(aq) + 2 H2O 的電極電勢，有 解：在標準狀態(tài)下： E(Cl2/Cl) E(MnO2/Mn2+)，但它們的差值僅為 1. 358 1. 224 = 0. 134 V，68242222/ )Mn(/ )H(lg205916 . 0)/MnMnO()/MnMnO(ccccEE= 1. 208 + 0. 05916 lgc(H+)/c2 對于半反應(yīng) 2 Cl = Cl2 + 2

32、e，根據(jù)能斯特方程式，同樣有2222/ )Cl(/ )Cl(lg205916 . 0)/ClCl()/ClCl(ccppEE22/ )Cl(/ )Cl(lg205916 . 0358 . 1ccpp欲使 p(Cl2)p逸出，至少要求 1. 208 + 0. 05916 lgc(H+)/c2 1. 358 0. 05916 lgc(Cl)/c，因為在此反應(yīng)中，加入 HCl 溶液，其 c(H+) = c(Cl) 所以解得結(jié)果為：c(H+) = c(Cl) 7. 0 moldm369(3)、計算原電池的電動勢例 煤的燃燒反應(yīng)為： C(石墨) 十 O2 CO2，反應(yīng)的標準吉布斯自由能變394. 5kJ

33、mo11。如果把上述反應(yīng)設(shè)計成燃料電池，其標準電動勢是多少？(以這個反應(yīng)為基礎(chǔ)的燃料電池目前還沒有設(shè)計成功)。由式(4-17 )得：G = nFE(電池) V 02 . 1molC 500 964molJ 500 394)(11nFGE 電池解：70(4)、計算氧化還原反應(yīng)平衡常數(shù) 在 298. 15 K時的標準平衡常數(shù) K；如果反應(yīng)開始時，c(Pb2+) = 2. 0 moldm3，求達到平衡時的 Sn2+ 濃度和 Pb2+ 濃度。 例 計算下列反應(yīng)：Sn(s) + Pb2+(aq) Pb(s) + Sn2+(aq) E(正) = E (Pb2+/Pb) 0. 1262 V, E(負) =

34、E (Sn2+/Sn) 0. 1375 V. 38 . 0059 . 02)1375 . 0(1262 . 0059 . 0)(lgnEEK負正K = 2.40 解：故71 設(shè)達到平衡時 c(Sn2+) x moldm3Sn(s) + Pb2+(aq) Pb(s) + Sn2+(aq)初始濃度(moldm3 ) 2. 0 0平衡濃度(moldm3 ) 2. 0 x x)Pb()Sn(22ccK40 . 2)0 . 2(xxc(Sn2+) x = 1. 4 moldm3 ，c(Pb2+) = 0. 6 moldm3721、鎘鎳蓄電池的工作原理 鎘鎳電池是一種常見的二次堿性電池。電池符號電池符號：

35、() Cd | KOH(1. 19 1. 21 gcm3) | NiO(OH) | C(+)電極反應(yīng)電極反應(yīng):負極：Cd(s) + 2 OH (aq) = Cd(OH)2(s) + 2 e正極：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH電池特點電池特點： 鎘鎳電池的內(nèi)部電阻小，電壓平穩(wěn)，反復(fù)充放電次數(shù)多，使用壽命長，且能夠在低溫環(huán)境下工作，常用于航天部門、電子計算器及便攜式家用電器的電源。四、化學電源四、化學電源73鎘鎳可充電電池742、氫鎳蓄電池 氫鎳電池是近幾年開發(fā)出來的一種新電池，主要針對鎘氫鎳電池是近幾年開發(fā)出來的一種新電池，主要針

36、對鎘鎳電池的鎘污染問題。鎳電池的鎘污染問題。電池符號電池符號：() Ti-Ni | H2(p) | KOH( c ) | NiO(OH) | C(+)電極反應(yīng)電極反應(yīng):負極：H2(p) = 2 H+(c) + 2e正極：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH電池特點電池特點： 氫鎳電池由于材料無毒，無污染而被稱為綠色環(huán)保電池，電池電動勢約為1. 2 V，循環(huán)壽命可以很長。75鎳氫電池構(gòu)造MH+NiOOHM+Ni(OH)2放電充電763、銀鋅蓄電池 特點：內(nèi)阻小、放電功率大、電壓平穩(wěn)、電性能穩(wěn)定、使用安全可靠、比能量高(是鉛酸蓄電池的5倍

37、，鎘鎳蓄電他的3倍)，因此多用于通信、激光武器、水中兵器、航空、航天、戰(zhàn)略核武器等軍事裝備，軍體器材遙控航模，新聞攝影和特殊電子儀器設(shè)備作配套電源。目前國內(nèi)外已有多種不同結(jié)構(gòu)特性的電池組正在各種軍事武器裝備上服役。 工作原理： Zn + 2 OH-ZnO + H2O + 2 e-充電放電Zn + 4 OH-Zn(OH)42- + 2 e-充電放電負極正極 AgO + H2O + 2 e-Ag + 2 OH-放電充電電池反應(yīng)：Zn + AgOAg + ZnO放電充電774、鋰電池 鋰電池是一類以金屬鋰或含鋰物質(zhì)為負極的化學電源的總稱。迄今，正在研究或生產(chǎn)中的鋰電池約有20多種，現(xiàn)在常用的是鋰蓄電池，電池可以反復(fù)充放電，降低了使用成本和減少了處理一次電池的困難。 當鋰電極用碳電極代替時，便成了最新式的鋰離子蓄電池，電池中鋰離子源由