tceic.com
简单学习网 让学习变简单
当前位置:首页 >> 学科竞赛 >>

氧化还原反应与电化学


第一章 氧化还原反应与电化学
袁青云、陈柳青

?主要内容 1. 氧化还原及氧化数的基本概念;氧 化还原反应方程式的配平; 2.电极的种类及表示方法;电极反应 方程式的书写; 3.原电池及电解池的表示方法;原电 池及电解池中电极符号;电池反应的书 写方法; 4.电解过程法拉第定律,电流效率及 有关计算;

5.电极电势及标准电

极电势的概念及 影响因素; 6.氧化剂、还原剂强弱的判断;氧化 还原反应方向的判断; 7. 电解与电镀过程的基本概念,电解 过程析出物质的顺序; 8. 一些常见化学电源 9. 金属电化学腐蚀的原理及基本防腐 方法。

一、氧化还原反应 1.氧化与还原
氧化本来是指物质与氧化合,还原是 指从氧化物中去掉氧恢复到未被氧化前 的状态的反应。
任何一个氧化还原反应都可看作是两 个半反应之和。例如,铜的氧化反应可 以看成是下面两个半反应的结果:
Cu(s)-2e- =Cu2+

? O2(g)+2e- =O2-

2. 氧化还原电对
我们把一个还原型物种(电子给体)和 一个氧化型物种(电子受体)称为氧化还 原电对: 氧化型+ ze还原型

在书写半反应时,要把电对的氧化型 物种写在左边,还原型物种写在右边。

3. 元素的氧化数
指某元素一个原子的荷电数,这种荷 电数是假设把每个化学键中的电子指定 给电负性更大的原子而求得。

确定氧化数的一般原则是: a. 任何形态的单质中元素的氧化数等 于零。 b. 多原子分子中,所有元素的氧化数 之和等于零。 c. 单原子离子的氧化数等于它所带的 电荷数。多原子离子中所有元素的氧化 数之和等于该离子所带的电荷数。

d. 在共价化合物中,可按照元素电负 性的大小,把共用电子对归属于电负性 较大的那个原子,然后再由各原子的电 荷数确定它们的氧化数。 e. 氢在化合物中的氧化数一般为+1, 但在金属氢化物中,氢的氧化数为-1。 氧在化合物中的 氧化数一般为-2,但在 过氧化物为-1, 在超氧化物中为-1/2。 f. 氟在化合物中的氧化数皆为-1 。 注意:HOF SeOF CrO OsO

?氧化还原反应——氧化还原方程式的配平

4. 氧化还原方程式的配平
以高锰酸钾和氯化钠在硫酸溶液中的 反应为例,说明用氧化数法配平氧化还 原反应方程式的具体步骤。 a. 根据实验确定反应物和产物的化学 式: KMnO4+ NaCl + H2SO4
→Cl2 +MnSO4+K2SO4+Na2SO4 + H2O

?氧化还原反应——氧化还原方程式的配平

b.找出氧化数升高及降低的元素。锰 的氧化数降低5;氯的氧化数升高1,氯 气以双原子分子的形式存在,NaCl的化 学计量数至少应为2;
氧化数降低5

KMnO4+NaCl+H2SO4→Cl2+MnSO4+K2SO4+Na2SO4 氧化数升高2 +H2O

?氧化还原反应——氧化还原方程式的配平

c. 计算氧化数降低与升高的最小公倍 数,上述反应式中5和2的最小公倍数为 10,可知高锰酸钾的系数为2,而氯气 的系数为5,氯化钠的系数为10:
氧化数降低5×2

KMnO4+NaCl+H2SO4→Cl2+MnSO4+K2SO4+Na2SO4 氧化数升高2×5 +H2O

?氧化还原反应——氧化还原方程式的配平

d. 配平反应前后氧化数没有变化的原 子数。
2KMnO4+10NaCl+8H2SO4 =5Cl2+2MnSO4+K2SO4+5Na2SO4+8H2O

e. 最后核对氧原子数。该等式两边 的氧原子数相等,说明方程式已配平。

二、原电池原理及应用
1、原电池原理

实验1:把一块锌片和一块铜片平行地插入盛有 稀硫酸的烧杯中,会产生什么现象?方程式?
Zn Cu Zn Cu

H2SO4

H2SO4

实验2:把锌片和铜片在上端连接起来,又会产 生什么现象? 请解释原因。

结论:两极发生氧化还原反应,产生电流。
(1)原电池定义:把 化学能转变为电能的装置 (2)原理 负极:电子流出的电极(发生氧化反应) 正极:电子流入的电极(发生还原反应) 电子流: 电流:

负极(锌) → 正极(铜) 正极 → 负极 → 正极
导线 溶液

导线

*导线中有电流通过,使化学能转变为电能。

(3)原电池反应 电极反应式:
锌片(负极)Zn – 2e- = Zn2+ (氧化反应)

铜片(正极)2H+ + 2e- = H2 ↑(还原反应)

总反应式: Zn + 2H+ = Zn2+ + H2 ↑ 2、构成原电池的条件

归纳:构成原电池的条件:
(1)活性不同的两个电极(发生氧化还原反应) (2)电解质溶液(提供自由移动的阴阳离子) (3) 闭合回路(外电路、内电路)

讨论:Cu - Zn 原电池正、负两极附近离子浓度有 什么变化?
3、两极附近离子浓度的变化 正、负两极附近离子浓度的变化取决于两极上的 电极反应。

3、如何得到持续稳定的电流?

为何引入盐桥?
在硫酸铜溶液中放入一片锌,将发 生下列氧化还原反应:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu
这个反应同时有热量放出,这是化 学能转变为热能的结果。这一反应也 可在图1所示的装置中进行。

KCl(aq)

图1 铜锌原电池

1. 原电池的表示方法 原电池由两个半电池组成,在上述铜 锌原电池中,烧杯Ⅰ中的锌和锌盐溶液 组成一个半电池,烧杯Ⅱ 中的铜和铜盐 溶液组成另一个半电池,两个半电池用 盐桥连接。为了方便,在电化学中通常 表示为:

Zn ZnSO 4 (1mol / L) CuSO 4 (1mol / L) Cu

?原电池和电极——原电池的表示方法 原电池的表示的一般方法为:

a. 负极在左,正极在右; b. 单垂线“│”表示界面; c. 双垂线“?”???表示盐桥; d. 标注温度和压力; e. 标注所有影响电极电势(电动势)的 因素,如物质状态,电解质浓度等。

?原电池和电极——电极及电极种类 2. 电极及电极种类 原电池总是由两个半电池组成,半 电池又可称为电极。常见电极可分 为三大类:

?原电池和电极——电极及电极种类 第一类电极: ?金属与其阳离子组成的电极 ?氢电极 ?氧电极 ?卤素电极 ?汞齐电极

?原电池和电极——电极及电极种类 第二类又称难溶盐电极:

?原电池和电极——电极及电极种类 第三类又称氧化-还原电极:

四、电极电势及其应用
1. 电极电势
原电池中有电流,表明原电池有电位差 (即电池电动势)—构成两电极的电位不等(电 极电势之差): 电流方向 铜 锌 电 电 极 极 电 电 极 极 电 电 势 势 较 较 低 ? (Cu2+/Cu) > ? (Zn2+/Zn) 高

原电池电动势等于两电极的电极电势 之差: E = ? (+)-? (-) = ? (Cu2+/Cu)-? (Zn2+/Zn) 当电极反应中所涉及的物质处 于标准态时(各物质的浓度为1个单 位,气体的压力为1标准压力,固体 为纯态),此时电极电势为“标准电 极电势”(? ? ) E ? = ? ?(+)-? ? (-) = ? ?(Cu2+/Cu)-? ? (Zn2+/Zn)

单个电极的电势值的绝对值 无法测得。如果能测得,必须有 电子得失,此时电极性质发生了 变化不是原来的电极。
但在实际中,只要测得各个 电极对于同一基准电势的相对值, 就可以计算出任意两个电极所组 成的电池的电动势。

2. 标准氢电极 标准氢电极规定:氢气压力为1 标准压力、溶液中H+活度为1时的氢 电极。 Pt|H2(p ?)|a(H+)=1 电极反应 2H+ + 2e- = H2

规定标准氢电极的电极电势为零。

3. 标准电极电势
规定:将标准氢电极作为负极,待测 电极为正极,组成电池.

Pt|H2(p ?)|a(H+)=1| |待测电极
此电池的电动势即为待测电极的电极电势。 标准电极电势:待测电极中各反应组 分均处于各自的标准态时的电极电势。
E ? = ? ?(Cu2+/Cu) - ? ? H+/H2) = +0.340 V ? ?(Cu2+/Cu) = 0.340 V

标准电极电势表

二类标准电极

氢电极使用不方便,用有确定电极势 的甘汞电极作二级标准电极。
Cl-(aCl-)|Hg2Cl2|Hg Hg2Cl2 + 2e →2Hg+2Cl0.1 mol/L 1.0 mol/L 0.337V 0.2801V

Sat.

0.2412V

4. 外因对电极电势的影响(物质浓度 的影响) 能斯特方程 :
? =?
?

[氧化型] RT ln + nF [还原型]

当T=298.15 K时 (25oC)
? = ? ?+
0.0592
n [氧化型] lg [还原型]

五、电解及其原理
实验1
电解CuCl2溶液

阴极:Cu2+ + 2e- ==Cu 阳极:2Cl- - 2e- ==Cl2
电解

CuCl2 ==== Cu + Cl2

分析:溶液中存在的离子
CuCl2 == Cu2+ + 2Cl-

H2O

H+ + OH-

离子的迁移 Cu2+、H+ —— 阴极
Cl-、OH- —— 阳极 离子的放电顺序: 阴极: Cu2+ > H+ 阳极: Cl- > OH-

实验2

电解H2SO4溶液

离子的迁移 H+ —— 阴极 电极方程式 阴极: 4H 2H+ +4e +2e- == 2H H22 阳极:4OH- - 4 4e- == O2 + 2H2O 离子的放电顺序: 阴极: H+ 阳极: OH- > SO42SO42-、OH- —— 阳极

实验3

电解NaOH溶液

离子的迁移 Na+、H+ —— 阴极 电极方程式 阴极: 4H+ +4e- == 2H2 阳极:4OH- - 4e- == O2 + 2H2O 离子的放电顺序: 阴极: H+ > Na+ 阳极: OHOH- —— 阳极

离子在阴、阳极的放电顺序
阴极: Cu2+ > H+ > Na+ 阳极: Cl- > OH- > SO42-

形成推论:
阴极:
3+> 2+ > Na+ Ag+ > Cu2+ > H+ > Fe2+ > Zn2+ > H O Al > Mg 2

阳极:
S2- > SO32- > I- > Br- > Cl- > OH- > 族价含氧酸根 > F-

用惰性电极电解下列物质一段时间后,加入何 种物质可使电解液恢复到电解以前的状态? 电解质溶液 Na2SO4 加入的物质 H2O H2O CuO CuCl2 HCl

H2SO4
CuSO4 CuCl2 NaCl

思考:
用Pt电极电解H2SO4、NaOH、Na2SO4等溶 液时,实际的结果就是电解水,请问在这些实验 中加入上述电解质的原因。

增加溶液的导电性

实验4

用Pt电极电解加有石蕊的Na2SO4溶液

实验现象的观察 阴极: 溶液变蓝色 阳极: 溶液变红色 将两极区的溶液进行混合 显紫色
电解Na2SO4溶液 电解水

pH ↑ pH ↓

Na2SO4浓度增大

总结用惰性电极电解下列电解质的过程中,极区 溶液pH、溶液pH的变化规律
电解质 H2SO4 NaOH CuSO4 阴极 阳极 电解总方程式 溶液pH

↑ ↑ — — ↑ ↑ —

↓ ↓ ↓ ↓ —
2Cu2+
4Ag+

2H2O == 2H2 + O2 2H2O == 2H2 + O2
+ 2H2O == 2Cu + O2 + 4H+
通电 通电

通电

通电

↓ ↓

AgNO3
NaCl KBr CuCl2

+ 2H2O == 4Ag + O2 + 4H+
通电 通电

2Cl- + 2H2O == Cl2 + H2 + 2OH-


↑ —




2Br-

+ 2H2O == Br2 + H2 + 2OH+ 2Cl通电

Cu2+

== Cu + Cl2

实验

用Cu作阳极、C作阴极,电解硫酸溶液

阴极: 2H+ + 2e- == H2 阳极:Cu - 2e- == Cu2+

总方程式:
Cu + 2H+ === Cu2+ + H2
通电

利用电解池可以使非自发进 行的氧化还原反应得以实现。

? 电解的应用
电镀池的构造 精炼铜的基本原理

氯碱工业的 生产工艺流程

NaCl饱和溶液 +

隔膜 铁网 石墨 隔膜法电解槽

六. 元素标准电极电势图及其应用
如果一种元素有几种氧化态,就可形成 多种氧化还原电对。如铁有0,+2,+3和+6 等氧化态,因此就有下列几种电对及相应的 标准电极电势:
半反应
Fe2++2eFe3++eFe3++ 3eFeO42-+8H++3eFe3++4H2O Fe Fe2+ Fe

??
-0.447 0.771 -0.037 2.20

把同种元素不同氧化态间的标准电 极电势按照由高到低的顺序排成图解:
FeO422.20V Fe 0.771V 3+ Fe2+ -0.447V Fe

-0.037V

这种表示一种元素各种氧化态之间标 准电极电势关系的图解叫做元素电势图, 又称拉蒂默(Latimer)图。

(1) 判断氧化剂的强弱 以锰在酸性(pH=0)和碱性(pH=14)介 质中的电势图为例: 酸性溶液
1.507V 0.558V 2.24V 0.907V 1.541V MnO4MnO42MnO2 Mn3+ Mn2+ 1.679V 1.224V

-1.185V Mn

碱性溶液
0.558V -0.2V 0.15V 0.60V MnO42MnO4MnO2 Mn(OH)3 Mn(OH)2 0.595V -0.045V -1.55V Mn

电极电势越低,低价态的物质 越容易被氧化;电极电势越高,高 价态的物质越容易被还原。

(2) 判断是否发生歧化反应 歧化反应是指元素本身发生氧化还原 反应。根据元素电势图可判断能否发生 歧化反应,一般来说,对于:

A


? 0左

B


? 0右

C

? ? > ? ?左 即能发生歧化反应。


例如根据锰的电势图可以判断,在酸 性溶液中MnO4 2-可以发生歧化反应:
3MnO42-+4H+=2MnO4-+MnO2+2H2O

在碱性溶液中.Mn(OH)3可发生歧化 反应:

2Mn(OH)3 = Mn(OH)2+MnO2+2H2O

(3) 从相邻电对的电极电势求另一电 对的电极电势:
例如,在碱性溶液中溴的电极电势:
BrO30.54V BrO0.45V Br2 1.066V Br-



电对BrO3-/Br-的半反应:

BrO3-+3H2O + 6eBr-+ 6OH(4 × 0.54)+(1 × 0.45)+(1 × 1.066) ? ?(BrO3-/Br-)= V 6 = 0.61V

七、电解及电镀

1. 电解池

负极:Cu2++2e = Cu, 发生还原反应,为阴极; 正极:4OH――4e = 2H2O+O2, 发生氧化反应,为阳极。

2. 电解过程法拉第定律 (1)电极上发生化学变化的物质的量与 通入的电量成正比;(2)若几个电解池 串联, 各电解池发生反应的物质的量相同。

即:Q=nzF 法拉第常数F:一摩尔电子所带电量的 绝对值(约96500C?mol-1)

3. 电流效率(电能效率)
指电解过程中析出一定数量的某物质 理论所需电量(电流)与实际消耗电量 (电流)之比。

4.电镀
电镀是电解的实际应用的一种,电镀 的典型应用主要有以下几种: 金属的电镀:防腐及增加机械强度等; 铝及其合金的电化学氧化及表面着色; 塑料电镀

五、金属的电化学腐蚀与防腐
1.金属的电化学腐蚀
金属表面与周围介质发生化学及电化 学作用而遭受破坏,叫做金属腐蚀。金 属表面与介质如气体或非电解质液体等 因发生化学什用 而引起的腐蚀,叫做化 学腐蚀,化学腐蚀作用进行时没有电流 产生。金属表面与介质如潮湿空气、电 解质溶液等因发生电化学作用而引起的 腐蚀,叫做电化学 腐蚀。

2. 电化学腐蚀产生原因
当两种金属或者两种不同的金属制成 的物体相接触,同时又与其他介质(如潮 湿空气、其他潮湿气体、水或电解质溶 液等)相接触时,就形成了一个原电池, 进行原电池的电化学作用。

3. 析氢腐蚀与吸氧腐蚀
阳极上Fe发生氧化作用:

Fe – 2e- = Fe2+
阴极发生的反应可能是氢离子被还原 成H2析出:
+ 2H +2e

= H2(g)

阴极发生该种反应称为析氢腐蚀。

另一种反应可能是大气中的氧气在阴 极上取得电子,在电极上发生还原反应: O2(g)+4H+(aq)+4e- = 2H2O(l) 阴极发生该种反应称为吸氧腐蚀。

由于氧气的电极电势比氢气更正,说 明有氧气存在时腐蚀更严重。

Fe2+与溶液中的OH-结合,生成氢氧 化亚铁Fe(OH)2,然后又和潮湿空气中 水分和 氧发生作用,最后生成铁锈: 4Fe(OH)2+2H2O+O2 = 4Fe(OH)3

金属的电化学腐蚀,实际上是形成了 许多微电池,它和前面所述的原电池, 并没有本质上的区别。

4. 金属的防腐
常用的有下列几种方法: 非金属保护层 金属保护层
阳极保护层 阴极保护层

电化学保护
保护器保护 阴极电保护 阳极电保护

加缓蚀剂保护

六、常见化学电源
1、一次电池
锌筒
石墨棒 NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等 MnO2和C

普通锌锰电池

负极 (Zn):Zn = Zn 2+ + 2e-

正极

(MnO2和C):

普通锌-锰干电池的结构

MnO2(s)+2NH4+(aq)+2e- = Mn2O3(s)+2NH3+H2O

电池反应: Zn+MnO2(s)+ 2NH4+(aq) = Zn 2+ + Mn2O3(s)+2NH3+H2O

缺点:放电量小,放电过程中漏液

碱性锌-锰干电池 电池反应:

碱性电池

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 负极: ——Zn Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2 正极: ——MnO2 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH电解质: KOH

2. 二次电池

?铅蓄电池

铅蓄电池
负极: ——Pb
正极: ——PbO2 电解质: H2SO4溶液 ?放电过程 负极:Pb-2e-+SO42-=PbSO4 正极:PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O 放电时总反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

接电源负极 阴极:PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42- (aq) 还原反应 接电源正极 阳极: 2PbSO4 (s)+2H2O(l) -2e- = PbO2(s) + H+(aq) 氧化反应 + SO42-(aq) 充电过程总反应: 2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 铅蓄电池的充放电过程:
2PbSO4(s)+2H2O(l) 充电 Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
放电

?充电过程

?镍镉电池
Cd极(负极) Cd(s)+2OH-(aq) = Cd(OH)2(s)+2eNiO2极(正极) NiO2(s)+2H2O(l)+2e-=Ni(OH)2(s)+2OH-(aq)
总反应: Cd(s)+NiO2(s)+2H2O(l)=Cd(OH)2(s)+Ni(OH)2(s)

该电池电动势约l.4V,它可以作为电源用于 充电式计算器、电子闪光灯、电动剃须刀等。

3.燃料电池 (1)氢氧燃料电池

负极:H2 + 2OH- = 2H2O + 2e正极:O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-


推荐相关:

氧化还原反应及电化学

氧化还原反应及电化学——大学教案(撰写刘连伟)氧化还原反应及电化学——大学教案(撰写刘连伟)隐藏>> 第九章 氧化还原反应(教案撰写:刘连伟)一、教学内容: 第九章 ...


专题3 氧化还原反应与电化学原理

专题3 氧化还原反应与电化学原理_高考_高中教育_教育专区。高考化学专题复习专题3 氧化还原反应与电化学原理【考情分析】 一、考纲要求 1.理解氧化还原反应的本质和...


第五章氧化还原反应与电化学

第五章氧化还原反应与电化学_工学_高等教育_教育专区。工科大学化学课后题答案第五章 氧化还原反应与电化学内容 1. 氧化数;2.原电池与原电池电动势;3. 金属的...


氧化还原反应和电化学的实验步骤

3.电极电势与氧化还原反应的关系 (1) 在分别盛 1ml0.50 Mol*L-1Pb(NO3)2 溶 液和 1ml0.50 Mol*L-1CuSO4 溶液的两支试管中, 各放入一小片纱纸擦...


实验17 氧化还原反应和电化学

实验17 氧化还原反应和电化学_化学_自然科学_专业资料。化学实验实验17 氧化还原反应和电化学 一、实验目的 1.了解电极电势与氧化还原反应的关系; 2.试验并掌握浓...


实验七 氧化还原反应与电化学

实验七 氧化还原反应与电化学_化学_自然科学_专业资料。实验七一.实验目的 1. 了解测定电极电势的原理及方法 氧化还原反应与电化学 2. 掌握用酸度计测定原电池...


第10讲《氧化还原反应与电化学基础》

高考资源网(ks5u.com) 您身边的高考专家 高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座第 10 讲 氧化还原反应与电化学基础 【竞赛要求】 竞赛要求】 氧化态。氧化还原的基本概念...


第九讲_氧化还原反应与电化学基础(教师版)

氧化还原反应与电化学基础(教师版) 第九讲 氧化还原反应与电化学基础(教师版)【竞赛要求】 竞赛要求】 【初赛要求】 氧化态。氧化还原的基本概念和反应式的书写与...


氧化还原与电化学

氧化还原与电化学_理化生_高中教育_教育专区。化学 氧化还原与电化学 氧化数...也参与了电极反应,则溶液的酸度往往对电对电极电势的影响 较大 4.沉淀和弱...

网站首页 | 网站地图
All rights reserved Powered by 简单学习网 www.tceic.com
copyright ©right 2010-2021。
文档资料库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com