高中化学竞赛课件:氧化还原反应和原电池.ppt
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- 高中化学 竞赛 课件 氧化 还原 反应 原电池
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1、氧化还原反应与电化学氧化还原反应与电化学化学夏令营化学夏令营 电化学电化学是研究是研究电能和化学能电能和化学能之间相互转化之间相互转化及转化过程中有关规律的科学。电化学工业及转化过程中有关规律的科学。电化学工业已成为国民经济的重要组成部分。已成为国民经济的重要组成部分。简简 介介 氧化还原反应氧化还原反应是化学反应中最重要的一类是化学反应中最重要的一类,反应的基本特点是在反应物之间发生反应的基本特点是在反应物之间发生电子的电子的传递传递,即反应物的原子或离子发生氧化数的,即反应物的原子或离子发生氧化数的改变改变。二者的关系:二者的关系:电极反应必为氧化或还原,电极反应必为氧化或还原,但总反应不
2、一定是氧化还原反应。但总反应不一定是氧化还原反应。提提 纲纲一、氧化还原反应一、氧化还原反应二、原电池和电极二、原电池和电极三、电极电势及其应用三、电极电势及其应用四、电解及电镀四、电解及电镀五、金属的电化学腐蚀与防腐五、金属的电化学腐蚀与防腐六、常见化学电源六、常见化学电源A 本部分所要掌握的主要内容本部分所要掌握的主要内容一、氧化还原反应一、氧化还原反应1.氧化与还原氧化与还原2.氧化还原电对氧化还原电对3.元素的氧化数元素的氧化数4.氧化还原方程式的配平氧化还原方程式的配平1.氧化与还原氧化与还原 氧化氧化本来是指物质与氧化合,本来是指物质与氧化合,还原还原是是指从氧化物中去掉氧恢复到未
3、被氧化前指从氧化物中去掉氧恢复到未被氧化前的状态的反应。的状态的反应。任何一个氧化还原反应都可看作是两任何一个氧化还原反应都可看作是两个半反应之和。例如,铜的氧化反应可个半反应之和。例如,铜的氧化反应可以看成是两个半反应的总和结果:以看成是两个半反应的总和结果:Cu(s)-2e-=Cu2+O2(g)+2e-=O2-Cu+O2=CuO一、氧化还原反应1.氧化与还原进一步扩展:完全的进一步扩展:完全的得失得失部分的部分的偏偏移。移。当电子云密度远离(靠近)一个原当电子云密度远离(靠近)一个原子时,该原子即是氧化(还原)。子时,该原子即是氧化(还原)。金属铜失去电子,变成铜离子,氧化数金属铜失去电子
4、,变成铜离子,氧化数升高,被氧化;氧得到电子,变成氧离升高,被氧化;氧得到电子,变成氧离子,氧化数降低,被还原。因此,氧化子,氧化数降低,被还原。因此,氧化和还原可定义为:和还原可定义为:氧化是失去电子,还原是得到电子。氧化是失去电子,还原是得到电子。它们总是同时相伴发生。它们总是同时相伴发生。一、氧化还原反应1.氧化与还原2.氧化还原电对氧化还原电对 我们把一个还原型物种我们把一个还原型物种(电子给体电子给体)和和一个氧化型物种一个氧化型物种(电子受体电子受体)称为氧化还称为氧化还原电对:原电对:在书写在书写半反应半反应时,要把时,要把电对电对的氧化型的氧化型物种写在左边,还原型物种写在右边
5、。物种写在左边,还原型物种写在右边。即写成即写成还原反应还原反应,与还原电极电势相对与还原电极电势相对应应。氧化型氧化型+ze-还原型还原型 一、氧化还原反应2.氧化还原电对 对于对于Fe2,当它作为还原剂和氧化剂物种,当它作为还原剂和氧化剂物种时,书写半反应时分别出现在不同一侧:时,书写半反应时分别出现在不同一侧:Fe3+(aq)+e-Fe2+(aq)Fe2+(aq)+2e-Fe(s)还原剂和氧化剂之间的反应是一个氧化还还原剂和氧化剂之间的反应是一个氧化还原反应原反应。氧化剂氧化剂(O2)氧化其他物质,它本氧化其他物质,它本身得到电子被还原;还原剂身得到电子被还原;还原剂(Cu)还原其他还原
6、其他物质,它本身失去电子被氧化。物质,它本身失去电子被氧化。Cu(s)-2e-=Cu2+O2(g)+2e-=O2-一、氧化还原反应2.氧化还原电对 3.元素的氧化数元素的氧化数 指某元素一个原子形式上所带的电荷指某元素一个原子形式上所带的电荷数,这种电荷数是假设把每个化学键中数,这种电荷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的电子指定给电负性更大的原子而求得(即将电子的(即将电子的“偏移偏移”近似为近似为“得得失失”)。)。一、氧化还原反应3.元素的氧化数确定氧化数的一般原则是:确定氧化数的一般原则是:a.任何形态的任何形态的单质单质中元素的氧化数等中元素的氧化数等于于零零。
7、b.多原子分子中,所有原子的氧化数多原子分子中,所有原子的氧化数之和之和等于等于零零。c.单原子离子的氧化数等于它所带的单原子离子的氧化数等于它所带的电荷数。多原子离子中所有原子的氧化电荷数。多原子离子中所有原子的氧化数数之和之和等于该离子所带的等于该离子所带的电荷数电荷数。一、氧化还原反应3.元素的氧化数 d.在在共价共价化合物中,可按照元素电负化合物中,可按照元素电负性的大小,把性的大小,把共用电子对归属共用电子对归属于电负性于电负性较大的那个原子,然后再由各原子的电较大的那个原子,然后再由各原子的电荷数确定它们的氧化数。荷数确定它们的氧化数。e.氢氢在化合物中的氧化数一般为在化合物中的氧
8、化数一般为+1,但在金属氢化物中,氢的氧化数为但在金属氢化物中,氢的氧化数为-1。氧氧在化合物中的在化合物中的 氧化数一般为氧化数一般为-2,但在,但在过氧化物为过氧化物为-1,在超氧化物中为在超氧化物中为-1/2(平(平均氧化数)。均氧化数)。f.氟氟在化合物中的氧化数皆为在化合物中的氧化数皆为-1。一、氧化还原反应3.元素的氧化数4.氧化还原方程式的配平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以高锰酸钾和氯化钠在硫酸溶液中的反应为例,说明用反应为例,说明用氧化数法氧化数法配平氧化还配平氧化还原反应方程式的具体步骤。原反应方程式的具体步骤。a.根据实验根据实验确定反应物和产物确
9、定反应物和产物的化学的化学式:式:KMnO4+NaCl+H2SO4 Cl2+MnSO4+K2SO4+Na2SO4+H2O一、氧化还原反应4.氧化还原方程式的配平 b.找出找出氧化数升高及降低氧化数升高及降低的元素。锰的元素。锰的氧化数降低的氧化数降低5;氯的氧化数升高;氯的氧化数升高1,氯,氯气以双原子分子的形式存在,气以双原子分子的形式存在,NaCl的化的化学计量数至少应为学计量数至少应为2;KMnO4+NaCl+H2SO4Cl2+MnSO4+K2SO4+Na2SO4 氧化数降低氧化数降低5氧化数升高氧化数升高2+H2O一、氧化还原反应4.氧化还原方程式的配平 c.计算氧化数降低与升高的计算
10、氧化数降低与升高的最小公倍最小公倍数数(即使(即使电子得失数相等电子得失数相等),上述反),上述反应式中应式中5和和2的最小公倍数为的最小公倍数为10,可知,可知高锰酸钾的系数为高锰酸钾的系数为2,而氯气的系数为,而氯气的系数为5,氯化钠的系数为,氯化钠的系数为10:KMnO4+NaCl+H2SO4Cl2+MnSO4+K2SO4+Na2SO4氧化数降低氧化数降低52氧化数升高氧化数升高25+H2O一、氧化还原反应4.氧化还原方程式的配平 d.配平配平反应前后反应前后氧化数没有变化氧化数没有变化的原的原子数。子数。e.最后最后核对核对氧原子数。该等式两边氧原子数。该等式两边的氧原子数相等,说明方
11、程式已配平。的氧原子数相等,说明方程式已配平。2KMnO4+10NaCl+8H2SO4 =5Cl2+2MnSO4+K2SO4+5Na2SO4+8H2O一、氧化还原反应4.氧化还原方程式的配平二、原电池和电极二、原电池和电极1.原电池原电池2.原电池的表示方法原电池的表示方法3.电极及电极种类电极及电极种类二、原电池和电极二、原电池和电极1.原电池原电池 在硫酸铜溶液中放入一片锌,将发在硫酸铜溶液中放入一片锌,将发生下列氧化还原反应:生下列氧化还原反应:这个反应同时有热量放出,这是这个反应同时有热量放出,这是化学化学能转变为热能能转变为热能的结果。的结果。Zn+Cu2+=Zn2+Cu这种装置将这
12、种装置将化学能转变成为电能化学能转变成为电能,称,称原电池原电池。KCl(aq)二、原电池和电极1.原电池这一反应也可在下图所示的装置中进行。这一反应也可在下图所示的装置中进行。在两电极上进行的反应分别是:在两电极上进行的反应分别是:负负极反应:极反应:Zn-2e-=Zn2+氧化氧化反应反应,阳极阳极正正极反应:极反应:Cu2+2e-=Cu 还原还原反应,反应,阴极阴极电池反应:电池反应:Zn+Cu2+=Zn2+Cu 自发自发二、原电池和电极1.原电池 正极和负极正极和负极:根据:根据电位高低电位高低来判断,来判断,电位高的为正极,低的为负极,电流电位高的为正极,低的为负极,电流方向由正极向负
13、极,电子由负极向正方向由正极向负极,电子由负极向正极移动。极移动。阴极和阳极阴极和阳极:根据:根据电极反应电极反应判断,判断,发生氧化反应的为阳极,发生还原反发生氧化反应的为阳极,发生还原反应的为阴极。应的为阴极。二、原电池和电极1.原电池2.原电池的表示方法原电池的表示方法 原电池由两个半电池组成,在上述铜原电池由两个半电池组成,在上述铜锌原电池中,烧杯锌原电池中,烧杯中的锌和锌盐溶液中的锌和锌盐溶液组成一个半电池,烧杯组成一个半电池,烧杯 中的铜和铜盐中的铜和铜盐溶液组成另一个半电池,两个半电池用溶液组成另一个半电池,两个半电池用盐桥连接。为了方便,在电化学中通常盐桥连接。为了方便,在电化
14、学中通常表示为:表示为:Cu)L/mol1(CuSO)L/mol1(ZnSOZn44二、原电池和电极2.原电池的表示方法a.负极在左负极在左,正极在右;,正极在右;b.单垂线单垂线“”表示界面;表示界面;c.双垂线双垂线“?”表示盐桥;表示盐桥;e.标注标注所有影响电极电势所有影响电极电势(电动势)的(电动势)的因素因素,如物质状态,电解质浓度等。,如物质状态,电解质浓度等。d.标注温度和压力;标注温度和压力;原电池的表示的一般方法为:原电池的表示的一般方法为:二、原电池和电极2.原电池的表示方法3.电极及电极种类电极及电极种类 原电池总是由原电池总是由两个半电池两个半电池组成,半组成,半电池
15、又可称为电池又可称为电极电极。常见电极可分。常见电极可分为三大类:为三大类:二、原电池和电极3.电极及电极种类第一类电极:第一类电极:金属与其阳离子组成的电极金属与其阳离子组成的电极氢电极氢电极氧电极氧电极卤素电极卤素电极汞齐电极汞齐电极 二、原电池和电极3.电极及电极种类二、原电池和电极3.电极及电极种类第二类又称难溶盐电极:第二类又称难溶盐电极:二、原电池和电极3.电极及电极种类第三类又称氧化第三类又称氧化-还原电极:还原电极:二、原电池和电极3.电极及电极种类 书写电极反应和电池反应时,应注意书写电极反应和电池反应时,应注意物量物量和和电量电量的的同时平衡同时平衡。例如原电池:。例如原电
16、池:(-)(Pt)I2(s)I-(a1)Fe3+(a2),Fe2+(a3)(Pt)(+)Fe3+(a2)+2I-(a1)I2(s)+Fe2+(a3)以下电池反应是以下电池反应是不正确不正确的:的:而应使两半反应中而应使两半反应中得失电子数相同得失电子数相同(2):2Fe3+(a2)+2I-(a1)I2(s)+2Fe2+(a3)二、原电池和电极3.电极及电极种类三、电极电势及其应用三、电极电势及其应用1.电极电势电极电势2.标准氢电极标准氢电极3.氢标准还原电极电势氢标准还原电极电势4.外因对电极电势的影响外因对电极电势的影响-能斯特方程能斯特方程 5.电极电势的应用电极电势的应用6.元素标准电
17、极电势图及其应用元素标准电极电势图及其应用三、电极电势及其应用三、电极电势及其应用电流方向电流方向锌锌电极电极电势较电极电极电势较低低铜铜电极电极电势较电极电极电势较高高 (Cu2+/Cu)(Zn2+/Zn)1.电极电势电极电势 原电池中有电流,表明原电池有电位差原电池中有电流,表明原电池有电位差构成两电极的电位不等构成两电极的电位不等(电极电势之差电极电势之差):E 0=0(+)0(-)=0(Cu2+/Cu)0(Zn2+/Zn)原电池电动势原电池电动势等于两电极的电极电势之等于两电极的电极电势之差:差:E=(+)(-)=(Cu2+/Cu)(Zn2+/Zn)当电极反应中所涉及的物质处于各当电极
18、反应中所涉及的物质处于各自的自的标准态标准态时时(溶液溶液中各物质的中各物质的浓度浓度为为1个单位,个单位,气体气体的的压力压力为为1标准压力,标准压力,固体固体为为纯纯态态),此时电极电势为,此时电极电势为“标准电极电标准电极电势势”(0)。三、电极电势及其应用1.电极电势 若能测出若能测出各电极的电极电势各电极的电极电势,即可计算任意两电极构成的原电池即可计算任意两电极构成的原电池的电动势。可惜,单个电极的电势的电动势。可惜,单个电极的电势值的绝对值无法测得。值的绝对值无法测得。但在实际中,只要测得各个电但在实际中,只要测得各个电极对于极对于同一基准电极同一基准电极的相对值,就的相对值,就
19、可以计算出任意两个电极所组成的可以计算出任意两个电极所组成的电池的电动势。(类似电池的电动势。(类似“海拔海拔”)三、电极电势及其应用1.电极电势2.标准氢电极标准氢电极氢气压力为氢气压力为1标准压力、溶液中标准压力、溶液中H+活度活度为为1时的氢电极。时的氢电极。Pt|H2(p0)|H+(a=1)规定标准氢规定标准氢电极的电极电势电极的电极电势为为零零。三、电极电势及其应用2.标准氢电极3.氢标准还原电极电势氢标准还原电极电势 规定规定:将标准氢电极作为负极,待:将标准氢电极作为负极,待测电极为测电极为正极正极(发生(发生还原反应还原反应),组成),组成电池:电池:Pt|H2(p0)|H+(
20、a=1)|待测电极待测电极此电池的电动势即为待测电极的此电池的电动势即为待测电极的氢标准氢标准还原电极电势还原电极电势。三、电极电势及其应用3.氢标准还原电极电势E 0=0(Cu2+/Cu)-0(H+/H2)=+0.340 V 0(Cu2+/Cu)=0.340 V正值,自发,说明铜电正值,自发,说明铜电极上比氢电极上更易极上比氢电极上更易发生还原反应。发生还原反应。H2比比Cu活泼活泼(还原性强还原性强)。若为若为负值负值,?三、电极电势及其应用3.氢标准还原电极电势标准电极电势表标准电极电势表三、电极电势及其应用3.氢标准还原电极电势二级标准电极二级标准电极氢电极使用不方便,用有确定电极电势
21、的甘汞电极作二级标准电极。Cl-(aCl-)|Hg2Cl2|HgHg2Cl2+2e 2Hg+2Cl-0.1 mol/L 0.337V 1.0 mol/L 0.2801VSat.0.2412V三、电极电势及其应用3.氢标准还原电极电势三、电极电势及其应用3.氢标准还原电极电势AgAgCl电极电极AgCl+e Ag+Cl-表示:表示:Cl-|AgCl|Ag三、电极电势及其应用3.氢标准还原电极电势对消法测电动势对消法测电动势i=0,可逆,可逆三、电极电势及其应用3.氢标准还原电极电势工作电源电位计检流计标准电池待测电池三、电极电势及其应用3.氢标准还原电极电势电池反应:(-)Cd(Hg)Cd2+H
22、g(l)+2e-(+)Hg2SO4(s)+2e-2Hg(l)+SO42-净反应:Hg2SO4(s)+Cd(Hg)(a)+8/3H2OCdSO48/3H2O(s)+Hg(l)三、电极电势及其应用3.氢标准还原电极电势4.4.外因对电极电势的影响外因对电极电势的影响-能斯特方程能斯特方程:当当T298.15 K(25oC)时,可近似为:时,可近似为:lnGGRT 氧化型氧化型+ze-还原型还原型 =0-zFRTln还原型还原型氧化型氧化型Gz F GzF还原型还原型氧化型氧化型 =0 -z0.0592lg还原型还原型氧化型氧化型三、电极电势及其应用4.能斯特方程应用能斯特方程式时,注意:应用能斯特
23、方程式时,注意:式中式中氧化型氧化型、还原型还原型的浓度(活度)的浓度(活度)应包括半反应中的应包括半反应中的所有物质所有物质;浓度(活度)上要有与计量数相同的浓度(活度)上要有与计量数相同的指数指数;气体气体用压力表示(活度用压力表示(活度a=f/p0),),纯固体、纯固体、纯液体纯液体的浓度作为常数的浓度作为常数(活度活度a=1)处理。处理。=0 +z0.0592lg氧化型氧化型还原型还原型三、电极电势及其应用4.能斯特方程或者:或者:如对于如对于Fe3+eFe2+或电对或电对 Fe3+/Fe2+的的电极电势电极电势(Fe3+/Fe2+)=0(Fe3+/Fe2+)-(0.0592/1)lg
24、c(Fe2+)/c(Fe3+)c(Fe3+)/c(Fe2+)的比值的比值改变,可使改变,可使 改变改变(-)Pt|Fe3+(0.001 M),Fe2+(1M)|Fe3+(1M),Fe2+(0.001M)|Pt(+)0.3552 V =0 -z0.0592lg还原型还原型氧化型氧化型三、电极电势及其应用4.能斯特方程MnO4-5e+8H+=Mn2+4H2O 0+lg0.05925 MnO4 H+8Mn2+AgCl(s)+e=Ag+Cl-(c)0lnAgClAgCla aRTFaCl0clnFRT三、电极电势及其应用4.能斯特方程 在铜锌原电池铜电极中引入硫化物在铜锌原电池铜电极中引入硫化物沉淀沉
25、淀剂剂,由于,由于CuS难溶于水,导致其中铜难溶于水,导致其中铜离子浓离子浓度度降低,铜电极降低,铜电极电极电势电极电势减小,进而使原电减小,进而使原电池池电动势电动势减小,由电动势的能斯特方程分析减小,由电动势的能斯特方程分析可得到同样的结论。可得到同样的结论。在原电池系统中引入在原电池系统中引入络合剂络合剂其作用与加入其作用与加入沉淀剂相同,即都是通过影响某一沉淀剂相同,即都是通过影响某一离子的浓离子的浓度度而影响其而影响其电极电势电极电势,进而影响所形成原电,进而影响所形成原电池的池的电动势电动势。三、电极电势及其应用4.能斯特方程5.电极电势的应用电极电势的应用(1)判断氧化剂、还原剂
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