第五章 氧化还原反应课件

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1、1,学习要求： 掌握氧化还原反应的基本概念。能配平氧化还原反应式 理解电极电势的概念。能用能斯特方程进行有关计算。 掌握电极电势在有关方面的应用。 了解电池电动势与吉布斯自由能变得关系。 掌握元素电势图及其应用。 第一节 氧化还原反应的基本概念 第二节 氧化还原反应方程式的配平 第三节 电极电势 第四节 电极电势的应用 第五节 元素电势图及其应用,第五章 氧化还原反应,2,5.1 氧化还原反应的基本概念,5.1.2 氧化数,5.1.1 氧化和还原,3,5.1.1 氧化还原,认 识 不 断 深 化,Fe Fe2+ + 2e Cu2+ + 2e Cu,氧化,氧化,还原,氧化、还原 半反应,Fe +

2、 Cu2+ = Fe2+ + Cu,氧化还原反应,还原态 = 氧化态 + n e, 电子转移 ( 酸 碱 + n H+ , 质子转移),氧化态、还原态的共轭关系,历 史 发 展,还原,4,5.1.2 氧化数,氧化数定义为某元素一个原子的表观电荷数，这种电数荷由假设把每个化学键中的电子指定给电负性较大的原子而求得。 确定氧化数的规则如下： (1) 在单质中，元素的氧化数为零。 (2) O 的氧化数一般为 -2；在过氧化物中为-1； 在 超氧化物中为 -1/2；在 OF2 中为 +2。 (3) H 的氧化数一般为+1；在金属氢化物中为 -1。 (4) 在单原子离子中，元素的氧化数等于离子的电荷 数

3、；在多原子离子中，各元素的氧化数代数和等于 离子的电荷数。 (5) 在中性分子中，所有元素的氧化数代数和等于零。,5,在 K2Cr2O7 中，Cr 的氧化数为 +6。,例 5-1 计算 K2Cr2O7 中 Cr 的氧化数。,解：在 K2Cr2O7 中，O 的氧化数为 -2，K 的氧化数 为 +1。设 Cr 的氧化数为 x，则有：,6,思考题： 确定氧化数,（1）Na2S2O3 Na2S4O6 连四硫酸钠 +2 +2.5 （2）K2Cr2O7 CrO5 +6 +10 （3）KO2 KO3 臭氧化钾 -0.5 -1/3,注意：1） 同种元素可有不同的氧化数； 2） 氧化数可为正、负和分数等； 3）

4、 氧化数不一定符合实际元素的电子转移情况。 S2O32- S的氧化数为2，,7,在氧化还原反应中，氧化剂中组成元素氧化数降低的总数等于还原剂中组成元素氧化数升高的总数。配平步骤如下： （1）写出反应物和产物的化学式； （2）标出氧化数发生变化的元素的氧化数，计算出氧化数升高和降低的数值； （3）利用最小公倍数确定氧化剂和还原剂的化学计量数。 （4）配平氧化数没有变化的元素原子，并将箭号改成等号。,5.2 氧化还原反应方程式的配平,（一）氧化数法,8,例 5-2 用氧化数法配平下列氧化还原反应： 解：标出氧化数发生变化的组成元素的氧化数，计算氧化数升高和降低的数值。 2 +3 (+6)= 6 2

5、 0 (1)= +2 利用最小公倍数确定氧化剂和还原剂的化学计量数: 配平其他氧化数没有变化的元素的原子：,K2Cr2O7 + 6KI + 7H2SO4 4K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 3I2 +7H2O,9,（二）离子电子法,氧化还原反应的实质是物质间发生了电子的转移，因此可以把氧化还原反应分解成两个“半反应”，即：失电子半反应或称氧化半反应和得电子半反应或称还原半反应。根据这两个半反应得失电子数一定相等的原则配平氧化还原方程式的方法叫离子电子法。离子电子法适用于水溶液中的氧化还原反应。以下举例说明离子电子法的配平步骤。,10,例5-3 配平 与 在酸性介质中的反应方程式。,配平步

6、骤如下：,写出主要反应物和产物,分解成两个半反应,分别配平原子数,注意：在酸性介质中若方程式一边比另一边多n个“O”原子，则要在多“O”原子的一边加2n个“ ”，而在另一边加n个“H2O”。,分别配平电荷数，并乘以相应系数使得、失电子数相等。相加。,约简，消去共同项,配平完毕。,11,例5-4 配平 与 在碱性介质中的反应方程式。,配平：,主要反应物、产物,分解成半反应,配平原子数,注意：在碱性介质中，哪边多n个“O”，就在哪边加n个“H2O”，而在另一边加2n个 “ ”。,配平电荷数、乘系数、相加,配平完毕。,12,例5-5 配平 与 在中性介质中的反应方程式。,配平：,主要反应物、产物,分

7、解成半反应,配平原子数,注意：在中性介质中，左边比右边多“O”原子时，按碱性介质配平。右边比左边多“O”原子时，按酸性介质配平。,配平电荷数、乘系数、相加,约简,以下对离子电子法配平时如何强加“ ”、“ ”、“H2O”进行归纳总结。(见书P102)。,13,5.3 电极电势,5.3.1 原电池 5.3.2 电极电势 5.3.3 能斯特方程 5.3.4 原电池的电动势与rG的关系,14,5.3.1 原电池,利用氧化还原反应将化学能转变为电能的装置称为原电池。从理论上讲，任何自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。 原电池由两个半电池组成。半电池又称电极，每一个电极都是由电极导体和电解质溶液组成

8、。 分别在两个半电池中发生的氧化反应或还原反应，称为半电池反应或电极反应。原电池的两极所发生的总的氧化还原反应称为电池反应。,15,例1. Daniell电池(锌-铜原电池),John Frederic Daniell 1790-1845,若选择适当的电极，组装为“原电池”，使转移的电子定向运动产生电流。 原电池：是化学能电能的装置。,16,例2. 原电池 锌锰干电池结构,NH4Cl, ZnCl2和MnO2 浆状物 正极：石墨 （带铜帽） 负极：锌 （外壳）,正极：2MnO22H2O2e2MnO(OH)2OH 还原反应,负极： Zn2NH4ClZn(NH3)2Cl22H2e 氧化反应,17,例

9、3. 氢氧燃料电池,放电反应 （作原电池）： 负极（anode)：(氧化反应) 2 H2(g) + 4 OH- (aq) 4 H2O(l) + 4 e 正极(cathode)： (还原反应) O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e 4 OH-(aq) 放电总反应： 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) = 1.23 V 最干净的能源！,18,例4. 固态锂电池,负极：(氧化反应) Li(s) Li+ + 2e正极： (还原反应) TiS2(s) + e TiS2- 放电总反应： Li(s) + TiS2(s) Li+ + TiS2- 2005年12月,日本生产出锂电池驱动汽车

10、, 最高时速超过300 km/h.,19,例5. 锌汞纽扣电池,放电反应 （作原电池）： 负极：(氧化反应) Zn(s) + 2 OH- (aq) ZnO(s) + H2O(l) + 2 e 正极： (还原反应) HgO(s) + H2O(l) + 2 e Hg(l) + 2 OH- (aq) 放电总反应： Zn(s) + HgO(s) ZnO(s) + Hg(l),20,原电池的表示方法：,氧化还原电对：氧化态/还原态，例：Cu 2+/Cu. 氧化态与还原态之间是对立、互依、可相互转化的。 电极：组成半电池的导体和电对。 负极：失去电子的电极（氧化反应）。 正极：得到电子的电极（还原反应）。

11、 电极反应：在电极上发生的氧化还原反应，相 当于半电池。,21,原电池符号表示：,例： (-)ZnZnSO4 (c1) CuSO4 (c1) Cu(+) 注： 1、(-)、 (+)：电极上负极、正极。 2、 Zn、ZnSO4; Cu、CuSO4: 导体和溶液，同一元素的不同价态。高价氧化态；低价还原态。 3、：二相之间的界面。 ：两溶液之间的盐桥。 4、注明温度、压力、浓度。 不写明一般指25、101.325KPa、1molL-1 （或1M：重量摩尔浓度：1000g水中含有1mol溶质离子。确切地应采用活度。）,22,5.3.2 电极电势,1、电极电势的产生(用双电层理论来说明）,两种相反过程

12、的大小取决于：,一定条件下，当v溶解v沉积，金属的溶解与沉积平衡，形成双电层，产生电极电势。,23,2、标准电极电势,指定温度(25C)，浓度均为 1 mol/dm3, 气体的分压都是标准压力（100 kPa), 固体及液体都是纯净物状态下的电极电势。用 (V)来表示。 无法测定其绝对值，只有相对值。 规定 “H+/H2(p)(标准氢电极）= 0” 1) 标准氢电极:,2 H+ + 2e H2 (H+/H2) = 0.0000 (V),铂片上表面镀一层海绵状铂（铂黒，很强的吸附H2的能力）插入H+ 浓度为1mol/dm3 的溶液中，25C下，不断地通入标准压力的纯 H2气流，与溶液中的H+ 达

13、平衡。,24,2）标准甘汞电极（参比电极）,标准氢电极使用不便。常采用的参比电极为：甘 汞电极和AgCl/Ag电极。 甘汞电极是由Hg，固体Hg2Cl2以及饱和亚汞盐 的KCl溶液构成。 HgHg2Cl2(s) KCl(饱和aq) 电极反应为： Hg2Cl2(s) 2e 2Hg(l) + 2Cl- 甘汞电极的电极电势与Cl-浓度有关。 cKCl=1molL-1, = + 0.2802V; 而在饱和溶液中 0.2405V。,25,3）标准电极电势和标准电动势,标准状态：组成电极的离子浓度为1 mol/L，气体分压为100 kPa，液体或固体都是纯净物质。,当指定电极中与电极反应有关的所有物项都处

14、于标准状态时，该电极即为标准电极，其电极电位称为标准电极电位。,电对的标准电极电势：,原电池的标准电动势：,26,4）标准电极电势的测定,将待测的标准电极与标准氢电极组成原电池，在25C下，用检流计确定电池的正、负极，然后用电位计测定电池的电动势。 IUPAC 规定：,如：标准锌电极与标准氢电极组成原电池，锌为负极，氢为正极，测得 E 0.7618 (V) , 则 (Zn2+/Zn) = 0.0000 0.7618 = -0.7618(V),27,利用类似方法可测得一系列金属的标准电极电势，如果按其数值由小到大次序排列，即得到金属活动性顺序。,Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn

15、 Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au,28,5) 标准电极电势表,使用说明： 1、电极反应：a氧化态neb还原态 标准电极电势值与电极反应方向无关。 Zn2+ + 2e Zn， Zn - 2e Zn2+ 都等于0.763V。 值与电极反应中得失电子数、系数无关。 Zn2+ + 2e Zn 2Zn - 4e 2Zn2+ 都等于0.763V。因为电极电势反应中物质得失电子的倾向的强弱与物质的数量无关。 2、 数值越负，表示该电极的还原型失电子能力越强，是强还原剂，其氧化型得到电子的能力越弱，是弱的氧化剂。 例： Li、Na是强还原剂。Li+、Na+是弱氧化剂。,29,3、 数

16、值越正，表示该电极的氧化态得电子能力越强，是强氧化剂，其还原态失去电子的能力越弱，是弱的还原剂。 例： F2、Cl2是强氧化剂。 F-、Cl-是弱还原剂。 MnO4-/Mn2+ =1.51v , 比较大， 它的氧化态MnO4-是强氧化剂，它的还原态Mn2+ 是弱还原剂 4、按在酸性或碱性介质中测定，分别列成酸表或碱表。电极反应中，无论反应物还是产物，凡出现氢离子时查酸表，出现氢氧根离子时查碱表，都不出现时，可从存在状态考虑。 例： Fe3+ + e Fe2+ 只能存在于酸性溶液中，所以查酸表。一般说来，金属及其正离子的电对的标准电极电势查酸表，而两性化合物与相应的负离子的氧化还原电对的标准电极电势查碱表。,30,5.3.3 能斯特方程式,浓度、压强、温度的改变使发生改变，