《第八章氧化还原反应和电极电势ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章氧化还原反应和电极电势ppt课件（107页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章第八章 氧化还原反应与电极电势氧化还原反应与电极电势2015年，全球电动汽车销年，全球电动汽车销售量约售量约55万辆万辆，增幅增幅70% 中国以中国以21万辆的销量成万辆的销量成为电动汽车的最大市场为电动汽车的最大市场2015年，全球车用电池需求年，全球车用电池需求人民币人民币498亿元亿元预计预计2024年，车用电池需求年，车用电池需求将超过人民币将超过人民币1954.3亿元亿元 氧化还原反应基本概念化学反应化学反应 -e 氧化氧化+e 还原还原没有电子的得失：酸碱反应没有电子的得失：酸碱反应 有电子的得失有电子的得失 氧化还原反应与氧化值氧化还原反应与氧化值 氧化过程与还原过程同时发
2、生，叫做氧化过程与还原过程同时发生，叫做氧化还原氧化还原氧化还原氧化还原反应反应反应反应。 C + O2 = CO2 电子进行重排，没有发生电子进行重排，没有发生电子得失电子得失 氧化值氧化值 (oxidation number)(oxidation number) 由于化合物中组成元素的电负性不同，原由于化合物中组成元素的电负性不同，原子结合时的电子对总要移向电负性大的一方，子结合时的电子对总要移向电负性大的一方，从而化合物中组成元素原子必须带有正或负电从而化合物中组成元素原子必须带有正或负电荷，这种所带荷，这种所带形式电荷的多少就是该原子的氧形式电荷的多少就是该原子的氧化数。化数。 确定氧
3、化数的规则：确定氧化数的规则： 单质中元素的氧化单质中元素的氧化数数为零。为零。 简单离子中元素的氧化简单离子中元素的氧化数数等于所带的电荷等于所带的电荷数数 。 氢的氧化氢的氧化数数为为 +1；金属氢化物中氢的氧；金属氢化物中氢的氧化化数数为为 -1。 氧的氧化氧的氧化数数为为-2；中性分子各元素的氧化中性分子各元素的氧化数数的代数和为的代数和为零零 ，复杂离子的电荷等于各元素氧化，复杂离子的电荷等于各元素氧化数数的代数和。的代数和。例：例： 求求 Na2S4O6 中中 S 的氧化的氧化数数21 + 4x + 6(- 2) = 0 x = 2.5氧化氧化数数可以是整数、小数（分数）！可以是整
4、数、小数（分数）！例：例： 求求Cr2O7 2-中中Cr的氧化数的氧化数 2x +（-2）7=-2， x = +6氧化数与化合价的区别？氧化数与化合价的区别？CH4、CH3Cl、CH2Cl2、 CHCl3、CCl4中碳的化合中碳的化合价都价都为4，但氧化，但氧化值分分别为-4、-2、0、+2、+4反应物反应物产物产物氧化值升高氧化值升高 氧化值降低氧化值降低 还原剂还原剂被氧化被氧化氧化产物氧化产物氧化剂氧化剂被还原被还原还原产物还原产物还原还原氧化氧化在化学反应过程中，元素的原子或离子在反应的前后在化学反应过程中，元素的原子或离子在反应的前后氧化值发生了变化的一类反应称为氧化值发生了变化的一
5、类反应称为氧化还原反应氧化还原反应氧化还原反应氧化还原反应。 氧化还原反应氧化值升高，氧化值升高，CO还原剂还原剂发生发生氧化反应氧化反应氧化值降低，氧化值降低，O2 氧化剂氧化剂发生发生还原反应还原反应 C C O2 O+2 +40 -22 CO + O2 = 2 CO2 自身氧化还原反应自身氧化还原反应 2KClO3 2KCl + 3O2氧化和还原过程发生在同一种化合物中氧化和还原过程发生在同一种化合物中 歧化反应歧化反应 Cl2 + 2NaOH = NaClO + NaCl +H2O氧化和还原过程发生在同一物质中同一元素上氧化和还原过程发生在同一物质中同一元素上 Cl2(0)ClO- (
6、+1)Cl (-1)Cl(+5) Cl (-1) O(-2) O (0) 氧化还原半反应和氧化还原电对氧化还原半反应和氧化还原电对 Zn + Cu2+ = Zn2+ + CuCu2+ + 2e- Cu （1） Zn Zn2+ + 2e- （2）氧化还原半反应氧化还原半反应 半反应由同一元素原子的不同半反应由同一元素原子的不同氧化数氧化数组成，组成，其中氧化数高的为其中氧化数高的为氧化态氧化态,氧化数低的为氧化数低的为还还原态原态。 半反应的通式为半反应的通式为 ： 氧化态氧化态 + ne - 还原态还原态 Ox + ne - Red氧化还原电对氧化还原电对通常写成：氧化态通常写成：氧化态/还原
7、态还原态 Ox/Red1. 氧化还原反应的实质氧化还原反应的实质两个共轭电对之间的电子转移两个共轭电对之间的电子转移 Cu2+ + Zn Zn2+ + Cu2e- Ox1 Red12. 氧化还原反应的方向氧化还原反应的方向 Ox1 + Red2 Ox2 + Red1 Ox1 Ox2，反应向，反应向右右进行进行 Ox1 (I2/ I-) 由反应可知： (Br2/ Br-) (Fe3+/ Fe2+) (Br2/ Br-) (Fe3+/ Fe2+) (I2/ I-) 进行？进行？ 时的标准态下能否向右时的标准态下能否向右25 在在 试判断反应试判断反应：例例0 0.136V1.360V1.224V
8、元素电势图元素电势图元素电势图的表示方法元素电势图的表示方法OH 1.763V 0.6945V2OH22O21.229V 各物种按氧化数从高到低向右排列；各物种按氧化数从高到低向右排列；各物种间用直线相连接，直线上方标明相各物种间用直线相连接，直线上方标明相应电对的应电对的 ；省去介质及其产物。省去介质及其产物。l 判断元素处于不同氧化态时的氧化还原能力判断元素处于不同氧化态时的氧化还原能力Cu 0.5180V Cu 0.1607V +Cu2+元素电势图的应用元素电势图的应用(Cu2+/Cu+)=0.1607V (Cu+/Cu)=0.5180V氧化性：氧化性：Cu+ Cu2+还原性：还原性：C
9、u+ Cul判断歧化反应能否发生判断歧化反应能否发生0 V 0.3573=0.1607V0.5180V-=Cu 0.5180V Cu 0.1607V +Cu2+发生歧化反应；左右 发生歧化逆反应。左右 Cu/(Cu Cu) / Cu( 2-=+)aq(Cu ) s (Cu )aq(2Cu2+元素电势图的应用元素电势图的应用l求未知电对的电极电势求未知电对的电极电势元素电势图的应用元素电势图的应用C rG1, 1, n1ABrG2, 2, n2rG3, 3, n3rG1=n1F 1rG2=n2F 2rG3=n3F 3rG3= rG1+ rG2 溶液的溶液的pH值测定值测定pH计的应用标准溶液参比
10、电极玻璃电极玻璃电极未知溶液参比电极玻璃电极玻璃电极 指示电极和参比电极指示电极和参比电极参比电极参比电极：电极电位已知，电位稳定，不受试液组：电极电位已知，电位稳定，不受试液组成变化的影响成变化的影响指示电极指示电极：电极电位与待测离子的浓度有关，电极：电极电位与待测离子的浓度有关，电极电位与待测离子浓度之间满足电位与待测离子浓度之间满足Nernst方程方程(-) M(s) | Mn+(a) | 参比电极参比电极 (+)(-) M(s) | Mn+(a) | 参比电极参比电极 (+)组成原电池组成原电池电池的电动势：电池的电动势：参比电极参比电极甘汞电极甘汞电极(SCE)甘汞电极的电极反应及
11、电极电位甘汞电极的电极反应及电极电位名称KCl溶液浓度电极电位E（v）0.1mol/L甘汞电极0.1mol/L+0.3365标准甘汞电极 (NCE)1.0 mol/L+0.2828饱和甘汞电极 （SCE）饱和溶液+0.2438电极符号电极符号: Pt |Hg(l)|Hg2Cl2(s)| KCl(饱和饱和)电极反应式电极反应式: Hg2Cl2 + 2e = 2Hg + 2Cl-参比电极参比电极AgCl/Ag电极电极电极组成电极组成 Ag(s)| AgCl(s)|Cl(c) 电极反应式电极反应式Nernst方程式方程式 (298.15K)指示电极指示电极电极的电极电位对电极的电极电位对H+浓度变化
12、满足浓度变化满足Nernst方程式方程式氢电极氢电极 (H+/H2) = 0.05916 lgc (H+) = 0.05916 pH玻璃电极玻璃电极298.15K指示电极指示电极 + 参比电极参比电极玻璃电极玻璃电极 + AgCl/Ag电极电极玻璃电极玻璃电极 + SCE 复合电极复合电极(-) 玻璃电极 | 待测pH溶液SCE (+) (-) 玻璃电极 | 标准缓冲溶液SCE (+) 电位法测定溶液的pHpH操作定义生物膜电势生物膜电势生物膜是由两个分子生物膜是由两个分子厚度的卵磷脂层构成厚度的卵磷脂层构成, ,可以允许离子和小分可以允许离子和小分子子(H2O) )通过通过生物膜电势成因复杂
13、生物膜电势成因复杂, ,只考虑由于细胞内外离只考虑由于细胞内外离子浓度不同而引起的扩子浓度不同而引起的扩散膜电势散膜电势Na+K+离子通道离子通道人的神经细胞人的神经细胞若只考虑若只考虑 K+ 浓度差浓度差引起的膜电势引起的膜电势, , 37oC C时时, ,K+ K+Na+ Na+ 内内 外外如果同时考虑如果同时考虑 NaNa+ + 的浓度差的浓度差Goldman-Hodgkin-Katz 方程方程P Pi i : : 离子离子i i的透过率的透过率神经细胞在安静状态时神经细胞在安静状态时( (实测值实测值: -77 mV): -77 mV)当神经细胞受到外界刺激时当神经细胞受到外界刺激时不
14、同的细胞膜电位不同不同的细胞膜电位不同静止的肌肉细胞膜电势静止的肌肉细胞膜电势: : 约为约为 - 90 mv- 90 mv肝细胞膜电势肝细胞膜电势: : 约为约为 - 40 mv- 40 mv(+)(-)Cross-section of a dry cellMoist pasteGraphite rod(cathode)Spacer(porous)Zinc case(anode)(-)几种化学电源几种化学电源干电池干电池The cell diagram for a dry cell is Zn(s)ZnCl2(aq),NH4Cl(aq)MnO(OH)(s)MnO2(s)C anode: Zn
15、(s) Zn2+(aq)+ 2 e- cathode: MnO2(s) +H+(aq)+ e- MnO(OH)(s) MnO(OH)(s) Mn2O3(s) + H2O(l)一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极 2008 年以来，最新一代的本田和通用氢燃料电池汽车示年以来，最新一代的本田和通用氢燃料电池汽车示范工程冲击着商业化之路。通用在纽约、加利福尼亚州和华盛范工程冲击着商业化之路。通用在纽约、加利福尼亚州和华盛顿特区投放了由顿特区投放了由100 辆雪佛兰辆雪佛兰Equinox 氢燃料电池汽车组成的氢燃料电池汽车组成的车队。车队。 2009 年年
16、5 月月26 日，由世界七大汽车制造商制造的日，由世界七大汽车制造商制造的12辆各种辆各种氢燃料电池轿车和燃料电池氢燃料电池轿车和燃料电池SUV 从美国加利福尼亚州的圣地亚从美国加利福尼亚州的圣地亚哥出发，进行了为期哥出发，进行了为期9 天的氢公路旅行，行程约天的氢公路旅行，行程约2700km，沿途，沿途停靠停靠28 个城市，终点为加拿大温哥华市，氢燃料电池车的优异个城市，终点为加拿大温哥华市，氢燃料电池车的优异性能给许多人留下了深刻的印象。性能给许多人留下了深刻的印象。 中国在中国在2008 年北京奥运会上成功组织和进行了年北京奥运会上成功组织和进行了23 辆燃辆燃料电池汽车的示范，料电池汽
17、车的示范，2010 年上海世博会则投入近年上海世博会则投入近200 辆燃料辆燃料电池车辆作为观光和服务用车。电池车辆作为观光和服务用车。氢能与燃料电池的研发及商业化进展氢能与燃料电池的研发及商业化进展燃料电池的发展现状PEM：质子交换膜燃料电池；：质子交换膜燃料电池；DMFC：直接甲醇燃料电池；：直接甲醇燃料电池；SOFC：固体氧化物燃料电池；：固体氧化物燃料电池；MCFC：熔融碳酸盐型燃料电池；：熔融碳酸盐型燃料电池；AFC：碱性燃料电池；：碱性燃料电池；PAFC：磷酸盐型燃料电池：磷酸盐型燃料电池质子交换膜质子交换膜PEMl（1）能量转化效率高。l（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很
18、低l（3）燃料适用范围广l（4）积木化强 规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适l（5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，减少了输变线路投资和线路损失。l按电解质划分有按电解质划分有5 5个种类个种类：l碱性燃料电池（碱性燃料电池（AFCAFC）：采用）：采用氢氧化钾溶液氢氧化钾溶液作为作为电解液电解液l磷酸盐型燃料电池（磷酸盐型燃料电池（PAFCPAFC）：采用）：采用200200高温下高温下的磷酸的磷酸作为其
19、电解质作为其电解质l熔融碳酸盐型燃料电池（熔融碳酸盐型燃料电池（MCFCMCFC）：采用）：采用熔融态碳熔融态碳酸盐酸盐作为其电解质作为其电解质l固体氧化物型燃料电池（固体氧化物型燃料电池（SOFCSOFC）：采用）：采用固态固态电解电解质质l质子交换膜燃料电池（质子交换膜燃料电池（PEMFCPEMFC）：采用）：采用极薄的塑极薄的塑料薄膜料薄膜作为其电解质作为其电解质 不同点不同点燃料电池燃料电池电池电池体系体系完全不封闭体完全不封闭体系系大多数是完全封闭体系大多数是完全封闭体系（特例如：锌（特例如：锌-空气电池）空气电池）特点特点只是供能设备只是供能设备既是供能设备又是储能设既是供能设备又是储能设备，方便携带备，方便携带功能功能可持续供电可持续供电充电要电网的支持！充电要电网的支持！相同点相同点输出电能都来自电化学反应输出电能都来自电化学反应供电时都比较安静供电时都比较安静绿色环保绿色环保 作业l2, 3, 4, 5, 7, 8，9，10, 11, 16，18l1，4, 8
