氧化还原与电化学--课件

第11章 氧化还原与电化学11.1 氧化数与氧化氧化数与氧化还原方程式的配平原方程式的配平 11.2 原原电池的池的电动势与与电极极电位（位（势）11.3 标准准电极极电位（位（势）11.4 影响影响电极极电位的因素位的因素 11.5 与与电极极电位（位（势）有关的三种）有关的三种图形形1ppt课件11.1 氧化数与氧化还原方程式的配平一、元素的氧化数（Oxidation number）（氧化态 Oxidation state)(中学：化合价)单质：0 0 0 0 0 0 H2 O2O3C60 Na Ne化合物化合物：氧化数氧化数=0 +1-1 +2-1 +1 -1 +1-2 NaCl CaF2 H:Cl H2O氧化数的氧化数的本本质：在在离子化合物离子化合物中，即中，即正、正、负离子所离子所带的的电荷数荷数；在在极极性性化化合合物物中中，即即元元素素的的一一个个原原子子提提供供参参与与共共价价键的的电子子数数，其其中中电负性性小小，共共用用电子子对离离得得较远的的元元素素为正正氧氧化化数数，电负性性大大、共共用用电子子以以离离得得较近近的的元元素素为负氧氧化数化数。2ppt课件二、氧化还原反应（一）氧化（一）氧化还原反原反应定定义 e 2 例例1：2 Na(s)+Cl2(g)=2 Na+Cl-(s)Fe(s)+Cu2+(aq)=Fe2+(aq)+Cu(s)H2(g)+Cl2(g)=2 HCl(g)氧氧化化还原原反反应凡凡有有电子子得得失失或或共共用用电子子对偏移偏移发生的反生的反应。氧氧化化失失去去电子子或或共共用用电子子对偏偏离离的的变化，相化，相应的物的物质称称为“还原原剂”;还原原得得到到电子子或或共共用用电子子对接接近近的的变化，相化，相应的物的物质称称为“氧化氧化剂”。氧化剂氧化剂：Cl2,Cu2+,Cl2，得到电子被还原得到电子被还原；还原剂还原剂：Na,Fe,H2，失去电子被氧化。失去电子被氧化。3ppt课件（一）氧化还原反应定义（续）氧化数：氧化数：0 0 +1 -1例例1：2 Na(s)+Cl2(g)=2 Na+Cl-(s)H2(g)+Cl2(g)=2 HCl(g)氧化氧化过程程：元素的氧化数元素的氧化数;还原原过程程：元素的氧化数元素的氧化数。凡凡元元素素氧氧化化数数发生生变化化的的过程程，就就是是氧氧化化还原原反反应。4ppt课件（二）（二）自氧化还原反应自氧化还原反应 例例：2 KClO3(s)2 KCl(s)+3 O2(g)2 HgO(s)2 Hg(l)+O2(g)同一物质同一物质，既是氧化剂，又是还原剂，既是氧化剂，又是还原剂，但但氧化、还原发生在氧化、还原发生在不同元素不同元素的原子上的原子上。（三）（三）歧化反应歧化反应例例：0 +1 -1 Cl2(g)+H2O(l)=HOCl(aq)+HCl(aq)同一物质同一物质中中同一元素同一元素的原子，有的氧化数的原子，有的氧化数，有的氧化，有的氧化数数，称为，称为“歧化歧化反应反应”；逆逆反应称为反应称为“逆歧化逆歧化反应反应”或或“归中归中反应反应”5ppt课件三、三、氧化还原反应方程式的配平氧化还原反应方程式的配平（一）（一）氧化数法氧化数法：适用于：适用于任何氧化还原反应任何氧化还原反应。依据依据：还原剂还原剂氧化数的升高总值氧化数的升高总值=氧化剂氧化剂氧化数降低总值氧化数降低总值 例例1：KMnO4+FeSO4+H2SO4 1.据据反应事实反应事实，写出反应，写出反应产物产物，注意，注意介质酸碱性介质酸碱性：KMnO4+FeSO4+H2SO4 MnSO4+Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O2.调整计量系数，使调整计量系数，使氧化数氧化数升高值升高值=降低值降低值:+7 +2KMnO4+5 FeSO4+H2SO4 +2 +3 MnSO4+5/2 Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O3.若出现分数，可调整为最小正整数：若出现分数，可调整为最小正整数：2 KMnO4+10 FeSO4+H2SO4 =2 MnSO4+5 Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O6ppt课件3.配平各元素原子数（配平各元素原子数（观察法观察法）先配平先配平非非H、O原子，原子，后配平后配平H、O原子。原子。（1）配平）配平K+、SO42-数目数目 SO42-：左：左11，应，应+7；右；右18 2 KMnO4+10 FeSO4+8 H2SO4 2 MnSO4+5 Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O（2）配平）配平H+数目数目 H+：左：左16，右，右2，应，应 8 H2O 2 KMnO4+10 FeSO4+8 H2SO4 =2 MnSO4+5 Fe2(SO4)3+K2SO4+8 H2O（3）配平（或核对）配平（或核对）O原子数目：原子数目：已平衡。已平衡。7ppt课件氧化数法配平氧化还原反应方程式的步骤核对核对H、O等，用等，用H、OH、H2O最小公倍数法确定氧化最小公倍数法确定氧化剂剂、还原剂系数、还原剂系数确定元素氧化数升、降数值确定元素氧化数升、降数值根据反应条件，写出反应物、生成物根据反应条件，写出反应物、生成物8ppt课件对于对于电解质电解质在在溶液溶液中的反应，也可通过中的反应，也可通过“离子方程式离子方程式”表示表示（更简洁）（更简洁），配平步骤类似配平步骤类似：MnO4-+Fe2+H+Mn2+Fe3+H2O MnO4-+5 Fe2+H+Mn2+5 Fe3+H2O MnO4-+5 Fe2+8 H+Mn2+5 Fe3+H2O MnO4-+5 Fe2+8 H+=Mn2+5 Fe3+4 H2O（3）配平（或核对）配平（或核对）O原子数目：已平衡。原子数目：已平衡。注注 意意 9ppt课件注意若写若写为：MnO4-+3 Fe2+4 H+=MnO2+3 Fe3+2 H2O 错！产物物与与实验事事实不不符符，不不是是MnO2，而而是是Mn2+；若写若写为：MnO4-+5 Fe2+4 H2O=Mn2+5 Fe3+8 OH-错！虽然物料平衡、然物料平衡、电荷平衡，但荷平衡，但介介质不符不符。10ppt课件例例2：歧化反应方程式配平歧化反应方程式配平 I2(s)+OH-I-+IO3-I2 既是既是氧化剂氧化剂，又是，又是还原剂还原剂，可，可分开写分开写:I2(s)+5 I2(s)+OH-10 I-+2 IO3-再配平再配平H、O原子数目：原子数目：I2(s)+5 I2(s)+12 OH-10 I-+2 IO3-+6 H2O合并合并 I2：6 I2(s)+12 OH-10 I-+2 IO3-+6 H2O约简约简计量系数：计量系数：3 I2(s)+6 OH-=5 I-+IO3-+3 H2O11ppt课件（二）（二）离离 子子-电子法：电子法：只适用于只适用于发生在发生在水溶液中水溶液中的氧化还原反应。的氧化还原反应。例：例：MnO4-+Fe2+H+Mn2+Fe3+H2O1.把反应把反应分为分为氧化氧化反应反应,还原还原反应反应两个两个“半反应半反应”(“电极反应电极反应”):MnO4-+8 H+5 e Mn2+4 H2O （还原还原反应）反应）Fe2+Fe3+e （氧化氧化反应）反应）2.调整调整两个两个“半反应半反应”的的计量系数计量系数，使，使得电子总数得电子总数=失电子总失电子总数数.5 e 和和 e 的计量系数的计量系数最小公倍数最小公倍数是是5:MnO4-+8 H+5 e Mn2+4 H2O （还原还原反应）反应）5 (Fe2+Fe3+e)（氧化氧化反应）反应）3.合并合并上述上述2个个“半反应半反应”：MnO4-+5 Fe2+8 H+=Mn2+5 Fe3+4 H2O12ppt课件10.2 原电池的电动势与电极电位（势）原电池的电动势与电极电位（势）一、一、原电池、电解池与电化学原电池、电解池与电化学（一）（一）原电池原电池：氧化还原反应氧化还原反应是是电子转移电子转移的反应。的反应。同一溶液内同一溶液内的氧化还原反应过程，的氧化还原反应过程，电子电子转移时转移时无定向运动无定向运动，不产生电流不产生电流，只放热只放热(右图右图):2e 例：例：Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)13ppt课件Daniell电池(锌-铜原电池)若若选择适当的电极选择适当的电极，组装为，组装为“原电池原电池”，使转移的，使转移的电子定向电子定向运动运动产生电流产生电流。原电池原电池：是：是化学能化学能电能电能的的装置装置。14ppt课件锌锌-铜电池（铜电池（Daniell Cell电池）电池）盐桥盐桥：K2SO4（或（或Na2SO4,KCl）+琼胶，琼胶，维持电路畅通维持电路畅通电极反应：电极反应：Zn极（极（负极负极,Anode）:Zn(s)=Zn2+(aq)+2eCu极（极（正极正极,Cathode）:Cu2+(aq)+2e=Cu(s)原电池原电池放电总反应放电总反应：Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)总结总结“原电池原电池”放电反应放电反应：负极负极(Anode):电势低电势低，电子流出电子流出，发生，发生氧化氧化反应反应;正极正极(Cathode):电势高电势高，电子流入电子流入，发生，发生还原还原反应。反应。注注:English:发生发生氧化反应氧化反应的的电极电极记为记为Anode,发生发生还原还原反应反应的的电极电极记为记为Cathode.15ppt课件盐桥盐桥(饱和饱和KCl(aq)+琼脂琼脂)的作用的作用 作为作为正、负离子通道正、负离子通道，使，使两个两个“半电池半电池”的的溶液都溶液都保持电中性，维持电路畅通。保持电中性，维持电路畅通。Cl-,SO42-ZnSO4(aq)K+,Zn2+CuSO4(aq)KCl 也可以用也可以用K2SO4,Na2SO4等等其它电解质其它电解质代替。代替。16ppt课件原电池符号 锌-铜电池（Daniell Cell电池）(-)Zn(s)|ZnSO4(1 mol/dm3)|CuSO4(1 mol/dm3)|Cu(s)(+)相界相界 浓度或活度度或活度 盐桥可可简化化为（不不严格格）:(-)Zn(s)|ZnSO4|CuSO4|Cu(s)(+)放放电总反反应：Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)给出出总反反应方方程程式式，要要能能够设计为原原电池池，写写出出电池符号池符号和半反和半反应(电极反极反应)方程式。方程式。17ppt课件例2.原电池 氢铁电池()(Pt),H2(1 p)H+(1 moldm-3)Fe3+(1 moldm-3),Fe2+(1 moldm-3)Pt(+)负极极：氧化氧化半反半反应 H2=2H+2e 正极正极：还原原半反半反应 Fe3+e =Fe2+放放电总反反应：H2+2 Fe3+=2 H+2 Fe2+给出出电池符号池符号，要能，要能够写出写出半反半反应 (电极反极反应)和和放放电总反反应方程式方程式。18ppt课件例3.原电池 锌锰干电池结构NH4Cl,ZnCl2和和MnO2 浆 状状 物物 正极：石墨正极：石墨 （带 铜 帽帽）负极：极：锌 （外壳）（外壳）19ppt课件例3.原电池 锌锰干电池放电反应负极极（氧化氧化反反应）：）：Zn(s)Zn2+(aq)+2e正极正极（还原原反反应）：）：MnO2(s)+H+(aq)+e MnO(OH)(s)2 MnO(OH)(s)Mn2O3(s)+H2O(l)合并，得合并，得总的的放放电反反应：Zn(s)+2 MnO2(s)+2 H+(aq)Zn2+(aq)+Mn2O3(s)+H2O(l)20ppt课件例4.氢氧燃料电池放放电反反应（作原（作原电池）：池）：负极（极（anode)：(氧化反氧化反应)2 H2(g)+4 OH-(aq)4 H2O(l)+4 e正极正极(cathode)：(还原反原反应)O2(g)+2 H2O(l)+4 e 4 OH-(aq)放放电总反反应：2 H2(g)+O2(g)2 H2O(l)E =1.23 V最干最干净的能源！的能源！21ppt课件例5.固态锂电池负极负极：(氧化反应氧化反应)Li(s)Li+2e正极正极：(还原反应还原反应)TiS2(s)+e TiS2-放电总反应：放电总反应：Li(s)+TiS2(s)Li+TiS2-2005年年12月月,日本生产出日本生产出锂电池锂电池驱动汽车驱动汽车,最高时速超过最高时速超过300 km/h.22ppt课件例6.锌汞纽扣电池放放电反反应（作原（作原电池）：池）：负极极：(氧化反氧化反应)Zn(s)+2 OH-(aq)ZnO(s)+H2O(l)+2 e正极正极：(还原反原反应)HgO(s)+H2O(l)+2 e Hg(l)+2 OH-(aq)放放电总反反应：Zn(s)+HgO(s)ZnO(s)+Hg(l)23ppt课件 （三）（三）电化学电化学 (Electrochemistry)研究研究化学电池化学电池中中氧化还原反应氧化还原反应过程过程以及以及化学化学能能与与电能电能互相转变规律互相转变规律的化学的化学分支，称为分支，称为“电化学电化学”。化学电池化学电池:(1)原电池原电池(化学能化学能电能电能)(2)电解池电解池(电能电能化学能化学能)24ppt课件原电池原电池（上）（上）放电放电反应：反应：负极负极(Anode):电势低，电子流出，发生电势低，电子流出，发生氧化反应氧化反应;正极正极(Cathode):电势高，电子流入，发生电势高，电子流入，发生还原反应还原反应。电解池电解池（下）（下）电解电解反应：反应：阳极阳极(Anode):连接原电池正极，发生连接原电池正极，发生氧化反应氧化反应;阴极阴极(Cathode):连接原电池负极，发生连接原电池负极，发生还原反应还原反应。注注:English:发发生生氧氧化化反反应应的的电电极极记记为为Anode,发发生生还还原原反反应应的的电电极极记记为为Cathode.原电池和电解池的电极反应25ppt课件二、二、原电池原电池的的电动势电动势与与电极电位（势）电极电位（势）（一）原电池的电动势（一）原电池的电动势 (或或E)指原电池指原电池正、负电极正、负电极之间的之间的平衡电势差平衡电势差。E =+-E =+-可用可用电位差计电位差计或或高阻抗晶体管伏特计高阻抗晶体管伏特计直接直接测量测量.例：上述例：上述Daniell cell,测出电动势测出电动势 E =+1.10 V 表示表示Cu电极电势比电极电势比Zn电极高电极高1.10 V 26ppt课件电极电位的产生“双电层模型”把金属晶体插入它的把金属晶体插入它的盐溶液中：溶液中：M(s)Mn+(aq)+n e （e 留在留在M(s)表面）表面）金属金属“溶解溶解”Mn+(aq)沉沉积在在一定温度一定温度下达到下达到“平衡平衡”，有两种可能，有两种可能:1.M活活泼性性，或，或/和和Mn+(aq)浓度小，度小，占占优，生成，生成左左边的的“双双电层”。2.M活活泼性性，或，或/和和Mn+(aq)浓度大，度大，占占优，生成，生成右右边的的“双双电层”。27ppt课件“双电层模型”在一定温度下达到“平衡”，有两种可能:1.M活泼性，或/和Mn+(aq)浓度小，占优，生成左边的“双电层”。2.M活泼性，或/和Mn+(aq)浓度大，占优，生成右边的“双电层”。Zn/Zn2+Cu/Cu2+-+-+-+-+-+-+M(s)Mn+(aq)+n e （e 留在留在M(s)表面）表面）28ppt课件电极电位的产生“双电层模型”Zn(s)-ZnSO4(aq)和 Cu(s)-CuSO4(aq)双电层形成+-+-29ppt课件电极电位的产生电极电位的产生(续续)例：例：Zn(s)=Zn2+(aq)+2 e 金属金属“溶解溶解”占优势占优势 Cu(s)=Cu2+(aq)+2 e Mn+(aq)沉积沉积占优势占优势 电极电位（势），电极电位（势），金属与其盐溶液之间产生的金属与其盐溶液之间产生的这种这种电势差电势差，称为，称为“电极电位电极电位”（势）。（势）。符号符号:.SI单位单位:V.由于由于 (Zn2+/Zn)(Cu2+/Cu+)57ppt课件反应 2 Cu2+4 I-=2 CuI(s)+I2(s)E =(Cu2+/CuI)-(I2/I-)=0.826 0.535=0.291 V rG =-W =-nF (等温等温,等等压,只作只作电功功)(10.3.2)rG 0 (任意任意态:rG 0)标态,正反正反应自自发。（E 0 或或 E 0，正反正反应自自发的的电动势判据判据）lg K =nE /0.059 =2 0.291/0.059=9.841 K =6.93 109 正反正反应单向向 58ppt课件推广：若推广：若 K =1 107 视为视为正反应完全正反应完全 由由E =0.059 lgK /n,当当 n=1时，时，E =0.059 lg(1.0 107)/1=0.41 V可视为正反应完全可视为正反应完全.n=1 K =1.0 107 E =0.41 V59ppt课件11.5 与电极电位（势）有关的与电极电位（势）有关的3种图形种图形一、一、-pH图图 反映各电对反映各电对 随溶液随溶液pH的变化趋势。的变化趋势。作图方法作图方法：与：与H2O有关的有关的2个氧个氧-还反应还反应 1.2 H2O(l)+2 e=H2(g)+2 OH-（H2O作作氧化剂，被还原）氧化剂，被还原）(H2O/H2)=-0.828 V2.O2(g)+4 H+4 e=2 H2O （H2O作作还原剂，被氧化）还原剂，被氧化）(O2/H2O)=+1.23 V60ppt课件（1）由反应由反应1，应用，应用Nernst方程：方程：(H2O/H2)=(H2O/H2)+(0.0592/2)lgpH2-1(OH-)-2 =(H2O/H2)+0.0592 pOH =-0.828+0.0592(14 pH)=-0.828+0.828-0.0592 pH (H2O/H2)=0.592 pH 为一为一直线方程直线方程，斜率斜率为为-0.0591，截距截距为为0.61ppt课件（2）由反应2，应用Nernst方程 (O2/H2O)=(O2/H2O)+(0.0591/4)lgpO2(H+)4 (O2/H2O)=1.23 0.592 pH 也是也是直直线方程方程,斜率斜率为-0.0592，截距截距为1.23.根据方程根据方程和和分分别以以 对 pH作作图,得得 -pH图.其它其它电对的的 -pH图同法作出。同法作出。62ppt课件 -pH图 (H2O/H2)=0.591 pH (O2/H2O)=1.23 0.591 pH63ppt课件 -pH图图提供的提供的信息信息：分分3个区个区1.O2 稳定区稳定区：落入此区内的电对的：落入此区内的电对的氧化型物质可把氧化型物质可把H2O氧化为氧化为O2。例：例：2 F2(g)+2 H2O(l)=4 HF(aq)+O2(g)2.H2O 稳定区稳定区：落入此区内的电对，不论：落入此区内的电对，不论氧化型氧化型或或还原型物质均不与还原型物质均不与H2O反应反应，故，故可稳定存在可稳定存在。例：例：Cu2+/Cu,I2/I-3.H2 稳定区稳定区：落入此区内的电对的：落入此区内的电对的还原型物质可把还原型物质可把H2O还原为还原为H2.例：例：2 Na(s)+2 H2O(l)=2 Na+(aq)+2 OH-(aq)+H2(g)同时同时，各电对，各电对 随随 pH的的变化趋势变化趋势也可以很方便地从图看出。也可以很方便地从图看出。64ppt课件二、二、元素电势（位）图（元素电势（位）图（W.M.Latimer图）图）（一）作图方法：各元素各元素不同氧化数不同氧化数的物种：元素氧化数的物种：元素氧化数高高 低低。元素电势图元素电势图（二）应用（二）应用 0.519 1.065 例例1：B BrO3-Br2(l)Br 下标下标B：碱性介质，：碱性介质，a(OH-)=1 右右=(Br2/Br-)，对应，对应 Br2(l)+e=Br 左左=(BrO3-/Br2)，对应，对应 BrO3-+3 H2O+5 e=Br2(l)+6 OH-65ppt课件二、元素电势（位）图(续)5-,得得:5/2 Br2(l)+1/2 Br2(l)+6 OH-=5 Br-+BrO3-+3 H2O3 Br2(l)+6 OH-=5 Br-+BrO3-+3 H2O (歧化反歧化反应)=+-=右右-左左 =1.065 0.519=0.546 V 0.40 V S.S.下下,正反正反应(歧化反歧化反应)自自发进行行.结论:右右 左左,S.S.下下,歧化反歧化反应自自发;右右 左左 ,S.S.下下,逆逆歧化反歧化反应自自发.66ppt课件二、元素电势（位）图(续)例例2.由由已知已知 求求未未知知 .1.47 1.36 A ClO3-Cl2(g)Cl|1,n1,G 1 2,n2,G 2|_|,n,G?下下标A：酸性介：酸性介质，a(H+)=1 G =G 1+G 2 -nF =(-n1F 1)+(-n2F 2)=(-n1 1 +n2 2)/n =1.45 V (其中其中n=n1+n2)67ppt课件三、G /F Z 图图 （Z 元素的元素的氧化态氧化态）（一）（一）G /F Z 图图基本的物理意义：基本的物理意义：斜率斜率=（G1 /F-G2 /F）/（Z2 -Z1）（二）（二）G /F Z 图图应用应用 1.热力学稳定性热力学稳定性 “谷底谷底”物种物种稳定稳定，酸介质：，酸介质：Mn2+最稳定。最稳定。“峰顶峰顶“物种物种不稳定不稳定：MnO42-不稳定不稳定.68ppt课件Mn 元素的G/F Z 图斜率斜率=69ppt课件2.“峰顶峰顶”物种物种自发自发歧化歧化:酸性介质酸性介质:MnO42-MnO4-+MnO2 Mn3+Mn2+MnO2 碱性介质碱性介质:Mn(OH)3 Mn(OH)2 +MnO2 “谷底谷底”两侧的两侧的物种物种自发自发逆岐化逆岐化：碱性介质碱性介质:Mn(OH)3+MnO42-MnO23.氧化剂、还原剂强弱氧化剂、还原剂强弱：斜率斜率=4.判断判断氧化还原反应自发方向氧化还原反应自发方向:S.S.下下,MnO4-+Fe2+H+Mn2+Fe3+H2O 自发自发进行进行 70ppt课件第11章作业3,5,6,8,10,17,71ppt课件