氧化還原和電化學(xué)

1、關(guān)于氧化還原與電化學(xué)第一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月1 原電池原電池：化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置負(fù)極(anode) ： Zn -2e- = Zn2+(失去電子被氧化，氧化反應(yīng))正極(cathode) ：Cu2+ + 2e- = Cu(得到電子被還原，還原反應(yīng))電池反應(yīng)： Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu鹽橋（salt bridge）：一般為浸有飽和KCl溶液的5瓊脂做成的凝膠； 溶液不致流出，而Cl-和K+可以自由移動(dòng)；作用：保持兩個(gè)半電池溶液的電中性，保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。第二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(-) ZnZn2+Cu2+Cu (+)氧化還原電對(duì)

2、： 氧化態(tài)(Ox) + ne- = 還原態(tài)(Re)表示方法：氧化態(tài)/還原態(tài)，如 Cu2+/Cu; Zn2+/Zn。原電池符號(hào)：習(xí)慣上把負(fù)極寫在左邊，正極寫在右邊；以 “” 表示兩相之間的界面，以 “”表示鹽橋，同一溶液中的不同離子之間用“, ”隔開；為簡(jiǎn)便起見，一般可不用標(biāo)注濃度和分壓。參與反應(yīng)的物質(zhì)分列鹽橋兩側(cè)，一般按（由內(nèi)向外）以下順序：離子|氣體|固體|電極材料如若參與反應(yīng)的物質(zhì)有可導(dǎo)電的固體物質(zhì)，可直接以其作為電極材料，否則需外加惰性導(dǎo)體（Pt或C石墨）作為電極材料。第三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月半反應(yīng)與常見電極類型（以負(fù)極為例）：金屬及其離子電極 Cu2+ + 2e-

3、 = Cu (-) CuCu2+ | 氣體電極，須加惰性電極(Pt C) 2H+ + 2e- = H2 (-) PtH2H+ |第四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月半反應(yīng)與常見電極類型：不同價(jià)態(tài)的離子電極，須加惰性電極 Fe3+ + e- = Fe2+ (-) PtFe3+ , Fe2+ |金屬及其難溶鹽電極 AgCl + e- = Ag + Cl- (-) AgAgClCl- | Fe3+ Fe2+PtCl-AgAgCl第五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月原電池的設(shè)計(jì)：Fe2+ + Cr2O72- + H+ Fe3+ + Cr3+ + H2O (-) Fe2+ - e-

4、= Fe3+(+) Cr2O72- + 14H+ + 6e- = 2Cr3+ + 7H2O6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ = 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O(-) PtFe3+, Fe2+Cr2O72-, H+, Cr3+ Pt (+)第六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月原電池的設(shè)計(jì)：Cl- + MnO4- + H+ Cl2 + Mn2+ + H2O (-) 2Cl- - 2e- = Cl2(+) MnO4- + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4H2O10Cl- + 2MnO4- + 16H+ = 5Cl2 + 2Mn2+ + 8H2O(-) PtCl

5、2Cl-MnO4-, H+, Mn2+ Pt (+)第七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2 電極電勢(shì) (electrode potential) 雙電層理論-電極電勢(shì)的產(chǎn)生 M不活潑+-沉積 溶解Mn+M活潑-+溶解沉積 Mn+溶解沉積M, Mn+, e-第八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì) (standard electrode potential)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì): 處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的電極所具有的電極電勢(shì) 所有氣體的分壓均為100 kPa溶液中所有離子的濃度均為1mol/L 參考溫度為298.15 K標(biāo)準(zhǔn)氫電極(standard hydrogen electrode

6、)第九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的測(cè)定p(H2)=100.00kPa標(biāo)準(zhǔn)氫電極鋅電極1moldm-3 1moldm-3鹽橋+測(cè)定其他電極的電極電勢(shì)時(shí)，可將該電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池并測(cè)定其電動(dòng)勢(shì)。其他電極的電極電勢(shì)比標(biāo)準(zhǔn)氫電極高，則為正值，反之為負(fù)值。以標(biāo)準(zhǔn)鋅電極為例，實(shí)驗(yàn)表明標(biāo)準(zhǔn)鋅電極為負(fù)極，標(biāo)準(zhǔn)氫電極為正極，則該原電池反應(yīng)為：Zn(s) + 2H+(aq) = Zn2+(aq) + H2(g)。由電位計(jì)測(cè)得該原電池的電動(dòng)勢(shì)為 0.7618V。 第十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月飽和甘汞電極(saturated calomel electrode)由

7、于標(biāo)準(zhǔn)氫電極是氣體電極，非常靈敏，制作和使用都很不方便。因此，在實(shí)際測(cè)定中，往往采用飽和甘汞電極作為參比電極。 標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)表見附錄8： 水溶液體系 ； 具有強(qiáng)度性質(zhì)，沒有加和性。 第十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月3 E與G的關(guān)系 在恒溫、恒壓下，系統(tǒng)所作的最大有用功（W/）等于其吉布斯函數(shù)變。 F為Faraday constant, 1F = 96485Cmol-1;n為得失電子數(shù)。第十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月4 Nernst方程 (Nernst equation) 濃度對(duì)電動(dòng)勢(shì)和電極電勢(shì)的影響 對(duì)于任意狀態(tài)下的氧化還原反應(yīng)，有：Walther Herma

8、nn Nernst 將吉布斯函數(shù)變與電動(dòng)勢(shì)關(guān)系代入，有：第十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月電動(dòng)勢(shì)的Nernst方程對(duì)于任一電極反應(yīng)：電極電勢(shì)的Nernst方程將F= 96485Cmol-1；R=8.314Jmol-1K-1，T=298.15K代入上式，整理并簡(jiǎn)化，有：在T=298.15K時(shí)，存在：第十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月說明 電極電勢(shì)Nernst方程中Ox和Re表示氧化態(tài)和還原態(tài)一側(cè)參與反應(yīng)的所有物質(zhì)，并且n、a、b要與電極反應(yīng)式相對(duì)應(yīng)MnO4- + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4H2O 對(duì)于離子用濃度表示，對(duì)于氣體用分壓表示Cl2 (g) +

9、2e- = 2Cl-第十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月說明 純固體、純液體和稀溶液中的溶劑水不寫入Nernst方程Br2 (l) + 2e- = 2Br-(aq)第十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月5 電極電勢(shì)的應(yīng)用判斷原電池的正、負(fù)極，計(jì)算電池電動(dòng)勢(shì) 原電池中，總是以電極電勢(shì)代數(shù)值較小的電極為負(fù)極，電極電勢(shì)代數(shù)值較大的電極為正極。 判斷氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)弱 (Ox/Re)的代數(shù)值越大：對(duì)應(yīng)的氧化態(tài)物質(zhì)的氧化性越強(qiáng)，還原態(tài)物質(zhì)的還原性越弱； (Ox/Re)的代數(shù)值越小：對(duì)應(yīng)的氧化態(tài)物質(zhì)的氧化性越弱，還原態(tài)物質(zhì)的還原性越強(qiáng)。第十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022

10、年6月 判斷氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向 反應(yīng)總是自發(fā)地由較強(qiáng)的氧化劑與較強(qiáng)的還原劑相互作用，向生成較弱的還原劑和較弱的氧化劑的方向進(jìn)行。E 0, 即 rGm = -nFE 0，則反應(yīng)正向自發(fā)；E = 0, 即 rGm = -nFE = 0，則反應(yīng)達(dá)到平衡；E 0，則反應(yīng)逆向自發(fā)。 (Ox/Re)代數(shù)值大的氧化態(tài)物質(zhì)可以氧化 (Ox/Re)代數(shù)值小的還原態(tài)物質(zhì)。第十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 判斷氧化還原進(jìn)行的程度 值越大，氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的程度就越大，反應(yīng)進(jìn)行的越徹底！第十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月例：判斷反應(yīng) MnO4- + H+ + Cl- Mn2+ + C

11、l2 + H2O在MnO4-、Mn2+、Cl-的濃度均為1mol/L，p(Cl2)=100kPa，pH=1時(shí)反應(yīng)的方向，并將其設(shè)計(jì)成原電池，寫出原電池的符號(hào)、電極反應(yīng)、電池反應(yīng)，計(jì)算298.15K時(shí)的E、rGm、K。其它條件不變，當(dāng)Cl-的濃度為0.1mol/L，pH=4時(shí)反應(yīng)進(jìn)行的方向。解: （1） MnO4- + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4H2O第二十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月Cl2 + 2e- = 2Cl-即MnO4-氧化Cl-，反應(yīng)正向自發(fā)進(jìn)行。第二十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月負(fù)極反應(yīng)： 2Cl- - 2e- = Cl2正極反應(yīng)： MnO

12、4- + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4H2O總反應(yīng)：10Cl- + 2MnO4- + 16H+ = 5Cl2 + 2Mn2+ + 8H2O(-) PtCl2Cl-MnO4-, H+, Mn2+ Pt (+)第二十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月故Cl2可以氧化Mn2+，反應(yīng)逆向自發(fā)進(jìn)行。（2）第二十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 解得：x5.43 例：通過計(jì)算說明，298.15K時(shí)要使MnO2氧化HCl溶液，其鹽酸的最低濃度是多少？（未涉及的Mn2+、Cl2按標(biāo)準(zhǔn)態(tài)處理）解: MnO2(s) + 4H+ + 2e- = Mn2+ + 2H2OCl2 (g)

13、 + 2e- = 2Cl-第二十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月例：將反應(yīng) 2Fe3+ + Cu = 2Fe2+ + Cu2+ 設(shè)計(jì)成原電池，寫出原電池的符號(hào)，并說明如何通過稀釋法使E增大？(-) CuCu2+Fe3+, Fe2+Pt (+)稀釋正極，E不變；稀釋負(fù)極，E增大。第二十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月例：298.15K時(shí)，某水溶液中：c(Co3+)=0.20mol/L, c(Co2+) = 1.010-4 mol/L, c(H+)=0.30mol/L,該溶液暴露于空氣中，且p(O2)=20kPa，試通過計(jì)算說明上述條件下， Co3+能否氧化水？解: Co3

14、+ + e- = Co2+第二十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 O2 + 4H+ + 4e- = 2H2OCo3+能氧化水生成氧氣(-) PtO2H+Co3+, Co2+ Pt (+)第二十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月6 化學(xué)電源(P72)“Dry” CellPrimary Cells： Mercury Battery第二十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月Lead-Acid(Automobile Battery)Nickel-Cadmium Battery第二十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 Lithium-ion battery 第三十

15、張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月7 電解及其應(yīng)用 使電流通過電解質(zhì)溶液（或熔融電解質(zhì)）而引起的氧化還原反應(yīng)過程稱為電解；這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的裝置稱為電解池（或電解槽）。 在電解池內(nèi)，陽極(anode)與電源正極相連，發(fā)生氧化反應(yīng)；陰極(cathode) 與電源負(fù)極相連，發(fā)生還原反應(yīng)。 原電池電解池負(fù) 極 (-)正 極 (+) 陰 極 陽 極電 子 流 出電 子 流 入電子從直流電源流入電子流回到直流電源氧 化還 原還 原氧 化第三十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 電解的基本原理 電解裝置水溶液+-陽極陰極電 解 池直流電源M+X-第三十二張，PPT

16、共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月用惰性電極電解熔融鹽時(shí)，因無水存在，所以均是組成鹽的陰陽離子進(jìn)行氧化還原。電解水溶液：陰極：（得電子被還原，過電勢(shì)） Al之后的金屬離子 H+ Al和Al之前的金屬離子陽極：（失電子被氧化，過電勢(shì)）（先看電極材料）不是惰性電極材料，都是一般金屬失去電子而溶解；是惰性電極材料，S2-,I-,Br-,Cl- OH- 含氧酸根。 電解產(chǎn)物的一般規(guī)律 第三十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月陽極氧化F-到F2陰極還原H+到H2陽極氧化Cl-到Cl2陰極還原H2O到H22NaCl(aq)+2H2O(l)=2NaOH(aq)+Cl2(g)+H2(g)電解池第三十四

17、張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月F2第三十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月鋁電解槽陽極C電解質(zhì)鋼殼煙罩熔融態(tài)鋁鋼導(dǎo)電棒陰極C耐火材料第三十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 電鍍 (electroplate)是將一種金屬鍍到另一種金屬表面上的過程。電鍍的目的是提高金屬的耐蝕性、耐磨性、裝飾性、強(qiáng)度、硬度等。 被鍍工件為陰極，欲鍍的金屬為陽極，含有陽極金屬離子的溶液為電解液。電鍍時(shí)陽極金屬不斷溶解，而陰極工件的表面不斷沉積上要鍍的金屬。電鍍電鍍產(chǎn)品第三十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 電拋光(electrolytic polishing)是專門用于提

18、高工件表面光潔度的一種電加工方法。電拋光時(shí)，被拋光的工件作陽極，常用鉛、石墨作陰極，由于工件表面粗糙，通電后表面凸起部分液膜薄，電流密度大，溶解速率大，而凹入部分液膜厚，電流密度小，溶解速率小。經(jīng)過一段時(shí)間，凸起部分溶解，使工件表面達(dá)到平滑光亮，即表面光潔度大大提高。電拋光第三十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月8 金屬的腐蝕與防腐 金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用引起的破壞，稱為金屬的腐蝕。 第三十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月化學(xué)腐蝕是金屬在高溫下與腐蝕氣體或非電解質(zhì)發(fā)生的純化學(xué)作用而引起的破壞現(xiàn)象。由于化學(xué)腐蝕是純化學(xué)過程，因此，它遵守化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，溫度越高反應(yīng)速率越快。 電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕最為廣泛的一種。當(dāng)金屬與電解質(zhì)溶液相接觸時(shí)，金屬表面形成一種原電池，又稱為腐蝕電池。腐蝕電池中的負(fù)極習(xí)慣上稱為陽極，正極稱為陰極。 第四十張，PPT共四十四