北師大版無(wú)機(jī)化學(xué)課件氧化還原

氧化還原反應(yīng)概述氧化還原反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)中的一種重要類型，涉及電子轉(zhuǎn)移。氧化還原反應(yīng)在許多自然現(xiàn)象和化學(xué)工業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。氧化還原反應(yīng)的特點(diǎn)電子轉(zhuǎn)移氧化還原反應(yīng)的核心是電子轉(zhuǎn)移，反應(yīng)中存在電子得失或共用電子對(duì)偏移。氧化和還原同時(shí)發(fā)生反應(yīng)中，一種物質(zhì)失去電子被氧化，另一種物質(zhì)得到電子被還原。氧化劑和還原劑氧化劑得到電子，還原劑失去電子，它們?cè)诜磻?yīng)中相互作用。氧化還原反應(yīng)的幾種類型化合反應(yīng)兩種或多種物質(zhì)反應(yīng)生成一種新物質(zhì)的反應(yīng)，例如氫氣與氧氣反應(yīng)生成水。分解反應(yīng)一種物質(zhì)分解成兩種或多種物質(zhì)的反應(yīng)，例如水在通電條件下分解成氫氣和氧氣。置換反應(yīng)一種單質(zhì)與一種化合物反應(yīng)生成另一種單質(zhì)和另一種化合物的反應(yīng)，例如金屬鈉與水反應(yīng)生成氫氣和氫氧化鈉。復(fù)分解反應(yīng)兩種化合物互相交換成分生成兩種新的化合物的反應(yīng)，例如鹽酸與氫氧化鈉反應(yīng)生成氯化鈉和水。氧化還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)是一個(gè)重要的概念，用于預(yù)測(cè)氧化還原反應(yīng)的方向和程度。0標(biāo)準(zhǔn)氫電極標(biāo)準(zhǔn)氫電極被定義為標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為0V。+1.68氟電極氟電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)最高，為+1.68V。-2.87鋰電極鋰電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)最低，為-2.87V。298溫度標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)是在298K溫度下測(cè)量的。Nernst方程及其應(yīng)用Nernst方程概述Nernst方程可以用來(lái)計(jì)算非標(biāo)準(zhǔn)條件下電極電勢(shì)的值，并用于描述電化學(xué)反應(yīng)的方向和程度。應(yīng)用場(chǎng)景Nernst方程被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)分析、電池設(shè)計(jì)、電鍍、腐蝕研究以及生物電化學(xué)等領(lǐng)域。實(shí)際應(yīng)用例如，Nernst方程可用于預(yù)測(cè)金屬的腐蝕速率，設(shè)計(jì)電池的電極材料，以及分析生物體系中的電化學(xué)過(guò)程?；瘜W(xué)反應(yīng)的自發(fā)性判斷吉布斯自由能變化化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性由吉布斯自由能變化決定。吉布斯自由能減小，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。焓變焓變反映反應(yīng)熱效應(yīng)。焓變減小，反應(yīng)放熱，有利于自發(fā)進(jìn)行。熵變熵變反映反應(yīng)體系混亂度變化。熵變?cè)龃?，體系混亂度增加，有利于自發(fā)進(jìn)行。電池與電池反應(yīng)電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電池反應(yīng)是發(fā)生在電池內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)。電池反應(yīng)中，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)。電子從負(fù)極流向正極，形成電流。電池反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化效率取決于電池的類型和材料。電池分為一次電池和二次電池。一次電池只能使用一次，例如干電池和紐扣電池。二次電池可以反復(fù)充放電，例如鉛蓄電池和鋰電池。電池的應(yīng)用非常廣泛，從日常生活中使用的電子設(shè)備到電動(dòng)汽車，都離不開電池。電池的分類11.燃料電池燃料電池利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，燃料和氧化劑在電池內(nèi)部直接反應(yīng)。22.蓄電池蓄電池可以通過(guò)充電和放電反復(fù)使用，比如常見的鉛酸蓄電池和鋰離子電池。33.原電池原電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，一次性使用，比如干電池。電解池與電解反應(yīng)1電解池電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。它包含兩個(gè)電極，分別連接到直流電源的正負(fù)極，并浸泡在電解質(zhì)溶液中。2電解反應(yīng)電解反應(yīng)是指在電解池中，在外加直流電的作用下，電解質(zhì)溶液中的離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過(guò)程。3電解過(guò)程在電解過(guò)程中，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)。電解產(chǎn)生的產(chǎn)物通常與電極材料和電解質(zhì)溶液的性質(zhì)有關(guān)。電化學(xué)腐蝕及陽(yáng)極氧化電化學(xué)腐蝕金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)而導(dǎo)致的腐蝕。金屬表面會(huì)形成腐蝕電池，發(fā)生氧化反應(yīng)。陽(yáng)極氧化利用電解原理，在金屬表面形成一層致密的氧化膜，從而提高金屬的耐腐蝕性、硬度、耐磨性、裝飾性。腐蝕電池腐蝕電池是由電解質(zhì)溶液、陽(yáng)極、陰極三部分構(gòu)成，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，形成電流回路。電化學(xué)鍍層定義電化學(xué)鍍層是指利用電解原理，在金屬或其他材料表面沉積一層金屬或合金的過(guò)程，從而改變其表面性能。原理在電解池中，待鍍金屬作為陰極，鍍液中金屬離子在電場(chǎng)的作用下遷移到陰極表面，并還原析出金屬鍍層。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，如裝飾、防腐、提高耐磨性和導(dǎo)電性等，例如鍍金、鍍銀、鍍鉻、鍍鎳等等。優(yōu)點(diǎn)操作簡(jiǎn)單、效率高、鍍層均勻、質(zhì)量穩(wěn)定，還可以實(shí)現(xiàn)多種金屬的復(fù)合鍍層。金屬元素的性質(zhì)與提取金屬的物理性質(zhì)金屬元素通常具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。這些性質(zhì)源于金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即金屬原子容易失去最外層電子形成金屬陽(yáng)離子，而自由電子則在金屬晶格中自由移動(dòng)。金屬的化學(xué)性質(zhì)金屬元素的化學(xué)性質(zhì)主要體現(xiàn)在其與非金屬元素反應(yīng)的趨勢(shì)。金屬元素易失去電子，表現(xiàn)出還原性，在化學(xué)反應(yīng)中常被氧化成金屬離子。金屬的提取金屬的提取過(guò)程通常需要將金屬?gòu)钠浠衔镏蟹蛛x出來(lái)。常見的提取方法包括電解法、熱還原法和濕法冶金。選擇合適的提取方法取決于金屬的性質(zhì)和其存在的形態(tài)。金屬元素的提取方法1冶煉從礦石中提取金屬的方法。2電解利用電解原理從化合物中提取金屬。3化學(xué)還原利用還原劑將金屬離子還原成金屬單質(zhì)。4熱分解利用熱分解反應(yīng)從金屬化合物中提取金屬。金屬的提取方法多種多樣，主要取決于金屬的化學(xué)性質(zhì)和礦石的類型。例如，一些活潑金屬，如鈉、鉀等，可以通過(guò)電解熔融鹽的方法提取。一些不活潑金屬，如金、鉑等，可以通過(guò)物理方法，如淘洗或浮選等，從礦石中分離。金屬元素的化合物金屬氧化物金屬氧化物是由金屬元素和氧元素組成的化合物。許多金屬氧化物是重要的工業(yè)原料，例如氧化鋁用于生產(chǎn)鋁，氧化鐵用于制造顏料。金屬氫氧化物金屬氫氧化物是由金屬元素、氧元素和氫元素組成的化合物。一些金屬氫氧化物具有堿性，可以用于制造堿性溶液。金屬鹽金屬鹽是由金屬陽(yáng)離子和酸根陰離子組成的化合物。金屬鹽種類繁多，具有多種性質(zhì)，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中應(yīng)用廣泛。金屬元素的氧化反應(yīng)金屬元素的氧化反應(yīng)是指金屬原子失去電子形成陽(yáng)離子的過(guò)程，這是一個(gè)重要的化學(xué)反應(yīng)類型，廣泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)中。1直接氧化金屬與氧氣直接反應(yīng)生成氧化物2電化學(xué)氧化金屬在電解池中作為陽(yáng)極被氧化3化學(xué)氧化金屬與氧化劑反應(yīng)生成氧化物金屬的氧化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生多種氧化產(chǎn)物，例如氧化物、氫氧化物和鹽類，這些產(chǎn)物在很多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。金屬元素的還原反應(yīng)金屬元素的還原反應(yīng)是指金屬離子或金屬化合物中的金屬元素得到電子，化合價(jià)降低的過(guò)程。1電解法利用電解原理，使金屬離子在陰極得到電子，還原成金屬2熱還原法利用高溫條件下，還原劑將金屬離子還原成金屬3置換法利用活潑金屬置換出金屬離子，實(shí)現(xiàn)還原反應(yīng)還原反應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義，例如金屬的提取、金屬材料的制備、金屬表面處理等。金屬元素在社會(huì)生活中的應(yīng)用建筑材料鋼鐵是主要的建筑材料。許多建筑物、橋梁和基礎(chǔ)設(shè)施依靠鋼鐵的強(qiáng)度和耐用性。交通工具汽車、飛機(jī)、火車和輪船都使用大量的金屬元素，例如鋁、銅和鐵。貴金屬元素稀有性貴金屬在地殼中的含量極低，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此被視為“貴金屬”?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定貴金屬元素的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，不易被氧化或腐蝕，能夠長(zhǎng)期保持其金屬光澤?？伤苄院觅F金屬延展性良好，可以被加工成各種形狀，廣泛應(yīng)用于首飾、貨幣、電子器件等領(lǐng)域。導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性貴金屬具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在電氣和熱傳導(dǎo)領(lǐng)域有重要應(yīng)用。非金屬元素的化學(xué)反應(yīng)非金屬元素與氧氣的反應(yīng)大多數(shù)非金屬元素可以與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氧化物。例如，硫與氧氣反應(yīng)生成二氧化硫，磷與氧氣反應(yīng)生成五氧化二磷。非金屬元素與氫氣的反應(yīng)一些非金屬元素可以與氫氣發(fā)生反應(yīng)生成氫化物。例如，氯與氫氣反應(yīng)生成氯化氫，氮與氫氣反應(yīng)生成氨氣。非金屬元素之間的反應(yīng)非金屬元素之間也可以發(fā)生反應(yīng)，例如，硫與氯反應(yīng)生成二氯化硫。非金屬元素與金屬的反應(yīng)非金屬元素與金屬可以發(fā)生反應(yīng)生成鹽，例如，氯與鈉反應(yīng)生成氯化鈉。非金屬元素化合物的制備1直接化合例如，氫氣和氯氣在光照條件下反應(yīng)生成氯化氫。2置換反應(yīng)例如，氯氣與溴化鈉溶液反應(yīng)生成氯化鈉和溴。3氧化還原反應(yīng)例如，硫酸鹽和碳在高溫下反應(yīng)生成二氧化硫和二氧化碳。4水解反應(yīng)例如，氯化鋁在水中發(fā)生水解反應(yīng)生成氫氧化鋁和鹽酸。非金屬元素化合物的制備方法多種多樣，根據(jù)不同的非金屬元素及其化合物的性質(zhì)選擇合適的制備方法。例如，可以直接化合、置換反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、水解反應(yīng)等。非金屬元素在社會(huì)生活中的應(yīng)用氯氣消毒氯氣廣泛用于自來(lái)水消毒，殺滅細(xì)菌和病毒，確保飲用水的安全。硅芯片制造硅是現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎(chǔ)，用于制造集成電路、晶體管等關(guān)鍵組件，推動(dòng)信息技術(shù)的飛速發(fā)展。食品包裝氮?dú)庥糜谑称钒b，防止氧化變質(zhì)，延長(zhǎng)保質(zhì)期，提高食品安全。磷肥生產(chǎn)磷是植物生長(zhǎng)的必需元素，磷肥是重要的化肥，用于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，保障糧食安全。環(huán)境中常見的氧化還原反應(yīng)1大氣氧化還原大氣中存在著多種氧化還原反應(yīng)，例如臭氧的生成和分解，二氧化硫的氧化以及氮氧化物的形成等。2水體氧化還原水體中存在著許多氧化還原反應(yīng)，例如水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致的溶解氧含量下降，以及金屬離子的氧化還原等。3土壤氧化還原土壤中的氧化還原反應(yīng)主要與土壤中的微生物活動(dòng)有關(guān)，例如土壤中金屬離子的氧化還原，以及有機(jī)物的降解等。氧化還原反應(yīng)與生物過(guò)程光合作用植物利用光能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為葡萄糖和氧氣，這是一個(gè)重要的氧化還原反應(yīng)。細(xì)胞呼吸生物體通過(guò)氧化還原反應(yīng)將食物中的能量釋放出來(lái)，供生命活動(dòng)所需。酶催化酶作為生物催化劑，加速生物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)，例如呼吸作用。DNA復(fù)制DNA復(fù)制過(guò)程中，堿基之間的配對(duì)過(guò)程也涉及氧化還原反應(yīng)。氧化還原反應(yīng)與能源轉(zhuǎn)換電池電池利用氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，例如常見的鋰離子電池、燃料電池等。電池的應(yīng)用涵蓋手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等各個(gè)領(lǐng)域，為人們的生活帶來(lái)了便捷。燃料電池燃料電池利用燃料與氧化劑之間的氧化還原反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，效率更高，排放更清潔。氫燃料電池、甲醇燃料電池等正在積極研發(fā)，有望成為未來(lái)清潔能源的重要組成部分。綠色化學(xué)概念與實(shí)踐減少污染物綠色化學(xué)注重在源頭上減少污染，使用更安全、更環(huán)保的化學(xué)物質(zhì)和工藝。提高原子利用率綠色化學(xué)鼓勵(lì)最大限度地利用原料，減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生，提高資源利用效率。開發(fā)環(huán)保產(chǎn)品綠色化學(xué)致力于生產(chǎn)對(duì)環(huán)境友好、安全、可持續(xù)的產(chǎn)品，降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。氧化還原反應(yīng)的新進(jìn)展新型氧化還原材料近年來(lái)，科學(xué)家們開發(fā)出許多新型氧化還原材料，例如金屬有機(jī)框架（MOFs）和共價(jià)有機(jī)框架（COFs），它們具有更高的比表面積和更高的電化學(xué)活性，可以有效地提高電化學(xué)反應(yīng)的效率。氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用氧化還原反應(yīng)在能源、環(huán)境、材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如燃料電池、電池、電化學(xué)傳感器、催化劑等。科學(xué)家們正在不斷探索氧化還原反應(yīng)的新應(yīng)用，例如開發(fā)新型的氧化還原催化劑用于合成新的材料和藥物。實(shí)驗(yàn)操作中的安全與環(huán)保個(gè)人防護(hù)佩戴安全眼鏡、手套和實(shí)驗(yàn)服保護(hù)自己?；瘜W(xué)品處理妥善處理化學(xué)品，避免污染環(huán)境。節(jié)約能源合理使用水、電等資源，減少浪費(fèi)。本章知識(shí)要點(diǎn)總結(jié)氧化還原反應(yīng)的基本概念包括氧化劑、還原劑、氧化數(shù)、氧化還原反應(yīng)的定義和本質(zhì)。氧化還原反應(yīng)的類型包括置換反應(yīng)、化合反應(yīng)、分解反應(yīng)、歧化反應(yīng)和歸中反應(yīng)。氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活和科學(xué)研究等領(lǐng)域，如金屬冶煉、電池制作、電化學(xué)腐蝕等。氧化還原反應(yīng)與環(huán)境氧化還原反應(yīng)在環(huán)境保護(hù)中扮演著重要角色，例如大氣污染、水體