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1、第七章第七章 氧化还原反应和电极电势氧化还原反应和电极电势Oxidation-Reduction Reaction and Eelectrode Potential1.掌握氧化值的定义，能熟练确定元素的氧化值。掌握氧化值的定义，能熟练确定元素的氧化值。2.掌握氧化还原反应的基本概念。掌握氧化还原反应的基本概念。3.掌握电极反应的掌握电极反应的Nernst方程，会用方程，会用Nernst方程进方程进行有关计算。行有关计算。4.掌握用电极电势判断氧化剂与还原剂的相对强弱掌握用电极电势判断氧化剂与还原剂的相对强弱，判断氧化还原反应进行的方向和程度。，判断氧化还原反应进行的方向和程度。5.熟练地写出原
2、电池正、负极的电极反应式，电池熟练地写出原电池正、负极的电极反应式，电池符号。符号。 6.了解电极电势产生的原因。了解电极电势产生的原因。教学基本要求：教学基本要求：氧化还原反应氧化还原反应 oxidation-reduction reaction 氧化值氧化值 oxidation number氧化剂氧化剂 oxidant 还原剂还原剂 reducer 氧化还原电对氧化还原电对 redox couple 原电池原电池 primary cell 标准电极电势标准电极电势 standard electrode potential电动势电动势 electromotive force 标准氢电极标准氢
3、电极 standard hydrogen electrode Nernst方程方程 Nernst equation 外语词汇：外语词汇：第七章第七章 氧化还原反应和电极电势氧化还原反应和电极电势 第一节第一节 氧化还原反应的基本概念氧化还原反应的基本概念第二节第二节 原电池原电池第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势第四节第四节 电极电势的应用电极电势的应用一、氧化值一、氧化值 oxidation number 定义：定义：氧化值氧化值为某元素一个原子的荷电为某元素一个原子的荷电数。数。 这种荷电数由假设把每个化学键中的电这种荷电数由假设把每个化学键中的电子指定给电负性
4、较大的原子而求得。子指定给电负性较大的原子而求得。 元素的氧化值发生变化的反应称为元素的氧化值发生变化的反应称为氧化氧化还原反应还原反应 oxidation-reduction reaction 。要进一步确定同种元素每一个原子的要进一步确定同种元素每一个原子的氧化氧化值时，必须了解化合物的值时，必须了解化合物的结构。结构。对化合物中的同对化合物中的同一一种元素的不同原子种元素的不同原子, ,常常采用平均氧化值采用平均氧化值-OSO-OS-OSSSSO-OOOOS S2 2O O3 32-2-和和 S S4 4O O6 62-2-确定氧化值的方法如下：确定氧化值的方法如下：(1) (1) 在单
5、质中，元素的氧化值为零。在单质中，元素的氧化值为零。如：如：O2 ，Cl2 ，Mg(2) (2) O元素的氧化值，在正常氧化物中皆为元素的氧化值，在正常氧化物中皆为-2 在过氧化物中为在过氧化物中为-1（如（如H2O2）；）； 在超氧化物中为在超氧化物中为 -1/2（如（如KO2 ）；）； 在在OF2中为中为+2。 (3)(3) H 元素在一般化合物中的氧化值为元素在一般化合物中的氧化值为+1； 但在但在金属氢化物中为金属氢化物中为-1( ( 如如NaH ) )。 例题(4) (4) 在简单离子中，元素的氧化值等于该元素在简单离子中，元素的氧化值等于该元素离子的电荷数，如：离子的电荷数，如：M
6、g2+ 为为+2，Cl- 为为-1；在；在复杂离子中，元素的氧化值代数和等于离子的复杂离子中，元素的氧化值代数和等于离子的电荷数如：电荷数如： S+6O4-22- ， N-3H4+1+。(5) (5) 在中性分子中，所有元素的氧化值代数和在中性分子中，所有元素的氧化值代数和等于零。等于零。2 ( 1)27 ( 2)0 x 6x 在在 K2Cr2O7 中，中，Cr 元素的氧化值为元素的氧化值为 +6。例例 7-1 计算计算 K2Cr2O7 中中 Cr 元素的氧化值。元素的氧化值。 解：在在 K2Cr2O7 中，中，O 元素的氧化值为元素的氧化值为 - -2，K 元素的氧化值为元素的氧化值为 +1
7、。设。设 Cr 元素的氧化值为元素的氧化值为 x，则有：则有：二、氧化剂和还原剂二、氧化剂和还原剂 2 Na0 + Cl20 = 2 Na+1Cl-1C-4H4 + 2O20 = C+4O2-2 + 2H2ONa 和和 C 反应后氧化值升高，被氧化，发生了反应后氧化值升高，被氧化，发生了氧化反应，称为氧化反应，称为还原剂还原剂（ reduction agent ）Cl 和和 O 反应后氧化值降低，被还原，发生反应后氧化值降低，被还原，发生了还原反应，称为了还原反应，称为氧化剂氧化剂（ oxidizing agent ）Reduction Agent and Oxidizing Agent 每个
8、氧化还原反应可拆分成两个半反应每个氧化还原反应可拆分成两个半反应Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+还原半反应还原半反应： Cu2+ +2e Cu氧化半反应氧化半反应： Zn-2e Zn2+氧化还原电对：氧化还原电对： 氧化值较高的物质称为氧化型物质，氧化值较高的物质称为氧化型物质， 用符号用符号 OxOx 表示；表示； 氧化值较低的物质称为还原型物质，氧化值较低的物质称为还原型物质， 用符号用符号RedRed 表示表示三、氧化还原电对三、氧化还原电对 redox coupleOx RedOx Red转化关系转化关系：Oxze-Red 例如例如：Cu2+Cu、 Zn2+Zn 它们的关系如
9、同共轭酸碱对。它们的关系如同共轭酸碱对。第七章第七章 氧化还原反应和电极电势氧化还原反应和电极电势 第一节第一节 氧化还原反应的基本概念氧化还原反应的基本概念第二节第二节 原电池原电池第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势第四节第四节 电极电势的应用电极电势的应用第二节第二节 原原 电电 池池（1 1）原电池的组成）原电池的组成（2 2）原电池的表示方法）原电池的表示方法两个两个-半反应（电极）半反应（电极）盐桥盐桥一、原电池一、原电池 primary cell作用：利用作用：利用氧化还原反应氧化还原反应将化学能将化学能转变转变为电能为电能组成组成 原电池原电池两个两个
10、-半反应（电极）半反应（电极）盐桥盐桥负极：负极： Zn Zn2+ + 2e- 氧化反应氧化反应电极反应：（半电池反应）电极反应：（半电池反应）电池反应：电池反应： Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+正极：正极： Cu2+ + 2e- Cu 还原反应还原反应盐桥盐桥的作用：构成的作用：构成原电池的原电池的通路和通路和 维持维持溶液溶液的电中性的电中性。书写原电池符号的方法如下：书写原电池符号的方法如下： (1)(1)（- -）电极组成式）电极组成式 电极电极 组成式组成式 （+ +） (2) 半电池中用半电池中用“ ” ”表示电极导体与电解质溶表示电极导体与电解质溶液液 之间的界面。之
11、间的界面。(3) (3) 溶液要注明浓度，气体要注明分压力。溶液要注明浓度，气体要注明分压力。 (4) (4) 如果电极中没有电极导体，必须外加一惰性如果电极中没有电极导体，必须外加一惰性 电极导体，惰性电极导体通常是不活泼的电极导体，惰性电极导体通常是不活泼的 金属（如铂）或石墨。金属（如铂）或石墨。二、原电池符号二、原电池符号（）（）ZnZn2+(1 molL-1 )Cu2+(1 molL-1）Cu () 例题例题例例7-2 7-2 将氧化还原反应：将氧化还原反应：+42MnO (aq)+10Cl (aq)+16H (aq) =2+222Mn(aq)+5Cl (g)+8H O(l)设计成原
12、电池，写出该原电池的符号设计成原电池，写出该原电池的符号。解：先将氧化还原反应分为两个半反应解：先将氧化还原反应分为两个半反应 22ClCl +2e 还原反应还原反应： +2+42MnO8H +5eMn +4H O氧化反应氧化反应： 原电池的正极发生还原反应，负极发生原电池的正极发生还原反应，负极发生氧化反应。因此组成原电池时，氧化反应。因此组成原电池时， 电对电对 为正极为正极，电对，电对 为负极。故原电池符号为：为负极。故原电池符号为： 2+4MnOMn2ClCl+2+212344( )Pt|Cl ( )|Cl ( ) H (),Mn (),MnO ()|Pt(+)pcccc=第七章第七章
13、 氧化还原反应和电极电势氧化还原反应和电极电势 第一节第一节 氧化还原反应的基本概念氧化还原反应的基本概念第二节第二节 原电池原电池第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势第四节第四节 电极电势的应用电极电势的应用第三节第三节电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势 一、电极电势的产生一、电极电势的产生二、原电池的电动势二、原电池的电动势 三、标准电极电势三、标准电极电势 五、五、Nernst 方程方程 把金属插入含有该金属离子的盐溶液中，把金属插入含有该金属离子的盐溶液中，当金属的溶解速率与金属离子的沉积速率相当金属的溶解速率与金属离子的沉积速率相等时，建立了如
14、下平衡：等时，建立了如下平衡： M(s)M (aq)ezz溶解溶解沉淀沉淀这种产生于金属表面与含有该金属离子的溶液这种产生于金属表面与含有该金属离子的溶液之间的电势差称为之间的电势差称为电对电对 的电极电势的电极电势。 zM /M+金属电极的电极电势电极电势电极电势的符号：的符号：E E（M M z+z+/M/M）第三节第三节电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势 一、电极电势的产生一、电极电势的产生二、原电池的电动势二、原电池的电动势 三、标准电极电势三、标准电极电势 五、五、Nernst 方程方程 在没有电流通过的情况下，正、负在没有电流通过的情况下，正、负两极的电极电势之差称之
15、为两极的电极电势之差称之为原电池的原电池的电动势电动势 electromotive force 。 EEE第三节第三节电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势 一、电极电势的产生一、电极电势的产生二、原电池的电动势二、原电池的电动势 三、标准电极电势三、标准电极电势 五、五、Nernst 方程方程 +22H (aq)2eH (g)标准氢电极标准氢电极 规定规定标准氢电极标准氢电极的电极电势为零：的电极电势为零： 2(H /H )0.0000VE标准电极电势标准电极电势 standard electrode potential某一电极在标准状态下的电极电势某一电极在标准状态下的电极电势符
16、号：符号：E E (Ox/Red)(Ox/Red)标准状态：标准状态：298.15K 298.15K 组成电极的有关离子的浓度是组成电极的有关离子的浓度是1mol1molL L-1,-1,（活度为（活度为1 1）有关气体的分压为有关气体的分压为100kPa100kPa。标准电极电势标准电极电势（- -）标准氢电极标准氢电极 待测标准电极待测标准电极 （+ +）= E E （CuCu2+2+/Cu/Cu）- E- E（H H+ +/H/H2 2）= E = 0.3394V= E = 0.3394V E E （CuCu2+2+/Cu/Cu）= 0.3394V= 0.3394V 标准电极电势表标准电
17、极电势表: : 各种氧化还原电对的标准电极电势各种氧化还原电对的标准电极电势关于标准电极电势表的几点说明：关于标准电极电势表的几点说明：1. 电极反应均用电极反应均用Ox + ne- Red 表示，表示，并不表示该电极一定作正极。并不表示该电极一定作正极。2. 标准电极电势是强度性质，与物质标准电极电势是强度性质，与物质的量无关，与方程书写方向无关。的量无关，与方程书写方向无关。3. 标准电极电势是在水溶液中测定，标准电极电势是在水溶液中测定，不用于非水系统。不用于非水系统。 Br2 + 2 e- 2 Br- 1/2 Br2 + e- Br- 2 Br- Br2 + 2 e- 第三节第三节电极
18、电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势 一、电极电势的产生一、电极电势的产生二、原电池的电动势二、原电池的电动势 三、标准电极电势三、标准电极电势 五、五、Nernst 方程方程 Nernst 方程：方程：OR|OxeRedvzvOR|OR()(Ox/Red)(Ox/Red)ln()vvRTaEEzFa Faraday 常数常数 （ 96485 C mol-1）某给定电极的电极反应为：某给定电极的电极反应为：O、 a OR 、a R分别为氧化型物质化学计量数和活度分别为氧化型物质化学计量数和活度分别为还原型物质化学计量数和活度分别为还原型物质化学计量数和活度R: T:F:气体常数气体常数
19、 （ 8.314 JK-1mol-1 )绝对温度绝对温度 （ K ）Z：电极反应中转移的电子数电极反应中转移的电子数注意的问题注意的问题: :（1）电极中的氧化态或还原态是固体、纯液 体或稀溶液中的溶剂时， -其浓度项不列入 Nernst 方程式中。（2）电极中的氧化态或还原态是溶液时， -用相对浓度(活度)表示； 电极中的氧化态或还原态是气体时， -其分压应除以标准压力p（100kPa）（3）有H+或OH-（其它离子）参加电极反应， -它们的浓度必须写入Nernst 方程式中。 例 7-4 写出下列电极反应的能斯特方程式：2+(1) Cu(aq)2e Cu(s)+2+42+22(2) MnO
20、 (aq)8H (aq)5e Mn(aq)4H O(l)(3) O (g)4H (aq)4e 2H O(l)2+2+2+2+2+44842+222242(1)(Cu /Cu)(Cu /Cu)ln (Cu 2(2)(MnO /Mn )(MnO /Mn ) (MnO ) (H )ln5 (Mn )(3)(O /H O)(O /H O)ln (O )/ (H )4RTEEcFEEccRTFcEERTppcF解：上述电极反应的能斯特方程分别为： 温度为温度为 298.15 K 时时，将将 T, R, F 的量值代的量值代入入 Nernst 方程，可得方程，可得: OR|OR0.05916V()(Ox/
21、Red)(Ox/Red)lg()vvaEEza例题OR|OR()(Ox/Red)(Ox/Red)ln()vvRTaEEzFa例例7-5 已知已知 298.15 K 时，时， 。计算金属银插在计算金属银插在 AgNO3 溶液中组成溶液中组成 电极的电极电势。电极的电极电势。 +(Ag /Ag)0.7991VE+Ag /Ag10.010 mol L解解：298.15K时，时， 电极的电极电势为：电极的电极电势为：+Ag /Ag+(Ag /Ag)(Ag /Ag) 0.05916V lg (Ag )/EEcc0.7991V+0.05916Vlg0.010=0.6808V例例7-7 已知已知298.15
22、K时，时， 把铂丝插入把铂丝插入 溶液中，计算溶液中，计算 电极的电极电势。电极的电极电势。2+4(MnOMn)1.512VE14(MnO )1.0mol Lc2+1(Mn )1.0mol Lc+31(H )1.0 10mol Lc2+4MnOMn解解：电极反应为：电极反应为：2+2+44+842+0.05916V(MnOMn)(MnOMn)5 (MnO )/ (H )/lg(Mn)/EEcccccc3 80.05916V1.512Vlg(1.0 10 )51.228V298.15 K 时，电极的电极电势为：时，电极的电极电势为：MnO4-(aq)8H+(aq)5eMn2+(aq)4H2O第七
23、章第七章 氧化还原反应和电极电势氧化还原反应和电极电势 第一节第一节 氧化还原反应的基本概念氧化还原反应的基本概念第二节第二节 原电池原电池第三节第三节 电极电势和原电池的电动势电极电势和原电池的电动势第四节第四节 电极电势的应用电极电势的应用电极电势的应用电极电势的应用一、一、比较氧化剂和还原剂的相对强弱比较氧化剂和还原剂的相对强弱二、二、计算原电池的电动势计算原电池的电动势三、判断氧化还原反应的方向三、判断氧化还原反应的方向 四、确定氧化还原反应进行的程度四、确定氧化还原反应进行的程度一、比一、比较氧化剂和还原剂的相对强弱较氧化剂和还原剂的相对强弱 电极的电极的电极电势越小电极电势越小，还
24、原型物质越易失去电子，还原型物质越易失去电子，是较强的还原剂是较强的还原剂；OxeRedz 当电对处于非标准状态下，必须计算出各电对当电对处于非标准状态下，必须计算出各电对的电极电势，然后再进行比较。的电极电势，然后再进行比较。 电极的电极的电极电势越大电极电势越大，氧化型物质越易得到电子，氧化型物质越易得到电子，是较强的氧化剂是较强的氧化剂；电极电势的符号：电极电势的符号： E E（M M z+z+/M/M）例例7-8 7-8 在在298.15K298.15K、标准状态下，从下列电对、标准状态下，从下列电对中选择出最强的氧化剂和最强的还原剂，并列中选择出最强的氧化剂和最强的还原剂，并列出各种
25、氧化型物质的氧化能力和还原型物质的出各种氧化型物质的氧化能力和还原型物质的还原能力的强弱顺序。还原能力的强弱顺序。3+2+2+4+2+22Fe /Fe , Cu /Cu, I /I , Sn /Sn, Cl /Cl解解：查得：查得：3+2+(Fe /Fe )0.769VE2+(Cu /Cu)0.3394VE2(I /I )0.5345VE4+2+(Sn /Sn)0.1539VE-2(Cl /Cl )1.360VE在标准状态下，上述电对中氧化型物质的氧化能力由在标准状态下，上述电对中氧化型物质的氧化能力由强到弱的顺序为：强到弱的顺序为：3+2+4+22Cl Fe I CuSn还原型物质的还原能力
26、由强到弱的顺序为：还原型物质的还原能力由强到弱的顺序为：2+2+SnCuI FeCl E E = = E E+ +（较大较大) )E E( (较小较小) )二、计算原电池的电动势二、计算原电池的电动势例题例题例例7-9 7-9 在在298.15K 298.15K 时，将银丝插入时，将银丝插入 AgNOAgNO3 3 溶液溶液中，铂片插入中，铂片插入FeSOFeSO4 4和和 FeFe2 2(SO(SO4 4) )3 3 混合溶液中组成混合溶液中组成原电池。试分别计算出下列两种情况下原电池的原电池。试分别计算出下列两种情况下原电池的电动势，并写出原电池符号、电极反应和电池反电动势，并写出原电池符
27、号、电极反应和电池反应。应。 +3+2+1(1) (Ag )= (Fe )= (Fe )=1.0mol L ;ccc+2+1(2) (Ag )= (Fe )=0.010mol L ,cc3+(Fe )cc原电池的电动势为：原电池的电动势为：+3+2+(Ag /Ag)(Fe /Fe )EEEEE0.7791V0.769V0.030V+3+2+1(1) (Ag )= (Fe )= (Fe )=1.0mol L ;cccOR|OR0.05916V()(Ox/Red)(Ox/Red)lg()vvaEEza解：解：3+2+(Fe /Fe )0.769VE+(Ag /Ag)0.7991VE+3+2+(Ag
28、 /Ag)(Fe /Fe )EE正正负负原电池符号为：原电池符号为：23+( )Pt|Fe (),Fe ()Ag ()|Ag( )ccc=正极反应：正极反应：+Ag +eAg负极反应：负极反应：2+3+FeFe +e 电池反应：电池反应：+2+3+Ag +FeAg+Fe(2) (2) 浓度发生变化后：浓度发生变化后：+(Ag /Ag)(Ag /Ag) 0.05916V lg (Ag )/EEcc0.7991V0.05916Vlg0.0100.6808V3+3+2+3+2+2+(Fe )/(Fe /Fe )(Fe /Fe ) 0.05916V lg(Fe )/ccEEcc1.00.769V0.0
29、5916Vlg0.0100.887V 由于由于 ，故电对故电对 为正极为正极， 为负极为负极。+3+2+(Ag /Ag)(Fe/Fe)EE3+2+Fe /Fe+Ag /Ag原电池电动势为：原电池电动势为：3+2+(Fe/Fe)(Ag /Ag)EEEEE0.887V0.6808V0.206V 原电池符号为：原电池符号为：+-132+-1( )Ag|Ag (0.010mol L ) Fe (),Fe (0.010mol L )|Pt( )c=正极反应：正极反应：3+2+Fe+eFe 负极反应：负极反应：+A gA g +e 电池反应电池反应：3+2+Fe+Ag = Fe+Ag利用氧化剂和还原剂的相
30、对强弱判断氧化利用氧化剂和还原剂的相对强弱判断氧化还原反应方向更为方便还原反应方向更为方便。 强氧化剂强氧化剂1+1+强还原剂强还原剂2 2 弱还原剂弱还原剂1 +1 +弱氧化剂弱氧化剂2三、判三、判断氧化还原反应的方向断氧化还原反应的方向E E = = E E+ +（较大较大) )E E( (较小较小) 0) 0得电子得电子例例7-11 7-11 判断判断 298.15 K 298.15 K 时时, ,氧化还原反应氧化还原反应: :在下列条件下进行的方向。在下列条件下进行的方向。2+2+Sn(s)+Pb(aq)Sn(aq)+Pb(s)m olL;cc2+2+-1(1) (Sn)= (Pb)=
31、1.0mol L ,mol Lcc2+-12+-1(2) (Sn)=1.0(Pb )=0.010解：解：2+(Sn /Sn)0.1410VE 2+(Pb /Pb)0.1266VE 大，正极大，正极 ，得电子，得电子反应正向进行反应正向进行 (2) 和和 的电极电势分别为的电极电势分别为：2+Sn /Sn2+Pb /Pb2+2+(Sn /Sn)(Sn /Sn)0.1410VEE 22+2+0.05916V(Pb )(Pb /Pb)(Pb /Pb)lg2cEEc0.05916V0.1266Vlg0.01020.1858V 大，正极大，正极 ，得电子，得电子氧化还原反应的标准平衡常数氧化还原反应的标
32、准平衡常数K越大，越大，氧化还原反应进行的程度就越完全。氧化还原反应进行的程度就越完全。lnzFEKRT当当 T =298.15 K 时时，上式可改写为：上式可改写为：lg0.05916VzEK四四、确定氧化还原反应进行的程度确定氧化还原反应进行的程度原电池的标准电动势越大，原电池的标准电动势越大，氧化还原反应的标准平衡常数越大，氧化还原反应的标准平衡常数越大，氧化还原反应进行的程度就越完全。氧化还原反应进行的程度就越完全。例例7-11 7-11 试估计试估计 298.15 K 298.15 K 时反应进行的程度时反应进行的程度。2+2+Zn(s)+Cu(aq) Zn(aq)+Cu(s)解：反应的标准电动势为解：反应的标准电动势为： 2+2+(Cu /Cu)(Zn /Zn)EEE0.3394V( 0.7621V)1.1015V 2 1.1015Vlg37.240.05916V0.05916VzEK2eq372eq(Zn )1.7 10(Cu )ccKccK很大，正向进行很完全很大，正向进行很完全习题n1，2，3，4，5，9，10，11，12，14