氧化还原和电极电势专业知识讲座.ppt

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氧化还原和电极电势,第一节 氧化还原反应的基本概念,第二节 原电池和电极电势,2017年6月,1,1,熟悉氧化数、氧化还原反应，氧化剂、还原剂的概念,2,掌握被氧化、被还原、氧化剂、还原剂的判断,3,掌握氧化还原方程式的配平,4,了解原电池、电极电势的概念,5,熟悉运用,Nernst,方程式计算任意状态下电极的电极电势,6,熟悉电极电势判断氧化剂还原剂的强弱及氧化还原反应方向,7,了解高压氧医学,学习目标,2017年6月,2,第一节 氧化还原反应的基本概念,一、氧化数,二、氧化还原,三、氧化剂和还原剂,四、氧化还原反应方程式的配平,五、氧化还原反应的应用,2017年6月,3,一、氧化数,（,oxidation number,）,氧化数的概念,元素的原子形式上所带的电荷数；,可以是正、负、整、分、或,0,；,2017年6月,4,一、氧化数,（,oxidation number,）,元素氧化数的计算（规定）,1,、单质分子中元素氧化数为,0,；,2,、离子化合物中，元素氧化数,=,所带电荷；,3,、共价化合物中，,X,大为负，,X,小为正，,（将电子偏移看成电子得失）,A.O,：,-2,(,除,OF,2,中为,+2,H,2,O,2,中为,1);,B.H,：,+1,(,除,NaH,中为,-1);,4,、每一个化合物中所有元素的氧化数的代数和为,0,2017年6月,5,元素氧化数的计算,例,试求重铬酸根,(Cr,2,O,7,2-,）离子中铬元素的氧化数。,解：设铬元素的氧化数为,X,2 X+(-2)7,-2 X=,6,例,2,试求连四硫酸钠（,Na,2,S,4,O,6,）分子中硫元素的氧化数。,解：,4X+21+6(-2),0,X=,2017年6月,6,二、氧化还原,规律：,氧化数,降,低,-,得,电子,-,被,还,原,-,氧化剂,（,OX.,）,氧化数,升,高,-,失,电子,-,被,氧,化,-,还原剂,（,Red.,）,2017年6月,7,二、氧化还原,概念：,氧化反应：物质失去电子（氧化数升高）的反应。,还原反应：物质得到电子（氧化数降低）的反应。,氧化还原反应：凡是有电子得失的化学反应。,在有机化学和生物化学中，氧化还原反应还常常表现为失氢和加氢的现象。规定凡发生,失氢,现象的反应，即是,氧化,反应；凡发生加氢现象的反应，即是还原反应。,2017年6月,8,三、氧化剂和还原剂,(,一,),氧化剂和还原剂的概念,1,、定义,还原剂：凡失去电子，氧化数升高的物质。,氧化剂：凡得到电子，氧化数降低的物质,2,、说明：,氧化剂能使其他物质氧化，而本身被还原，还原剂能使其他物质还原，而本身被氧化。,在还原剂被氧化的同时，氧化剂被还原。,在氧化还原反应中，,电子,是,从还原剂转移到氧化剂,。,因得失电子能力不同，氧化剂和还原剂有强弱之分。得电子能力强的氧化剂，称强氧化剂。,2017年6月,9,3,举例,例,中的失去电子，被氧化，,H,2,是还原剂。,CuO,中的,Cu,得电子被还原，,CuO,是氧化剂。,(,一,),氧化剂和还原剂的概念,例高锰酸钾和过氧化氢酸性条件下的反应：,2KMnO,4,+5H,2,O,2,+3H,2,SO,4,2MnSO,4,+K,2,SO,4,+5O,2,+8H,2,O,被还原 被氧化,氧化剂 还原剂,2e5,2017年6月,10,(,一,),氧化剂和还原剂的概念,判断氧化剂还原剂应注意的问题：,（）同一种物质在不同反应中，有时作氧化剂，有时作还原剂。一般具有可变氧化数的元素，当处于中间氧化态时，具有这种性质。,处于最高氧化数的元素的化合物，只能作氧化剂；处于最低氧化数的元素的化合物，只能作还原剂。,（）有些物质在同一反应中，既是氧化剂又是还原剂。,（）氧化剂、还原剂的氧化还原产物与反应条件有密切的关系，反应条件不同，氧化还原的产物也不同。例如强氧化剂高锰酸钾在酸性、中性、碱性溶液中，其还原产物就各不相同。,2017年6月,11,(,二,),氧化剂和还原剂,（,1,）常见的氧化剂,氧化数易降低的物质，见表,3-1,。,活泼的非金属；,具有高氧化数的含氧化合物；,某些氧化物和过氧化物；,高价金属离子。,（,2,）常见的还原剂,氧化数容易升高的物质，见表,3-2,。,活泼金属和较活泼金属及某些非金属的单质；,具有低或较低氧化数的化合物；,低价金属离子,。,2017年6月,12,四、氧化还原反应方程式的配平,原则：,还原剂失去电子的总数（或氧化数升高的总数）与氧化剂得到电子的数（或氧化数降低的总数）必相等；,反应前后每一元素的原子数相等。,方法：,简单的氧化还原反应，可以用观察法来配平。,电子得失,/,氧化数升降配平法（最小公倍数法）,2017年6月,13,四、氧化还原反应方程式的配平,步骤：,1,、根据反应事实，正确,写,出反应物和生成物的分子式，中间用,表示,2,、,标,出氧化剂和还原剂中氧化数发生改变的元素,3,、计,算,氧化剂和还原剂得失电子的总数，失电子用“”表示，得电子用“”表示，用箭头分别标在反应式的上面和下面,、根据氧化剂得到电子和还原剂失去电子的总数必相等的原则,求,最小公倍数,、把得到的系数写在氧化剂和还原剂分子式前面，其它物质的系数用观察法,配,平,6,、最后检查反应前后每一元素的原子数是否相等，并将“,”,号改为等号,2017年6月,14,四、氧化还原反应方程式的配平,说明：,其它物质的系数用观察法配平时，通常先其他，再配,H,，最后查,O,。,在配平氧化还原反应方程式时，当反应两边,H,原子数或,O,原子数不相等时，可以根据情况在等式左边或右边加,H,2,0,进行配平。,2017年6月,15,例,1,高锰酸钾和硫酸亚铁在酸性溶液中的反应,四、氧化还原反应方程式的配平,5,2,+7,+2,+2,+3,反应中铁至少要有两个原子参加，故应乘以,2017年6月,16,例,铜和稀硝酸反应,四、氧化还原反应方程式的配平,例,高锰酸钾和盐酸反应,2017年6月,17,五、氧化还原反应的应用,（一）分析化学方面的应用,1,、定性分析（根据颜色变化，等）,2,、定量分析,(,例：用,KMnO4,直接测定,H,2,O,2,含量,),（二）在药物生产方面的应用,1,、原料药物的生产,2,、增强药物的稳定性,（三）在药物检验方面的应用,（常用于检验某些具有氧化、还原性质的药物）,2017年6月,18,小结：,1.,氧化数的概念及计算,2.,氧化、还原、氧化剂、还原剂,3.,氧化还原反应的配平,升 失 氧,降 得 还,2017年6月,19,第二节 原电池和电极电势,一、原电池（,primary battery,）,二、电极电势（,electrode potential,）,三、电极电势的应用,2017年6月,20,2017年6月,21,一、原电池,（,primary battery,）,1.,原电池概念：,利用氧化还原反应产生电流，把化学能转变为电能的装置。,铜锌原电池,Zn+CuSO,4,=Cu+ZnSO,4,2017年6月,22,（二）原电池的组成,原电池的组成：,两个电极或两个电对,电对：（氧化型还原型）,氧化数高的称为氧化型，氧化数低的称为还原型。,氧化型与还原型之间的相互转化即是电极反应。,氧化型,+,=,还原型,2017年6月,23,铜锌原电池,总化学反应：,Zn +Cu,2+,=Zn,2+,+Cu,锌极：,Zn-2e Zn,2+,（,-,）（氧化反应）,铜极：,Cu,2+,+2e,Cu,（,+,）（还原反应）,盐桥：保持溶液的电中性,Zn,2+,/Zn,Cu,2+,/Cu,2017年6月,24,电对的书写,氧化数高的称为氧化型,氧化数低的称为还原型,MnO,4,-,/Mn,2+,Mn,2+,/MnO,4,-,X,2017年6月,25,（二）原电池的组成,表示原电池的组成的一般规定：,(1),负极写在左边，用符号“,(-)”,表示；正极写在右边，用符号“,(+)”,表示。,(2),竖线“,”,表示不同物相的界面；双竖线“,”,表示盐桥。,(3),各物质的浓度、压力需注明，未注明的一般认为是处于各自的标准状态。,铜锌原电池的表示式可写为：,2017年6月,26,（三）,原电池的电动势,电池电动势：,原电池两电极的电势差称为电池电动势。,-,E,j,j,-,=,+,电池,电极电势,2017年6月,27,二、电极电势（,electrode potential,）,定量地表示电极得失电子能力的数值,是一个相对值,以标准氢电极为标准,标准状况,:1mol/L,101.3kPa,298.15K,2017年6月,28,二、电极电势,1.,标准氢电极,电极反应：,标准氢电极结构示意图,2017年6月,29,2,、标准电极电势的测定,=,0.763(V),2017年6月,30,2017年6月,31,能斯特（,Nernst,）方程式,2017年6月,32,（二）能斯特,（,Nernst,）,方程式,对于电极反应：,25,时，电极反应的电极电势 常用下式计算：,aA(,氧化型,)+=bB,（还原型）,2017年6月,33,（二）能斯特,（,Nernst,）,方程式,应用能斯特方程时必须注意：,(1),若组成电极的物质为纯固体或纯液体，不写入方程式；若为气体物质，可在方程式中代人其分压,(,分压以,101,3kPa,的倍数值表示,),。,2017年6月,34,（二）能斯特,（,Nernst,）,方程式,应用能斯特方程时必须注意：,(2),电极反应中若有,H,+,、,OH,-,等存在，则应把这些物质的浓度表示在方程式中，,H,2,O,不列入方程。,例,2,已知电极反应：,求,25 pH=5,时的电极电势。,2017年6月,35,三、电极电势的应用,请按照氧化能力由强到弱的顺序排列氧化剂。,例,4,已知：,=+0.151V,=+0.771V,=+1.507V,解：因为,所以氧化剂氧化能力由强到弱的顺序为：,1,、比较氧化剂和还原剂的强弱,值越大，氧化态的氧化能力越强；,值越小，还原态的还原能力越强。,2017年6月,36,三、电极电势的应用,解：查表得,I,2,+2e,一,2I,+0.5353V,Br,2,+2e,一,2Br,+1.065V,C1,2,+2e,一,2C1,一,+1.358V,Fe,3+,+e,一,Fe,2+,+0.771V,Mn0,4,一,+8H,+,+5e Mn,2+,+4H,2,0,+1.507V,2,、,选择氧化剂和还原剂,例,5,溶液中含有,C1,-,、,Br,-,和,I,-,三种离子，要使,I,-,氧化而又不使,Br,-,和,Cl,-,氧化，问应采用的氧化剂是,Fe,2,(SO,4,),3,还是,KMnO,4,?,2017年6月,37,三、电极电势的应用,3,、判断氧化还原反应进行的方向,一般用电极电势来判断氧化还原反应进行的方向，有两种方法：,较强OX,.,+较强Red,.,较弱OX,.,+较弱Red,.,通过电动势来判断。,E,电池,0,，正反应方向自发进行,E,电池,0,，逆反应方向自发进行,2017年6月,38,三、电极电势的应用,3,、,判断氧化还原反应进行的方向,例,6,判断反应 在标准状态下的反应方向。,解法一,：查表得,Fe,3+,+Cu Fe,2+,+Cu,2+,正反应方向进行,解法二,：,说明反应正向进行。,2017年6月,39,三、电极电势的应用,4,、判断氧化还原反应进行的次序,原则：,不考虑反应速率的情况下，,E,0,电池,大的先反应,。,例,7,在含有,Fe,2+,、,Sn,2+,两种离子的溶液中，用,KMnO,4,作为氧化剂，问反应发生的顺序如何,?,解,:,查表得,则,可以得出,KMnO,4,先氧化,Fe,2+,，然后氧化,Sn,2+,。,2017年6月,40,三、电极电势的应用,5,、,判断氧化还原反应进行的程度,氧化还原反应属于可逆反应，反应进行的程度可以通过反应的平衡常数来判断，而平衡常数可以由电极电势计算。,对于任一氧化还原反应：,设反应的电子转移数为,n,，则利用标准电极电势来计算标准平衡常数,K,公式为,：,两电对的电极电势值相差越大，平衡常数,K,值也越大，反应进行得越完全。一般来说，,K10,6,，就认为反应进行得相当完