无机及分析化学(00003)市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第六章 氧化还原反应第1页C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O+QC+O2=CO2 +QNaCl +H2O=NaOH+Cl2 +H2 第一节第一节 氧化还原反应基本概念氧化还原反应基本概念 氧化还原反应在我们氧化还原反应在我们身边无处不在，比如铁身边无处不在，比如铁锈生成，天然气燃烧等，锈生成，天然气燃烧等，下面让我们从三个方面下面让我们从三个方面详细看一看。详细看一看。第2页Zn +CuSO4Cu +ZnSO42e得电子得电子失电子失电子2H2 +O22 H O H*本质：本质：电子得失电子得失或电子正确或电子正确偏移偏移一、氧化还原反应本质H+OH-2-2-+第3页氧化反应：物质氧化反应：物质失去失去失去失去电子电子电子电子反应；反应；还原反应：物质还原反应：物质得到得到得到得到电子电子电子电子反应。反应。铁生锈铁生锈CuSO4电解成电解成Cu氧气氧气氢气氢气氧化氧化氧化氧化剂：剂：得到得到得到得到电子物质，发生还原反应。电子物质，发生还原反应。还原还原还原还原剂：剂：失去失去失去失去电子物质，发生氧化反应。电子物质，发生氧化反应。第4页二、氧化数描述元素被氧化程度 化合价化合价原子间相互结合形成份子时，各原子上价键数目价键数目价键数目价键数目。N HHHOCOClCl31421氧化数氧化数 oxidation number假定把每个键上电子每个键上电子每个键上电子每个键上电子指定给指定给指定给指定给电负性较大原子电负性较大原子电负性较大原子电负性较大原子后，化合物中各原子实际或表观所带电荷数电荷数电荷数电荷数。第5页确定氧化数规则确定氧化数规则单质氧化数为单质氧化数为 0。中性分子中各元素氧化数代数和为零。中性分子中各元素氧化数代数和为零。离子：离子：单原子离子中等于离子电荷数；单原子离子中等于离子电荷数；多原子离子中全部元素氧化数代数和等于离子电荷数。多原子离子中全部元素氧化数代数和等于离子电荷数。共价型化合物：共价型化合物：H:+1（普通情况）（普通情况）-1（金属氢化物中，如：（金属氢化物中，如：NaH,CaH2）O:普通普通 O：2 过氧过氧 O22-:1超氧超氧 O2-:1/2 OF2:+2 氧化数能够是氧化数能够是分数分数分数分数。第6页普通：普通：H +1（有时候也为（有时候也为-1）；）；O -2（有时候也为（有时候也为-1，+1）碳氧化数 CO CO2 CH4 C2H5OH +2 +4 -4 -2 硫或铁氧化数 S2O32-S2O82-Fe3O4 +2 +7 +8/3 比如第7页试计算Cr2O72-中Cr氧化值和Fe3O4中Fe氧化值解：解：设Cr氧化值为x，已知O氧化值为-2，则：2x+7(-2)=-2 x=+6 设Fe氧化值为x，已知O氧化值为-2，则:3 x+4(-2)=0 由以上例子可见,元素氧化值能够是整数整数整数整数、零零零零,也能够是分数分数分数分数。example x=+第8页三、氧化还原电对和氧化还原半反应酸碱反应酸碱反应 HAc+NHHAc+NH3 3 NH NH4 4AcAc一样，依据电子转移，氧化还原反应能够拆成两个半反应，或看成由两个半反应组成。氧化氧化半反应（半反应（失失失失电子）电子）：Zn -2e-Zn 2+还原还原半反应（半反应（得得得得电子）电子）：Cu2+2e-Cu 比如:ZnCu2+CuZn 2+主要概念：主要概念：酸碱半反应酸碱半反应、共轭酸碱对共轭酸碱对氧化还原反应中，氧化态物质(电子受体)及其对应还原态物质(电子供体)组成氧化还原电对氧化还原电对氧化还原电对氧化还原电对。可表示为：氧化态/还原态；或(Ox/Red)，如 Fe3+/Fe2+。氧化还原电对中氧化数较高物种称为氧化态氧化态氧化态氧化态，氧化数较低物种称为还原态还原态还原态还原态。第9页四、氧化还原反应配平一个前提：一个前提：知道氧化剂和还原剂在给定条件下反应后，知道氧化剂和还原剂在给定条件下反应后，产物是什么；产物是什么；如：如：MnO4-+SO32-酸性条件下还原产物酸性条件下还原产物：Mn2+(无色）无色）中性条件下还原产物中性条件下还原产物：MnO2（棕）（棕）碱性条件下还原产物碱性条件下还原产物：MnO42-（翠绿）（翠绿）两个标准：两个标准：质量守恒质量守恒 电荷守恒电荷守恒酸性介质中酸性介质中 MnO4-+Cl-反应生成反应生成 Mn2+Cl2第10页离子离子 电子法电子法 配平化学反应方程式配平化学反应方程式我们讨论反应多在水溶液中进行，即：普通以离子形式进行，用该方法较简便。我们讨论反应多在水溶液中进行，即：普通以离子形式进行，用该方法较简便。步骤步骤：1.将反应物和产物以离子形式写出；将反应物和产物以离子形式写出；例例：KClO3+FeSO4 KCl +Fe2(SO4)3 (稀稀H2SO4介质中介质中）ClO3-+Fe2+Cl-+Fe3+弱电解质弱电解质弱电解质弱电解质、沉淀沉淀沉淀沉淀要以要以要以要以分子形式分子形式分子形式分子形式给出给出给出给出第11页 2.把整个氧化还原反应分成把整个氧化还原反应分成氧化氧化和和还原还原两个半反应两个半反应;（一分为二（一分为二)3.分别配平两个半反应式；分别配平两个半反应式；氧化反应氧化反应：Fe2+Fe3+还原反应还原反应：ClO3-Cl-氧化反应氧化反应：Fe2+Fe3+eClO3-Cl-+3H2O6H+还原反应还原反应：6e +第12页4.依据氧化还原反应得失电子总数必须相等标准，依据氧化还原反应得失电子总数必须相等标准，5.将两个半反应合并成一个配平离子方程式。将两个半反应合并成一个配平离子方程式。Fe2+=Fe3+e6e +6H+ClO3-=Cl-+3H2O)6+)6Fe2+6H+ClO3-=6Fe3+Cl-+3H2O反应是在稀反应是在稀H2SO4介质中，介质中，能够写出对应分子方程式：能够写出对应分子方程式：6FeSO4+KClO3+3H2SO4=3Fe2(SO4)3+KCl+3H2O第13页例例:配平配平 1.分成氧化、还原两个半反应分成氧化、还原两个半反应还原反应还原反应氧化反应氧化反应2.配平半反应配平半反应3.两个半反应相加，消去电子两个半反应相加，消去电子第14页例例:配平在碱性条件下进行以下反应配平在碱性条件下进行以下反应还原反应还原反应氧化反应氧化反应第15页 酸性介质中：多氧一边加酸性介质中：多氧一边加H+；少氧一边加；少氧一边加H2O 碱性介质中：多氧一边加碱性介质中：多氧一边加H2O；少氧一边加；少氧一边加OH-小诀窍小诀窍小诀窍小诀窍应注意！应注意！1.酸酸性介质中，反应式两边性介质中，反应式两边不能不能出现出现OH-2.碱碱性介质中，反应式两边性介质中，反应式两边不能不能出现出现H+3.中性中性介质中，依据情况，可介质中，依据情况，可加加H+或者或者 OH-4.弱电解质、难溶电解质不允许拆成离子，要写分子式。弱电解质、难溶电解质不允许拆成离子，要写分子式。Cr2O72-+6Fe2+=6Fe3+2Cr3+7H2O+14H+氧化数法氧化数法 配平化学反应方程式配平化学反应方程式自己看自己看自己看自己看第16页第二节第二节 原电池和电极电位原电池和电极电位水果水果水果水果电池电池电池电池电池概念是什么？电池概念是什么？电极电位定义是什么？电极电位定义是什么？酸碱反应特征：强酸强碱反应生成弱酸弱碱。酸碱酸碱反应特征：强酸强碱反应生成弱酸弱碱。酸碱强弱用强弱用K Ka a（K Kb b）来衡量。）来衡量。氧化还原反应特征：强氧化剂反应生成弱氧化剂。氧化氧化还原反应特征：强氧化剂反应生成弱氧化剂。氧化剂强弱什么参数来衡量？剂强弱什么参数来衡量？氧化还原电对电极电位第17页现象现象Zn棒逐步溶解棒逐步溶解溶液天蓝色减退溶液天蓝色减退有红棕色疏松铜在有红棕色疏松铜在Zn棒表面析出棒表面析出溶液溶液温度渐升温度渐升温度渐升温度渐升Zn-2eZn2+Cu 2+2e Cu所发生反应所发生反应Zn+Cu 2+Cu+Zn2+实实 验一验一:Zn与与CuSO4溶液置换反应溶液置换反应CuSO4Zn化学能化学能化学能化学能转化为转化为转化为转化为热能热能热能热能一、原电池概念第18页试验二试验二:Zn-Cu原电池反应原电池反应3、取出盐桥,指针回零;放入盐桥,指针偏转1、电流电流电流电流表指针发生偏移2、Zn棒逐步溶解,铜棒上有铜沉积CuCuSO4Zn SO4ZnAe-KCl装置装置现象现象原理原理Zn -2e Zn2+Cu 2+2e CuZn+Cu 2+Cu+Zn2+化学能化学能化学能化学能转化为转化为转化为转化为电能电能电能电能第19页原电池：利用原电池：利用氧化还原反应氧化还原反应氧化还原反应氧化还原反应将将化学能化学能化学能化学能转变成转变成转变成转变成电能电能电能电能装装置。置。Zn+Cu2+Zn2+Cu原电池定义原电池定义ZnSOZnSO4 4CuSOCuSO4 4ZnZnCuCuKClKCl第20页负极反应：负极反应：负极反应：负极反应：Zn Zn2+2e-(还原剂电对作还原剂电对作负极负极负极负极，氧化氧化氧化氧化反应反应)正极反应：正极反应：正极反应：正极反应：Cu2+2e-Cu(氧化剂电对作氧化剂电对作正极正极正极正极,还原还原还原还原反应反应)电池反应 Zn+Cu2+Zn2+Cu 原电池是由原电池是由两个两个半电池半电池半电池半电池组成。半电池中组成。半电池中导体导体称为称为电极电极电极电极。原电池电极有正负极之分，。原电池电极有正负极之分，电子密度较大电极称为电子密度较大电极称为负极负极负极负极，电子密度较小，电子密度较小电极称为电极称为正极正极正极正极。原电池组成原电池组成第21页原电池书写原电池书写 原电池图解表示式书写要求：原电池图解表示式书写要求：（1）负极写左边，正极写右边负极写左边，正极写右边负极写左边，正极写右边负极写左边，正极写右边；负极负极负极负极发生氧化反应，正极发生还原反应；发生氧化反应，正极发生还原反应；发生氧化反应，正极发生还原反应；发生氧化反应，正极发生还原反应；（2）两相或不相混溶两种溶液之间界面，用单竖线“|”表示；使用盐桥消除液接电位，用双竖线“”表示；同一相中各种组分用“，”隔开；（3）电解质位于两电极之间；（4）气体或准相电极反应，用惰性固体导电材料作电极，以传导电流；（5）电池中溶液应表明浓（活）度，气体标明温度和压力。原电池电动势原电池电动势原电池中两半电池之间电位差原电池中两半电池之间电位差E=E=正极正极 -负极负极(-)Zn|ZnSO4(c1)|CuSO4(c2)|Cu(+)第22页ZnCl2浸入水中会浸入水中会发生什么？发生什么？金属金属Zn浸入浸入ZnSO4溶液中会溶液中会发生什么？发生什么？M Mn+ne溶解溶解沉积沉积金属电极双电层金属电极双电层 与金属本身与金属本身活泼性活泼性相关相关 与溶液中金属与溶液中金属离子浓度离子浓度相关相关 与与温度温度相关相关二、电极电位概念第23页电极电位产生：电极电位产生：电极电位产生：电极电位产生：金属与溶液荷不一样电荷双电层电位差产生电极电位产生电极电位产生电极电位产生电极电位。标准电极电位标准电极电位标准电极电位标准电极电位及其测量：及其测量：及其测量：及其测量：绝对电极电绝对电极电绝对电极电绝对电极电位无法得到位无法得到位无法得到位无法得到，但很轻易测量两个电极之间电位差（比如万用表测干电池电压）。所以，人们要求标准条件下氢人们要求标准条件下氢人们要求标准条件下氢人们要求标准条件下氢电极电极电位为零电极电极电位为零电极电极电位为零电极电极电位为零，测量标准条件下标准条件下标准条件下标准条件下待测电极与标准氢电极标准氢电极标准氢电极标准氢电极之间电位差，就很轻易得到该电极标准电极电位标准电极电位标准电极电位标准电极电位。（类比海拔高度）标准条件标准条件标准条件标准条件 与与与与 标准电极电位标准电极电位标准电极电位标准电极电位第24页标准电极标准电极：参加电极反应全部物质参加电极反应全部物质均处于标准状态均处于标准状态。离子：离子：浓度为浓度为1moldm-3；气体：气体：指定温度下，分压为指定温度下，分压为101325Pa；固体、液体：固体、液体：指定温度下，指定温度下，101325Pa下最稳定状态；下最稳定状态；标准状态标准状态非标准状态表示为：非标准状态表示为：表示为：表示为：了解内容了解内容了解内容了解内容第25页标准电极电位：标准电极电位：标准电极电位：标准电极电位：查表取得查表取得查表取得查表取得电极电位：利用电极电位：利用电极电位：利用电极电位：利用NernstNernstNernstNernst方程方程方程方程计算取得计算取得计算取得计算取得aA(氧化态氧化态)+ne bB(还原态还原态)能斯特能斯特(Nernst)方程式方程式式中：式中：指定浓度下电极电势：指定浓度下电极电势 ：标准电极电势：标准电极电势 n：电极反应电极反应中中得失电子数得失电子数得失电子数得失电子数 F：法拉第常数法拉第常数 R：气体常数气体常数 8.314 J mol-1 K-1 T :电极反应温度电极反应温度任一电极反应：任一电极反应：第26页能斯特(Nernst)方程式：298.15K 下下:n1)假如电对中某一物质是固体或液体，则它们浓度假如电对中某一物质是固体或液体，则它们浓度均为常数，常认为是均为常数，常认为是1。2)假如电对中某一物质是气体，其浓度用分压来表假如电对中某一物质是气体，其浓度用分压来表示，分压单位为：示，分压单位为：大气压（大气压（atm）注意！注意！3）方程式中）方程式中氧化态氧化态和和还原态还原态并非专指氧化数有改变并非专指氧化数有改变物质，而是参加电极反应全部其它物质。物质，而是参加电极反应全部其它物质。第27页例例 写出写出298.15K时以下电极反应能斯特方程式时以下电极反应能斯特方程式 2H+2eH2Hg2Cl2（s）+2e2Hg（l）+2Cl-MnO4-+8H+5eMn2+4H2O第28页三、电极电位影响原因例例 计算计算298K时电对时电对Fe3+/Fe2+在以下情况下电极电势：在以下情况下电极电势：（1）c(Fe3+)=0.1mol.L-1，c(Fe2+)=1mol.L-1（2）c(Fe3+)=1mol.L-1，c(Fe2+)=0.1mol.L-1(一)氧化还原电对浓度第29页(二二)酸度酸度在许多电极反应中,H+、OH-和H2O作为介质参加反应,pH改变会影响电极电位。解：解：n=6电极反应电极反应:若若Cr2O72-和和Cr3+浓度均为浓度均为1molL-1,求求298.15K,pH=6时电极电位。时电极电位。=1.232Vexample第30页因为:c(Cr2O72-)=c(Cr3+)=1molL-1,pH=6,c(H+)=110-6molL-1 溶液酸度不但影响电对电极电势数值，还会影响氧化还溶液酸度不但影响电对电极电势数值，还会影响氧化还溶液酸度不但影响电对电极电势数值，还会影响氧化还溶液酸度不但影响电对电极电势数值，还会影响氧化还原反应产物。如：原反应产物。如：原反应产物。如：原反应产物。如：第31页 解:Ag+e-Ag n=1 Ag+Cl-AgCl Ag+=Ksp/Cl-=1.7710-10 若在电极溶液中加入NaCl,使其生成AgCl沉淀,并保持Cl-浓度为1molL-1,求298.15K时电极电位。已知Ag+e-Ag =0.7996Vexample(三三)沉淀沉淀在氧化还原电对中,氧化态或还原态物质生成沉淀将显著地改变它们浓度,使电极电位发生改变。=0.7996V-0.577V=0.223V 第32页(四四)配位反应配位反应因为配位反应发生,使氧化还原电对中氧化态或还原态浓度降低,使电极电位发生改变例 计算电对Ag+/Ag溶液中加入NH3后电对电极电势。第33页（一）计算原电池电动势例 原电池组成为：(-)Zn|Zn2+(0.001mol.L-1)|Zn2+(1.0mol.L-1)|Zn(+)计算298K时，该原电池电动势。（二）表示物质氧化还原能力相对强弱电正确电极电位越大电极电位越大电极电位越大电极电位越大，其氧化态氧化能力越强氧化态氧化能力越强氧化态氧化能力越强氧化态氧化能力越强，其还原态还原能力越弱。在氧化还原反应中，较强氧化剂与较强还原剂作用，生成较弱氧化剂和较弱还原剂。四、电极电位应用第34页（三）判断氧化还原反应方向判断一个给定化学反应正反应能否自动进行，先假定判断一个给定化学反应正反应能否自动进行，先假定正反应能自动进行，然后依据正反应方向设计成正反应能自动进行，然后依据正反应方向设计成原电池原电池，确，确定出正负极，依据电动势正负号，就能够判断反应进行方向。定出正负极，依据电动势正负号，就能够判断反应进行方向。E=0 正正=负负 反应处于平衡状态反应处于平衡状态 E0 正正 负负 正反应能自动进行正反应能自动进行 E0 正正 负负 逆反应能自动进行逆反应能自动进行 例例 已知溶液中已知溶液中Fe2+=0.1 mol.dm-3 Fe3+=1 mol.dm-3 I-=0.1 mol.dm-3 判断在判断在298.15K时以下反应能否自动进行时以下反应能否自动进行第35页解：将上述反应设计成原电池解：将上述反应设计成原电池 正极：正极：I2/I-=I2/I-+=0.5355+=0.5945(v)负极：负极：Fe3+/Fe2+=Fe3+/Fe2+=0.771+0.059lg（1/0.1）=0.830（v）E=I2/I-Fe3+/Fe2+=0.5945-0.830=-0.2360 该反应不能从左到右自发进行，能从右向左自发进行该反应不能从左到右自发进行，能从右向左自发进行第36页氧化还原反应方向影响原因：氧化还原反应方向影响原因：氧化还原反应方向影响原因：氧化还原反应方向影响原因：电正确浓度，溶液酸度，沉淀以及配位反应发生。影响路径：影响路径：影响路径：影响路径：经过改变电正确浓度改变电正确浓度改变电正确浓度改变电正确浓度，到达改变电正改变电正改变电正改变电正确电极电位确电极电位确电极电位确电极电位目标，从而使两个电对电极电位之间相对大小发生改变，影响氧化还原反应方向。（四）判断氧化还原反应程度注：注：平衡常数只与平衡常数只与E E相关，与浓度无关，相关，与浓度无关，E E大，大，K K大，正大，正 反应进行彻底。反应进行彻底。第37页例：计算以下氧化还原反应在例：计算以下氧化还原反应在298.15K时平衡常数，并分时平衡常数，并分 析反应进行程度。析反应进行程度。解：按上述反应组成原电池解：按上述反应组成原电池 负极：负极：Sn-2e=Sn2+正极：正极：Pb2+2e=Pb则，则，E=正正。-负负。=-0.1262-（-0.1375）=0.0111（伏）（伏）当溶液中当溶液中Sn2+=2.38Pb2+时，反应便到达平衡时，反应便到达平衡 说明该反应进行很不彻底说明该反应进行很不彻底第38页 拉拉蒂蒂麦麦尔尔图图(W.M.Latimer diagram)是是用用图图形形表表示示标标准准电电极极电电势势数数据据中中最最简简单单一一个个，是是将将同同一一元元素素不不一一样样氧氧化化态态物物种种标标准准电电极极电电势势按按氧氧化化态态由由高高到到低低次次序序相相互互关关联联起起来来一一个个表表示示系系统统,因因而而又又叫叫元元素素电电势势图图。如如氧氧元元素素电电势势图：图：1.229V n=21.77V0.682V n=1 A O2H2O2H2O n=1第三节第三节 元素电势图元素电势图第39页元素电位图应用元素电位图应用1.判断歧化反应与逆歧化反应 左 右 A B C 是否发生歧化？条件：右 左 时,即B/C A/B 则 B +B =A +C B发生歧化反应.若右 左 时,即B/C A/B 则 A +C =B +B 发生逆歧化反应,归中反应。第40页2.求算未知电对标准电极电位已知：A/B、B/C 求 A/C 1,n1 2,n2 3,n3 4,n4 i,ni A B C D E G(ni)i=1A/C =ni确定-氧化数变化第41页例 已知下列各电对电极电势 n=3-0.41V0.77V n=2 A Fe3+Fe2+Fe n=1 3?求求：(Fe3+/Fe)。n1 1+n2 2n1+n2 3 =解：解：10.77V+2-0.41V1+2 (Fe3+/Fe)=-0.04V第42页3.判断氧化还原性质例1:0.513 0.521 A：Cu 2+Cu+Cu Cu+会发生歧化反应，不能稳定存在 生成Cu+化合物是沉淀时，cCu+下降，Cu+/Cu 也下降，Cu+可稳定存在。第43页第六章 作业12：（3）（6）（7）471115第44页