电化学原理公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第四章第四章电化学原理及应用电化学原理及应用Electrochemistry 第1页第1页研究电能与化学能之间研究电能与化学能之间互相转化及转化过程中互相转化及转化过程中相关现象科学。相关现象科学。电化学：电化学：第2页第2页电化学反应分为两类：电化学反应分为两类：自发氧化还原反应产自发氧化还原反应产生电流，生电流，G0 化学能转变为电能化学能转变为电能（原电池）（原电池）非自发氧化还原反应非自发氧化还原反应G0 电能转变为化学能电能转变为化学能（电解）（电解）第3页第3页原电池原电池 Galvanic Cell 电极电势电极电势化学电源化学电源电解电解金属腐蚀与防护金属腐蚀与防护本章内容：本章内容：第4页第4页Cu2+Zn Cu+Zn2+2e-电子流动是无序电子流动是无序热能热能化学能化学能在试管或烧杯中进行在试管或烧杯中进行不会产生电流。不会产生电流。4.1 原电池原电池第5页第5页装配成电池装配成电池电能电能化学能化学能第6页第6页原电池为何产生电流？原电池为何产生电流？负极（氧化半反应）：负极（氧化半反应）：Zn Zn2+2e-正极（还原半反应）：正极（还原半反应）：Cu 2+2e-Cu电子经导线有序流动，产生电流电子经导线有序流动，产生电流电电池反池反应应：Cu2+Zn Cu+Zn2+第7页第7页氧化剂与还原剂不直接接触，氧化剂与还原剂不直接接触，氧化半反应氧化半反应和还原半反应在空间上分开进行和还原半反应在空间上分开进行，通过外，通过外部导体传导电子，产生电流。部导体传导电子，产生电流。在原电池中发生氧化反应电极称之为在原电池中发生氧化反应电极称之为负极负极；发生还原反应电极称之为发生还原反应电极称之为正极正极。在电化学中但凡发生氧化反应电极都称之在电化学中但凡发生氧化反应电极都称之为为阳极阳极，发生还原反应电极称之为，发生还原反应电极称之为阴极阴极。原电池反应特点原电池反应特点:第8页第8页盐桥作用盐桥作用:负极负极：Zn Zn2+2e-正电荷积累，制止正电荷积累，制止Zn 放电，盐桥中放电，盐桥中Cl-移向负极，平衡电荷。移向负极，平衡电荷。正极正极：Cu 2+2e-Cu 正电荷消耗，盐桥中正电荷消耗，盐桥中K+移向正极，平衡移向正极，平衡电荷。电荷。普通是用饱和KCl，NH4NO3等盐和琼脂冻胶填充U型管，在电场作用下成为导体使电路导通。消除液接电位并避免不同溶液相互混合。第9页第9页Zn+Cu2=Zn2+Cu()Zn|Zn2+(c1)Cu2(c2)|Cu()3、原电池符号：、原电池符号：左负极“-”，右正极“+”，盐桥用 “”两相界面用“|”分开，同相不同物种用“,”分开，溶液注明cB、气体要注明pB 纯液体、气体加辅助电极，普通用Pt或石墨C，且纯液体、气体写在惰性电极一边，二者用“|”分开。书写原电池符号规则：书写原电池符号规则：第10页第10页原电池符号原电池符号:Zn|ZnSO4(1mol.dm-3)CuSO4(1mol.dm-3)|Cu左：负极左：负极cathode中：盐桥中：盐桥salt bridge右：正极右：正极anode相界面相界面浓度浓度负极写左边，正极写右边；按实际顺序用化学式负极写左边，正极写右边；按实际顺序用化学式从左至右依次排列出各个相构成及相态，即：从左至右依次排列出各个相构成及相态，即：负极负极|溶液溶液(C1)溶液溶液(C2)|正极正极 第11页第11页示例示例 Example:Pt|H2(P1)|HCl(c)AgCl|Ag左：负极左：负极cathode中：盐桥中：盐桥salt bridge右：正极右：正极anode相界面相界面第12页第12页电极：原电池中由电子导体和与该导体相接触溶液组成单元称之为一个电极。电极在电化学体系中起到提供反应场因此及参加反应两种作用(注意惰性电极不参加反应)。第一类电极：元素与含有这种元素离子溶液一起组成电极。(1)金属金属离子电极：Zn 2+|Zn；Cu 2+|Cu；Ni 2+|Ni(2)气体离子电极：H+|H2(g)|Pt 2H+2e-H2(g)Cl-|Cl2(g)|Pt Cl2(g)+2e-2Cl-4.1.2 电极类型电极类型:第13页第13页2、第二类电极：它包括、第二类电极：它包括(1)金属金属金属难溶盐电极：金属难溶盐电极：甘汞电极：甘汞电极：Cl-|Hg2Cl2(s)|Hg Hg2Cl2(s)+2e-2Hg(s)+2Cl-银氯化银电极：银氯化银电极：Cl-|AgCl(s)|Ag AgCl(s)+e-2 Ag(s)+Cl-(2)金属金属难溶金属氧化物电极：难溶金属氧化物电极：锑锑氧化锑电极：氧化锑电极：H+,H2O(g)|Sb2O3(s)|Sb Sb2O3(s)+6H+6e-2Sb+3H2O(g)电极类型电极类型:第14页第14页第三类电极第三类电极:氧化还原电极：氧化还原电极：MnO4-，Mn2+|Pt2 MnO4-+16H+10e-2Mn2+8 H2O电极类型电极类型:第15页第15页氧化态物质氧化态物质/还原态物质，比如：还原态物质，比如：Zn 2+/Zn；Cu 2+/Cu；Ni 2+/Ni；MnO4-/Mn2+;Hg2Cl2/Hg；AgCl/Ag H+/H2；Cl2/Cl-电对表示办法电对表示办法:第16页第16页4.2 电极电势电极电势:Electrode Potential4.2.1 电极电势产生电极电势产生4.2.2 电极电势测量电极电势测量4.2.3 影响电极电势原因影响电极电势原因4.2.4 电动势与电动势与G关系关系4.2.5 电极电势应用电极电势应用第17页第17页原电池能够产生电流原电池能够产生电流电子在原电池体系中定向运动电子在原电池体系中定向运动两个电极之间存在电势差两个电极之间存在电势差正极电势正极电势高高负极电势负极电势低低Ie-4.2.1 电极电势产生电极电势产生第18页第18页在一定条件下，每个电极都含有一个电在一定条件下，每个电极都含有一个电势，称为势，称为电极电势电极电势，表示为，表示为E(电对电对)，如：，如：E(Zn2+/Zn)；E(Cu2+/Cu)。电极电势电极电势E(电对电对)电动势电动势EE正正 E负负构成原电池两个电极之间电极电势差称构成原电池两个电极之间电极电势差称为为原电池电动势原电池电动势。第19页第19页电极电势电极电势产生：以锌片为例产生：以锌片为例 Zn2+第20页第20页M(s)溶解溶解沉积沉积Mn+(aq)+ne溶液溶液金属板金属板 当溶解与沉积速当溶解与沉积速度相等时，达到动态度相等时，达到动态平衡，形成双电层平衡，形成双电层(double electric layer)。在金属与溶液间在金属与溶液间由于电荷不均等产生由于电荷不均等产生了电势差。事实上双了电势差。事实上双电层结构溶液一侧，电层结构溶液一侧，由于离子热运动而呈由于离子热运动而呈现一个梯次分布，即现一个梯次分布，即形成扩散双电层结构。形成扩散双电层结构。2.电极电势产生电极电势产生双电层理论双电层理论第21页第21页4.2.2 电极电势电极电势测量测量单个电极电势无法直接测量单个电极电势无法直接测量要求要求E(H+/H2)0，以此为基准。，以此为基准。拟定其它电极拟定其它电极E。怎么怎么办？办？能测原电池电势能测原电池电势EE正正 E负负电位电位计计能够系统、定量比较所有电极电极电势大小能够系统、定量比较所有电极电极电势大小第22页第22页原则氢电极原则氢电极standard hydrogen electrodeH+(1mol.dm-3)|H2(105Pa)|Pt 2H+(1 mol.dm-3)+2e-H2(105Pa)要求要求E(H+/H2)0第23页第23页原则氢电极构成原则氢电极构成H+H2C(H+)=1mol.dm-3P(H2)=105Pa纯氢气纯氢气第24页第24页物质皆为物质皆为纯净物纯净物相关物质浓度为相关物质浓度为1molL-1涉及到气体分压为涉及到气体分压为100kPa待测电极处于原则态待测电极处于原则态所得电极电势即为原则电极电势，记为：所得电极电势即为原则电极电势，记为：E(Mn+/M)2.原则电极电势原则电极电势第25页第25页将待测电极与原则氢电极构成原电池，测定将待测电极与原则氢电极构成原电池，测定其电动势，即可拟定待测电极电极电势；若其电动势，即可拟定待测电极电极电势；若构成电极各种物质皆处于原则态，则称为原构成电极各种物质皆处于原则态，则称为原则电极电势，记为则电极电势，记为E Pt|H2(g,105Pa)|H+(1mol.dm-3)待测定电待测定电极极电极电势电极电势测量测量原则态：原则态：固体、液体为固体、液体为P 下纯物质；气体下纯物质；气体P=P 并并表现出抱负气体性质纯气体；溶液表现出抱负气体性质纯气体；溶液C =1mol.dm-3第26页第26页E(Cu2+/Cu)测量测量Pt|H2(g,105Pa)|H+(1mol.dm-3)Cu 2+(1mol.dm-3)|Cu测出测出E 0.342VE E(Cu2+/Cu)E(H+/H2)E(Cu2+/Cu)E E(H+/H2)0.342V0 0.342V第27页第27页E(Zn2+/Zn)测量测量Zn|Zn2+(1mol.dm-3)H+(1mol.dm-3)|H2(g,105Pa)|Pt测出测出E 0.762VE E(H+/H2)E(Zn2+/Zn)E(Zn2+/Zn)E(H+/H2)E 0 0.762V0.762V第28页第28页试验室惯用甘汞电极作试验室惯用甘汞电极作参参比电极比电极。以填补原则氢电。以填补原则氢电极使用不以便或在一些场极使用不以便或在一些场合不能应用缺点。合不能应用缺点。Hg|Hg2Cl2(s)|Cl-(饱和饱和)E(Hg2Cl2/Hg)=0.2410V甘汞电极甘汞电极CalomelReferenceElectrodesHg2Cl2第29页第29页第30页第30页教材第教材第399399页，附表页，附表1111298.15K298.15K、水溶液、原则态、水溶液、原则态第31页第31页 采用还原电势采用还原电势 待测电对与原则氢电极构成原电池，待测电对与原则氢电极构成原电池，待测电待测电对为正极对为正极，发生还原反应，发生还原反应 E小电对相应还原型物质还原性强小电对相应还原型物质还原性强 E 大电对相应氧化型物质氧化性强大电对相应氧化型物质氧化性强 E无加和性无加和性 Cl2(g)+2e 2Cl-(aq)E=1.36V Cl2(g)+e Cl-(aq)E=1.36V 一些电正确一些电正确 E 与介质酸碱性相关与介质酸碱性相关 酸性介质：酸性介质：EA；碱性介质：；碱性介质：EB。第32页第32页4.2.3影响电极电势原因影响电极电势原因电极电势大小取决于：电极电势大小取决于：物质本身性质物质本身性质溶液中离子浓度溶液中离子浓度气态物质分压气态物质分压温度温度物质状态等物质状态等第33页第33页E(电极电极)=E (电极电极)ln C(R)/C bRTC(O)/C azF 氧化态氧化态+z e-还原态还原态 或或 aO+ze-bR热力学研究指出离子活度、气体逸度和热力学研究指出离子活度、气体逸度和温度与上述电极电极电势关系为：温度与上述电极电极电势关系为：对于任一电极反应均可写成下面通对于任一电极反应均可写成下面通式：式：Nernst方程方程一、一、Nernst方程方程第34页第34页氧化型氧化型还原型还原型一侧一侧各物种各物种相对浓相对浓度幂度幂乘积乘积电对在某电对在某一浓度一浓度电极电势电极电势电对原则电极电势摩尔气摩尔气体常数体常数热力学热力学温度温度电极反应电极反应中转移电中转移电子数子数法拉第法拉第常数常数电极反应：氧化型电极反应：氧化型 +z ze 还原型还原型第35页第35页 z 在在 E 和和 E电极电极 中取值差别；中取值差别；Ox，Red 包括参与电极反应包括参与电极反应所有物质所有物质；参与电极反应物质有参与电极反应物质有纯固纯固/液体，液体，其浓度以其浓度以“1”代入；溶液中物质用代入；溶液中物质用“c/c”表示；表示；若电极反应中有若电极反应中有气体气体参与，其浓度用参与，其浓度用“p/p ”表示。表示。正确书写正确书写Nernst方程方程:第36页第36页二、二、Nernst equation 应用应用例例2 计算计算298.15K时，时，P(O2)P、中性溶液、中性溶液中氧电极电极电势。中氧电极电极电势。解：解：电极反应为：电极反应为：O2(g)+2H2O+4e-4OH-(P(O2)/P)E(O2/OH-)=E(O2/OH-)+(0.0592V/4)lgc(OH-)/c04=0.401V+(0.0592/4)lg(1/110-7)4V查表知查表知 E (O2/OH-)0.401V 中性溶液中性溶液C(OH-)110-7moldm-3=+0.815V (P(O2)/P)E(O2/OH-)=E(O2/OH-)+(0.0592V/4)lgc(OH-)/c04=0.401V+(0.0592/4)lg(1/110-7)4V (P(O2)/P)E(O2/OH-)=E(O2/OH-)+(0.0592V/4)lgc(OH-)/c04=0.401V+(0.0592/4)lg(1/110-7)4V (P(O2)/P)E(O2/OH-)=E(O2/OH-)+(0.0592V/4)lgc(OH-)/c04=0.401V+(0.0592/4)lg(1/110-7)4V (P(O2)/P)E(O2/OH-)=E(O2/OH-)+(0.0592V/4)lgc(OH-)/c04=0.401V+(0.0592/4)lg(1/110-7)4V第37页第37页例例3 计算计算Cr2O72-/Cr3+电对在电对在pH=1和和pH=6时电极电势。时电极电势。298.15K时，设时，设c(Cr2O72-)=c(Cr3+)=1moldm-3。解：解：Cr2O72-+14H+6 e =2Cr3+7H2O E(Cr2O72-/Cr3+)=E(Cr2O72-/Cr3+)+(0.0592V/6)lgc(Cr2O72-)/cc(H+)/c14c(Cr3+)/c2=+1.23V+(0.0592V/6)lg c(H+)/c14=+1.23V0.138pH当当pH=1时，时，E(Cr2O72-/Cr3+)1.062V当当pH=6时，时，E(Cr2O72-/Cr3+)0.402V第38页第38页1、pH值对电极电势影响值对电极电势影响pHE(O2/OH-)pHE(Cr2O72-/Cr3+)14+0.401V(E)6 +0.402V 7+0.815V 1 +1.062VO2(g)+2H2O+4e-4OH-0+1.23V(E0)Cr2O72-+14H+6e-=2Cr3+7H2O结论：结论：高高低低小小大大高高低低小小大大氧化物（氧化物（MnO2、PbO2）、含氧酸及其盐）、含氧酸及其盐(KMnO4、KClO3)pH减小减小(酸度增大酸度增大)，电极，电极电势增长，氧化能力增强。电势增长，氧化能力增强。第39页第39页2、生成沉淀对电极电势影响、生成沉淀对电极电势影响例例4 向银电极向银电极 Ag+(1mol.dm-3)|Ag中加入中加入NaCl溶溶液产生沉淀后液产生沉淀后C(Cl-)=1.0mol.dm-3，问此时电极电，问此时电极电势是多大（势是多大（298.15K）？）？解：解：电极反应为：电极反应为：Ag+e-AgE(Ag+/Ag)=E(Ag+/Ag)+0.0592V lgc(Ag+)/c由于：由于：Ag+Cl -AgCl(s)C(Ag+)=Ks(AgCl)/c(Cl-)=1.810-10/1.0=1.810-10当当C(Cl-)=1.0mol.dm-3E(Ag+/Ag)=+0.80+0.0592V lg1.810-10=+0.22V由于生成沉淀，由于生成沉淀，c(Ag+)大大减少，大大减少，E(Ag+/Ag)也也大大减少大大减少第40页第40页3、生成离子对电极电势影响、生成离子对电极电势影响例例5 向铜电极向铜电极 Cu2+(1mol.dm-3)|Cu中通入氨气，当中通入氨气，当c(NH3)=1.0mol.dm-3，问此时电极电势是多大？，问此时电极电势是多大？解：解：Cu2+4 NH3 Cu(NH3)42+c(Cu2+)c(NH3)4 cCu(NH3)42+K稳稳=2.091013由于由于K稳稳很大，可认为很大，可认为cCu(NH3)42+1mol.dm-3。c(Cu2+)=（12.091013）mol.dm-3E(Cu2+/Cu)=E0(Cu2+/Cu)+(0.0592V/2)lgc(Cu2+)/c0=0.340V+(0.0592V/2)lg(1/2.091013)=-0.054V通入氨气后，形成配离子，减少了通入氨气后，形成配离子，减少了c(Cu2+)，引起，引起E(Cu2+/Cu)减小，铜还原性增强，更容易被腐蚀。减小，铜还原性增强，更容易被腐蚀。第41页第41页4.2.4 电动势电动势E与与G关系关系-D DrG=Welec,maxWelec,max=Q.E=zx xFEF96485Cmol-1法拉弟常数，即法拉弟常数，即1mol电电子所携带电量。子所携带电量。D DrGm=-zFE或或D DrGm=-zFE原电池产生电流，对环境做电功。热力学证实：原电池产生电流，对环境做电功。热力学证实：在等温等压下封闭体系中进行可逆过程，其吉在等温等压下封闭体系中进行可逆过程，其吉布斯自由能减小布斯自由能减小-D DrG等于原电池也许做最大电等于原电池也许做最大电功功Wmax(非体积功或有用功非体积功或有用功)。第42页第42页公式公式 应用应用示例示例D DrGm=-zFE原则态下电池反应原则态下电池反应Cu(s)+Cl2(g)=Cu2+2Cl-设计成原电池，设计成原电池，求出在求出在298.15K时该反应时该反应E和和D DrGm解：铜电极发生氧化反应为负极，氯气电极发生还原反应解：铜电极发生氧化反应为负极，氯气电极发生还原反应为正极为正极 Cu|Cu2+(1mol.dm-3)|Cl-(1mol.dm-3)|Cl2(105Pa)|Pt E=E(正正)-E(负负)=E(Cl2/Cl-)-E(Cu2+/Cu)=1.36V-0.34V=1.02VD DrGm=-zF E=-296485C.mol-11.02V =-1.97102kJ.mol-1第43页第43页4.2.5 电极电势应用电极电势应用氧化剂和还原剂相对强弱比较氧化剂和还原剂相对强弱比较氧化还原方向判断氧化还原方向判断氧化还原反应进行程度衡量氧化还原反应进行程度衡量第44页第44页一、氧化剂和还原剂相对强弱比较一、氧化剂和还原剂相对强弱比较E（O/R)O氧化能力氧化能力 R还原能力还原能力强强强强大大弱弱弱弱小小第45页第45页E0增增大大氧氧化化能能力力增增强强F2(g)+2e-2F-+2.87PbO2(s)+SO42-(aq)+4H+2e-PbSO4(s)+HO +1.692HOCl(aq)+2H+(aq)+2e-Cl2(g)+2H20 +1.63MnO4-aq)+8H+(aq)+5e-Mn2+(aq)+4H20 +1.51PbO2(s)+4H+(aq)+2e-Pb2+(aq)+2H2O +1.46BrO3-(aq)+6H+(aq)+6e-Br-(aq)+3H2O +1.44Au3+(aq)+3e-Au(s)+1.42Cl2(g)+2e-Cl-(aq)+1.36O2(g)+4H+(aq)+4e-2H2O +1.23Br2(aq)+2e-2Br-(aq)+1.07NO3-(aq)+4H+(aq)+3e-NO(g)+2H2O +0.96Ag+(aq)+e-Ag(s)+0.80Fe3+(aq)+e-Fe2+(aq)+0.77I2(s)+2e-2I-(aq)+0.54NiO2(aq)+4H+(aq)+3e-Ni(OH)2(s)+2OH-(aq)+0.49Cu2+(aq)+2e-Cu(s)+0.34强氧化剂强氧化剂第46页第46页Standard Half-Cell Reduction Potentials at 25 CHalf-Reaction E(V)2H+(aq)+2e-H2(g)0.00Sn2+(aq)+2e-Sn(s)-0.14Ni2+(aq)+2e-Ni(s)-0.25Co2+(aq)+2e-Co(s)-0.28PbSO4(s)+2e-Pb(s)+SO42-0.36Cd2+(aq)+2e-Cd(s)-0.40Fe2+(aq)+2e-Fe(s)-0.44Cr3+(aq)+2e-Cr(s)-0.74Zn2+(aq)+2e-Zn(s)-0.832H2O(aq)+2e-H2(g)+2OH-(aq)-1.66E0减减小小R还还原原性性增增强强较强还原剂较强还原剂第47页第47页二、氧化还原方向判断二、氧化还原方向判断 0正反应自发进行正反应自发进行 D DrGm=0E=0达到平衡达到平衡0 0.2V，E 0，反应正向进行反应正向进行 E -0.2V，E 0，反应逆向进行反应逆向进行 -0.2V E 0.2V，用用E判断判断第49页第49页H3AsO4+2I-+2H+HAsO2+I2+2H2O强酸性介质强酸性介质强碱性介质强碱性介质0.53550.0861.010-8碱性碱性0.53550.604.0酸性酸性反应方反应方向向(I2/I-)VE(H3AsO4/HAsOV2)c(H+)mol L-1介质介质E酸度酸度 对于一些有含氧酸及其盐参与氧化还原对于一些有含氧酸及其盐参与氧化还原反应反应,溶液酸度有也许造成反应方向改变溶液酸度有也许造成反应方向改变第50页第50页砷酸及其盐与碘反应砷酸及其盐与碘反应 酸性介质，即酸性介质，即c(H+)=46mol L-1反应式为：反应式为：H3AsO4+2I-+2H+HAsO2+I2+2H2O 碱性介质，即碱性介质，即 c(H+)=1.010-8 mol L-1反应式为：反应式为：AsO2+I2+4OH-AsO4 +2I-+2H2O3-第51页第51页(2)(2)氧化还原反应进行顺序氧化还原反应进行顺序反应首先发生在电极电势差值较大两个电对反应首先发生在电极电势差值较大两个电对之间之间 在在等等浓浓度度Br-和和I-混混合合溶溶液液中中加加入入Cl2 ,哪种离子先被氧化哪种离子先被氧化?0.53551.0651.3583I2/I-Br2/Br-Cl2/Cl-电对电对EE (Cl2/Cl-)-E (Br2/Br-)E (Cl2/Cl-)-E (I2/I-)反应首先在反应首先在Cl2 和和I-之间进行之间进行第52页第52页三、氧化还原反应进行程度衡量三、氧化还原反应进行程度衡量rGm -RTlnK rGm -zFE lnK zFE/RTOr:lgK zE/0.0592V第53页第53页2Ag+Cd 2Ag+Cd2+What is the K for this reaction?Example:E=E(Ag+/Ag)E(Cd2+/Cd)=0.800V(-0.403V)=1.203VlgK zE/0.0592VlgK 2 1.203V/0.0592V40.71K 5.151040第54页第54页例：反应：例：反应：Pb2+Sn=Pb+Sn2+,计算平衡常计算平衡常数；若反应开始时数；若反应开始时(Pb2+）=2.0mol L-1,计算计算达平衡时达平衡时Pb2+和和Sn2+浓度。浓度。lg =K0.0592V 0.0592z z (+)-(-)2(-0.126)-(-0.136)EE=0.34 解解E(Pb2+/Pb)=-0.126V(Sn2+/Sn)=-0.136VE=2.2Kc(Sn2+)=1.4 mol L-1 ，c(Pb2+)=0.6 mol L-1第55页第55页1.当当z =2时时极小极小很完全很完全反应进行程度反应进行程度61060.2V(氧化剂氧化剂)-(还原剂还原剂)KEE例例 H2O2+2Fe2+2H+2H2O+2Fe3+E(H2O2/H2O)-(Fe3+/Fe2+)E=1.763V-0.771V=0.992V0.2Vlg =33.50.0592V 0.0592V 20.992Vz z EKK=3.21033第56页第56页例例 2Fe2+2H+2Fe3+H2E(H+/H2)=0V,E(Fe3+/Fe2+)=0.771VKEz z lg =-26.00.0592V 0.0592V 2(-0.771)VK=1.010-26反应进行程度很小第57页第57页(3)电极电势相对大小不能判断反应电极电势相对大小不能判断反应速率大小速率大小2MnO4+5Zn+16H+2Mn2+5Zn2+8H2OK=2.710383EE(MnO4/Mn2+)=1.51V(Zn2+/Zn)=-0.7626V-由由K 看来，反应可进行得很完全。看来，反应可进行得很完全。但试验证实但试验证实:若用纯若用纯Zn与与KMnO4反应，反应，反应很慢反应很慢，只有在只有在 Fe3+催化下催化下，反应反应才明显进行才明显进行第58页第58页3)3)元素原则电极电势图及其应用元素原则电极电势图及其应用定义：把同一元素不同氧化数物质所对应电正确标准电极电势，按各物质氧化数由高到低次序排列，并在两种物质之间标出对应电正确标准电极电势AO2 H2O2 H2O0.695 1.7631.229E/VEB/VO2 HO2 H2O-0.076 0.8670.401-第59页第59页应用应用：1123z、z1、z2、z3 分别为各电对中氧化型分别为各电对中氧化型 与还原型氧化数之差与还原型氧化数之差 EEEE A B C Dz1 z2 z3 zz =z1 +z2 +z3 EEEE=z1 +z2 +z3 zEEEE计算电对原则电极电势第60页第60页计算电对原则电极电势应用应用：1=z1 +z2 +z3 zEEEE(BrO-/Br2)=z2 z4 (BrO-/Br-)-z3 (Br2/Br-)=(20.76-11.605)V1=0.455VEEEz4 BrO3 BrO-Br2 Br-z1 z2 z3?1.6050.760.61z例例1E/VB第61页第61页应用应用：2反应反应 2Cu+Cu2+Cu当一个元素处于中间氧化数时当一个元素处于中间氧化数时,它一部分向高它一部分向高氧化数状态改变氧化数状态改变(被氧化被氧化),),另一部分向低氧化另一部分向低氧化数状态改变数状态改变(被还原被还原)，这类反应称为歧化反应，这类反应称为歧化反应判断能否发生歧化反应判断能否发生歧化反应E(Cu2+/Cu+)=0.159VE(Cu+/Cu)=0.520V Cu2+Cu+Cu0.159 0.520 0.340E/VA结论结论:(右右)(左左),Cu+易发生歧化反易发生歧化反应应 EE第62页第62页解释元素氧化还原特性解释元素氧化还原特性应用应用：34Fe2+O2+4H+4Fe3+2H2O Fe2+在空气中不稳定在空气中不稳定,易被空气中氧氧化为易被空气中氧氧化为Fe3+。E/VA Fe3+Fe2+Fe0.771 -0.44 如如 (2)E (O2/H2O)=1.229V E (Fe3+/Fe2+)第63页第63页解释元素氧化还原特性解释元素氧化还原特性应用应用：3故故Fe2+不会发生歧化反应不会发生歧化反应可发生歧化反应逆反应可发生歧化反应逆反应在在Fe2+盐溶液，加入少许金属铁能盐溶液，加入少许金属铁能避免避免Fe2+被被空气中氧气氧化为空气中氧气氧化为Fe3+Fe+2Fe3+3Fe2+如如E/VA Fe3+Fe2+Fe0.771 -0.44 第64页第64页锰电势图锰电势图E /V AE /V B 0.56 2.24 0.95 1.5 -1.181.701.231.51MnO4 MnO4 MnO2 Mn3+Mn2+Mn_2-_MnOMnO4 4 MnOMnO4 4 MnOMnO2 2 MnMn(OHOH)3 3 MnMn(OHOH)2 2 MnMn 0.56 0.62 -0.25 0.15 -1.560.60-0.052-酸性溶液中酸性溶液中,Mn3+、MnO4 易发生易发生歧化反应歧化反应2-3MnO4 +4H+2MnO4 +MnO2 +2H2O 2Mn3+2H2O Mn2+MnO2 +4H+2-第65页第65页锰电势图锰电势图E /V AE /V B 0.56 2.24 0.95 1.5 -1.181.701.231.51MnO4 MnO4 MnO2 Mn3+Mn2+Mn_2-_MnOMnO4 4 MnOMnO4 4 MnOMnO2 2 MnMn(OHOH)3 3 MnMn(OHOH)2 2 MnMn 0.56 0.62 -0.25 0.15 -1.560.60-0.052-酸性溶液中酸性溶液中,Mn3+、MnO4 易发生歧化反应易发生歧化反应2-酸性溶液中酸性溶液中,Mn2+2+稳定稳定,不易被氧化或还原不易被氧化或还原碱性溶液中碱性溶液中,Mn(OH)2易被空气中氧氧化易被空气中氧氧化酸性溶液中酸性溶液中,MnO4、MnO2有强氧化性有强氧化性-第66页第66页4.3 化学电源化学电源 Batteries电池种类电池种类:干电池干电池Zn-MnZn-Mn蓄电池蓄电池PbPb酸酸燃料电池燃料电池 氢氧电池氢氧电池碱性电池碱性电池 镍电池镍电池酸性电池酸性电池 铅酸铅酸中性电池中性电池 Zn-NH Zn-NH4 4ClCl第67页第67页4.3.1 干电池干电池(一次电池一次电池)第68页第68页Zn|ZnCl2,NH4Cl(糊状糊状)|MnO2|C(石墨石墨)负极反应：负极反应：Zn(s)Zn2+2e正极反应：正极反应：2MnO2(s)+2NH4+2eMn2O3(s)+2NH3+H2O电池总反应：电池总反应：Zn(s)+2MnO2(s)+2NH4+Zn2+Mn2O3(s)+2NH3+H2O电动势电动势1.5V 稳定性差稳定性差干电池符号及反应干电池符号及反应第69页第69页4.3.2 蓄电池蓄电池(二次电池二次电池)第70页第70页负极：负极：Pb+SO42-=PbSO4+2e-正极：正极：PbO2+SO42-+4H+2e-=PbSO4+2H2O 电池总反应：电池总反应：Pb+PbO2+2SO42-+4H+=2PbSO4+2H2O铅蓄电池放电过程：铅蓄电池放电过程：铅蓄电池充电过程：铅蓄电池充电过程：阴极：阴极：PbSO4+2e-Pb+SO42-阳极：阳极：PbSO4+2H2O PbO2+SO42-+4H+2e-电池总反应：电池总反应：2PbSO4+2H2O Pb+PbO2+2SO42-+4H+第71页第71页 单体铅酸电池电动势单体铅酸电池电动势2.1V，可逆性好，稳定，放，可逆性好，稳定，放电电流大，价廉，笨重。电电流大，价廉，笨重。惯用作汽车启动电源，坑道、矿山和潜艇动力电惯用作汽车启动电源，坑道、矿山和潜艇动力电源，以及变电站备用电源。源，以及变电站备用电源。铅蓄电池性能和用途：铅蓄电池性能和用途：第72页第72页4.3.3 新型燃料电池新型燃料电池 Fuel Cells第73页第73页(1)定义：直接将燃料燃烧化学反应化学能转定义：直接将燃料燃烧化学反应化学能转化为电能装置。化为电能装置。(2)特点：能量转化率高、污染小、工作期间特点：能量转化率高、污染小、工作期间连续输入氧化剂与还原剂。连续输入氧化剂与还原剂。(3)电池电池:Ni|H2|KOH(7.0mpl.dm-3)|O2|Ag负极反应负极反应:2H2+4OH-=4H2O+4e正极反应正极反应:O2+2H2O+4e=4OH-电池反应电池反应:2H2+O2=2H2O E=1.229V一、一、燃料电池：燃料电池：第74页第74页电动汽车Electric automobile：Honda Insight HEVToyota Prius HEV 为处理能源危机和理能源危机和环境境污染染问题，发达国家达国家自自20世世纪末末纷纷开始了开始了电动汽汽车研制工作，研制工作，电动汽汽车在美、日、德等国家先后出在美、日、德等国家先后出现。第75页第75页日本大发工业11月3日在第38届东京汽车展上，展出了首款混合动力型轻型商用车“New HIJET CARGO Hybrid”。第76页第76页美国通用汽车最新氢燃料电池车雪佛兰第77页第77页铃木SX4氢燃料电池汽车 第78页第78页与老式汽车相比，与老式汽车相比，燃料电池汽车含有下列长处：燃料电池汽车含有下列长处：1、零排放或近似零排放。、零排放或近似零排放。2、减少了机油泄露带来水污染。、减少了机油泄露带来水污染。3、减少了温室气体排放。、减少了温室气体排放。4、提升了燃油经济性。、提升了燃油经济性。5、提升了发动机燃烧效率。、提升了发动机燃烧效率。6、运营平稳、无噪声、运营平稳、无噪声 第79页第79页纯电动汽车单独依托蓄电池提供动力源。价格高昂，且充电时间较长。混合动力汽车通过发动机和电池交互使用，延长行驶里程。东风电动混合动力客车，耗油量较老式客车低30，减少排放5070。燃料电池汽车依托燃料电池组提供动力，属于零排放汽车。8月，由上汽、同济大学、信息产业部21世纪研究所合作开发轿车样车“超越一号”已试制成功。年5月能完毕第二代产品，到20，将推出含有产业化特性第三代产品，并与上汽自主开发整车产品对接。电动汽车主要有三种类型：电动汽车主要有三种类型：第80页第80页二、高能电池二、高能电池 含有高含有高含有高含有高“比能量比能量比能量比能量”和高和高和高和高“比功率比功率比功率比功率”电电电电池池池池(1)特点：特点：高比能量、高比功率高比能量、高比功率(2)常见类型常见类型:锂锂-MnO2非水电解质电池非水电解质电池 Li|LiClO4|MnO2|C(石墨石墨)E=2.69V 钠钠-硫电池硫电池 Na|Na2S5|S E=2.08V第81页第81页4.4电解电解Electrolysis电解现象：电解现象：电镀电镀电抛光及电解加工电抛光及电解加工阳极氧化阳极氧化第82页第82页电解：电解：将直流电通过电将直流电通过电解液使电极上发生氧化还解液使电极上发生氧化还原反应过程叫电解。原反应过程叫电解。电解池电解池electrolytic cell：将电能转变成为化学能装将电能转变成为化学能装置置非自发地进行氧化还非自发地进行氧化还原反应原反应D DG 0。(环境对体环境对体系做功系做功)4.4.1 电解现象电解现象electrolysis of water第83页第83页Electric Energy Chemical Change电解电解 Electrolysis of Aqueous NaOH 阴极：阴极：H4e-2H2阳极：阳极：4OH-=O2(+2H2O+4e-总反应：总反应：2H2O 2H2 O2 NaOH阳阳阴阴电解电解NaOH溶液，事实上就溶液，事实上就是电解水，是电解水，NaOH作用作用是增是增强溶液导电性。强溶液导电性。第84页第84页一、分解电压：一、分解电压：使电解过程能顺使电解过程能顺利进行所必须最小利进行所必须最小外加电压称为分解外加电压称为分解电压，惯用符号电压，惯用符号Eb,max或或E分分。1.7V第85页第85页产生分解电压原因：产生分解电压原因：反电动势反电动势正极：正极：2H2O+O2(g)+4e-=4OH-负极：负极：2H2=H4e-电池反应：电池反应：2H2(g)+O2(g)=2H2O 在电解过程进行时在电解过程进行时,电极上产物与电解池溶液构成原电电极上产物与电解池溶液构成原电池池,其电动势与外加电源电势方向相反其电动势与外加电源电势方向相反,这种电动势称为这种电动势称为反电动势反电动势。比如比如,用用Pt作惰性导体电解作惰性导体电解0.1moldm-3 NaOH溶液，阳溶液，阳极上析出极上析出O2,阴极上析出氢，阴极上析出氢，O2和和H2构成电池构成电池:PtH2(g)NaOH(0.1moldm-3)O2(g)Pt电池电动势与工作电池