修改版——浅谈电极电势的理解和应用.doc

编号： 119060141011

内蒙古民族大学化学化工学院
本科生学年论文

题 目： 浅谈对电极电势的理解和应用
专 业： 化学
年　　级：　　 2011级
姓 名： 郭学良
指导教师： 赵玉英导师
完成日期： 2013 年 6 月 1 日
浅谈对电极电势的理解和应用

郭学良

摘要
化学反应可以分为两大类：氧化还原反应和非氧化还原反应，因此可以说氧化还原反应是无机化学学习中最重要的一类反应；而标准电极电势是氧化还原反应很好的定量标度，因此我们就有必要对标准电极电势进行必要的解析和研究。而对于初入门的化学学习者来说，深入的了解电极电势可以从电极电势与电动势的关系、电极电势的能特斯方程、影响电极电势的因素、电极电势的图示法……这几方面入手，接下来我们就从这几方面展开讨论。

关键词：标准电极电势 氧化还原反应 拉提莫图 能特斯方程
引言
标准电极电势是氧化还原反应很好的定量标度，氧化还原反应是无机化学学习中最重要的一类反应，对了解各种元素及其物质的性质及其联系有着重要的意义。因此我们就有必要对标准电极电势进行必要的解析和研究。而对于初入门的化学学习者来说，深入的了解电极电势可以从电极电势与电动势的关系、电极电势的能特斯方程、影响电极电势的因素、电极电势的图示法……这几方面入手，接下来我们就从这几方面展开讨论。

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浅谈对电极电势的理解和应用
一、 电极电势与电动势的关系
要想了解电极电势与电动势的关系，首先需要明白这两者的概念；
1) 电动势：大小等于非静电力把单位正电荷从电源的负极，经过电源内部移到电源正极所作的功。如设W为电源中非静电力(电源力)把正电荷量q从负极经过电源内部移送到电源正极所作的功，则电动势大小为E=W/q。
2) 电极电势：当金属放入盐溶液中，溶液中的金属离子受到金属表面电子的吸引而在金属表面面积形成双电层，双电层之间的电势差就是相应电极的电极电势。
3) 标准电极电势：单个电极的的电极电势是无法测定的，根据IUPAC建议采用标准氢作为标准电极，给定电极电势与标准电极电势所组成的原电池的电动势即为该电极的标准电极电势。
从定义可以看出电动势与电极电势是有联系的，即当指定的电极与标准氢电极构成原电池时，指定电极电势大小的绝对值与原电池的电动势的大小相等。但这两者是不同的概念：
1) 电动势大小等于原电池两电极电势之差；而单个电极的电势是无法求得的，标准电极电势大小等于指定电极的电势与标准氢电极E（H+/H2）电势的差值。
2) 电动势只有正值；而标准电极电势可以有负值。
3) 电动势的对象是原电池；标准电极电势的对象时单个电极。
电动势是我们熟悉的定义，通过电极电势与电动势的对比，可以增进我们对电极电势概念的理解，对于初学者来说只有熟悉了电极电势的概念，下一步的讨论才有意义。
二、 电极电势的能特斯方程
1. 首先我们看一下电动势的能特斯方程
对于电池反应 aA+bB=cC+dD,有化学等温式
△rGm=r Gθm+RTln([C]c[D]d/[A]a[B]b) （1）
将△rGm=-zEF和rGm=-zEθF代入（1）中
得-zEF=-zEθF+RTln([C]c[D]d/[A]a[B]b) （2）
故有E=Eθ-(RT/zF)ln([C]c[D]d/[A]a[B]b) （3）
换底，得E=Eθ (2.303RT/zF)lg([C]c[D]d/[A]a[B]b) （4）
298K时，有E=Eθ-(0.059V/z)lg([C]c[D]d/[A]a[B]b) （5）
即E=Eθ-(0.059V/z)lgQ （6）
2. 电极电势的能特斯方程
将电池反应aA+bB=cC+dD 分成两个半反应
正极 aA=cC A:氧化型 C:还原型
负极 dD=bB D:氧化型 B:还原型
其电子转移数为z。则电池反应电动势的能特斯方程为
E=Eθ –(0.059V/z)lg([C]c[D]d/[A]a[B]b) （7）
将其改写成如下形式
E+-E–=（Eθ+ –Eθ- )-0.059V/zlg([C]c[D]d/[A]a[B]b) （8）
将正极和负极的数据分别归在一起，得
E+-E-=（Eθ++0,059Vlg([A]a/[C]c)-(E+0.059V/zlg([D]d/[B]b)) （9）
对应有 E+=Eθ++0.059V/zlg([A]a/[C]c) （10）
E-=Eθ-+0.059V/zlg([D]d/[B]b) （11）
一般关系式为 E=Eθ +0.059V/zlg([氧化型]/[还原型]) （12）
式（12）即电极电势的能特斯方程。它反映的是非标准电极电势和标准电极电势在298K时的关系，同时还反映了电极电势与浓度的关系。
换句话说：只要知道了原电池中相应的浓度就可以根据能特斯方程求出给定电极在非标准状态下的电极电势进而可以判断反应进行的程度与可能性。
三、 影响电极电势的因素
根据课本我们已经知道影响电极电势的因素主要有酸度、沉淀物生成与配位化合物的生成三个方面。这三个方面已经得到了前人的证明，在此无需重复，对于我们初学者来说如何更好地理解这三个因素对电极电势的影响才是我们需要做的。那么如何更好地理解这三个方面对电极电势的影响呢？下面以酸度和浓度对电极电势的影响为例来进行介绍：
1． 能特斯公式分析法
前面我们已经对电极电势的能特斯方程进行过讨论，我们知道电极电势的能特斯方程反映了电极电势与浓度的关系，而能特斯方程我们也已经有所了解，所以我们可以通过对能特斯方程的进一步的分析来从理论上了解浓度与电极电势的关系。首先我们以最简单的铜锌原电池为例：
E=φCu2+/Cu-φZn2+ / Zn （1）
φCu2+/Cu=φθCu2+/Cu+ 0.059 2/2 lg［Cu2+］ （2）
φZn2+/ Zn=φθ Zn2+/ Zn+ 0.059 2/2 lg［Zn2+］ （3）
E=Eθ- 0.059 2/2 lg［Zn2+］/［Cu2+］ （4）
根据能特斯方程我们可以得到相应的二元函数图像；以1mol/L的ZnSO4和1mol/L的CuSO4溶液的电动势E1为参考标准。由式子（4）和相应的函数曲线可得当Zn2+浓度不变，Cu2+浓度增大时E的值的变换规律，同理可得当Cu2+浓度不变，Zn2+增大时E值的变换规律。
2.实验分析法
根据能特斯方程所得到的结论我们通过设计实验来进行验证，改变Zn2+和Cu2+的浓度的方法主要有三种：加水稀释、形成沉淀、形成配离子。因此我们可以设计实验反别进行探讨，并与理论分析的结果进行比对。
以铜锌原电池进行试验试验思路为：
1. 测定ZnSO4和CuSO4溶液浓度均是1 mol/L时电池电动势E0，作为比较电动势变化情况的参考标准.并与理论值进行对比，如不一致分析原因。
2. 加水稀释，使ZnSO4或CuSO4的浓度由1.0 mol/L 变为0.1 mol/L；分别向ZnSO4或CuSO4溶液中滴加氨水形成Cu2（OH）2SO4或Zn（OH）2沉淀，再继续滴加过量氨水可形成［Cu（NH3）4］2 +或［Zn（NH3）4］2 +配离子. 分别测量每组实验的电动势，记录实验数据。
3. 对实验数据进行分析，比较实验数据与理论值的异同，并分析原因。
当然以上仅是我对如何更好地了解浓度与酸度对电极电势的影响而发表的一些看法，我认为通过能特斯方程的推导和作图，可以从理论上了解浓度与酸度与电极电势的关系，然后通过我们学生自己设计实验、完成实验、分析实验。我可以更好地了解理论与实践的联系与差别，我认为通过以上方法可以让学生对电极电势有一个完美的了解。
四、 电极电势的图示法
在无机化学下册的学习中，总会听到身边的同学会有这样的疑问：“无机化学下册的知识点太散，联系性太差，学习起来过于困难”刚开始学习的过程中我也曾有过这样的疑问，一度困惑过，后来我发现在每一章的开始的地方总会有拉提莫图，因此我又重新复习了电极电势图示法中有关于拉迪莫图的内容，我发现当明白了拉迪莫图后，对于集中而全面地了解某一种元素的相关氧化态有着很大的帮助。因此我们也有必要对拉提莫图进行分析和总结。
电极电势的图示法常用的有拉提莫图、弗罗斯特图与泡佩克斯图三种，对于我们初学者来说可以从最简单的表示方法拉提莫图开始学习。
拉提莫图又称元素电势图，指在特定的PH条件下，将元素各种氧化数的存在形式依氧化数降低的顺序从左向右排成一行，用线段将各种氧化态连接起来，在线段上写出其两端的氧化态所组成的电对φA值，即为该PH下该元素的元素电极电势图。
我们以碘在酸性和碱性条件下的元素电势图为例进行说明：

根据电极电势我们可以看出某些酸的强弱以及非强酸在给定的PH条件下的解离方式。如上图我们可以判断：高碘酸在酸性介质中以分子态H5IO6形式存在，故而可以判断高碘酸不是强酸，再看碘元素在PH=14的碱性条件下，H5IO6将解离出两个氢原子，以H3IO62-形式存在。
其次可以根据已知电对的电极电势求某未知电对的电极电势，如下图所示：

而元素电势图的另一个重要应用就是判断歧化反应能否发生。

换句话说：无机化学第二册的知识点杂乱繁多，我们可以借助拉提莫图来进行某一元素知识点的总结和概括，元素电势图能提供给我们的信息很多，如果在加上一些旁注的话，便可以表达一整章的内容。相信经过我对电极电势的总结可以对我们对接下来的学习有所帮助。
小结
电极电势作为氧化还原反应的量度，对无机化学的学习的意义非凡。在这篇论文中通过分析电极电势的学习过程总结了大学生对于学习方法的应用，通过对标准电极电势和电动势的对比深入了解电极电势的概念，通过能特斯方程的理论解析和实验数据相结合，深入的学习电极电势与反应物浓度的关系，通过电极电势的图示法的探究，深入的学习和分析电极电势的应用范围。通过对电极电势的深入分析，可以帮助我们理清无机化学学习的思路，理解化学反应的原理，让我们从更深一层上理解氧化还原反应的的实质。
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