实验五 氧化还原反应与电极电势

实验五 氧化还原反应与电极电势
一、实验目的
1、掌握电极电势对氧化还原反应的影响。

2、定性观察浓度、酸度对电极电势的影响。

3、定性观察浓度、酸度、温度、催化剂对氧化还原反应的方向、产物、速度的影响。

4、通过实验了解原电池的装置。

二、实验原理
氧化剂和还原剂的氧化、还原能力强弱，可根据她们的电极电势的相对大小来衡量。

电极电势的值越大，则氧化态的氧化能力越强，其氧化态物质是较强氧化剂。

电极电势的值越小，则还原态的还原能力越强，其还原态物质是较强还原剂。

只有较强的氧化剂才能和较强还原剂反应。

即φ氧化剂-φ还原剂﹥0时，氧化还原反应可以正方向进行。

故根据电极电势可以判断氧化还原反应的方向。

利用氧化还原反应而产生电流的装置，称原电池。

原电池的电动势等于正、负两极的电极电势之差：E = φ正-φ负。

根据能斯特方程：
]
[][lg 0591.0还原型氧化型半⨯+=n θϕϕ 其中[氧化型]/[还原型]表示氧化态一边各物质浓度幂次方的乘积与还原态一边各物质浓度幂次方乘积之比。

所以氧化型或还原型的浓度、酸度改变时，则电极电势φ值必定发生改变，从而引起电动势E 将发生改变。

准确测定电动势是用对消法在电位计上进行的。

本实验只是为了定性进行比较，所以采用伏特计。

浓度及酸度对电极电势的影响，可能导致氧化还原反应方向的改变，也可以影响氧化还原反应的产物。

三、仪器和药品
仪器：试管，烧杯，伏特计，表面皿，U 形管
药品：2 mol·L -1 HCl ，浓HNO 3， 1mol·L -1 HNO 3，3mol·L -1HAc ，1mol·L -1 H 2SO 4，3mol·L -1 H 2SO 4，0.1mol·L -1 H 2C 2O 4，浓NH 3·H 2O （2mol·L -1），6mol·L -1NaOH ，40%NaOH 。

1mol·L -1 ZnSO 4，1mol·L -1 CuSO 4，0.1mol·L -1KI ，0.1mol·L -1AgNO 3，0.1mol·L -1KBr ，0.1mol·L -1FeCl 3，0.1mol·L -1Fe 2(SO 4)3，0.1mol·L -1FeSO 4，1mol·L -1FeSO 4， 0.4mol·L -1K 2Cr 2O 7， 0.001mol·L -1KMnO 4，0.1mol·L -1Na 2SO 3，0.1mol·L -1Na 3AsO 3，
0.1mol·L -1 MnSO 4， 0.1mol·L -1NH 4SCN ， 0.01mol·L -1I 2水，Br 2水，CCl 4，固体NH 4F ，固
体(NH4)2S2O8，饱和KCl。

锌粒，琼脂，电极（锌片、铜片、铁片、碳棒），水浴锅，导线，鳄鱼夹，砂纸，红色石蕊试纸。

四、实验内容
1．电极电势和氧化还原反应
（1）在试管中分别加入少量0.5mL 0.1mol·L-1 KI溶液和2滴0.1mol·L-1 FeCl3溶液，混匀后加入0.5mL CCl4，充分振荡，观察CCl4层颜色有何变化？
（2）用0.1mol·L-1KBr溶液代替KI进行同样实验，观察CCl4层是否有Br2的橙红色？（3）分别用Br2水和I2水同0.1mol·L-1FeSO4溶液作用，有何现象？再加入1滴0.1mol·L-1NH4SCN溶液，又有何现象？
根据以上实验事实，定性比较Br2/Br-、I2/I-、Fe3+/Fe2+三个电对的电极电势相对高低，指出哪个物质是最强的氧化剂，哪个物质是最强的还原剂，并说明电极电势和氧化还原反应的关系。

2．浓度和酸度对电极电势的影响
（1）浓度影响
1）在两支50mL烧杯中，分别加入30mL 1mol·L-1 ZnSO4和30mL 1mol·L-1 CuSO4溶液。

在ZnSO4溶液中插入Zn片，在CuSO4溶液中插入Cu片，用导线将Zn片和Cu片分别与伏特计的负极和正极相连，用盐桥连通两个烧杯溶液，测量电动势（如图33所示）。

2）取出盐桥，在CuSO4溶液中滴加浓NH3·H2O溶液并不断搅拌，至生成的沉淀溶解而形成蓝色溶液，放入盐桥，观察伏特计有何变化。

利用能斯特方程解释实验现象。

CuSO4 + 2NH3·H2O = Cu2(OH)2SO4 + (NH4)2SO4
(NH4)2SO4 + 2NH3·H2O = 2[Cu(NH3)4]2+ + SO42- + 2OH-
图33 原电池装置
3）再取出盐桥，在ZnSO4溶液中滴加浓NH3·H2O溶液并不断搅拌至生成的沉淀溶解后，放入盐桥，观察伏特计有何变化。

利用能斯特方程解释实验现象。

ZnSO4 + 2NH3·H2O = Zn (OH)2+ (NH4)2SO4
Zn (OH)2+ 4NH3 = [Zn(NH3)4]2+ + 2OH-
（2）酸度影响
1）取两支50mL烧杯，在一只烧杯中注入30mL 1mol·L-1FeSO4溶液，插入Fe片，另一只烧杯中注入30mL 0.4mol·L-1 K2Cr2O7溶液，插入碳棒。

将Fe片和碳棒通过导线分别与伏特计的负极和正极相连，用盐桥连通两个烧杯溶液，测量电动势。

2）往盛有K2Cr2O7的溶液中，慢慢加入1mol·L-1H2SO4溶液，观察电压有何变化？再往K2Cr2O7的溶液中逐滴加入6mol·L-1NaOH，观察电压有何变化？
3．浓度和酸度对氧化还原产物的影响
（1）取两支试管，各放一粒锌粒，分别注入2mL浓HNO3和1mol·L-1HNO3，观察所发生现象。

写出有关反应式。

浓HNO3被还原后的产物可通过观察生成气体的颜色来判断。

稀HNO3的还原产物可用气室法检验溶液中是否NH4+离子生成的方法来确定。

气室法检验NH4+离子：将5滴被检验溶液滴入一个表面皿中，再加3滴40%NaOH混匀。

将另一个较小的表面皿中黏附一小块湿润的红色石蕊试纸，把它盖在大的表面皿上做成气室。

将此气室放在水浴上微热两分钟，若石蕊试纸变蓝色，则表示有NH4+离子存在。

加入3mL去离子水，用pH试纸测定其pH值，再分别加入5滴0.1mol·L-1HCl或0.1mol·L-1NaOH溶液，测定它们的pH值。

（2）在3支试管中，各加入0.5mL0.1mol·L-1 Na2SO3溶液，再分别加入1mol·L-1 H2SO4、蒸馏水、6mol·L-1NaOH溶液各0.5mL，摇匀后，往三支试管中加入几滴0.001mol·L-1KMnO4
溶液。

观察反应产物有何不同？写出有关反应式。

4．浓度和酸度对氧化还原反应方向的影响
（1）浓度的影响
1）在一支试管中加入1mL水，1mL CCl4和1mL0.1mol·L-1Fe2(SO4)3溶液，摇匀后，再加入1mL0.1mol·L-1KI溶液，振荡后观察CCl4层的颜色。

2）取另一支试管加入1mL CCl4，1mL0.1mol·L-1Fe SO4和1mL0.1mol·L-1Fe2(SO4)3溶液，摇匀后，再加入1mL0.1mol·L-1KI溶液，振荡后观察CCl4层的颜色与上一实验中的颜色有何区别？
3）在以上两个试管中分别加入固体NH4F少许，振荡后观察CCl4层的颜色变化。

（2）酸度影响
在试管中加入0.1mol·L-1Na3AsO3溶液5滴，再加入I2水5滴，观察溶液颜色。

然后用2mol·L-1HCl酸化，又有何变化？再加入40%NaOH，有何变化？写出有关反应方程式，并解释之。

5．酸度、温度和催化剂对氧化还原反应速度的影响
(1)温度影响在两支各盛1mL 0.1mol·L-1KBr溶液的试管中，分别加入3mol·L-1H2SO4和3mol·L-1HAc溶液0.5mL，然后往两支试管中各加入2滴0.001mol·L-1KMnO4溶液。

观察并比较两支试管中紫红色褪色的快慢。

写出有关反应方程式，并解释之。

(2)温度影响在两支试管中分别加入1mL0.1mol·L-1 H2C2O4，5滴1mol·L-1 H2SO4和1滴0.001mol·L-1KMnO4溶液，摇匀，将一支试管放入80℃水浴中加热，另一支不加热，观察两支试管褪色的快慢。

写出有关反应方程式，并解释之。

(3)催化剂的影响在两支试管中分别加入2滴0.1mol·L-1 MnSO4溶液1mL1mol·L-1 HSO4和少许固体(NH4)2S2O8，振荡使其溶解。

然后往一支试管中加入2～3滴0.1mol·L-1AgNO3溶液，另一支不加，微热。

比较两支试管反应现象有何不同？为什么？
五、注意事项
1、电极Cu片、Zn片及导线头，鳄鱼夹等必须用砂纸打干净，若接触不良，会影响伏特计读数，正极接在3V处。

2、FeSO4和Na2SO3必须新鲜配制。

3、滴瓶使用时不能倒持滴管，也不能将滴管插入试管中，而要悬空从试管上方按实验用量滴入，用完立即插回原试液滴瓶中。

4、试管中加入锌粒时，要将试管倾斜，让锌粒沿试管内壁滑到底部。

六、思考题
1、通过本次实验，你能归纳出哪些因素影响电极电势？怎样影响？
2、为什么K2Cr2O7能氧化浓HCl中的Cl-离子，而不能氧化浓度比HCl大得多的NaCl 浓溶液中的Cl-离子？
3、如何将反应KMnO4 + KI + H2SO4→ MnSO4 + I2 + H2O设计成一个原电池，写出原电池符号及电极反应式？
4、两电对的标准电极电势值相差越大，反应是否进行得越快？你能否用实验证明你的结论？
5、试验中，对“电极本性对电极电势的影响”你是如何理解的？
6、若用饱和甘汞电极来测定锌电极的电极电势，应如何组成电池？写出原电池符号及电极反应式。

[附注]盐桥的制法：
称取1g琼脂，放在100mL饱和KCl溶液中浸泡一会，加热煮成糊状，趁热倒如U形玻璃管（里面不能有气泡）中，冷却后即成。