吉林大学 无机化学 课件—— (12)

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c
Fe3+
c2
⋅c Fe2+ Cu2+ c 2 3+ Fe
= (ϕ
o
+0.0592 ·lg c )- (ϕ o (Cu2+/Cu)+ (Fe3+/Fe2+) Fe2+
0.0592/2 ·lg cCu2+)
E= ϕ正- ϕ负 ϕ 正= ϕ
o
(Fe3+/Fe2+)
+0.0592 ·lg c Fe2+
c
2.电池反应和电极反应
电池反应一般是一氧化还原反应 Zn+ Cu2+(aq)←→ 2+(aq)+ Cu ←→Zn ←→ 分为两个半反应:氧化半反应Zn →Zn2+(aq)+2e 还原半反应Cu2+(aq) +2e→ Cu → 电池负极(-)输出电子,即失电子的反应 (-) Zn →Zn2+(aq)+2e 电池正极(+)得到电子的反应 (+) Cu2+(aq) +2e→ Cu → 两个电极反应相加就是电池反应
2.反应平衡常数与电池标准电动势的关系 ∆rG ø = - nFE ø 同时, ∆rG ø = -RT·lnK ø
nFE lnK ø = RT
o
nE lg K = 0.0592
o
o
Zn+ Cu2+(aq)←→ 2+(aq)+ Cu ←→Zn ←→ 标态下,∆rGø =-212.31kJ.mol 此反应组成电池,E0 =212.3/(2 ×96.5 )=1.10伏 298K时平衡常数, lgKo= 2 ×1.10/0.0592=37.16
例:铅蓄电池(-) Pb︱PbSO4 ,H2SO4(1.0M)︱ PbO2 (+) 放电反应: PbO2(s) + Pb(s) +2 H2SO4= 2PbSO4(s) + 2H2O 电池可逆电动势为2.10 V, 试求在25℃时电池反应 的△rGmφ和反应平衡常数。
解: △rGmφ=-nFE φ=-2×96.5×2.10=-405kJ.mol-1
基本原则: 基本原则:反应中氧化剂元素氧化数降低值等于还原 剂元素氧化数增加值,或得失电子的总数相等。
具体步骤:
(1)写出基本反应式。 (2)找出氧化剂元素氧化数降低值和还原剂元素氧化数增 加值 (3)按照最小公倍数的原子对各氧化数的变化值乘以相应 的系数,使氧化数降低值和升高值相等。 (4)将找出的系数分别乘在氧化剂和还原剂的分子式前面, 并使方程式两边的数目相等。 (5)检查反应方程式两边氧化数有变化的原子数目是否相 等,如相等则反应方程式已配平。
§11.2原电池
一、组成和反应 1.化学能转化为电 能的装置
能自发进行的反应才具有能量,即∆G<0的反 应; 可利用的最大化学能等于∆G的数值: 电功(非体积功)Wmax=-∆G. 电池反应一般是一氧化还原反应: Zn+ Cu2+(aq)←→ 2+(aq)+ Cu ←→Zn ←→ 标态下,298K时∆rGø = ∆fGøZn2+- ∆fGøCu2+ =-147.06-65.249=-212.31kJ.mol-1
1.标准氢电极
2H+(1.0)+2e=H2(po) ϕøH+/H2=0 (V) 与标准锌电极组成电池: 与标准锌电极组成电池: (-) Zn |Zn2+‖H+|H2|Pt (+) Eo= ϕøH+/H2 -ϕøZn/Zn2+ 0.7628=0 -ϕøZn/Zn2+ ϕøZn/Zn2+=-0.7628 V
第十一章 氧化还原反应
Review:基本概念
一、原子价和氧化数
原子价: 原子价:表示元素原子能够化合或置换一价原子(H) 或一价基团 (OH-)的数目。 氧化数: 氧化数:化合物中某元素所带形式电荷的数值。
二、氧化还原反应 三、氧化剂和还原剂 四、氧化还原对
§11.1 方程式的配平
Review:
一、氧化数法
二、电极电势Nernst方程
E = E ø-RT/nF ·lnQ 其中Q为反应商 298K时: E = E ø-0.0592/n ·lgQ 2Fe3+ (aq) + Cu←→ ←→2Fe2+(aq)+ Cu2+(aq) ←→ 据此:E= ϕ正- ϕ负=Eo-0.0592/n ·lg Q
E= ϕ正- ϕ负=( ϕ 正 o- ϕ 负 o) -0.0592/2 ·lg
又如:MnO2+Cl- → Mn2++Cl2 标态时自发吗? ϕøMnO2/Mn2+=1.24 < ϕøCl2/Cl-=1.36 ∴ 反应非自发 但在浓盐酸时可自发 MnO2+4H+ +2e → Mn2++2H2O
二、电子-离子法 电子-
方法是:将反应式改写为半反应式,先将半反应 式配平,然后将这些半反应式加合起来,消去 其中的电子而配平。具体步骤: 以在酸性介质中反应 MnO4-+SO32- → Mn2++SO42-为例: 1.离子形式写出 反应主要物质 2.分别写出两个半反应 3.各自原子数和电荷数配平 4.注意依据反应介质,选择H+或OH-配平 5.得失的电子数相等(最小公倍数)
Fe3+
ϕ负=ϕ o (Cu2+/Cu)+ 0.0592/2 ·lg cCu2+)
ϕ =ϕ +
o
0.0592 n
lg [还原态]vi
[ 氧化态 ]vi
如甘汞电极 Hg2Cl2(s)+2e=2Hg (l)+2Cl- 1 ϕ Hg2Cl2 /Hg= ϕø Hg2Cl2 /Hg + 0.0592 lg 2
+
ϕ
ø
O2 /H2O=1.230 V
O2+2H2O+4e=4OH- ϕø O2 /OH-=0.401V cOH-=1.0 pO2=po =4H2O ϕø O2 /H2O=? O2+4H +4e 与ϕ O2 /OH-相关 pO2=po cH+=1.0
+
po 2
ϕ O2 /H2O= ϕ O2 /OH = ϕ O2 /OH + 0.0592 4
注意电极反应就是半反应,有关某个元 素的得或失电子的反应;同样需要配平。 MnO4-→ Mn2+ MnO4-+5e → Mn2+ MnO4-+8H++5e = Mn2++4H2O 配平要注意:酸性介质H+-H2O, 碱性介质用OH--H2O ?
3、电池符号-图式表示
电极表示 铜电极:Cu|Cu2+ 锌电极:Zn |Zn2+
1.Nernst方程
电功W=I·V·t=电量•电压 =n× 6.023 ×1023 ×1.602 ×10-19 ×E =n ×96485 ×E=nFE -∆rG =nFE 标态下反应:-∆rG ø =nFE ø ∆rG = ∆rG ø+RT ·lnQ E = E ø-RT/nF ·lnQ E = E ø-0.0592/n ·lgQ
图式表示:(-) Zn |Zn2+(c1)‖Cu2+ (c2) |Cu (+)
几种不同电极的表示
氧化态还原态均为溶液:Fe3+ + e- =Fe2+ 要加惰性电极,如Pt,C等:Pt |Fe2+, Fe3+ 有气体参与反应:2H++2e=H2 也要加惰性电极: (Pt) H2 |H+(c) 有沉淀参与反应:AgCl+ e=Ag+ Cl- Ag|AgCl,Cl (c)
二、反应∆rG 与电池电动势关系
Zn+ Cu2+(aq)←→ 2+(aq)+ Cu ←→Zn ←→ 标态下,∆rGø = ∆fGøZn2+- ∆fGøCu2+ 298K时 =-147.06-65.249=-212.31kJ.mol-1 电功(非体积功)Wmax=-∆G. 说明:前面热力学指出,可逆、平衡时∆G=0。那 是无其它功时,而有其它功时,体系自由能的减 少等于所做最大功,我们就是依据这一点计算的。 所以计算的电功、电动势均为可逆状态时的值。
§ 11.4 电池电势和电极电势的应用
一、氧化还原能力的大小顺序
氧化型 +ne =还原型 ϕø值越大,电对氧化型氧化能力越强;同理 ϕ ø值越小, 电对还原能力越强。如: ϕøMnO4-/Mn2+= 1.51V ϕøFe3+/Fe2+= 0.77V ϕøCu2+/Cu=0.34V ϕøSn4+/Sn2+=0.154V ϕøCl2/Cl- =1.36V ϕøI2/I- =0.54V ϕøZn2+/Zn=-0.762 氧化能力:MnO4-> Cl2> Fe3+> I2> Cu2+> Sn4+> Zn2+ 还原能力:Mn2+ < Cl-< Fe2+ < I- < Cu< Sn2+< Zn
二、氧化还原反应方向判断
反应方向性:∆rG< 0 的方向自发
较强氧化剂+较强还原剂→较弱还原剂+较氧弱化剂 →
ϕ(氧化剂) > ϕ(还原剂) 此时,E= ϕ正极- ϕ负极 > 0 , 这样 ∆rG=-nFE < 0 如:MnO4-+Cl- → Mn2++Cl2 标态时自发吗? ∵ ϕøMnO4-/Mn2+=1.51 > ϕøCl2/Cl-=1.36 ∴ 反应可自发
øBiblioteka Baidu

ø

(cOH-=10 )
-14
lg c 4
po
OH −
=0.401+ 0.0592 × 4 × lg 114 4 10 − =0.401+0.829 =1.230
Ag +e= Ag
+
ϕ
ø
Ag/Ag+=0.799
AgCl(s)+e=Ag (s)+Cl- ϕø AgCl /Ag=? 标准态时:cCl-=1.0 → cAg+=KspAgCl ϕø AgCl /Ag= ϕ Ag+ /Ag = ϕ ø Ag+ /Ag +0.0592×lg cAg+ =0.799+0.0592 ×lg 1.8×10-10 =0.2217 V
lg K
o
nE o = 0 . 0592
=2×2.10/0.0592=70.95
Ko=8.9×1070
§ 11.3 电极电势
2+ (cCu2+); Cu|Cu Zn |Zn (cZn2+) ①电极电势大小与参与电极反应的物质浓 度有关 ②只能用相对值 2+
一、标准电极电势 ϕø
①参与反应的物质为标准浓度时的值 ②在规定 ϕø H2 (p0) |H+ (1.0mol.L-1) ≡ 0下得到的。 其他电极与标准氢电极组成电池得到的电动势就是 该电极的电极电势值。
2 c
Cl −
MnO4-+ 8H+ +5e- = Mn2++ H2O
ϕ MnO
− 4
/ Mn 2+

o − MnO 4 / Mn 2+
+
0.0592 5
lg
c
MnO4
∗c 8 + −
H
c
Mn 2 +
=4OH- ϕø O2 /OH-=0.401V O2+2H2O+4e pO2=po cOH-=1.0 O2+4H +4e=4H2O pO2=po cH+=1.0
2.其它常用的参比电极
①甘汞电极:Hg2Cl2(s)+2e=2Hg (l)+2Cl- 298K时:ϕø Hg2Cl2 /Hg=0.2801 V 饱和(KCl溶液)甘汞电极: ϕ Hg2Cl2 /Hg=0.2412 V 0.1MKCl: ϕ Hg2Cl2 /Hg=0.3337 V ②氯化银电极:AgCl(s)+e=Ag (s)+Cl- 标准态时:cCl-=1.0 ϕø AgCl /Ag=0.2223 V

整反应→两个半反应→图式表示 ←(电极反应) ←
Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O (+) Cr2O72- +14H++6e = 2Cr3+ +7H2O (-) Fe2+-e = Fe3+ (-)Pt|Fe2+, Fe3+‖ Cr3+ , Cr2O72- | Pt (+) (-) (C) I2|I- (c1) ‖ Fe2+ (c2), Fe3+ (c3) | C (+) +) Fe3+ + e =Fe2+ -) 2I-=I2+ 2e 总反应:2Fe3+ + 2I- =2Fe2+ + I2
Ag(NH3)2 + +e=Ag (s)+2NH3 ϕø Ag(NH3)2+/Ag 标准态时:cAg(NH3)2+ =1.0 cNH3=1.0 cAg+= ? cAg+= cAg(NH3)2+ / K稳· c2NH3=1 / K稳 Ag++e= Ag ϕø Ag/Ag+=0.799 ϕ Ag+ /Ag = ϕ ø Ag+ /Ag +0.0592×lg cAg+
Cr(OH)4-+ H2O2 →CrO42-+H2O Cr(OH)4- →CrO42- H2O2 →H2O Cr(OH)4- +4OH- →CrO42- +3e +4H2O →2OH- H2O2 +2e ×) Cr(OH)4- +4OH- →CrO42- +4H2O+3e 2 3×) H2O2 +2e→2OH-
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