修改版——浅谈电极电势的理解和应用

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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。

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○一(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=φCu 2+/Cu-φZn 2+ / Zn (1) φCu 2+/Cu=φθCu 2+/Cu+ 0.059 2/2 lg [Cu 2+] (2) φZn 2+/ Zn=φθ Zn 2+/ Zn+ 0.059 2/2 lg [Zn 2+] (3) E=E θ- 0.059 2/2 lg [Zn 2+]/[Cu 2+] (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ZnSO 4和1mol/L 的CuSO 4溶液的电动势E 1为参考标准。由式子(4)和相应的函数曲线可

得当Zn 2+浓度不变,Cu 2+浓度增大时E 的值的变换规律,同理可得当Cu 2+浓度不变,Zn 2+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Zn 2+和Cu 2+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ZnSO 4和CuSO 4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ZnSO 4或CuSO 4的浓度由1.0 mol/L 变为0.1 mol/L ;分别向ZnSO 4或CuSO 4溶液中滴加氨水形成Cu 2(OH )2SO 4或Zn (OH )2沉淀,再继续滴加过

量氨水可形成[Cu (NH 3)4]2 +或[Zn (NH 3)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

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