第10章 氧化还原反应章节要点及习题

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10.3 下列反应是氧化还原反应吗?试解释。 (a)2NO2→N2O4 (b)2CrO42-+2H+→Cr2O72-+H2O 10.4 某分子中 N 的氧化数在反应中从+3 变为-2,N 是被氧化还是被还原?每个 N 原子得到(或失去) 几个电子? 10.5 为什么将氧化反应称为失电子反应?
氧化还原反应净离子方程式的配平
(d)Ag+Au3+→
(e)Mn+Fe2+→
(f)Cd+Zn2+→
(g)Mg+Co2+→
(h)Cr+Sn2+→
(i)Zn+Sn2+→
(j)Cr+H+→
(k)Pb+Cd2+→
(l)Mn+Pb2+→
(m)Zn+Co2+→
10.29 下列反应均为自发反应:
3
Pu+3Tl+→Pu3++3Tl Ru+Pt2+→Ru2++Pt 2Tl+Ru2+→2Tl++Ru
第 10 章 氧化还原反应
【章节要点】
氧化还原反应
氧化反应是失电子反应,使反应物氧化数升高;还原反应是得电子反应,使反应物氧化数降低。在氧化 还原反应中,这两种反应总是同时发生。被氧化的物质是还原剂;被还原的物质是氧化剂。氧化数是用来理 解氧化还原反应中发生的变化的。氧化态与氧化数是相当的。
氧化还原反应净离子方程式的配平
(b)Ni2+(aq)+2e-→Ni(s) Mg2+(aq)+2e-→Mg(s)
(c)Au3+(aq)+3e-→Au(s) Sn2+(aq)+2e-→Sn(s)
(d)BrO3-(aq)+6H++6e-→Br-(aq)+3H2O Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
10.34 通过下面的半反应确定电池反应并计算标准电池电势。
还原电势
10.12 10.13 12.14
如果将 ECu2 /Cu 当作标准参比电极并将其电势定为 0V,氢电极的的还原电势是多少? 通过什么实验信息可以得知原电池电极中正负极金属分别是哪一种? 若一种金属可以与 HCl 反应,金属的还原电势比氢气的还原电势更正还是更负?
电池电势与热力学数值的关系
10.15 我们已经学习过下面的方程及其推导过程:
反应从左至右进行时,氧化剂和还原剂分别为哪种物质?反应逆向进行时,氧化剂和还原剂又分别为什
么物质?
10.25 配平在酸性溶液中进行的下列反应方程式。 (a)CrO42-+S2-→S+CrO2- (b)MnO4-+C2O4-→CO2+MnO2 (c)ClO3-+N2H4→NO+Cl- (d)NiO2+Mn(OH)2→Mn2O3+Ni(OH)2 10.26 臭氧(O3)是一种高效氧化剂,可用于饮用水杀菌。但这种饮用水净化方法将使水中的 Br-被氧 化为 BrO3-,而这种物质在动物实验中可导致癌症的发生。假设 O3 被还原为水,写出上述反应的反应方程式, 并将其配平(假设该反应在酸性溶液中发生)。
10.6 下面的反应是否是配平的: 如果方程未配平请将其配平。
MnO4-+Sn2+→SnO2+MnO2
原电池
10.7 在 Cu-Ag 电池中,为什么 Cu2+和 Ag+要分开储存在不同的容器中? 10.8 原电池和电解池的电极间的离子分别是如何运动的? 10.9 金属 Mg 置于 CuSO4 溶液中,Mg 将溶解生成 Mg2+,同时伴有金属 Cu 的生成。写出该反应的净离 子反应方程式。并说明怎样将该反应应用在原电池中。Mg 和 Cu,那种金属应作为正极? 10.10 Al 可以将 Sn 从其溶液中置换出来,该方程为:
原电池
原电池由两个半电池组成,每个半电池都由一个电极与其电解液中的反应物接触。因此一个自发的氧化 还原反应可以分为氧化半反应和还原半反应,同时电子通过外电路进行迁移。阳极发生还原反应;负极发生 氧化反应。在原电池中,正极带有正电荷,负极带有负电荷。半反应必须通过盐桥连通以构成闭合回路;这 使得阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,整个系统因而得以保持电中性。
10.23 标出加粗字体所代表元素的氧化数。
(a)S2-
(e)ClO4-
(b)SO2
(f)CrCl3
(c)P4
(g)SnS2
(d)PH3
(h)Au(NO3)3
(i)NH2OH
(j)N2O3
10.24 为杀菌向饮用水中加入 Cl2(g),一些 Cl2(g)通过下面的平衡过程变成了 Cl-:
Cl2(aq)+H2O(l) H+(aq) + Cl-(aq) + HOCl(aq)
电池电势与热力学数值的关系
反应的 G 与 Kc 值可以通过 Ecell 进行计算。它们都包含有法拉第常数(F)——F 等于 1mol 电子所带的 电量(1F=96485C·mol-1)。能斯特方程描述了电池电势与标准电池电势和反应商的关系。该方程可以计算任 意离子浓度的电池电势。
电解
在电解池中,电流可促使非自发反应的发生。负电性的阴极使反应物发生还原反应,正电性的阳极使另 一种反应物发生氧化反应。电极反应取决于反应物被还原或氧化的难易程度;但是在水溶液中,电极复杂的 表面效应可以改变这一反应顺序。在水的电解中,电解液必须维持电极的电中性。法拉第常数等于 1mol 电子 所带的电量——96485C·mol-1。电流(安培)的大小和反应时间(秒)的乘积为电解所需的电量(库仑)。利 用这个关系式和发生在阴阳极上的半反应,可以利用电流大小和反应时间求得化学反应的变化量。
(a)Cd(s)│Cd2+(aq)‖Au3+(aq)│Au(s)
(b)Pb(s),PbSO4(s)│HSO4-(aq)‖H+(aq),HSO4-(aq)│PbO2(s),PbSO4(s) (c)Cr(s)│Cr3+(aq)‖Cu2+(aq)│Cu(s)
(d)Zn(s)│Zn2+(aq)‖Cr3+(aq)│Cr(s)
G G RT ln Q 式中,Q 为反应商。利用上述方程和 G 与电池电势的关系式推导能斯特方程。
10.16 铅蓄电池的放电反应为: Pb(s)+PbO2(s)+2H+(aq)+2HSO4-(aq)→2PbSO4(s)+2H2O(l)
该电池的标准电池电势为 2.05V。写出 25℃下该电池反应正确的能斯特方程。
10.27 根据本章学习的内容,分别写出稀 H2SO4 和浓 HNO3 与金属 Ag 发生反应生成 Ag+的反应方程式。 10.28 根据表 10.1 预测下面反应的产物。若不能发生反应,请写“不能反应”。若反应可以发生,请写
出产物并将反应方程配平。
(a)Fe+Mg2+→
(b)Cr+Pb2+→
Байду номын сангаас
(c)Ag++Fe→
还原电势
当溶液中离子浓度为 1mol∙L-1,气体分压都为 1×105Pa 时,电池电势(单位为伏特)等于标准电池电势。 电池电势可认为是两个半电池还原电势的差值。在自发反应中,具有较正还原电势的半电池将发生还原反应, 并迫使另一个半反应发生氧化反应。单个半反应的还原电势无法测量,但以标准氢电极为参比电极可测得半 反应的电势;标准氢电极的还原电势被规定为 0V。比 H+更容易还原的物质的还原电势大于零,比 H+更难还 原的物质的还原电势小于零。还原电势可以用来预测电池反应并计算 Ecell ,也可以预测反应是否自发。
2MnO4-+6H++5HCOOH→2Mn2++8H2O+5CO2
该反应的 Ecell 1.69V 。
10.36 已知下列反应的半反应方程式和标准还原电势:
2ClO3-+12H++10e-→Cl2+6H2O
EClO3-/Cl2
1.47V
S2O82-+2e-→2SO42-
ES2O82 / SO42
2.01V
2Al(s)+3Sn2+(aq)→2Al3+(aq)+3Sn(s) 如果该反应为原电池的电池反应,其半电池反应是什么?正负极金属分别是什么? 10.11 画出下面电池的原电池简图:
(-)Fe(s)│Fe3+(aq)‖Ag+(aq)│Ag(s)(+) (a)标出正负极; (b)标出正负极上所带的电荷; (c)标出外电路中电子的流动方向; (d)写出其电池反应。
在一个配平的氧化还原反应中,一种物质失去的电子等于另一物质得到的电子。为了配平氧化还原反应, 将其净离子方程分解为两个半反应,在重新组合为一个配平的完整反应之前分别将两个半反应配平。在碱性 溶液中发生的反应,先假设反应在酸性溶液中进行并将其配平,然后通过加入适量的 OH-将其转化为在碱性 溶液中进行的反应方程式。
电解
2
10.17 在相同的电流下,下面哪种电解反应需要的时间更多:从 Cu2+溶液中还原出 0.10mol 的 Cu 或从 Cr3+溶液中还原出 0.10mol 的 Cr?解释得到的答案。
10.18 电流通过两个串联起来的电解池(电解池中通过的电流相等)。一个电解池中含有 Cu2+,另一个 含有 Fe2+。哪个电解池中将沉积出更多的金属?解释得到的答案。
(a)BrO3-+6H++6e-→Br-+3H2O I2+2e-→2I-
E BrO3 / Br
1.44V
E
I2 / I
0.54V
(b)MnO2+4H++2e-→Mn2++2H2O
E
MnO2
/
M
2
1.23V
PbCl2+2e-→Pb+2Cl-
EP b C2 /l P b 0 . 2 7 V
10.35 计算下列方程的 G :
电池
10.19 铅蓄电池放电时其正负极分别发生了什么反应?若电池反应的标准电势仅为 2V,怎样利用这样的 电池得到电势为 12V 的电池组?
10.20 镍-氢化金属电池是怎样将氢气储存作为反应物的?写出电池中氢化金属的化学式。电解液的组成 是什么?
10.21 锂离子电池的电极材料是什么材料?电池充电时将发生什么反应?放电时又发生什么反应?
计算:(a) Ecell ;(b)电池反应的 G ;(c)电池反应的 Kc。 10.37 电池反应:NiO2(s)+4H+(aq)+2Ag(s)→Ni2+(aq)+2H2O(l)+2Ag+(aq) 的 Ecell 且 Ni2+和 Ag+的浓度均为 1.00mol∙L-1 时,电池电势是多少? 10.38 某电池的电池反应为:
腐蚀
金属由于易于氧化而被腐蚀。铁的腐蚀(生成铁锈)是一个有水和氧气参与的电化学反应。
思考题
1
氧化还原反应
10.1 在反应 2Mg+O2→2MgO 中,氧化剂和还原剂分别是哪种物质?氧化产物和还原产物分别是哪种物 质?
10.2 在氧化还原反应中,氧化反应与还原反应为什么要同时发生?什么是氧化剂?氧化剂在氧化还原 反应中发生了什么反应?什么是还原剂?还原剂在氧化还原反应中发生了什么反应?
复习题
10.22 指出下面反应中的被氧化的物质和被还原的物质,以及氧化剂和还原剂。
(a)2HNO3+3H2AsO3→2NO+3H3AsO4+H2O
(b)NaI+3HOCl→NaIO3+3HCl
(c)2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4→10CO2+K2SO4+2MnSO4+8H2O
(d)6H2SO4+2Al→Al2(SO4)3+3SO2+6H2O
(d)NO3-(aq)+4H+(aq)+3Fe2+(aq)→0Fe3+(aq)+NO(g)+2H2O(l) 10.33 利用下列半反应对书写原电池的电池符号。若半反应中的所有反应物都为可溶物时,假设使用惰
性的 Pt 电极进行电极反应。计算下列反应的标准电池电势,并判断半反应的正负极。
(a)Co2+(aq)+2e-→Co(s) Zn2+(aq)+2e-→Zn(s)
列出 Pu、Pt、Tl 三种金属的氧化性从高到低的顺序。
10.30 发现下面的反应是自发反应: Ru2+(aq)+Cd(s)→Ru(s)+Cd2+(aq)
当 Cd(s)、Cd(NO3)2(aq)、Pt(s)、PtCl2(aq)混合时将发生什么反应? 10.31 写出下列原电池的半反应方程式和配平的电池反应。
(e)Fe(s)│Fe2+(aq)‖Br2(aq),Br-(aq)│Pt(s) (f)Mg(s)│Mg2+(aq)‖Sn2+(aq)│Sn(s)
10.32 利用表 10.1 中的数据计算 25℃时下列反应的标准电池电势。
(a)Cd2+(aq)+Fe(s)→Cd(s)+Fe2+(aq)
(b)Br2(aq)+2Cl-(aq)→Cl2(g)+2Br-(aq) (c)Au3+(aq)+3Ag(s)→Au(s)+3Ag+(aq)
2.48V 。当 pH 为 5.00
4
Mg(s)+Cd2+(aq)→Mg2+(aq)+Cd(s) Ecell
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