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工程化学课件：第四章电化学基础---氧化还原反应与电极电位

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大学化学---氧化还原反应与电化学基础ppt课件

大学化学---氧化还原反应与电化学基础ppt课件

实现方式：电池中电子、离子的迁移及电极的氧化 还原反应。
要点为： 掌握化学电池的电极和电池反应，了解电极电势概念； 掌握能斯特方程及其简单应用； 初步掌握可逆电池热力学的基本规律及应用； 初步了解电化学的一部分应用问题。
§4-1 原电池及电极电势 §4-2 能斯特方程 §4-3 电极电势的应用 §4-4 电化学技术
近年来出现的新型绿色电池——锂离子电池，锂离子 电池又称摇椅电池（因为电池中的锂离子往返于两极 之间而得名）。锂离子电池的正极（阴极）由钴酸锂 （LiCoO2）组成，负极由嵌入锂离子的石墨组成（即 是由石墨层间化合物组成的电极）。
二、电极电势“φ”
1、电极电势的产生——双电层理论(德，Nernst)
一、原电池及氧化还原电对
正极－还原反应—— 阴极 原电池电极反应
负极－氧化反应—— 阳极
正极－氧化反应——阳极 电解池电极反应
负极－还原反应——阴极
以通式表示为：氧化态＋ne-
还原 还原态； 氧化
氧化还原电对
（或 Ox＋ne- 还原 Re）； 氧化
电极的类型
1. 第一类电极 是由金属或吸附了某种气体的惰性金属电极放在含有 该元素离子的溶液中构成的。它又分成两种：
n为电极氧化或还原反应式中电子的计量系数。 在原电池中阳极（负极）进行的是氧化反应，
阴极（正极）进行的是还原反应， 两极进行的总反应叫电池反应。
一、原电池及氧化还原电对
上例：铜锌原电池(丹尼尔电池)：
电池反应： Zn(s)＋Cu2＋(aq) ＝ Zn2＋(aq)＋ Cu (s) （－）Zn | Zn2＋(c1) Cu2＋(c2) | Cu（＋）
……半反应为还原反应，阴极/正极；
电池反应： Zn(s)＋ 2H＋(aq) ＝ Zn2＋(aq)＋ H2(g)
《工程化学》第四章电化学基础

《工程化学》第四章电化学基础

单质的氧化数为零, 如单质 O2 和 S8中 , O 原子和 S 原子的氧化数均为零。
2023年8月30日2时47分
2
单原子离子的氧化数等于离子所带的电荷，例如Al3+离
子的氧化数为 ＋3, 表示为 Al(+3)。
除过氧化物 ( 如H2O2 )、超氧化物 ( 如KO2 ) 和含有 F-O 键的化合物 ( 如OF2 ) 外，化合物中O 原子的氧化数均为 -2，例如 H2O 中的 O 原子。
➢半反应中与氧化态物质处于同一侧的所有物质称为氧化型 物质oxidation type matter ➢半反应中与还原态物质处于同一侧的所有物质称为还原型 物质reduction type matter
例如半反应： MnO4- + 8H＋+5e= Mn2＋+4H2O 电对：MnO4-(氧化态) /Mn2＋(还原态)
Cu棒
Zn棒
CuSO4 溶液
ZnSO4
1.10
溶液
V
负极 | 电解质溶液（浓度）| 正极
(-) Zn∣Zn2+ (l mol ·L-1) ‖ Cu2+ (l mol ·L-1) ∣Cu
面
桥
c2
界
面
2023年8月30日2时47分
20
书写原电池符号的规则：
➢负极“（-）”在左边，正极“（+）”在右边，盐桥用 “‖” 表示。 ➢半电池中两相界面用“|”分开，同一相的不同物质（以 及电极中的其他相界面）用“,”分开，溶液、气体要注明 cB、pB 。
第四章 电化学基础 electrochemistry
§4.1 氧化还原反应 redox reaction
氧化还原反应(Oxidization and reduction) 的重要特征是： 反应前后元素的化合价发生了变化。
氧化还原反应和电极电位.123页PPT

氧化还原反应和电极电位.123页PPT

氧化还原反应和电极电位.
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
ห้องสมุดไป่ตู้谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
工程化学课件：氧化还原反应与电化学

工程化学课件：氧化还原反应与电化学

• 判斷氧化還原反應的方向和限度 E>0 氧化還原反應正方向自發進行。 E<0 氧化還原反應逆方向自發進行。 E=0 氧化還原反應處於平衡狀態。
• 判斷氧化劑和還原劑的相對強弱 ① 代數值越大(即電極電勢表中越靠下邊)，該電對氧化態 的氧化能力越強，其對應的還原態的還原能力越弱。
② 代數值越小(即電極電勢表中越靠上方)，該電對還原態 的還原能力越強，其對應的氧化態的氧化能力越弱。
• 燃料電池具有許多特點和優點：
• 能量轉換率高。任何熱機的效率都受Carnot熱機效率（）
所限制，如用熱機帶動發電機發電，其效率僅為35%~40%， 而燃料電池的能量轉換效率理論上應為100%，實際操作時 其總效率也在80%以上。
• 減少大氣污染。火力發電產生廢氣（如 等）、廢渣，而氫 氧燃料電池發電後只產生水，在航太飛行器中經淨化後甚 至可以作為太空人的飲用水。
氫-氧燃料電池中氫陽極交換電流可以很大，但氧陰極交換電流較小， 所以一般採用含有能催化該電極反應的催化劑的材料做電極，或者提高 整個電池的溫度以加速電極反應的進行。同時增大電極表面，以使電池 使用時能通過較大的電流，所以電極常做成多孔的。氫-氧燃料電池是以 覆蓋著鈦的鉑做電極，電解質則用陰離子交換樹脂。
• 陽極氧化
以鋁和鋁合金為例。將表面拋光、除油等處理的鋁合金工件作 電解池的陽極，鉛板做陰極，稀硫酸作電解液，加適當電壓， 通過適當電流，陽極鋁工件表面可生成一層氧化鋁膜。所得氧 化膜能與金屬牢固結合，且厚度均勻，提高鋁及鋁合金的耐腐 蝕性和耐磨性，並可提高表面的電阻和熱絕緣性。由於氧化鋁 膜中有許多小孔，可吸附各種染料，以增加工件表面的美觀。
()Zn Zn2 (c1) H (c2) H2(P), Pt()
4.2原電池電動勢
第四章氧化还原反应和电化学概要

第四章氧化还原反应和电化学概要

我们以一个简单的反应来说明配平步骤：
Fe2 Cl2 Fe3 Cl
（1）写出半反应式：氧化： Fe2 Fe3
还原： Cl2 Cl
（2）配平半反应：①原子数配平；②电荷数配平
Fe2 Fe3 e Cl2 2e 2Cl
（3）合并半反应：（根据反应中）得电子总数＝失
电子总数，将两个半反应乘以适当的系数后相加。
于：氧化还原反应发生了电子的转移。失去电子的 过程称为氧化。得到电子的过程称为还原。（© 氧化数）
比如：Fe3O4中，Fe的氧化数，设为x：
8
3 x 4(2) 0 x
0
0
8 3
2
3 Fe 2 O2 Fe3 O4
3
我们可以在化合物中直接以 8 表示
3
它的氧化数，这样，说明氧化还原反应就比较方便一些。
Zn+Cu2+ =Zn2++Cu
氧 化 ： Zn Zn2 (Zn Zn2 2e ) 还 原 ：Cu2 Cu(Cu2 2e Cu)
拆开来的两个反应叫做氧化还原反应的半反应。
从半反应中，我们可以清楚地看出反应前后元素
氧化数的变化，Zn：0→+2；Cu: +2→0。
我们把氧化数高的物质称为这种元素的氧化态(Zn2+); 氧化数低的物质称为它的还原态（Zn）。同一种元素的 氧化态和还原态组成一个氧化还原电对(Redox couple) ， 用“氧化态 还原态” 表示，（ Zn2 Zn ）。
氧 化 剂 电 对:
MnO4
Mn2
还 原剂 电 对： Fe3
Fe 2
氧 还
化 原
剂 剂
：MnO4 ：Fe 2
二、离子－电子法配平氧化还原方程式：
工程化学课件：第四章电化学基础---氧化还原反应与电极电位

工程化学课件：第四章电化学基础---氧化还原反应与电极电位

第四章 电化学基础
2020/9/26
教学要求
掌握：
电池组成式的书写；根据标准电极电位判断氧化 还原反应方向；通过标准电动势计算氧化还原反 应的平衡常数；电极电位的Nernst方程、影响 因素及有关计算。 熟悉：
氧化值的概念和氧化还原反应的定义，熟练计算 元素氧化值；熟悉原电池的结构及正负极反应的 特征；熟悉标准电极电位概念；熟悉电池电动势 与自由能变的关系
2020/9/26
第一节 氧化还原反应
氧化还原半反应：
① 氧化还原反应可以根据电子的转移，由两个氧化还 原半反应构成： Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+
• 一个半反应是氧化反应：Zn - 2e- → Zn2+ ； ‫ ‏‬一个半反应为还原反应：Cu2+ + 2e- → Cu 。 • 氧化反应和还原反应同时存在，在反应过程中得失
电子的数目相等。
2020/9/26
第一节 氧化还原反应
氧化还原电对：
氧化还原半反应用通式写做
氧化型 + ne- 还原型
或
Ox + ne- Red
氧化型物质/还原型物质 如 Cu2+/Cu、Zn2+/Zn、H+/H2、Sn4+/Sn2+
氧化型物质，还原型物质
如 Cu2+,Cu、Zn2+,Zn、H+,H2、Sn4+,Sn2+
Cr2O72-+6Cl-+14H+ → 2Cr3++3Cl2↑+7H2O
电极反应
2Cl- - 2e- → Cl2
氧化
Cr2O72-+14H++ 6e- → 2Cr3++7H2O 还原
《工程化学》第4章 电化学基础

《工程化学》第4章 电化学基础

规定：
负极写在左边，正极写在右边，以双虚垂
线( )表示盐桥，以单垂线( | )表示两个相之间
的界面。用“,”来分隔两种不同种类或不同价
态溶液。
工程化学 Engineering Chemistry
4.2.1 原电池中的化学反应
3. 电池反应
任一自发的氧化还原反应都可以组成一个原电池。
Zn + 2H + = Zn2+ + H2
➢ 了解金属电化学腐蚀的原理及基本的防护方法。
工程化学 Engineering Chemistry
目录
4.1 氧化还原反应
4.2 原电池
4.3 电极电势
4.4 电动势与电极电势在化学上的应用
4.5 化学电源
4.6 电解
4.7 金属的腐蚀及防护
工程化学 Engineering Chemistry
电化学腐蚀
态/还原态”表示 。
锌电极：电子流出------负极
组成：Zn2+(c1)/Zn
氧化反应：Zn − 2e- = Zn2+
铜电极：电子流入------正极
组成：Cu2+(c2)/Cu
还原反应：Cu2+ + 2e- = Cu
电极上发生的氧化反应或还原反应，都称为电极反应/半反应。
工程化学 Engineering Chemistry
反应正向自发
➢ E =0 即 ΔrGm = 0
反应处于平衡状态
➢ E <0 即 ΔrGm > 0
反应正向非自发
工程化学 Engineering Chemistry
4.2.2 原电池的热力学
2. 电动势E的能斯特方程
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2020/9/26
第一节 氧化还原反应
氧化还原半反应：
① 氧化还原反应可以根据电子的转移，由两个氧化还 原半反应构成： Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+
• 一个半反应是氧化反应：Zn - 2e- → Zn2+ ； ‫ ‏‬一个半反应为还原反应：Cu2+ + 2e- → Cu 。 • 氧化反应和还原反应同时存在，在反应过程中得失
E＝ (+) – (-)
2020/9/26
三、标准电极电势
指定温度(25℃)，浓度均为 1 mol/L, 气体 的分压都是标准压力（100 kPa), 固体及液 体都是纯净物状态下的电极电势。 用 (V)来表示
无法测定其绝对值，只有相对值
标准氢电极:
2 H+ + 2e
H2 (H+/H2) = 0.0000 (V)
2） 氧化数可为正、负、分数或零；
3） 氧化数不一定符合实际元素的电子转
移情况。 S2O32-, S的氧化数为＋2
O -O S O-
+4, (+6)
4）氧化数和化合价的区别 S
0, (-2)
2020/9/26
第一节 氧化还原反应和氧化数:
2. 氧化还原反应
年代 历
氧化反应
还原反应
认
史 18世纪末 与氧化合
2020/9/26
第二节 原电池和电极电势
2020/9/26
第二节 原电池和电极电位
1 原电池
化学能转化成电能的装置
2、电池的反应
‫ ‏‬将ZnSO4 溶液和Zn片构成Zn半电池，是原电池的负 极(anode)； CuSO4溶液和Cu片构成Cu半电池，是 原电池的正极(cathode)。
• 负极反应 Zn → Zn2+ + 2e- （氧化反应）
书写原电池符号的规则： ⑴ 负极“-”在左边，正极“+”在右边，盐桥用“‖”表示。 ⑵ 半电池中两相界面用“ ”分开，同相不 同物种用 “,”分开，溶液、气体要注明ci ， pi 。 ⑶ 纯液体、固体和气体写在惰性电极一边用“,”分开。
2020/9/26
第二节 原电池和电极电位
4. 电极类型
① 金属-金属离子电极
2020/9/26
二、 电极电势的产生(双电层模型)
M Mn ne
2020/9/26
简单地讲，金属越活泼，溶解成离子的倾向愈 大，离子沉积的倾向愈小，达到平衡时，电极的 金属板上累积的负电荷就较多，电极电势越低； 相反，金属越不活泼溶解倾向则愈小，沉积的倾
向愈大，电极电势越高。
原电池的电动势等于组成原电池的两个电极之 间的电势之间的电势差
第四章 电化学基础
2020/9/26
教学要求
掌握：
电池组成式的书写；根据标准电极电位判断氧化 还原反应方向；通过标准电动势计算氧化还原反 应的平衡常数；电极电位的Nernst方程、影响 因素及有关计算。 熟悉：
氧化值的概念和氧化还原反应的定义，熟练计算 元素氧化值；熟悉原电池的结构及正负极反应的 特征；熟悉标准电极电位概念；熟悉电池电动势 与自由能变的关系
2020/9/26
铂片上表面镀一 层海绵状铂（铂黒， 很强的吸附H2的能力） 插入H+ 浓度为 1mol/L 的溶液中， 25℃下，不断地通入 标准压力的纯 H2气 流，与溶液中的H+ 达平衡。
氢电极示意图
如：Zn2+/Zn电极，
• 电极组成式 Zn | Zn2+(c)
• 电极反应 Zn2+ + 2e-
Zn
② 气体电极
如：氯气电极，
• 电极组成式 Pt | Cl2(p) | Cl- (c)
• 电极反应 Cl2 + 2e-
2Cl-
2020/9/26
第二节 原电池和电极电位
4. 电极类型
③ 金属-金属难溶盐-阴离子电极
2020/9/26
了解： 电极类型、电极电位产生的原因；了解电位法 测量溶液pH的原理及pH操作定义；了解电化学 与生物传感器及其应用
2020/9/26
1.氧化数
是指某元素性更大的
原子而求得的。 注意:
1） 同种元素可有不同的氧化数；
• 正极反应 Cu2+ + 2e- → Cu （还原反应）
‫ ‏‬由正极反应和负极反应所构成的总反应，称为电池 反应(cell reaction)。
Zn + Cu2+
Cu + Zn2+
2020/9/26
3、原电池组成式
() Zn Zn2 (1.0mol L1)‖ Cu2 (1.0mol L1) Cu ()
Cr2O72-+6Cl-+14H+ → 2Cr3++3Cl2↑+7H2O
电极反应
2Cl- - 2e- → Cl2
氧化
Cr2O72-+14H++ 6e- → 2Cr3++7H2O 还原
原电池符号
(-)Pt, Cl2(p) Cl-(c) Cr2O72-(c1), H+(c2), Cr3+(c3) Pt(+)
从氧化物夺取氧
识 不
发 19世纪中
化合价升高
化合价降低
断
展 20世纪初
失去电子
得到电子
深 化
Fe + Cu2+ = Fe2+ + Cu 共轭关系
还原态 = 氧化态 + n e, 电子转移 ( 酸 ＝ 碱 + n H+ , 质子转移)
2020/9/26
第一节 氧化还原反应
氧化还原反应的定义 • 元素的氧化值发生了变化的化学反应称为氧化 还原反应。 Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+ • 氧化值升高称为氧化反应，例如Zn→Zn2+ ； ‫ ‏‬氧化值降低称为还原反应，例如Cu2+→Cu 。 • 电子供体失去电子，称为还原剂，如 Zn； ‫ ‏‬电子受体得到电子，称为氧化剂，如Cu2+。
电子的数目相等。
2020/9/26
第一节 氧化还原反应
氧化还原电对：
氧化还原半反应用通式写做
氧化型 + ne- 还原型
或
Ox + ne- Red
氧化型物质/还原型物质 如 Cu2+/Cu、Zn2+/Zn、H+/H2、Sn4+/Sn2+
氧化型物质，还原型物质
如 Cu2+,Cu、Zn2+,Zn、H+,H2、Sn4+,Sn2+
如：Ag-AgCl电极
• 电极组成式 Ag | AgCl(s) | Cl-(c)
• 电极反应 AgCl + e-
Ag + Cl-
④ 氧化还原电极
如：Fe3+/Fe2+电极
• 电极组成式 Pt | Fe2+(c1), Fe3+(c2)
• 电极反应 Fe3++ e-
Fe2+
2020/9/26
原电池的表示方法