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3.4 氧化還原反應(yīng)和電化學(xué)

3.4.1  氧化還原的基本概念(??键c(diǎn))

氧化數(shù)—化合價,在數(shù)值等于“形式電荷數(shù)”

fe+   2hcl= fecl2+ h2

升降

失得

氧還

還原劑氧化劑

氧化還原電對:同種元素的不同氧化數(shù)的兩種物質(zhì)

cu2+/cu  cr2o72-/cr3+ fe3+/fe2+

h+/h2 h2o/h2前者用于酸性介質(zhì)條件、后者用于堿性條件

o2/h2o  o2/oh-前者用于酸性介質(zhì)條件、后者用于堿性條件

3.4.2 氧化還原方程式配平(??键c(diǎn))

原則:得失電子數(shù)相等

配平步驟

1、找出化合價改變的元素,及升降數(shù)注意前后能不變的就不變,用線連接

2、求最小公倍數(shù),寫出相應(yīng)物質(zhì)前的系數(shù)

3、配平未改變的元素的原子數(shù)

例如

 

把氧化還原分解為兩個半反應(yīng)

酸性介質(zhì)(h+、h2o配平)

堿性介質(zhì) oh-、h2o配平)

3.4.3原電池

知識點(diǎn)一、原電池的原理

知識點(diǎn)二、鹽橋的要求

知識點(diǎn)三、原電池的符號

知識點(diǎn)一原電池原理

化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能

一對氧化還原反應(yīng),電極反應(yīng)

電池反應(yīng)為兩個電極反應(yīng)相加:

知識點(diǎn)二  鹽橋的要求

1、高濃度飽和kcl

2、正負(fù)離子遷移速率相等

3、且不與電池中溶液發(fā)生反應(yīng)

知識點(diǎn)三  原電池符號書寫

1、負(fù)極左邊(-),正極右邊(+),鹽橋中間       相界

2、若沒有兼做電極導(dǎo)電的金屬時,寫惰性電極。例 fe3+,fe2+    pt(+)

3必要時注明濃度和壓力

3.4.4電極電勢

知識點(diǎn)一、電極電勢的概念

知識點(diǎn)二、標(biāo)準(zhǔn)電極電勢

知識點(diǎn)三、電極電勢的意義

知識點(diǎn)四、影響電極電勢的因素

3.4.4  電極電勢

知識點(diǎn)一、電極電勢概念

原電池中,電流從正極流向負(fù)極,說明在兩電極之間存在電勢差。正極電勢高,負(fù)極電勢低。電子留在金屬棒上,金屬板的電勢低于溶液,于是出現(xiàn)電勢差。

知識點(diǎn)二  標(biāo)準(zhǔn)電極電勢

電極電勢的絕對值無法測知,所以選擇標(biāo)準(zhǔn)氫電極,規(guī)定它的電極電勢為零,以其為標(biāo)準(zhǔn)測其他電極電勢。

標(biāo)準(zhǔn)氫電極:將鍍有鉑黑的鉑片電極浸入

h+的濃度為1mol/l的酸溶液中,并不斷通入壓力為100kpa的純凈h2,h2pt吸附達(dá)到飽和,這個電極即為標(biāo)準(zhǔn)氫電極。e(h+/h2)=0v

符號pt,h2100kpah+(1mol/l)

電極反應(yīng):

欲測某一電對(電極)的電極電勢,就可以把該電對構(gòu)成的電極和標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成一個原電池,測其電動勢e,

若待測電對組成的電極也處于標(biāo)準(zhǔn)態(tài):即物質(zhì)皆為純凈物,氣體的壓力為100kpa,有關(guān)物質(zhì)的離子濃度為1mol/l,所測的電極電勢為標(biāo)準(zhǔn)電極電勢

原電池:標(biāo)準(zhǔn)氫電極與鋅電極([zn2+]=1mol/l)組成原電池

 

用電位計測得該電池的電動勢eӨ=0.76伏。

直流電表量得ezn極流向氫極, 故氫為正極, zn為負(fù)極

+極:    2h+ + 2e ® h2

-極:   zn - 2e ® zn2+

電池反應(yīng): 2h+ + zn þ zn2+ + h2

\      原電池應(yīng)表示為

(-) znzn2+ (1mol/l)h+(1mol/l)h2(pӨ)pt (+)

200642標(biāo)準(zhǔn)電極電勢是  b

電極相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電勢

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,電極相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電極電勢

在任何條件下,可以直接使用的電極電勢

與物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)的電極電勢

知識點(diǎn)三、電極電勢的意義

同理可測得其它物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)電級電勢ϕӨ 。

ϕ為負(fù)說明該電極失去電子的能力比h2強(qiáng);

ϕ為正說明該電極得到電子的傾向大于h+。

\根據(jù)電極電勢的大小可以判斷氧化還原能力的大小。

同理可測得其它物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)電級電勢ϕӨ 。

知識點(diǎn)四、影響電極電勢的因素—nernst方程(常考點(diǎn))

電極電勢的大小,不僅取決于組成電極的物質(zhì)的性質(zhì),還與溫度和溶液中離子濃度,氣體的分壓有關(guān)。能斯特從理論上推導(dǎo)出電極電勢與濃度的關(guān)系。等溫等壓條件下的反應(yīng)

是發(fā)生在正極上

是發(fā)生在負(fù)極上

換成自然對數(shù)后

注意(1)溶液中的溶質(zhì)用濃度表示,“/cθ”(1mol/l;氣體用分壓表示“/pθ(100kpa)

(2)純固體或純液體物質(zhì)不寫入方程

(3)參與電極反應(yīng)的電對以外物質(zhì)應(yīng)寫入,但溶劑(h2o)不寫入

考點(diǎn)1、給出一個化學(xué)反應(yīng),根據(jù)濃度和分壓,計算電極電勢

影響電極電勢的因素

1)濃度:氧化型/還原型比值越大,e越大

2)酸度:含氧酸根的電對,電極反應(yīng)左邊出現(xiàn)h+,h+濃度增大,e增大。

3)形成難溶的電解質(zhì)沉淀:若氧化型物質(zhì)形成,則e變小,若還原型物質(zhì)形成,則e變大。

4)形成弱電解質(zhì),同(3

2009、38已知氯電極的標(biāo)準(zhǔn)電勢為 1.358v,當(dāng)氯離子濃度為0.1mol.l1 ,氯氣分壓 0.1×100kpa,該電極的電極電勢為:
(a)1.358v   (b)1.328v   (c)1.388v  (d)1.417v

知識點(diǎn)五、電極電勢的應(yīng)用

1)比較氧化劑或還原劑的相對強(qiáng)弱

電極電勢大:電對中氧化型物質(zhì)的氧能力越強(qiáng),還原型物質(zhì)的還原能力越弱。電極電勢小,還原型物質(zhì)的還原能力越強(qiáng)。

2)判斷氧化還原反應(yīng)的發(fā)生

電極電勢大的氧化物,能氧化電極電勢小的還原型物質(zhì)即(排成電池的ee負(fù)則反應(yīng)一定是自發(fā))

3)判斷原電池的正負(fù)極,計算原電池的電動勢。e=e-e負(fù)>0

fe3+/fe2+,sn4+/sn2+構(gòu)成原電池在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時efe3+/fe2+=0.77 esn4+/sn2+=0.15,所以fe3+/fe2+為正極,sn4+/sn2+為負(fù)極。

考點(diǎn)1、通過電極電勢判斷氧化還原強(qiáng)弱

2009,39

: e(f2 / f-) > e(fe3+ / fe2+ ) > e(mg2+ / mg) > e(na+ / na),則下列離子中最強(qiáng)的還 原劑是:b
 (a)f- (b)fe2+ (c)na+ (d)mg2+

3.4.5  氧化還原反應(yīng)的限度

由熱力學(xué)原理可知,在等溫等壓條件下,體系吉布斯自由能的減少(-δrgm)等于體系可以做的最大非體積功(w),并且讓非體積功轉(zhuǎn)化為電功。

由熱學(xué)原理可知

 

換成自然對數(shù)

若將一個化學(xué)反應(yīng)排成電池,則可根據(jù)電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢求算該化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)。n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)

3.4.6  元素電勢圖及其應(yīng)用

元素電勢圖

把同一元素不同氧化態(tài)間的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢用圖示的方法表示出來,叫做元素電勢圖。

注:在元素電勢圖中總是按氧化態(tài)由高到低的順序從左向右書寫。 中的“a”表示在酸性介質(zhì),若為 b”表示在堿性介質(zhì)。

例如錳的元素電勢圖     

 

由圖可知

 eθ0.56

 eθ2.26

(1) 判斷歧化反應(yīng)的發(fā)生

三個  互相作用生成高錳酸根和氧化錳

這個反應(yīng)實際上就是 在酸溶液中的歧化反應(yīng)。

根據(jù)以上的道理推廣到一般,在元素電勢圖中凡某一氧化型在右邊的電勢值(2.26)大于在左邊的電勢值(0.56 ),則該氧化型物質(zhì)在該條件下是不穩(wěn)定的,在水溶液中會自發(fā)發(fā)生歧化反應(yīng)。

(2)由已知電對的電勢求未知電勢。

:現(xiàn)使用                                                    

       

由標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的定義可知,某電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢實際上等于在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下由該電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池的電動勢。

 

此處nl1,n2ln32;

所以

推廣到一般

3.4.7電解

知識點(diǎn)一、電解原理

知識點(diǎn)二、分解電壓和超電勢

知識點(diǎn)三、電解的應(yīng)用

知識點(diǎn)一、電解原理

電解:用電流促進(jìn)一個非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)得以進(jìn)行,完成電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)變。

通常是使直流電通過電解質(zhì)溶液(或熔融電解質(zhì))

以電解水為例

 “陽氧正

電解池:將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能

原電池:將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

知識點(diǎn)二、分解電壓和超電勢

當(dāng)外加電壓 e=1.23v,等于兩個電極的電勢差,也是理論上能分解水的電壓,叫理論分解電壓。然由于電解池的內(nèi)部原因,外加電壓必高于1.23v,才能輸出電流,電解水時電壓為1.7v,反應(yīng)才開始發(fā)生,這時的電壓叫做分解電壓。

實際分解電壓高于理論分解電壓,這是由于“超電勢”引起的。

超電勢:為完成電解氧化還原所需電勢超過其平衡電勢的部分叫做超電勢。

超電勢是由溶液中離子的擴(kuò)散、濃差極化等原因造成。

知識點(diǎn)三、電解的應(yīng)用

1、電鍍

被鍍零件做陰極,鍍層金屬做陽極。

2、電拋光

工作件作陽極,鉛板作陰極

3、電解加工

4、陽極氧化

3.4.8 金屬的腐蝕及防護(hù)

知識點(diǎn)一、腐蝕的分類

知識點(diǎn)二、金屬的電化學(xué)腐蝕

知識點(diǎn)三、金屬腐蝕的防護(hù)

知識點(diǎn)四、電化學(xué)保護(hù)法

知識點(diǎn)一、腐蝕的分類

知識點(diǎn)二、金屬的電化學(xué)腐蝕

析氫腐蝕     水膜呈酸性。

co2+h2o =     h2co3   =       h++hco 3-

陽極fe(- )   fe-2e=fe2+    陰極c(+)     2h++2e=h2↑總反應(yīng):  fe+2h+=fe2++h2

通常兩種腐蝕同時存在,但以后者更普遍。

吸氧腐蝕

陽極fe(- )   2fe-4e=2fe2+   陰極c(+)      o2+2h2o+4e=4oh-

總反應(yīng): 2fe+2h2o+o2= 2 fe(oh)4fe(oh)2+2h2o+o2=4fe(oh)3    fe2o3 · nh2o(鐵銹)

知識點(diǎn)三、金屬腐蝕的保護(hù)

1)選擇合適的防腐蝕金屬或合金:例如鋼鐵中添加cral、si等元素增加鋼的抗氧化性

2)覆蓋保護(hù)層法  :如油漆、陶瓷、耐腐蝕金屬覆蓋在金屬的表面

3)緩蝕劑法  :無機(jī)緩蝕劑和有機(jī)緩蝕劑(硫酸鋅對鐵有緩蝕作用)

4)電化學(xué)保護(hù)法 :電化學(xué)保護(hù)法分為陰極保護(hù)和陽極保護(hù)

a.陰極保護(hù):外加電流陰極保護(hù)法(保護(hù)金屬作為陰極)

b.犧牲陽極陰極保護(hù)法(附加活潑金屬作為陽極:輪船底部附加鋅塊)

2006、38

為保護(hù)輪船不被海水腐蝕,可作陽極犧牲的金屬是 a

a   zn   b   na   c  cu   d  pb

3.4.9化學(xué)電池