实验17-氧化还原反应和电化学

实验17氧化还原反应和电化学一、实验目的1．了解电极电势与氧化还原反应的关系；2．试验并掌握浓度和酸度对电极电势的影响。二、实验原理原电池是将化学能转变为电能的装置。原电池的电动势可以表示为正极和负极电极电势之差：ε＝E(+)－E()电动势可以用万用电表测量。氧化剂和还原剂的强弱，可用电对电极电势的大小来衡量。一个电对的标准电极电势Eo值越大，其氧化型的氧化能力就越强，而还原型的还原能力就越弱；若Eo值越小，其氧化型氧化能力越弱，而还原型还原能力越强。根据标准电极电势值可以判断反应进行的方向。在标准状态下反应能够进行的条件是：εo＝Eo(+)－Eo()＞0例如，Eo(Fe3+/Fe2+)＝0.771V，Eo(I2/I)＝0.535V，Eo(Br2/Br＝1.08V则在标准状态下，电对Fe3+/Fe2+的氧化型Fe3+可以氧化电对I2/I的还原型I，反应式如下：2Fe3++2I══2Fe2++I2而反应电对Fe3+/Fe2+的氧化型Fe3+可以氧化电对Br2/Br的还原型Br，相反的反应则可以进行：Br2+2Fe2+══2Br+2Fe3+当然，多数反应都是在非标准状态下进的，这时需要考虑浓度对电极电势的影响，这种影响可用能斯特（Nernst）方程来表示：0.059[]lg[]EEn氧化型还原型从能斯特方程可以看出，改变电对氧化型、还原型的浓度，将使电极电势值发生相应程度的变化。由于酸碱平衡、沉淀溶解平衡和配位离解平衡能够改变氧化型或还原型浓度，从而影响电对电极电势的大小，它们对于氧化还原反应都有影响；有时影响显著，甚至可能改变反应进行的方向。三、实验用品万用电表、导线、Cu片、Zn片、铁电极、碳电极KI（0.1mol·L1）、KBr（0.1mol·L1）、Na2SO3（0.1mol·L1）、FeCl3（0.1mol·L1）、Fe2(SO4)3（0.1mol·L1）、FeSO4（0.1mol·L1）、NaCl（6mol·L1）、KMnO4（0.01mol·L1、0.2mol·L1）、Na2SO4（1mol·L1）、NaHSO3（1mol·L1）、CuSO4（1mol·L1）、ZnSO4（1mol·L1）、H2SO4（1mol·L-1、3mol·L-1、6mol·L-1）、HCl（6mol·L1）、HAc（6mol·L1）、NaOH（6mol·L1）、K2Cr2O7（0.4mol·L1）、浓NH3·H2O（AR）、NH4F（10%）、CCl4、氯水、溴水、碘水、MnSO4（0.2mol·L1）、H2C2O4（0.2mol·L1）、浓HNO3（AR）、HNO3（0.5mol·L1）、奈斯勒试剂、硫酸亚铁铵（AR）四、实验内容（一）电极电势与氧化还原反应的方向1．向试管中加入几滴0.1mol·L1KI溶液和少量CCl4，边滴加0.1mol·L1FeCl3溶液边振摇试管，观察CCl4层的颜色变化，写出反应方程式。以KBr代替KI重复进行实验，结果如何？2．向试管中滴加几滴Br2水和少量CCl4，摇动试管，观察CCl4层的颜色。再加入约0.5g硫酸亚铁铵固体，充分反应后观察CCl4层颜色有无变化？以I2水代替Br2水重复进行实验。CCl4层颜色有无变化？写出反应方程式。3．在试管中加入几滴KBr溶液和少量CCl4，滴加氯水，充分振摇试管，观察CCl4层的颜色变化。用KI溶液代替KBr溶液进行试验，仔细观察CCl4层颜色的变化。写出有关反应方程式。由以上实验结果确定电对Fe3+／Fe2+、I2／I、Br2／Br、Cl2／Cl电极电势的相对大小，并说明电极电势与氧化还原反应方向的关系。（二）浓度和酸度对电极电势的影响1.浓度对电极电势的影响（1）在一50mL烧杯中加入30mL1mol·L1CuSO4溶液，插入铜片作为正极；另一50mL烧杯中加入30mL1mol·L1ZnSO4溶液，插入锌片作为负极。用KCl盐桥将两电极溶液连接构成原电池，用万用电表测量电池的电动势。（2）在搅拌下向CuSO4溶液中滴加浓NH3·H2O，至生成的沉淀刚好完全溶解，测出电池的电动势。（3）再在ZnSO4溶液中滴加浓NH3·H2O至生成的沉淀刚好完全溶解，测出电池的电动势。根据以上三个电池电动势的测定结果，用能斯特方程说明配合物的形成对电极电势的影响。2．酸度对电极电势的影响在两只50mL烧杯中分别加入30mL1mol·L1FeSO4溶液和30mL0.4mol·L1K2Cr2O7溶液，再分别插入铁电极和碳电极，用KCl盐桥将两电极连接起来，测量电池电动势。在K2Cr2O7溶液中慢慢加入1mol·L1H2SO4溶液，观察溶液颜色和电池电动势的变化；再在K2Cr2O7溶液中滴加6mol·L1NaOH溶液，观察溶液颜色和电池电动势的变化。解释实验现象。（三）浓度和酸度对氧化还原反应产物的影响1．浓度对氧化还原反应产物的影响在两支各有一粒锌粒的试管中，分别加入浓HNO3和0.5mol·L1HNO3溶液，观察实验现象。反应完毕后，检验稀HNO3试管中是否存在NH4+（气室法或者奈斯勒试剂法）。2.酸度对氧化还原反应产物的影响在试管中加入少量0.1mol·L1Na2SO3溶液，然后加入0.5mL3mol·L1H2SO4溶液，再加1～2滴0.01mol·L1KMnO4溶液，观察实验现象，写出反应方程式。分别以蒸馏水、6mol·L1NaOH溶液代替H2SO4重复进行实验，观察现象，写出反应方程式。由实验结果说明介质酸碱性对氧化还原反应产物的影响，并用电极电势加以解释。（四）酸度对氧化还原反应速率的影响在两支各加入几滴0.1mol·L1KBr溶液的试管中，分别加入几滴3mol·L1H2SO4和6mol·L1HAc溶液，然后各滴加l滴KMnO4溶液。比较紫色褪去速度，写出反应方程式。（五）催化剂对氧化还原反应速度的影响H2C2O4溶液和KMnO4溶液在酸性介质中能够发生如下反应：5H2C2O4+2MnO4══2Mn2CO2+8H2O此反应的电动势虽然很大，但反应速度较慢。Mn2对反应有催化作用，所以随反应自身产生Mn2，形成自催化作用，反应速度变得越来越快。如果加入F把Mn2掩蔽起来，则反应仍然进行得很慢。取支试管，分别加入1mL2mol·L1H2C2O4溶液、0.01mol·L1KMnO4溶液，再加入数滴1mol·L1H2SO4溶液，然后在第一支试管中加入2滴0.2mol·L1MnSO4溶液，往第三支试管中加入数滴10%的NH4F溶液，混合均，观察支试管中红色的快慢情况，必要时可用小火加热进行比较。五、思考题1．为什么KMnO4能氧化盐酸中的Cl，而不能氧化氯化钠溶液中的Cl？2．用实验事实说明浓度如何影响电极电势？在实验中应如何控制介质条件?3．浓度和溶液酸度对于氧化还原反应的产物和方向有什么影响？