山西农业大学文理学院《普通化学》教案

安徽科技学院理学院《普通化学》教案（九）授课内容第九章氧化还原反应教学目的1、掌握氧化还原反应、氧化数、氧化还原方程的配平；2、化学电池、电池符号和电池反应；3、电池电动势、电极电势、标准氢电极、电极电势的应用；4、掌握Nernst方程的简单应用；5、电动势和自由能变化、氧化还原反应的平衡常数的关系；6、掌握标准电极电势图的简单应用。难点与重点[重点]1、氧化还原方程配平；2、电池反应与电池符号；3、Nernst方程的应用；4、E与△G及Ko的关系；5、电势图。[难点]1、方程式配平；2、氧化还原反应与电池符号的书写；3、电极电势、电动势与浓度、自由能的计算；4、氧化还原与电离、沉淀多平衡体系的处理；5、岐化反应的判定。课时6学时教学方法课堂讲授与实验相结合本章作业P225-227：9.2、9.7、9.8、9.10、9.11、9.13、9.17参考文献中国农业大学赵士铎编《普通化学》浙江大学编《普通化学》武汉大学《无机化学》北京师范大学编《无机化学》氧化还原反应2第九章氧化还原反应9.1氧化还原反应(oxidation-reductionreaction常缩写为redox)基本概念：以Cu(s)+2Ag+(aq)→Cu2+(aq)+2Ag(s)为例（1）还原剂(reductant):反应中给出电子的物质（Cu）。还原剂被氧化。（2）氧化剂(oxidant)：反应中得到电子的物质（Ag+），氧化剂被还原。注：“电子转移”或“电子得失”为：电子得失，或电子的强烈偏移。判断：反应前后元素氧化数是否有改变。9.1.1氧化数1定义：氧化数是指某元素一个原子的荷电数（形式上和外观上），该荷电数是假定把每个化学键中的电子指定给电负性（得电子相对能力）大的原子而求得。可以理解为该元素与其它元素的原子化合的能力。2氧化数规则：（1）单质中元素的氧化数为零。（2）氧在化合物中的氧化数一般为-2，在过氧化物中为-1，在OF2中为+2。氢的氧化数一般为+1，在与活泼金属形成的金属氢化物中则为-1。（3）离子化合物中，单原子离子元素的氧化数为离子所带电荷。（4）共价化合物中，元素的氧化数是把电子对指定给电负性大的一方而求得的表观电荷数。（如：HCl分子中Cl的氧化数为-1，H的氧化数为+1）（5）中性分子中，各元素氧化数的代数和为零。【例9.1】求Fe3O4、K2Cr2O7和S2O32－中Fe、Cr和S的氧化值【解】设Fe的氧化数为x，由规则（5）得：3x＋4×(-2)=0得x=38，Fe的氧化数为38。设Cr的氧化数为x,则2x＋7×(-2)=-2得x=6，Cr的氧化数为+6。设S的氧化值为x，则2x＋3×(-2)=-2得x=+2，S元素的氧化值为+2。注：氧化数和化合价的区别：氧化数可以是±整数或分数，而化合价只能是正负整数。结论：在氧化还原反应中，氧化过程必有某个元素的氧化数增加，还原过程必有某元素的氧化数减少。氧化数的增加数正是该元素原子失掉的电子数，氧化数的减少数也正是该元素原子得到的电子数。氧化还原反应中氧化数增加的总和等于氧化数减少的总和。氧化还原反应39.1.2氧化还原电对任何一个氧化还原反应可以分解为氧化反应和还原反应两个半反应。以Zn+Cu2+Zn2++Cu为例：氧化反应：ZnZn2+＋2e还原反应：Cu2+＋2eCu。其中：氧化数高的Zn2+和Cu2+称为氧化态，氧化数低的Zn和Cu称为还原态。1电对表示：氧化态/还原态，如Zn2+/Zn。任何一种元素的两种不同氧化数状态均可以构成一对氧化还原电对，如Fe2+/Fe、Fe3+/Fe、Fe3+/Fe2+。2自身氧化还原反应和歧化反应：（1）自身氧化还原反应：指的是氧化剂和还原剂都是同一种物质的氧化还原反应。例如2KClO3＝2KCl+3O2中，KClO3既是氧化剂，又是还原剂。（2）歧化反应：是同一种元素的处于同一氧化态的原子部分被氧化，部分被还原的自身氧化还原反应。如歧化反应2H2O2＝2H2O+O2。9.1.3氧化还原反应方程式配平配平依据：根据反应中氧化剂与还原剂氧化数变化的总数相等；或得、失电子总数相等的原则。常见的方法有氧化数法和离子电子法。1.氧化数法配平原则：①元素的氧化数升高值和降低值相等(氧化数守恒)。②反应前后各元素的原子总数相等（质量守恒）。配平步骤：(1)根据实验结果，正确写出基本反应式。HClO3+P4HCl+H3PO4(2)确定元素原子氧化数，并加上适当的系数，使反应式两边氧化数发生了变化的各原子的个数分别相等。0453PHClO5431-POH4HCl(3)按照最小公倍数原则，对各氧化数变化值乘以适当的系数，使氧化数降低的总数与升高的总数相等。氧化数降低总数；C1:︱－1－5︱=6×10=60氧化数升高总数：P:4×︱5－0︱=20×3=60(4)将以上找出的系数分别乘在氧化剂和还原剂化学式前，配平氧化数发生了变化的元素原子个数。10HClO3+3P410HCl+12H3PO4(5)然后用H2O配平H、O原子。最后要检查一下反应式两边H、O原子的个数，并用水使之配平。氧化还原反应4根据上式，反应物中：氢原子总数=10,氧原子总数：30生成物中：氢原子总数=46，氧原子总数：48说明一定有18个分子水参加了反应，在少氧的一方加18分子水，10HClO3+3P4+18H2O10HCl+12H3PO4(6)核对无误后，写成等式。10HClO3+3P4+18H2O10HCl+12H3PO42．离子－电子法：适用于溶液中进行的氧化还原反应。配平原则：①反应前后各元素原子总数相等（质量守恒）；②反应中电子得失数相等（电荷平衡）。配平步骤：（1）酸性介质中配平KMnO4＋Na2SO3＋H2SO4MnSO4＋Na2SO4①写出反应的离子方程式MnO4－＋SO3２－Mn2+＋SO42－②将离子方程式拆分为两个半反应氧化反应：SO3２－SO42－＋2e还原反应：MnO4－＋5eMn2+③配平原子和反应前后的电荷：在箭头两边多氧的一方加H+，少氧的一方加H2O,用加电子的方法配平电荷，并将箭头改写成等号SO3２－＋H2OSO42－＋2H+＋2eMnO4－＋8H+＋5eMn2+＋4H2O④按照最小公倍数原则，对两个半反应乘以适当的系数，使电子得失数相等。5SO3２－＋5H2O5SO42－＋10H+＋10e2MnO4－＋16H+＋10e2Mn2+＋8H2O⑤相加两个半反应，并消去多余物质。2MnO4－＋5SO3２－＋6H+2Mn2+＋5SO42－＋3H2O将反应还原：2KMnO4＋5Na2SO3＋3H2SO42MnSO4＋5Na2SO4＋3H2O＋K2SO4（2）碱性介质中配平反应：H2O2＋Cr(OH)4－CrO42－＋H2O①写出反应的离子方程式H2O2＋Cr(OH)4－CrO42－＋H2O②将离子方程式拆分为两个半反应H2O2H2OCr(OH)4－CrO42－③配平原子和反应前后的电荷：在箭头两边多氧的一方加H2O，少氧的一方氧化还原反应5加OH－,或多氢的一方加OH－，少氢的一方加H2O，再用加电子的方法配平电荷，并将箭头改写成等号H2O2+H2O+2eH2O+2OH－Cr(OH)4－+4OH－CrO42－+4H2O+3e④按最小公倍数原则，对两个半反应乘以适当的系数，使电子得失数相等。3H2O2+3H2O+6e3H2O+6OH－2Cr(OH)4－+8OH－2CrO42－+8H2O+6e⑤相加两个半反应，并消去多余物质。3H2O2＋2Cr(OH)4－＋2OH－2CrO42－＋8H2O（3）中性介质中配平下列反应。①用离子反应式的形式写出基本反应。I2+S2O32－I－+S4O62－②将总反应式分为两个半反应式：S2O32－S4O62－I2I－③原子配平和电荷数的配平：2S2O32－S4O62－+2eI2+2e2I－④、⑤步逐合并之，就得到了配平的总反应式。2S2O32－+I2S4O62－+2I－应用范围：氧化数法既适用于溶液中进行的氧化还原反应，也适用于气相和固相氧化还原反应。离子－电子法通常只适用于在溶液中进行的氧化还原反应，但离子－电子法更能反映氧化还原反应的本质。9.2原电池9.2.1原电池1定义：把氧化还原反应的化学能转变为电能的装置称为“原电池”。2结构：将反应Zn＋CuSO4ZnSO4＋Cu按图9-1装置，在左边的烧杯里盛有ZnSO4溶液，并插入Zn片；在右边的烧杯里盛有CuSO4溶液，并插入Cu片，将两个烧杯用盐桥（盐桥为一倒置的U型管，内部盛有被KCl饱和的琼脂，其作用是提供离子通道以维持两极溶液的电中性）连接来，将锌片和铜片用导线连接，中间串联一个检流计。图9-1铜锌原电池e→氧化还原反应64电极反应：锌半电池：Zn=Zn2+＋2e，氧化反应（电子通过外电路流向Cu板）负极；铜半电池：Cu2+＋2e=Cu还原反应（Cu2+在Cu板上获得电子）正极；电池（总）反应：Zn＋Cu2+Zn2+＋Cu原电池是由两个半电池构成，Zn2+/Zn电对构成了锌半电池（锌电极），Cu2+/Cu电对构成了铜半电池（铜电极）。5电极分类：⑴金属电极—由金属与其离子水溶液构成的电极，如铜电极(Cu2+／Cu)、锌电极(Zn2+／Zn)等；⑵氧化还原电极—由一种惰性金属(如Pt)插入含有某种元素两种不同氧化态物质的水溶液中构成的电极，例如把铂丝插入Fe3+和Fe2+离子混合溶液中构成的电极，其中含有Fe3+／Fe2+电对，铂丝起导体作用，在电池反应中不发生变化；⑶气体电极—是利用气体在水溶液中的离子化倾向而构成的电极。如氢电极，铂丝起导体的作用，均不发生化学变化。氢电极在原电池中，作负极时电极反应为：H2＝2H++2e作为正极时电极反应为：2H++2e＝H26意义：原电池证明了氧化还原反应的本质是电子的转移。从理论上讲，任何一氧化还原反应都可被设计在原电池中进行。9.2.2电池符号1定义：表示原电池的组成的特定符号称为“电池符号”。对铜锌原电池的电池符号则表示为：Zn︱Zn2+(c1)‖Cu2+(c2)︱Cu2书写规则：⑴“‖”表示连通两个半电池的盐桥；⑵规定将发生氧化反应的“负极”写在“‖”的左边，发生还原反应的“正极”写在“‖”右边；⑶“︱”表示半电池中电极与溶液间的相界面，同一相中不同物质间用“，”隔开。在电极电对中无金属可作为导体，必须外加惰性金属导体，通常用金属Pt做惰性电极。如：用氧化还原电对Fe3+/Fe2+作为电极，在构成半电池时，需要付加惰性电极；⑷溶液要注明浓度mol·dm-3，气体要注明分压(Pa)，同时要注明温度，如不特别注明，一般指温度298K，压力为101.325kPa，浓度为1mol·dm-3。⑸如果电对都是离子，则氧化数高的离子靠近盐桥，对于有气体参与的电对，以离子靠近盐桥。比如Fe3+／Fe2+电极与氢电极(2H+／H2)组成的原电池可表示为：氧化还原反应7Pt/H2(Pa)/H+(ｘmol·dm-3)‖Fe3+(ｙmol·dm-3)，Fe2+(ｚmol·dm-3)/Pt⑹在涉及氧的氧化数变化时，电池符号中应例入H+和OH-,但只涉及酸碱度时，则H+和OH-,可有可无，但最好表示出来如：3H2O2+2Au(S)+6H+=2Au3++6H2O符号：Au/Au3+‖H+,H2O2,H2O/Pt2MnO4－＋16H+＋10Cl－＝2Mn2+＋5Cl2＋8H2O符号：Pt︱Cl2(g)/Cl－(c1)‖H+(c2),MnO4－(c3),Mn2+(c4)/Pt【例9.2】用电池符号表示下列氧化还原反应(1)2Ag＋2HI2AgI＋H2(2)Fe2+＋Ag+Fe3+＋Ag【解】（1）氧化反应：Ag＋I－=AgI＋e(负极)还原反应：2H+＋2e=H2(正极)电池符号：Ag︱AgI(s)︱I－(c1)‖H+(c2)︱H2(g，p)︱Pt（2）氧化反应：Fe2+=Fe3+＋e（负极）还原反应：Ag+＋e=Ag（正极）电池符号：Pt︱Fe2+(c1),Fe3+(c2)‖Ag+(c3)︱Ag【例9.3】写出下列原电池的电极反应和电池反应【