第八章氧化还原反应与电极电位.docx
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第八章氧化还原反应与电极电位
氧化还原反应与电极电位
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难题解析[TOP]
例8-1写出并配平下列各电池的电极反应、电池反应,注明电极的种类。
(1)
(-)
Ag(s)
IAgCl(s)
IHCl(sln)2(100Cp)|Pt(s)(+)
(2)
(-)
Pb(s)
IPbS%)
IKO4(sIn)IIKCl(sln)IPbCs)IPb(s)(+)
(3)
(-)
Zn(s)
I乙帖)||
MnO4(⑵,Mn(C3),H(C4)IPt(s)(+)
(4)
(-)
Ag(s)|Ag+(C1)
IIAg+(C2)IAg(s)(+)
分析将所给原电池拆分为两个电极。
负极发生氧化反应,正极发生还原反
应,写出正、负极反应式,由正极反应和负极反应相加构成电池反应。
解
(1)正极反应Cb(g)+2e--2C「(aq)属于气体电极
负极反应Ag(s)+CI-(aq)—AgCI(s)+e属于金属-难溶盐-阴离子电极
电池反应2Ag(s)+Cl2(g)—2AgCI(s)n=2
(2)正极反应PbCl2(s)+2e-—Pb(s)+2C「(aq)属于金属-难溶盐-阴离子电极
2
负极反应Pb(s)+SO4-(aq)-PbSQ(s)+2e-属于金属-难溶盐-阴离子电极
2
电池反应PbCl2(s)+SO4-(aq)—PbSOs)+2Cl-(aq)n=2
(3)正极反应MnO4-(aq)+8H+(aq)+5e-—Mn2+(aq)+4H2O(l)属于氧化还原电极
负极反应Zn(s)—^n(aq)+2e'属于金属-金属离子电极
电池反应2MnO4(aq)+16H+(aq)+5Zn(s)—2M2+(aq)+8出0
(1)+5Zn2+(aq)n=10
(4)正极反应Ag+(⑵+e-—Ag(s)属于金属-金属离子电极
负极反应Ag(s)—A(C1)+e-属于金属-金属离子电极
电池反应Ag+(c2)—Ag(C1)n=1
例8-225C时测得电池(-)Ag(s)|AgCl(s)|HCC)IC2(100kp)|Pt(s»的电动势为
1.136V,已知;:
9(Cl2/C「)=1.358V,(Ag+/Ag)=0.7996V,求AgCl的溶度积。
分析首先根据电池电动势和已知的标准电极电位,由NernSt方程求出“AgCl/Ag。
其
+-
Ag(aq)+Cl(aq)+Ag(s)
解由电池表达式:
E=‘CI2/CI--;AgCl/Ag
=1.136V,
将;ci2/ci-和Pci2数据带入
-10
Ksp(AgCI)=1.7410X
例8-3在Ag+、Cu2+离子浓度分别为1.00>10-2molL-1和1.00molL-1的溶液中加入铁
第一种金属离子在溶
+
(Ag/Ag)=0.7996V。
粉,哪一种金属离子先被还原析出?
当第二种金属离子被还原析出时,
液中的浓度为多少?
已知;:
9(Cu2+/Cu)=0.3419V,;:
9
分析首先根据电极电位判断物质氧化性或还原性的相对强弱。
氧化能力强的氧化型物质将首先被还原。
随着反应进行,被还原金属离子浓度降低,电极电位减小,当减小到与
第二种金属离子的电极电位相等时,第二种金属离子才能被还原。
解:
Ag/Ag=;:
Ag/Ag+皿5916V|Og[Ag+]
-2
=0.7996V+0.05916VIg(1.0010)丸0.6813V
A
;cu2/Cu=;cu2/Cu=0.3419V
由于®Ag办gC"板,Ag+是较强氧化剂,当加入还原剂铁粉时首先被还原。
当:
Ag/Ag」&/Cu时,C『+离子被还原。
则
:
Ag/Ag=0.7996V+0.05916Vlg[Ag+]=0.3419V
[Ag+]=1.8210-8(molL-1)
例8-4298K时电池(-)Pt(s)|H(100kp)|NaOH(sIn)|HgO(s)|Hg+)的
e101
E=0.926V,反应H2(g)+—O2(g)=H20
(1)的厶rHm=-285.84kJmol-。
又:
2
H2(g)O2(g)H2O(l)Hg(l)HgO(s)
0-1-1
S/JmolK130.5205.0369.9477.470.29
1
试求分解反应HgO(s).•Hg(l)+O2(g)
2
(1)在298K时氧的平衡分压;
(2)假定反应热与温度无关,HgO在空气中能稳定存在的最高温度是多少?
解给定的电池反应:
HgO(s)+H2tHg(l)+H2O(l)且n=2……(1式)
0011
△rGm=-nFE=-296500Cmol-X0.926V=-178718Jmol-
1
由H2(g)+O2(g)=H2O(l)……(2式)
2
AAA
△rGm[H2O(l)]=△rHm—T>△rSm
1111=-285840Jmol--298K><69.94-130.5-X205.03)Jmol-K-
=-237244Jmol-1
1
1式一2式得HgO(s)tHg(l)+-O2(g)……(3式)
2
0111
△rGm=-178718Jmol--(-237244Jmo「・)=58526Jmol-
(1)由△rGm=—RTInKp,
-1-1-1
lnKp=-△rGm/RT=-58526Jmol-/(8.314Jmol-KX298K)=-23.62
Kp=5.5<0=•.:
.{Po2
2-21-19
Po2=Kp=3.0310atm=3.071 1 ⑵反应HgO(s)tHg(l)+-02(g)的 2 A1111111 △rSm=77.4Jmol-K-+—X205.03Jmo「K--70.29Jmol-K- 2 -1-1 =109.6JmolK -1-1-1-1 =58526Jmol+298KX109.6JmolK=91187Jmol- 再由 计算得 计算题 ) ) () ) () ㈡匕吋;仃2-TJ K1(T2「)R 0.447_91187Jmol」(T2-298K) ="Z"T 5.510(T2298K)8.314JmolK T2=784.2K 学生自测题[TOP]判断题选择题填空题问答题 、判断题(对的打V,错的打X) 1.CH4中C与4个H形成四个共价键,因此C的氧化值是4。 ( 2.浓差电池Ag|AgNO3(C1)||AgNO3(C2)|Ag,C1 ( 3.组成原电池的两个电对的电极电位相等时,电池反应处于平衡状态。 4.氢电极的电极电位是0.0000伏。 () 5.增加反应12+2e-2「中有关离子的浓度,则电极电位增加。 ( 、选择题(将每题一个正确答案的标号选出)[TOP] 1.下列关于氧化值的叙述中,不正确的是 A.单质的氧化值为0B.氧的氧化值一般为-2 C.氢的氧化值只能为+1D.氧化值可以为整数或分数 E.在多原子分子中,各元素的氧化值的代数和为0 2.下列原电池中,电动势最大的是 A.(-)Zn|Zn(c)IICu(c)|Cu(+) B.(-)Zn|Zn(0.1c)IICu(0.2c)|Cu(+) 2+2+ C.(-)Zn|Zn(c)||Cu(0.1c)|Cu什) D.(-)Zn|Zn(0.1c)IICu(c)|Cu什) E.(-)Zn|Zn(2c)IICu(c)|Cu(+) A2+A+ 3.已知-(Zn/Zn)=—0.76V,-(Ag/Ag)=0.80V,将这两电对组成原电池,则电池 的标准电动势为 ( ) A.2.36V B.0.04VC.0.84V D.1.56V E.1.18V 4.对于电池反应 Cu2+Zn=Cu+Zn2,卜列说法正确的是 ( ) A.当c(Cu2+)=c(Zn2+)时,电池反应达到平衡。 B.当;: 9(Zn2+/Zn)=「°(Cu2+/Cu)时,电池反应达到平衡。 C.当Cu2+,Zn2+均处于标准态时,电池反应达到平衡。 D.当原电池的标准电动势为0时,电池反应达到平衡。 E.当原电池的电动势为0时,电池反应达到平衡。 5.已知’(Fe2+/Fe)=—0.45V,;: °(Ag+/Ag)=0.80V,°(Fe3+/Fe2+)=0.77V,标准状 态下,上述电对中最强的氧化剂和还原剂分别是() A.Ag+,Fe2+B.Ag+,FeC.Fe3+,FeD.Fe2+,AgE.Fe3+,Fe2+ 三、填空题[TOP] 1.Fe3O4中Fe的氧化值为⑴;Na2O2中O的氧化值为⑵。 2•在氧化还原反应中,电极电位值愈负的电对,其还原型物质⑶电子的倾向愈大, 是愈强的⑷剂。 3•对于电极反应Mn++Xe-=M(n-x)+,若加入M(n-x)+的沉淀剂或络合剂,则此电极的电极电位将⑸,Mn+的氧化性将⑹。 四、问答题[TOP] 1.随着溶液pH的升高,下列物质的氧化性有何变化? 22亠2+ MnO4,Cr2O7,Hg2,Cu,H2O2,Cl2 2.应用标准电极电位数据,解释下列现象: (1)为使Fe2+溶液不被氧化,常放入铁钉。 (2)H2S溶液,久置会出现浑浊。 (3)无法在水溶液中制备Feb。 (°(Fe3+/Fe2+)=0.77V,;: °(Fe2+/Fe)=—0.45V,「°(S/H2S)=0.14V,: °(O2/H2O) =1.23V,°(I2/I-)=0.54V) 1设计一原电池,计算AgCI的溶度积常数Ksp,并写出原电池的组成式。 2.已知崔(Cu/Cu)=0.340V,时(Ag/Ag)=0.799V,将铜片插入O.lOmolL;CuS04溶液中,银片插入0.10molL-1AgNO3溶液中组成原电池。 (1)计算原电池的电动势。 (2)写出电极反应、电池反应和原电池符号。 (3)计算电池反应的平衡常数。 学生自测答案[TOP] 一、判断题 1.X2.V3.V4.X5.X 二、选择题 1.C 2.D3 •D4.E5.B 三、 填空题 1. 8 (1) 3 (2)-1 2. (3)失去 (4)还原 3. (5)增大 (6)增强 四、 简答题 影响,Hg;'、Cu2+和Cl? 的氧化性不变。 2. (1)由于: : °(02旧;0)>: : °(Fe3+/Fe;+),所以溶液中Fe;+易被氧化成Fe3+。 当有铁钉 存在时,「°(Fe;+/Fe)v汕(Fe3+/Fe;+),低电极电位的还原剂能够还原高电极电位的氧化剂, 所以Fe能将Fe3+还原成Fe2+,反应式为: 2Fe3++Fe=3Fe2+。 °°1 (2)因为(O2/H2O)>: (S/H2S),所以反应H2S+02=H2O+SJ可自发进行,久置 2 常出现浑浊。 (3)因为;: °(Fe3+/Fe2+)>;: °(b/l-),溶液中的Fe3+和「能自发进行反应。 五、计算题 1.设计以Ag电极和Ag-AgCl电极组成的原电池 (-)Ag(s)|AgN03||KCI|AgCI(s)|Ag(+) 正极反应AgCl(s)+e-tAg+Cl-二=0.223/ 负极反应AgtAg++e-=0.799V 电池反应AgCl(s)tAg++Cl-(此反应的平衡常数即为Ksp) E二二氧」还=0.223V—0.799V=-0.576V Ksp=1.821040 : (Ag+/Ag)=: °(Ag+/Ag)+O.05: 1% 1 =0.799V+0.05916Vlg0.10=0.740V 所以银电极为正极,铜电极为负极 电池的电动势E=.-_=0.430V。 ⑵正极反应Ag++e-tAg 负极反应CutCu2++2e- 电池反应2Ag++Cut2Ag+Cu2+ 原电池符号为 (一)Cu|Cu2+(o.imolL-彳)||Ag+(0.1molL-1)|Ag(+) EJ0.459V,n=2,lgK71 nE15 =15.52,K■=3.3X00.05916V 章后习题解答[TOP] 1、指出下列化合物中划线元素的氧化值: K2CrO4、Na2S2O3、Na2£O3、CIO2、N2O5、 NaH、K2Q2、K2MnO4 解划线元素的氧化值分别为: +6;+2;+4;+4;+5;-1;-1;+6。 2、利用离子-电子法配平下列各反应方程式: -+2+ (1)MnO4(aq)+H2O2(aq)+H(aq)tMn(aq)+O2(g)+H2O(l) (2)62O72-(aq)+SO32-(aq)+H+(aq)tCrh(aq)+SO42-(aq)+出。 (1) -+-2-- (3)AS2S3(s)+ClO3(aq)+H(aq)t(Caq)+H2AsO4(sln)+SO4(aq) 解 (1)2MnO4-(aq)+5H2O2(aq)+6H(aq)t2Mn(aq)+5O2(g)+8H2O(l) (2)62O72-(aq)+3SO32-(aq)+8H+(aq)t2(C+(aq)+3SO42-(aq)+4H2OQ) --2-2--+ (3)AS2S3(s)+5ClO3(aq)+5H2O(l)t5C(aq)+2AsO4(sln)+3SO4(aq)+10H(aq) 3、在原电池中盐桥的作用是什么? 是否可以取消? 解盐桥的主要作用是: 离子导体及中和半电池中的电荷,维持电中性。 盐桥不能取消。 4、根据标准电极电位(强酸性介质中),按下列要求排序: (1)按氧化剂的氧化能力增强排序: Cr2O72-、MnO4、MnO2、CI2、Fe3+、Zn2+ (2)按还原剂的还原能力增强排序: Cr3+、Fe2+、Cl-、Li、H2 解 (1)氧化剂能力增强顺序: Zn2+、Fe3+、MnO2、Cr? 。 ? 2-、CI2、MnO4 (2)还原剂能力增强顺序: Cl-、Cr3+、Fe2+、出、Li 5、根据标准电极电位,判断标态时下列反应的自发方向是否正确,并写出正确的电池组成式。 +2+ (1)Zn(s)+Ag(aq)一Zn(aq)+Ag(s) 3+2-- (2)Cr(aq)+Cl2(g)>62O7+Cl(aq) _-2+3+ (3)103(aq)+Fe(aq)―;Fe(aq)+12(s)解⑴(-)Zn(s)IZn(aq)||Ag(aq)|Ag(s)(+) (2)(-)Pt(s)|Cfaq),C「2O7(aq),H+(aq)IICl-(aq)Cl2(g)IPt(s)(+) (3)(-)Pt(s)|举eaq),Fe3+(aq)II03-(aq),H+(aq)2(IIPt(s)+) 6、根据标准电极电位,分别找出满足下列要求的物质(在标态下): (1)能将Co2+还原成Co,但不能将Zn2+还原成Zn; (2)能将Br-氧化成B「2,但不能将Cl-氧化成Cl? 。 解只要找到的氧化还原电对的电极电位处于两个电对的电极电位之间即可。 如 (1)Fe粉;⑵MnO2 7、根据下列半反应,说明在标态下H2O2能否自发分解成出0和02。 +—19 O2(g)+2H(aq)+2eH2O2(aq)=0.695V 解将以上两个电极组成电池,电极电位高的作正极, 正极发生还原反应: H2O2(aq)+2H +—1 (aq)+2e2H2OQ) 负极发生氧化反应: H2O2(aq) +—1 O2(g)+2H(aq)+2e 电池反应为: 2H2O2(aq) 9 二O2(g)+2H2O(l)E>0 说明在标准状态下 H2O2能自发分解成 H2O和O2。 8、根据标准电极电位和电极电位Nernst方程计算下列电极电位: +-1-■_ (1)2H(0.10molL)+2eH2(200kPa), (2) 酸度: (1)pH=0.0, (2)pH=5.5,MnO4离子能否氧化I和Br离子。 -,g2+gg 解已知申(Mn04/Mn)=1.507V,毋(Br2/B门=1.066V,卩(1别-)=0.5355V ⑴pH=0.0时,即为标准状态,MnO4-离子能氧化I-和Br-离子。 」屮-2+小-2+0.05916V[Mn041[H+]8 (2)pH=5.5时’(MnO4/Mn)=: (MnO4/Mn)+lg弓 5[MnT =1.507V—0.05916Vg.5>8/5=0.986V 故此时,MnO4离子只能氧化I离子不能氧化Br离子。 10、二氧化氯常作为消毒剂用于水的净化处理, (1)二氧化氯的生成反应为: 2NaCIO2(sln)+Cl2(g)=2ClO2(g)+2NaCI(sln), 已知: ClO2(g)+e-ClO2-(aq): g=0.954V Cl2(g)+2e-2Cl-(aq)‘=1.358V,计算该反应的、•: rGm^和。 (2)二氧化氯的消毒作用在于: ClO2(g)ClO3-(aq)+Cl-(aq),请配平该反应式。 解 (1)反应的离子方程式为: 2ClO2—(aq)+Cl2(g)=2ClO2(g)+2Cl—(aq) 日9十代9 E■=+--=1.358V-0.954V=0.404V G二=—nFE^=—2X96500Cmol-1X0.404V=—77972Jmol-1 13 lgK^=nE/0.05916V=20.404V/0.05916V,=4.5> (2)配平得: 6ClO2(g)+3H2O==5ClO3-(aq)+Cl-(aq)+6H+(aq) 3^Hg2^Hg 11、已知: Co(aq)+3e-Co(s)=1.26V;Co(aq)+2e-=Co(s)=-0.28V, 求: (1)当钴金属溶于1.0molL-1硝酸时,反应生成的是Co3+还是Co2+(假设在标准状态下); ⑵如改变硝酸的浓度可以改变 (1)中的结论吗? 已知“(NO3-/NO)=0.96V。 解 (1)标准状态下,当钴金属溶于1.0molL--1硝酸时,反应生成的是Co2+。 (2)电极电位相差0.3V,故改变硝酸的浓度也难改变 (1)中的结论。 12、实验测得下列电池在298.15K时,E=0.420V。 求胃液的pH值(SCE的电极电位 为0.2412V)。 (—)Pt(s)l2H100KPa)需液|SCE(+) 亠2 解(H^UH/HJ+^^lg虹, 2FH2 E=SCE一H=0.2412V—0.05916V(-pH)=0.420V 得pH=3.02。 13、在酸性介质中,随pH值升高,下列氧化型物质中,哪些离子(物质)的氧化能力 增强? 哪些离子(物质)的氧化能力减弱? 哪些离子(物质)的氧化能力不变? 2+2--2+ Hg2、Cr2O7、MnO4、CI2、Cu、H2O20 解pH升高,H+浓度下降。 在半反应中,没有H+参与的电对氧化能力不变;Hg22+、CI2、Cu2+; H+在氧化型一边的电极电位下降,氧化能力减弱;C「2O72-、MnO4-、H2O2; H+在还原型一边的电极电位上升,氧化性增强。 14、求298.15K,下列电池的电动势,并指出正、负极: 2+ (Cu/Cu)—0.0296V Cu(s)|Ci(1.010-4molL-1)IICu2+(1.010-1molL-1)ICu(s) '右=9(Cu2+/Cu)+0.05916Vlg(1.010-1)= 右边为正极,左边为负极。 E=0.1184V—0.0296V=0.0888V 15、已知298.15K下列原电池的电动势为0.3884V: 2+12+1 (—)Zn(s)|Zn(xmolL-)IICd(0.20molL-)ICd(s)+) 则Zn2+离子的浓度应该是多少? 解查表知9(Cd2+/Cd)=-0.403V;: 9(Zn2+/Zn)=-0.762V 92+■: 92+ E一=(Cd/Cd)-(Zn/Zn)=-0.403V-(-0.762V)=0.359V 得[Zn2+]=0.021molL ;: 9=0.7973V 2+- Hg2(aq)+2e=-2Hg(l) 试求Hg2SO4的溶度积常数。 解将两个电极组成原电池;Hg22+(aq)+SO42—(aq)=Hg2SO4(s) 9 E=0.7973V-0.6125V=0.185v,n=2 '[[6 lgK=2>E
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