试验六氧化还原反应与电极电势

实验六氧化还原反应与电极电势

一、实验目的

1.熟悉电极电势与氧化还原反应的关系。

2.了解浓度、酸度、温度对氧化还原反应的影响。

3.了解原电池的装置和原理。

二、实验原理

氧化还原反应的实质是物质间电子的转移或电子对的偏移。氧化剂、还原剂得失电子能力的大小，即氧化还原能力的强弱，可根据它们相应电对的电极电势的相对大小来衡量。电极电势的数值越大，则氧化态的氧化能力越强，其氧化态物质是较强的氧化剂。电极电势的数值越小，则还原态的还原能力越强，其还原态物质是较强的还原剂。只有较强的氧化剂和较强的还原剂之间才能够发生反应，生成较弱的氧化剂和较弱的还原剂，故根据电极电势可以判断反应的方向。

利用氧化还原反应产生电流的装置称原电池。原电池的电动势E池= φ+-φ-，根据能斯特方程，当氧化型或还原型物质的浓度、酸度改变时，电极电势的数值会随之发生改变。本实验利用伏特计测定原电池的电动势来定性比较浓度、酸度等因素对电极电势及氧化还原反应的影响。

三、仪器和试药

仪器：试管、烧杯、表面皿、培养皿、U形管、伏特计、水浴锅、导线、砂纸、鳄鱼夹。

试药：HCl (2mol·L-1)、HNO3 (1mol·L-1, 浓)、H2SO4 (1, 3mol·L-1)、HAc (3mol·L-1)、H2C2O4 (0.1mol·L-1)、NH3·H2O (浓)、NaOH (6 mol·L-1, 40%)、ZnSO4 (1mol·L-1)、CuSO4 (1mol·L-1)、KI (0.1mol·L-1)、KBr (0.1mol·L-1)、AgNO3 (0.1, 0.5mol·L-1)、FeCl3 (0.1mol·L-1)、Fe2(SO4)3 (0.1mol·L-1)、FeSO4(0.4,1mol·L-1)、K2Cr2O7(0.4mol·L-1)、KMnO4(0.001mol·L-1)、Na2SO3 (0.1mol·L-1)、Na3AsO3 (0.1mol·L-1)、MnSO4 (0.1mol·L-1)、KSCN (0.1mol·L-1)、溴水(Br2)、碘水(I2)、CCl4、NH4F (1mol·L-1、固体)、KCl(饱和溶液)、SnCl2 (0.5mol·L-1)、CuCl2 (0.5mol·L-1)、(NH4)2C2O4(饱和溶液)、锌粒、小锌片、小铜片、琼脂、电极(锌片、铜片、铁片、碳棒)、红色石蕊试纸。

四、实验内容

1.电极电势和氧化还原反应

(1)向试管中加入10滴0.1mol·L-1的KI溶液和2滴0.1mol·L-1的FeCl3溶液后，摇匀，再加入10滴CCl4溶液充分振荡，观察CCl4层颜色的变化，解释原因并写出相应的反应方程式。

(2)用0.1mol·L-1KBr代替KI溶液进行同样实验，观察CCl4层颜色的变化。

(3)用溴水(Br2) 代替FeCl3溶液与0.1mol·L-1的KI溶液作用，又有何现象？

根据实验结果比较Br2/ Br-、I2/ I-、Fe3+/Fe2+三个电对的电极电势相对大小，指出最强的氧化剂和还原剂，并说明电极电势和氧化还原反应的关系。

2.浓度对电极电势的影响

(1)在两只50mL烧杯中，分别加入25mL 1mol·L-1的ZnSO4溶液和25mL 1mol·L-1的CuSO4溶液，在ZnSO4溶液中插入仔细打磨过的Zn片，在CuSO4溶液中插入仔细打磨过的Cu片，用导线将Cu片、Zn片分别与伏特计的正负极相连，两个烧杯溶液间用KCl盐桥连接好，测量电池电动势。

(2)取出盐桥，在CuSO 4溶液中滴加过量浓NH 3·H 2O ，边加边搅拌，当生成的沉淀完全溶解而形成深蓝色溶液时，放入盐桥，测定电池电动势。

(3)再取出盐桥，在ZnSO 4溶液中滴加浓NH 3·H 2O ，边加边搅拌，至生成的沉淀完全溶解后，放入盐桥，观察伏特计示数有何变化。

比较3次测定结果，你能得出什么结论？利用能斯特方程解释实验现象。

3.酸度对电极电势的影响

（1）取两只50mL 小烧杯，分别加入25mL 1mol·L -1FeSO 4溶液和25mL0.4mol·L -1K 2Cr 2O 7溶液，在盛有FeSO 4溶液的烧杯中插入铁片，盛有K 2Cr 2O 7溶液的烧杯中插入碳棒，用导线将铁片、碳棒与伏特计的负极、正极相连，将两烧杯间用另一盐桥连接好，测量电池电动势。

（2）在K 2Cr 2O 7溶液中，逐滴加入1mol·L -1H 2SO 4溶液，观察伏特计示数的变化。再向K 2Cr 2O 7溶液中，逐滴加入6mol·L -1 NaOH 溶液，观察伏特计的示数又怎样变化？

4.浓度、酸度对氧化还原反应产物的影响

(1)在3支试管中，均加入2滴0.001mol·L -1KMnO 4溶液，再分别加入1mol·L -1H 2SO 4、、蒸馏水、6mol·L -1NaOH 溶液各0.5mL ，摇匀后往3支试管中各加几滴 0.1mol·L -1Na 2SO 3溶液，观察反应产物有何不同？解释原因。

(2)在两支试管中分别加入2mL 浓HNO 3和1mol·L -1HNO 3，再各加入一小颗锌粒，观察发生的现象。写出有关反应式。

浓HNO 3被还原的主要产物可通过对生成气体颜色的观察进行判断，稀HNO 3被还原的主要产物可通过检验溶液中是否有NH 4+ 生成来进行判断。溶液中NH 4+检验方法常用气室法或奈斯勒试剂法(奈斯勒试剂是K 2[HgI 4]的KOH 溶液，遇NH 4+生成棕红色沉淀)。气室法检验NH 4+离子方法：取大小两个表面皿，在较大表面皿中加入5-10滴待测试液，再滴入3-5滴40%的NaOH 溶液，在较小的表面皿贴一小块湿润的红色石蕊试纸(或广泛pH 试纸)，将两个表面皿盖好做成气室，将该气室放在水浴上微热，若试纸变蓝色，则示NH 4+存在。

5.浓度、酸度对氧化还原反应方向的影响

(1)浓度的影响

①取一支试管，加入蒸馏水、CCl 4溶液和0.1mol·L -1Fe 2(SO 4)3溶液各10滴，摇匀,再加入10滴0.1mol·L -1 的KI 溶液，振荡后观察CCl 4层的颜色。

②在另一支试管中加入CCl 4、0.1mol·L -1FeSO 4和0.1mol·L -1Fe 2(SO 4)3溶液各10滴，摇匀后，再加入10滴 0.1mol·L -1的KI 溶液,振荡后观察CCl 4层的颜色。并与上一实验进行比较。

③在以上2只试管中各加入一小勺NH 4F(固体)，用力振荡一会儿，观察CCl 4层的颜色变化。

解释以上实验现象，说明浓度对氧化还原反应方向的影响。

(2)酸度的影响

Na 3AsO 3 溶液与I 2水之间反应如下：

O H I AsO H 2I 2AsO 22-33-34++=+++-

取一支试管，加入5滴0.1mol·L -1Na 3AsO 3 溶液，再加入5滴I 2水，观察溶液颜色。然后将溶液用2mol·L -1HCl 酸化，溶液颜色有何变化？再向溶液中滴入40%NaOH 溶液，又有何变化？解释原因，说明酸度对氧化还原反应方向的影响。

6.酸度、温度和催化剂对氧化还原反应速度的影响

(1)酸度的影响

在两支试管中，各加入5滴饱和(NH 4)2C 2O 4溶液，再分别加入3mol·L -1H 2SO 4和3mol·L -1 HAc 溶液各5滴 ，然后往两支试管中各加入2滴0.001mol·L -1KMnO 4 溶液，观察比较两支

试管中紫红色褪去的快慢。解释原因，并写出有关反应方程式。

(2)温度的影响

在两支试管中，各加入10滴0.1mol·L-1H2C2O4溶液，5滴1mol·L-1H2SO4和1滴0.001mol·L-1KMnO4溶液，摇匀；将其中一支试管放入80℃水浴中加热，另一支试管不加热，比较两支试管紫红色褪色快慢。说明原因。

(3)催化剂的影响

在3支试管中，各加入1mL 0.1mol·L-1H2C2O4溶液，5滴1mol·L-1H2SO4和1滴0.001mol·L-1KMnO4溶液，摇匀；向其中一支试管滴加5滴0.1mol·L-1MnSO4，另一支试管滴加5滴1mol·L-1NH4F溶液，第三支试管加5滴蒸馏水，摇匀，比较3支试管紫红色褪色快慢，必要时可加热。解释原因。

7.趣味实验

(1)锡树的形成

将一张经0.5mol·L-1SnCl2溶液均匀润湿的圆形滤纸贴在培养皿中，不能有气泡，滤纸中央放上一小块锌片，盖上盖子，放置约30分钟，即可观察到闪光的小锡树。

(2)银树的形成

方法同上，只是改以0.5mol·L-1AgNO3溶液润湿滤纸，滤纸中央放上一小块铜片，即可观察到美丽发光的银树。

(3)铜树的形成

方法同上，改以0.5mol·L-1CuCl2溶液代替SnCl2溶液润湿滤纸，即可观察到铜树。

五、注意事项

1.FeSO4和Na2SO3溶液要现配制。

2.作为电极的锌片、铜片、铁片、鳄鱼夹等用时要用砂纸打磨，以免接触不良影响伏特计读数。

3.盐桥的制法：将1g琼脂加入100mL饱和KCl溶液中浸泡一会儿，加热煮成糊状，趁热倒入U形玻璃管中(注意里面不能留气泡)，冷却即成。

六、思考题

1.为什么K2Cr2O7能氧化浓HCl中的Cl-，而不能氧化浓度更大的NaCl溶液中的Cl-？

2.试归纳影响电极电势的因素。

3.若用饱和甘汞电极来测定锌电极的电极电势，应如何组成原电池？写出原电池符号及电极反应式。

4.试根据氧化还原的概念，再设计制备几种金属树。