氧化还原反应及电化学基础
第七章-氧化还原反应与电化学基础
§7.2 电化学电池
5. 正负极
• 电子的流出极叫负极：Zn极 • 电子的流入极叫正极：Cu极
6. 阴阳极
• 阳极(Positive Electrode)： 凡是进行氧化反应的电极叫阳极。
• 阴极(Negative Electrode)： 凡是进行还原反应的电极叫阴极。
第七章 氧化还原反应与电化学基础
在超氧化物中（KO2），氧的氧化数 为 1 ；
2
在氧的氟化物（OF2，O2F2）中，氧的 氧化数分别为+2和+1。
❖ 在所有的氟化物中氟的氧化数为-1。
第七章 氧化还原反应与电化学基础
§7.1 基本概念
例：
SiO2： Si的氧化数为+4； Cr2O72-：Cr的氧化数为+6； Fe3O4： Fe的氧化数为 8 ；
Mz+(aq)+ze-
–
离子电极
2OH-(aq) Pt | O2(p)|OH-(c)
金属-难 溶盐电极
AgCl(s) +e-
Ag(s) +Cl-(aq) Ag|AgCl|Cl-
§7.3 电极电势
(Electrode Potential)
7.3.1 电极电势的产生 7.3.2 电极电势的意义 7.3.3 电池电动势 7.3.4 标准电极电势 7.3.5 标准电极电势表 7.3.6 Nernst方程式 7.3.7 Nernst 方程式的应用
MgCl2(s)
第七章 氧化还原反应与电化学基础
§7.1 基本概念
2. 失去电子的过程叫氧化，得到电子的
过程叫还原
Zn(s) Zn2+(aq)+2eCu2+(aq)+2e- Cu(s) 局限性：形成共价分子的氧化过程不
氧化还原反应和电化学
氧化还原反应和电化学氧化还原反应和电化学是化学领域中重要的研究方向，它们在生产、能源、环境保护等各个领域都具有重要的应用价值。
本文将从氧化还原反应的基础知识入手，介绍氧化还原反应的定义、特征以及电化学的相关概念和应用。
一、氧化还原反应的基本概念和特征1.1 氧化还原反应的定义氧化还原反应是指化学反应中，电子从一种物质转移到另一种物质的过程。
在氧化还原反应中，发生氧化的物质失去电子，而发生还原的物质则获得电子。
整个过程涉及到电子的转移和能量的释放。
1.2 氧化还原反应的特征氧化还原反应的特征可以总结为以下几个方面：1）电子的转移：氧化还原反应中，电子从一个物质转移到另一个物质，导致物质的氧化或还原。
2）氧化和还原：氧化是指物质失去电子，还原是指物质获得电子。
3）氧化剂和还原剂：氧化剂是指能接受电子的物质，还原剂是指能提供电子的物质。
4）氧化态和还原态：在氧化还原反应中，物质的氧化态和还原态发生变化。
二、电化学的基本概念和应用2.1 电化学的基本概念电化学是研究电能与化学能之间相互转化的学科。
它涉及到电解、电池等重要概念。
2.2 电化学的应用电化学在许多领域都有广泛的应用。
以下是电化学的几个应用方面：1）电解：通过电解，可以将化合物分解为原子或离子，使得某些实验或工业过程得以实现。
2）电池：电化学电池是将化学能转化为电能的装置，广泛应用于电子产品、交通工具等领域。
3）腐蚀和防腐：电化学腐蚀是指金属在电解质中发生的一种化学腐蚀过程，而电化学防腐则是通过电化学方法来保护金属材料。
4）电解池：电解池是用于电解过程的装置，广泛应用于化学实验、电镀、电解精炼等领域。
三、氧化还原反应与电化学的关系氧化还原反应和电化学有着密切的关系。
氧化还原反应中的电子转移过程是电化学研究的基础。
通过电化学的方法，我们可以控制和利用氧化还原反应，实现能量的转化和化学反应的控制。
例如，电化学电池就是通过氧化还原反应来产生电能的装置。
氧化还原反应与电化学
氧化还原反应与电化学氧化还原反应是一种在化学反应中非常重要的类型，它涉及物质的电荷转移和电子流动。
与氧化还原反应密切相关的是电化学，电化学则是研究电荷转移和电流在化学反应中的应用。
本文将探讨氧化还原反应与电化学之间的联系以及它们在现实生活中的应用。
一、氧化还原反应氧化还原反应（简称氧化反应和还原反应）是指物质中原子氧化态和还原态发生变化的过程。
在氧化反应中，物质失去电子并增加氧化态；而在还原反应中，物质获得电子并减少氧化态。
氧化还原反应是一种相互联系的电子流动过程，其中一个物质被氧化，同时另一个物质被还原。
氧化还原反应具有普遍性和广泛性。
它们在自然界和工业生产中都起着非常重要的作用。
例如，许多金属的氧化反应会导致它们产生锈蚀，损失金属的本来特性和价值。
此外，许多生化反应，如呼吸和新陈代谢中产生的能量，也是通过氧化还原反应进行的。
二、电化学基础电化学是研究电荷转移与电流在化学反应中的应用的科学学科。
它探究了氧化还原反应如何与电流和电势相关，并通过控制电流和电势来实现对化学反应的控制和调节。
电化学中的两个重要概念是电解和电池。
电解是一种利用外加电流引起氧化还原反应的过程。
在电解中，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。
电池是一种将化学能转化为电能的装置，其中氧化还原反应是产生电流的基础。
三、氧化还原反应在电化学中的应用氧化还原反应在电化学中有许多实际应用。
以下是几个常见的例子：1. 腐蚀防护：通过将金属制品镀上一层不易被氧化的物质，例如使用电镀技术将锌镀在铁上，可以防止金属产生氧化反应，减缓腐蚀的速度。
2. 电解水制氢：电解水是一种将水分解为氢气和氧气的反应。
通过将电流通过含水溶液中的两个电极，可以将水分解为氢气和氧气，从而产生可用于能源和化学反应的氢气。
3. 电池技术：电池是一种将化学能转化为电能的设备。
它基于氧化还原反应，通过控制金属离子和氧化物之间的电子传递来产生电流。
电池在我们日常生活中被广泛使用，例如干电池、锂电池和燃料电池。
大学无机化学-第七章-氧化还原反应-电化学基础-课件
种元素的原子总数各自相等且电荷数相等 ④ 确定两半反应方程式得、失电子数目的最小公倍
数。将两个半反应方程式中各项分别乘以相应的 系数，使得、失电子数目相同。然后，将两者合 并，就得到了配平的氧化还原反应的离子方程式。 有时根据需要可将其改为分子方程式。
3Cl2 (g) + 6OH- = 5Cl- + ClO3- + 3H2O 3Cl2 (g) + 6NaOH = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O
无机化学
§7.1 氧化还原反应的基本概念
例 4 配平方程式
Cr(OH)3 (s) + Br2 (l) + KOH
K2CrO4 + KBr
Cr(OH)3 (s) + Br2 (l)
电极组成：Pt , Cl2(p) | Cl- (a)
电极反应： Cl2 + 2e
2Cl-
无机化学
§7.2 电化学电池
3. 金属-金属难溶盐-阴离子电极
将金属表面涂有其金属难溶盐的固体，然后浸 入与该盐具有相同阴离子的溶液中构成的电极
电极组成：Ag ,AgCl(s)| Cl- (a) 电极反应：AgCl + e Ag + Cl电极组成：Hg ,Hg2Cl2(s)| Cl- (a) 电极反应：Hg2Cl2+2e 2Hg +2Cl-
无机化学
§7.1 氧化还原反应的基本概念
2-2 半反应法（离子—电子法） 配平原则 （1）反应过程中氧化剂得到的电子数等于还
原剂失去的电子数 （2）反应前后各元素的原子总数相等
氧化还原反应和电化学基础
8
⑷ 离子型化合物中，元素的氧化数等于该 ⑸ 离共子价所型带化的合电物荷中数，，共如用：电N子aC对I。偏向于电负性大 的原子 ，两原子的形式电荷数即为它们的氧化数， 如：HCI。 ⑹ 中性分子中，各元素原子氧化数的代数和为9 零。
S4O62- 4x+(-2)×6=-2 x=2.5 H5IO6 I:+7 ; S2O32- S:+2 例：求MnO4-中Mn的氧化值
2×3
0
+5
Zn+ HNO3
+2
+2
Zn(NO3)2+ NO + H2O
3 ×2
56
配系数
先配变价元素，再用观察法配平其 它元素原子的系数。
15
用氧化数表示氧化还原的状态 对于离子化合物的氧化还原反应来说，电 子是完全失去或完全得到的。但是，对于共价化 合物来说，在氧化还原反应中，有电子的偏移， 但还没有完全的失去或得到，因此用氧化数来表 示就更为合理。
16
例如：
H2+Cl2=2HCl 这个反应的生成物是共价化合物，氢原子的电子 没有完全失去，氯原子也没有完全得到电子，只是形成 的电子对偏离氢，偏向氯罢了。用氧化数的升降来表示 就是氯从0到-1，氢从0到+1。这样，氧化数的升高就是 氧化，氧化数的降低就是还原。在氧化还原反应里，一 种元素氧化数升高的数值总是跟另一种元素氧化数降低 的数值相等的。
11
一、氧化值的定义
在氧化还原反应中，电子转移引起某些原子的价 电子层结构发生变化，从而改变了这些原子的带电状 态。为了描述原子带电状态的改变，表明元素被氧化 的程度，提出了氧化态的概念。表示元素氧化态的的 数值称为元素的氧化值，又称氧化数。
无机化学-氧化还原反应及电化学基础
6-3 电池电动势和电极电势
第二十七页，共69页。
6-3 电池电动势和电极电势
E 甘汞参比电极
构成: 由Hg/Hg2Cl2/KCl溶液组成;
2) 电极反响: H 2 C 2 g (s )l 2 e 2 H (l) g 2 C (a l)q 3) 电极电势:
-3,
; E 0.280V
电极符号：Pt2, H H2︱H2 +e(c ) H2PtC , C2l2l (p2 )︱eC l- (2c)Cl
“︱〞表示气体与溶液之间的界面，即气液界面
(p) 表示压力；
第十四页，共69页。
6-2 原电池
2 电极的类型和电池符号：
C 离子电极 组成：由同一种元素的不同氧化态的两种离子的溶液; 例：Fe3+/Fe2+电极
第十九页，共69页。
6-2 原电池
2.2 电池符号：
负极: 离子电极
电池反响:
电M 池符号4 : 8 n H O 5 F 2 e M 2 5 F n 3 4 e H 2 O
(-) Pt︱Fe2+ (c1), Fe3+(c2)‖MnO4+ (c3), H+(c4),Mn2+(c5)︱Pt (+)
和绿色Cr2(SO4)3，配平反响方程；
氧化数确定：
反响物： K2Cr2O7 [+6] FeSO4
[+2]
A
生成物： Cr2(SO4)3 [+3] Fe2(SO4)3 [+3]
每个Cr原子变化数＝3
B
每个Fe原子变化数＝1
C 总氧化数降低(2x3)x1
D
C 2 O 4 2 r 2 3 F 2 1 e H 4 2 C 3 2 r 3 F 3 7 e H 2 O
《无机化学》第五章 氧化还原反应和电化学基础
二、氧化还原反应方程式的配平
1. 氧化值法
配平原则：氧化剂中元素氧化值降低的总数等 于还原剂中元素氧化值升高的总数。
配平步骤： （1）写出反应方程式，标出氧化值有变化 的元素，求元素氧化值的变化值。
（2）根据元素氧化值升高总数和降低总数相等 的原则，调整系数，使氧化值变化数相等。
（3）用观察法使方程式两边的各种原子总数相 等。
酸表。
（4）E是电极处于平衡状态时表现出来的特
征，与反应速率无关。
（5）E仅适用于水溶液。
5.饱和甘汞电极：
Hg | Hg2Cl2(s) |KCl (饱和)
Hg2Cl2 (s) + 2e
2Hg(l) +2Cl-
E (Hg2Cl2/Hg)=0.245V
三、 影响电极电势的因素
1.影响 因素
(1)电极的本性：即电对中氧化型或还 原型物质的本性。
还原型：在电极反应中同一元素低氧化值的物质。）
电对：氧化型/还原型
例：MnO2 +4H+ + 2e
Mn2+ +2H2O
电对：MnO2 / Mn2+
（2）E与电极反应中的化学计量系数无关。
例：Cl2 + 2e 1/2Cl2 + e
2Cl- E(Cl2/Cl-)=1.358V Cl-
（3）电极反应中有OH- 时查碱表，其余状况查
（3）分别配平两个半反应，使等号两边的原子 数和电荷数相等。
（4）根据得失电子数相等的原则，给两个半 反应乘以相应的系数，然后合并成配平的离子 方程式。
（5）将离子方程式写成分子方程式。
离子电子法配平时涉及氧原子数的增加和减 少的法则：
氧化还原反应与电化学
氧化还原反应与电化学在化学领域中，氧化还原反应是一种重要的反应类型，也是电化学研究的基础。
本文将探讨氧化还原反应与电化学之间的联系，阐述其在化学领域中的重要性。
一、氧化还原反应的基本概念和特点1.1 氧化还原反应的定义和原理氧化还原反应是指化学反应中发生的电荷转移过程，其中一个物种失去电子被氧化而另一个物种获得电子被还原的过程。
在这个过程中，原子、离子和分子之间的价电子数量会发生变化。
1.2 氧化还原反应的基本特征氧化还原反应具有以下基本特征：- 电子转移：在氧化还原反应中，电子从一个物种转移到另一个物种。
- 价电子数变化：反应中存在物质的氧化和还原两个过程，其中一个物质的氧化态数增加，而另一个物质的氧化态数减少。
- 氧化剂和还原剂：反应中起氧化作用的物质被称为氧化剂，而起还原作用的物质被称为还原剂。
二、氧化还原反应与电化学的关系2.1 电化学基础知识电化学研究了电荷转移与化学反应之间的关系。
在电化学中，我们通过测量电流和电位的变化来研究氧化还原反应。
这一领域的核心是电解和电池。
2.2 电解过程电解是指在外加电势的作用下，将电解质溶液或熔融电解质通过电解发生氧化还原反应的过程。
在电解过程中，正电荷离子迁移到负极，而负电荷离子则迁移到阳极。
2.3 电池反应电池是一种将化学能转化为电能的装置。
它基于氧化还原反应，通过将两个半反应分隔在不同的电极中，产生电流。
在电池中，氧化反应和还原反应相互对应，形成闭合的电路。
三、氧化还原反应与实际应用氧化还原反应在许多实际应用中发挥着重要作用。
以下是一些例子：3.1 腐蚀和防腐氧化还原反应是金属腐蚀的基本原理。
金属与氧气或水接触时，发生氧化反应，并失去电子。
这导致金属的腐蚀。
防腐是通过控制氧化还原反应来保护金属表面，延长其使用寿命。
3.2 电解水制氢电解水是一种常见的制氢方法。
在电解水过程中，水分子发生氧化还原反应，水分子中的氢原子被氧化，形成氧气；水分子中的氧原子被还原，形成氢气。
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3 电池电动势 E 和化学反应 G 的关系 1) 电池电动势E：电池正(+) 、负(–)电极之间的电势差。
E = (+) – (–) 用电位差计可直接测量出E 如：铜锌电池的标准电动势 E = 1.10 V
(–) Zn | Zn2+(1 mol/dm3) || Cu2+(1 mol/dm3) | Cu (+)
• 酸性条件下，K2Cr2O7将碳氧化为CO2，自身被 还原为Cr3+的离子方程式。
6
氧化数法配平注意事项：
➢ 配平原则：
1、电荷守恒：氧化剂得电子数等于还原剂失电子数。 2、质量守恒：反应前后各元素原子总数相等。
➢ 写出的方程式必须与实验事实相符合:
1、反应介质： 酸性介质中，不能出现 OH－ 碱性介质中，不能出现 H＋
1 氧化数与电子转移 (Electron Transfer)
化学结构理论的发展
由原子价(化合价) (价键理论和电负性)
氧化数
(某原子成键的数目）
（某元素所带形式电荷的数值）
Fe + Cu2+ = Fe2+ + Cu e 转移
H2 + 0.5 O2 = H2 O e 偏移
氧化数： +1 -2
规则：物质中各元素氧化数的代数和为零。
+7
-1
KMnO4+ HCl
+2
0
MnCl2 + Cl2 + KCl + H2O
升高 2 ×5
c、配平: 先配平阳离子和阴离子，后配平氧和氢。
2KMnO4 + 16HCl ＝ 2MnCl2 + 5Cl2 + 2KCl + 8H2O
5
• 氯气是重要的化工原料，可以用来制备很多化 工产品，比如可以制备净水剂高铁酸钾，写出 碱性条件下，由氯化铁制备高铁酸钾的离子方 程式。
规定：标准氢电极“ H+/H2(p) = 0 ”
1) 标准氢电极(SHE):
2 H+ + 2e
H2
(H+/H2) = 0.0000 (V)
铂片上表面镀一层海绵状铂（铂
黒，吸附H2的能力很强），插入H+ 浓度为1mol/dm3 的溶液中，25ºC下，
不断地通入标准压力的纯 H2气流， 与溶液中的H+ 达平衡。
③ 盐桥（琼脂 ＋ 强电解质KCl, KNO3等，作用是补充电荷、 维持电荷平衡）
2）电极反应：
正极（Cu）: 负极（Zn）:
Cu2+ + 2e = Cu Zn- 2e = Zn2+
3）电池反应及电池符号： Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu
(－)Zn | Zn2+ (c1) || Cu2+ (c2) | Cu (＋)
如：标准锌电极为负极(-)，标准氢电极为正极(+)，
组成原电池，测得 E＝0.7618 (V)＝(+) – (-), 则： (-) = (Zn2+/Zn) = 0.0000 – 0.7618 = -0.7618(V)
由于标准氢电极的 制作和使用都很困难,平 时人们采用相对稳定的 甘汞电极作参比电1极1 。来自写电池符号应注意事项：
• 正、负极：左(－)，右(＋)
• 界面“|”：单质写在极棒“|”
的 外面。
• 要注明：离子浓度(c)；气体
分压(p)；
• 盐桥: “||”
9
标准电极电势 (V)
是指定温度( 25ºC)，浓度均为 1 mol/dm3, 气体的分压都是标准压
力(100 kPa), 固体及液体都是纯净物状态下某电对的电极电势。 电对的电极电势无法测定其绝对值，只有相对值。
1）单质中，元素的氧化数等于零。（N2 、H2 、O2 等）
2）离子化合物中，与元素的电荷数相一致。 NaCl CaF2 +1,-1 +2,-1
3) 共价化合物中，成键电子对偏向电负性大的元素。
O: -2 (H2O 等)；－1 (H2O2); －0.5 (KO2 超氧化钾） H: +1 (一般情况)；－1 (CaH2 、NaH)
12
原电池，在恒温、恒压下，体系自由能降低等于体系所作的最大电功，则：
1) 电池G电=动– 势WmaEx 和 G
Wmax= U×It = E×Q (Q为电量）
历 年代
氧化反应
还原反应
认 识
史 18世纪末
与氧化合
从氧化物夺取氧
不
发 19世纪中 化合价升高
化合价降低
断 深
展 20世纪初
失去电子
得到电子
化
例如: Fe + Cu2+ = Fe2+ + Cu 称为全(总)反应
电子转移
氧化
Fe - 2e
Fe2+
(氧化)半反应
Cu2+ + 2e 还原 Cu (还原)半反应
10
2）标准电极电势的测定
将待测的标准电极与标准氢电极组成原电池，在 25ºC下，用检流计确定
电池的正极(+)、负极(–) ，然后用电位计测定电池的电动势E来决定。 IUPAC 规定： E ＝ (+) – (–)
International Union of Pure and Applied Chemistry 国际理论和应用化学联合会
➢ 半反应写法：氧化态 + n e = 还原态
➢ 氧化还原电对：氧化态/还原态
电对
Fe2+/Fe Cu2+/Cu
4
3 氧化还原反应方程式的配平 ➢ 氧化数法
a、反应物写出氧化剂和还原剂，产物写出还原产物和氧化产物； b、确定氧化剂和还原剂的氧化数变化值，并根据变化相等的要
求配上系数；
降低 5 ×2
2、难溶或弱电解质应写成分子形式 3、注明沉淀、气体等
7
二、电池电动势(E)与电极电势() 1 原电池: Cu-Zn原电池
负极
正极
8
原电池（Galvanic cells）：
------化学能转化成电能的装置
(区别于电解池 electrolytic cells)
1）组成： ① 半电池（电极）
② 检流计
氧化还原反应 电化学
一、氧化数及氧化还原反应方程式的配平
1、氧化数 2、氧化还原反应 3、氧化还原反应方程式的配平
二、电池电动势(E)与电极电势()
1、原电池 电池电动势 2、电极电势 标准电极电势 3、电池电动势E和化学反应G的关系 4、影响电极电势的因素
三、电极电势的应用及相关计算
1
一、氧化数及氧化还原反应方程式的配平
2
思考：氧化数 — “表观化合价”
（1）Na2S2O3
+2
（2） CrO5
+10
Na2S4O6
+2.5
CrO5 结构
化合价+6，与O有能力 形成六个共价键
S2O32– 中S的氧化数为＋2：
“表观化合价”
O -O S O-
S
化合价
(+6) (-2)
化合价平均值 = + 2
3
2 氧化还原反应，半反应，氧化还原电对