化学原理(一) ：第四章 氧化还原反应和电化学
氧化还原反应与电化学
5. 电极电势
电极电势
关于原电池的疑问
– 为何组成原电池后，电子会自发由负极流向正极？为何两个电极 之间存在电势差？ – 不同的电极组成原电池后，哪个为正极，哪个为负极？
电极电势(电极电位)
电极电势
电极电势
标准氢电极
标准电极电势绝对值是无法测定的，于是建立了标准氢电极(SHE)
4. 原电池
原电池
铜锌原电池（ Daniell电池） 直接氧化还原反应
negative pole
特点
– Zn + CuSO4 = ZnSO4positive + Cu
pole
氧化反应和还原反应发生在 不同地方
电子通过外电路由发生氧化 – 电子传递直接在氧化剂与还原剂接触面进行 – 化学能转变为热能，无法直接利用 反应的电极传递到发生还原 反应的电极
本题虽未标明，但明显应是碱性环境
电对：ClO-/Cl– 半反应： ClO- + H2O + 2e- = Cl- + 2OH-
电对：Fe(OH)3/FeO42最终结果
– 半反应：Fe(OH)3 + 5OH- = FeO42- + 4H2O + 3e– 2Fe(OH)3 + 3ClO- + 4OH- = 2FeO42- + 3Cl- + 5H2O
电极电势的产生 M(s)
双电层理论
溶解 沉淀
Mz+ + ze-
M活泼 + + + + – – – –
氧化还原反应与电化学的探究实验
氧化还原反应与电化学的探究实验在化学领域中，氧化还原反应是一种常见且重要的化学反应类型。
通过氧化还原反应，电子的转移和物质的电荷变化带来了化学反应的进行。
同时，氧化还原反应也与电化学密切相关，电化学研究了电荷转移的过程以及与之相关的能量转化。
本文将探讨氧化还原反应与电化学的关系，并介绍一些相关的实验。
一、氧化还原反应的基本概念氧化还原反应是指在化学反应中，物质中的电子从一种物质转移到另一种物质，从而引发物质的电荷变化。
反应中电子的转移可以分为两个过程：氧化和还原。
氧化指物质失去电子，而还原则是指物质获得电子。
氧化还原反应的发生需要存在氧化剂和还原剂。
氧化剂是一种可以接受电子的物质，它会导致其他物质失去电子而被氧化。
还原剂则是一种可以提供电子的物质，它会将电子转移给其他物质从而使其还原。
在氧化还原反应中，氧化剂和还原剂是相互作用的反应物。
二、电化学的基本原理电化学研究了电荷转移的过程以及与之相关的能量转化。
在电化学中，氧化还原反应是重要的研究对象。
电化学反应可以使化学反应与电荷转移相结合，实现能量的转化和储存。
电化学实验一般采用电化学池，包括两个电极：阳极和阴极。
阳极是氧化反应发生的地方，而阴极则是还原反应发生的地方。
两个电极之间通过电解质溶液或盐桥进行电荷的传递。
在电化学实验中，电流是衡量电化学反应的重要参数。
电流的大小取决于电化学反应物质的浓度、电极的面积和电极之间的距离等因素。
通过测量电流的变化，可以获得反应速率等信息。
三、氧化还原反应与电化学实验氧化还原反应在电化学实验中发挥着重要的作用。
以下是一些与氧化还原反应相关的电化学实验：1. 电解水实验：电解水是一种常见的电化学实验，它通过施加电流使水分解为氢气和氧气的氧化还原反应。
在电解水实验中，将两个电极（通常是铂电极）插入水中，并施加适当的电压。
水中的氧化还原反应将电子从阴极转移到阳极，产生氢气和氧气。
2. 铜的电镀实验：电镀是一种常见的氧化还原反应应用。
氧化还原反应与电化学实验报告及答案
氧化还原反应与电化学实验报告及答案
，正文内容为
需氧化还原反应（redox reactions）是一种代表了化学能量转化过程的重要反应，它能够将成分间的氧化还原作用转换为可能用来衡量化学反应活性的电能。
因此，研究电化学在现代生物学和化学中的重要性尤为强烈。
我专业的研究室在本次实验中，采用CO2/H2系统和六水媒介的系统分别模拟这种氧化还原反应。
本次实验的准备工作包括：1）制备CO2/H2系统，即将CO2和H2混合在一定比例的容器中，接着将处理好的容器封上无油润滑泵罐；2）六水媒介溶液的制备，即在仪器室称取相应量的氨水，用水稀释至所需浓度，通过滤嘴过滤沉淀，至此，相应的混合液就制备好了；3）电极安装，即将Au电极和Pt电极安装在容器中，使芯线与电极联系，接着将混合液和H2/CO2系统溶液倒入容器内，封好容器的盖子，并安装好管路，以观察气体的变化（CO2由容器排出）；4）控制反应系统，应用专用控制仪器进行控制，进行电化学实验。
本次实验中，采用了波导气体分析仪，采用分子吸收原理进行气体检测，只要气体中有测定元素，就可以进行实时检测，从测量中获得反应活性，以实时监测反应进程，从而获得实验结果。
分析本次实验结果，经验证，在控制好配比的情况下，空气中的H2与CO2被转化为H2O，这完全符合需氧化还原反应的特性，这也证明了本次实验的成功。
本次实验的结果为氧化还原反应在生物学和化学中的运用拓展了一片新天地，不仅提供了一种更有效、更准确的可衡量的方式，而且可以作为研究电化学在实践中的一种有效方式，以帮助更好地研究和解释电化学实验结果。
氧化还原反应和电化学反应
氧化还原反应和电化学反应氧化还原反应是化学反应中最为重要和常见的反应之一。
它涉及到物质中的电子转移过程。
在氧化还原反应中，物质可以同时发生氧化和还原。
与之相伴随的是电化学反应，电化学反应是指在化学反应中涉及电子的转移和电流的流动的反应。
一、氧化还原反应氧化还原反应中，氧化和还原是同时进行的。
氧化是指物质失去电子；还原则是指物质获得电子。
这一过程中，电子从一个物质转移到另一个物质。
氧化和还原总是同时发生，因为电子不能独立存在。
例如，当铁和氧气发生反应时，铁原子（Fe）失去两个电子，被氧（O2）接受，生成氧化铁（Fe2O3）。
这里，铁原子发生了氧化，而氧气发生了还原。
氧化还原反应在日常生活中非常常见。
例如，金属的生锈、水的电解、电池的工作原理等都是氧化还原反应的例子。
二、电化学反应电化学反应是指在化学反应中涉及电子的转移和电流的流动的反应。
它是由氧化还原反应导致的。
电化学反应可以分为两种类型：电解反应和电池反应。
1. 电解反应电解反应是指在电解池中，通过外加电压使化学反应发生。
在电解过程中，正极（阳极）接受电子，发生氧化反应；负极（阴极）释放电子，发生还原反应。
电解反应在工业生产和实验室中广泛应用。
例如，电解盐水时，氯离子（Cl-）在阳极上接受电子，发生氧化反应生成氯气（Cl2），而阳离子（Na+）在阴极上释放电子，发生还原反应生成氢气（H2）。
2. 电池反应电池反应是指在电化学电池内，将化学能转化为电能的反应。
电池由两个半电池组成，每个半电池都有一个氧化反应和一个还原反应。
半电池之间通过电子流进行电荷平衡。
常见的电池包括干电池、蓄电池和燃料电池等。
干电池是通过将氧化剂和还原剂隔离，以阻止反应直接进行，并通过电子在电路中流动来提供电能。
蓄电池是通过可逆的氧化还原反应来存储和释放电能。
燃料电池是通过将燃料和氧气直接反应生成电能。
总结：氧化还原反应和电化学反应密切相关，涉及到电子转移和电流的流动。
氧化还原反应是物质中的电子转移过程，分为氧化和还原。
电化学反应的基本原理和机理
电化学反应的基本原理和机理电化学反应是指在外加电势或电流作用下，电子转移或离子传递的化学反应。
这种化学反应的机理复杂，至关重要，涉及到许多领域，如物理、化学和生物学等。
本文将探讨电化学反应的基本原理和机理，以及这些原理和机理对各领域的应用。
一、基本原理电化学反应涉及两个基本概念：氧化还原反应和电位。
1. 氧化还原反应氧化还原反应是指在化学反应中原子失去或获得电子。
其中失去电子的原子被称为氧化剂，而获得电子的原子被称为还原剂。
这些反应的简化表示法是：氧化剂 + 电子→ 还原剂举个例子，钾(K)能够将氯(Cl)氧化成一价的离子。
这意味着钾离子(K+)失去了电子，而氯原子(Cl)获得了电子，变成了离子(Cl-)。
2. 电位每一种原子或离子都有一种电位，代表电子在那个离子周围运动时所需的能量。
这种电势通常被称为标准电位。
标准电位用Ox/Red表示，其中Ox代表氧化剂，Red代表还原剂。
在任何给定的条件下，例如溶液中的温度和浓度，氧化剂和还原剂具有一个标准电势差。
这个电势差越大，产生电流的能力的能力就越好。
二、机理1. 在电池中的反应电池可以定义为一个装置，可以通过将自由能转化为涉及自由电子的电能来生成电流。
电池由两个电极构成：阳极和阴极。
当电池中通有电流时，阴极和阳极上出现的反应产生了自由离子和自由电子。
在部分电极上，电子和离子结合起来形成新的物质。
这些反应是有向的，这意味着反应只能在一个方向上进行。
例如，在一个铜-锌电池中，铜的电极上的反应如下：Cu2+ + 2e- → Cu(s)在这个反应中，两个电子从铜2+原子中移除，并与周围的离子结合，形成了铜金属。
这就是电池中的还原反应。
同样，在锌的电极上的反应是：Zn(s) → Zn2+ + 2e-这个反应中，锌原子失去了两个电子，变成了离子。
这就是电池中的氧化反应。
2. 在电解质中的反应电解质是具有离子化能力的物质。
当这些物质被溶解在水中时，它们可以促进水中的电离，并在电池中产生电流。
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。
第四章氧化还原反应和电化学概要
MnO
4
SO32
Mn2
SO42
（酸性介质）
（1）氧化：
SO
2 3
SO42
还原：MnO4 Mn2 （2）配平原则：
酸性介质中：多氧的一边加H＋，少氧的一边加H2O ； 碱性介质中：多氧的一边加H2O，少氧的一边加OH－ ； 中性介质中：左边加H2O，右边根据需要加H＋或OH－。
SO
3
H 2O
Cu2 | Cu
电对符号
电极符号
30 构成电极的物质，有时须注明状态。如气体分压
液体浓度等。
两个半电池中进行的反应称为半电池反应或者电极反应。
根据正负极的规定，我们可以知道：负极进行的是氧化 反应(失去电子）；正极进行的是还原反应（得到电子)。
对于Cu－Zn原电池来说，它的电极反应为：
负极：Zn = Zn2+ + 2e－ 正极：Cu2＋ + 2e－＝Cu
氧化： CrO2 CrO42 CrO2 4OH CrO42 2H2O 3e
还原： H2O2 2e 2OH 整理： 2CrO2 3H2O2 2OH 2CrO42 4H2O
§4.2 原电池与电极电势
（Primary cell and electrode potential）
3) 2I I2 2e
2) MnO4 2H2O 3e MnO2 4OH
——————————————————————————
2MnO4 6I 4H2O 2MnO2 3I2 8OH ★ 特例：H2O2
酸性介质中 氧化：H2O2 O2 2H 2e（作还原剂）
还原：H2O2 2H 2e 2H2O（作氧化剂）
Fe2 Fe3 e
Fe 3 Fe 2
氧化还原反应与电化学
6. 元素标准电极电势图及其应用
如果一种元素有几种氧化态，就可形成 多种氧化还原电对。如铁有0，+2，+3和+6 等氧化态，因此就有下列几种电对及相应的 标准电极电势：
半反应
Fe2++2eFe3++eFe3++ 3eFeO42-+8H++3eFe3++4H2O Fe Fe2+ Fe
0
-0.447 0.771 -0.037 2.20
此电池的电动势即为待测电极的电极电势。 标准电极电势：待测电极中各反应组分均处 于各自的标准态时的电极电势。 E 0 = 0(Cu2+/Cu) - 0 H+/H2) = +0.340 V 0(Cu2+/Cu) = 0.340 V
标准电极电势表
二类标准电极
氢电极使用不方便，用有确定电极势 的甘汞电极作二级标准电极。
原电池电动势等于两电极的电极电势之差：
E = (+)－ (-) = (Cu2+/Cu)－ (Zn2+/Zn) 当电极反应中所涉及的物质处于标 准态时(各物质的浓度为1个单位，气体 的压力为1标准压力，固体为纯态)，此 时电极电势为“标准电极电势”(0 ) E 0 = 0(+)－ 0 (-) = 0(Cu2+/Cu)－0 (Zn2+/Zn)
电池反应： Fe3+(a2) + 2I-(a1) → I2(s) + Fe2+(a3) 是不正确的，
而应是 2Fe3+(a2) + 2I-(a1) → I2(s) + 2Fe2+(a3)
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Cu2＋ (Oxidant—electron acceptor)
还 原 剂 ： 使 其 他 物 质 还原 ， 本 身 被 氧 化 ， 元 素氧 化 数 升 高 。
Zn (Reductant—electron donor)
多数氧化还原反应都是在水溶液中进行的。这样
的反应我们可以把氧化过程和还原过程分开来写：
于：氧化还原反应发生了电子的转移。失去电子的 过程称为氧化。得到电子的过程称为还原。（© 氧化数）
比如：Fe3O4中，Fe的氧化数，设为x：
8
3 x 4(2) 0 x
0
0
8 3
2
3 Fe 2 O2 Fe3 O4
3
我们可以在化合物中直接以 8 表示
3
它的氧化数，这样，说明氧化还原反应就比较方便一些。
2
MnO
4
5SO32
6H
2 Mn 2
5SO42
3H2O
（4）检查： 2 (1) 5 (2) 6 (1) 6
2(2) 5(2) 6
【课堂练习】 MnO4 I MnO2 I2 （碱性介质）
氧化： I I2 2I I2 2e
还原：
MnO
4
MnO2
MnO4 2H2O 3e MnO2 4OH
第四章 氧化还原反应和电化学
(Redox reaction and electrochemistry)
这一章我们主要通过电极电势(Electrode potential)， 讨论有关氧化还原平衡的问题。电极电势的概念是这一
章的核心和基础，氧化还原反应（Redox reaction）平衡
的所有问题：氧化剂和还原剂的强弱、氧化还原反应的 方向、反应进行的程度，都可以用电极电势来解决。
碱性介质中：氧化：H2O2 2OH O2 2H2O 2e 还原：H2O2 2e 2OH
从刚才举的例子可以看出，子－电子法只适用于
在溶液中发生的氧化还原反应。
【课堂练习】
MnO4 SO32 MnO2 SO42（ 中性介质）
根据氧化数的概念，我们可以把氧化还原反应定义 为：元素的氧化数在反应前后发生变化的反应。氧化数 升高的过程为氧化，氧化数降低的过程为还原。
氧化：氧化数升高的过程 (Oxidization) 还原：氧化数降低的过程 (Reduction)
氧 化 剂 ： 使 其 他 物 质 氧化 ， 本 身 被 还 原 ， 元 素氧 化 数 降 低 。
氧 化 剂 电 对:
MnO4
Mn2
还 原剂 电 对： Fe3
Fe 2
氧 还
化 原
剂 剂
：MnO4 ：Fe 2
二、离子－电子法配平氧化还原方程式：
(Balancing of redox equations：the ionelectron method)
离子－电子法是配平氧化还原方程式的一种重要法， 这种方法在电化学中经常用到，要求大家一定要掌握。
首先，我们介绍一下氧化还原反应的基本概念和氧 化还原方程式的配平。
§4.1 氧化还原反应的基本概念
(The primary concepts of redox reaction )
一、氧化数和氧化还原反应：
(Oxidation number and redox reaction)
氧化还原反应与非氧化还原反应的最大区别在
2) Fe2 Fe3 e
)
Cl2 2e 2Cl
——————————————————
2Fe2 Cl2 2Fe3 2Cl
（4）核对两边电荷数和原子数
有些复杂的氧化还原反应，有含氧酸根（如Cr2O72－、 MnO4－、ClO3－等）参加，配平的时候需要根据具体情 况在半反应两边加H＋、OH－或者H2O。如：
3) 2I I2 2e
2) MnO4 2H2O 3e MnO2 4OH
——————————————————————————
2MnO4 6I 4H2O 2MnO2 3I2 8OH ★ 特例：H2O2
酸性介质中 氧化：H2O2 O2 2H 2e（作还原剂）
还原：H2O2 2H 2e 2H2O（作氧化剂）
MnO
4
SO32
Mn2
SO42
（酸性介质）
（1）氧化：
SO
2 3
SO42
还原：MnO4 Mn2 （2）配平原则：
酸性介质中：多氧的一边加H＋，少氧的一边加H2O ； 碱性介质中：多氧的一边加H2O，少氧的一边加OH－ ； 中性介质中：左边加H2O，右边根据需要加H＋或OH－。
SO
2 3
H 2O
SO
2 4
2H
2e
MnO4 8H 5e Mn2 4H2O
小结： 酸性介质：
多n个O+2n个H+，另一边 +n个H2O 碱性介质：
多n个O+n个H2O，另一边 +2n个OH-
（3）合并： 5)
SO
2 3
H 2O
SO42
2H
2e
2)
MnO
4
8H
5e
Mn2
4 H 2O
————————————————————————
我们以一个简单的反应来说明配平步骤：
Fe2 Cl2 Fe3 Cl
（1）写出半反应式：氧化： Fe2 Fe3
还原： Cl2 Cl
（2）配平半反应：①原子数配平；②电荷数配平
Fe2 Fe3 e Cl2 2e 2Cl
（3）合并半反应：（根据反应中）得电子总数＝失
电子总数，将两个半反应乘以适当的系数后相加。
Zn+Cu2+ =Zn2++Cu
氧 化 ： Zn Zn2 (Zn Zn2 2e ) 还 原 ：Cu2 Cu(Cu2 2e Cu)
拆开来的两个反应叫做氧化还原反应的半反应。
从半反应中，我们可以清楚地看出反应前后元素
氧化数的变化，Zn：0→+2；Cu: +2→0。
我们把氧化数高的物质称为这种元素的氧化态(Zn2+); 氧化数低的物质称为它的还原态（Zn）。同一种元素的 氧化态和还原态组成一个氧化还原电对(Redox couple) ， 用“氧化态 还原态” 表示，（ Zn2 Zn ）。
氧化态 还原态 氧化还原电对
Zn2
Zn
Zn 2 Zn
还原剂电对
Cu2
Cu
Cu 2 Cu
氧化剂电对
每个氧化还原反应至少有两个电对组成：一个氧化 剂电对＋一个还原剂电对。
例： MnO4 5Fe2 8H Mn2 5Fe3 4H2O 氧 化 ：Fe2 Fe3 e 还原：MnO4 8H 5e Mn2 4H2O