2020高中化学竞赛实验讲义设计-无机实验-氧化还原反应和氧化还原平衡

氧化还原反应和氧化还原平衡一、实验目的与要求：1、学会装配原电池；2、掌握电极的本性、电对的氧化型或还原型物质的浓度、介质的酸度等因素对电极电势、氧化还原反应的方向、产物、速率的影响；3、通过实验了解化学电池电动势。

二、教学重点与难点： 实验重点1、电极电势与氧化还原反应方向的关系；2、介质、反应物浓度对氧化还原反应的影响；3、原电池的原理；4、电解、电化腐蚀的基本知识。

实验难点物质浓度变化对电极电势的影响的理解；低压电源的使用和盐桥的制作方法。

三、实验用品：仪器：离心试管，烧杯，伏特计（或酸度计），表面皿，U 型管 固体试剂：锌粒，铅粒，铜片，琼脂，氟化铵 液体试剂：略材料：电极，导线，砂纸，红色石蕊试纸 四、教学方法与手段：讲授法；演示法 五、教学课时: 4课时 六、课的类型：实验课 七、基本操作：（一）、氧化还原反应和电极电势 （二）、浓度对电极电势的影响 （三）、酸度和浓度对氧化还原产物的影响 （四）、酸度对氧化还原反应速率的影响 （五）、氧化数居中的物质的氧化还原性 八、实验原理 ：1、电极电势ϕ代数值越大，其氧化态的氧化能力越强，还原态的还原能力越弱；反之，ϕ代数值越小，其氧化还原能力越弱，还原态的还原能力越强。

2、根据氧化剂和还原剂所对应电极电势ϕ的相对大小，可以判断氧化还原反应进行的方向。

当氧化剂所对应电对的电极电势与还原剂所对应的电极电势的差值E = 负正ϕϕ-：（1）E > 0时，反应能自发进行； （2）E = 0 时，反应处于平衡状态 （3）E < 0时，反应不能进行。

3、通常用标准电极电势θϕ进行比较，当E θ差值< 0.2时，则考虑反应物浓度，介质酸碱性的影响，用能斯特方程计算：ϕ（氧化型/还原型）= θϕ（氧化型/还原型）+ ban ][][lg 059.0还原型氧化型 4、原电池是通过氧化还原反应将化学能转化为电能的装置，负极发生氧化反应，给出电子，正极发生还原反应，得到电子，电子通过导线由负极流向正极E = 负正ϕϕ-测定某电对的电极电势时，可用待测电极与参比电极组成原电池进行测定，常用的参比电极是甘汞电极，由Hg, Hg 2Cl 2(s)及KCl 溶液组成，其电极电位主要取决于Cl －的浓度，当KCl 为饱和溶液时，称为饱和甘汞电极25℃时 Hg Cl Hg /22ϕ= 0.2415V温度为t ℃ 时：ϕ= 0.2415 －0.00065（t －25） 如：Θ+Zn Zn /2ϕ的测定和Cu —Zn 原电池电动势的测定Θ+ZnZn /2ϕ的测定Θ+ZnZn/2ϕ=Hg Cl Hg /22ϕ－ E = 0.2415 －1.002 = －0.76Cu —Zn 原电池电动势的测定 测得 E = 1.075VCuCu/2+ϕ =Zn Zn /2+ϕ + E = －0.761+ 1.075 = 0.314V5、电解：利用电能使非自发的氧化还原反应进行的过程。

[实验要点提示：• 物质的氧化还原能力的强弱与物质的本性有关， 氧化还原能力通常根据电对的电极电势的高低来判定。

• 氧化还原反应进行的方向、次序、程度， 可以根据氧化剂和还原剂所对应的电对电极电势的相对大小来判定。

• 氧化还原反应总是优先在电极电势差值最大的两个电对所对应的氧化剂和还原剂之间进行。

• 电极电势差值较小的两个电对所对应的氧化剂和还原剂之间能否进行氧化还原反应，应考虑浓度的影响。

• 氧化态或还原态物质与其它的试剂发生化学反应，生成沉淀或形成络合物，从而大大改变了氧化态或还原态物质的浓度，此时，电对的电极电势有较大的变化，应通过奈斯特方程式计算或查表确定其电极电势，再判定氧化还原的反应进行的方向。

• 对于有H +, 或OH -参加电极反应的电对，介质的pH 值将对反应有显著的影响。

九、教学内容：（请同学们注意：本次实验报告要写方程式！）（一）、氧化还原反应和电极电势（1）2Fe 3+ + 2I －= I 2 + 2Fe 2+ (注意：0.5mL=10滴，不必用其它量具量取！)生成的I 2可用淀粉（1%）检验或者用CCl 4萃取，CCl 4层呈紫红色（I 2在CCl 4中的溶解度大于水中的溶解度）（2）Fe 3+ + 2Br － → 无反应（3）2Fe 2+ + Br 2 = 2Fe 3+ +2Br －Fe 2+ + I 2 → 无反应（可用CCl 4萃取检验出I 2存在） 根据实验结果可知Fe 3+、Br 2、I 2中Br 2是最强的氧化剂；而Fe 2+、Br －、I －中I －是最强的还原剂。

Θ-BrBr/2ϕ(1.06) >Θ++23/FeFeϕ(0.77) >Θ-I I /2ϕ(0.53)（二）、浓度对电极电势的影响（1）(－) Zn | Zn 2+(1mol·L －1) || Cu 2+(1mol·L －1) | Cu (+)E = 负正ϕϕ-= (ΘΘ++-ZnZn CuCu //22ϕϕ) + ][][lg 2059.022++Cu Zn 【标准电极电势】：理论值=0.76-（-0.34）=1.1V ，由于有R ，实际值可能只有0.7V 左右。

接错电极没关系，只不过指针偏转方向相反。

■棉花分别蘸取ZnSO 4和CuSO 4溶液后塞进琼脂里面，排尽气泡，倒插入溶液中。

■Zn 片和Cu 片需栓紧导线。

（2）(－) Zn | Zn 2+(1mol·L －1) || Cu(NH 3)42+(1mol·L －1) | Cu (+) Cu 2+ + 2e Cu ① ΘΘ+-=∆CuCu F G /122ϕ Cu 2+ + 4NH 3 Cu(NH 3)42+ ② ΘΘ+-=∆243)(2ln NHCuK RT G Cu(NH 3)42+ + 2eCu + 4NH 3 ③ ΘΘ+-=∆CuNHCuF G /)(32432ϕ① － ② = ③ ΘΘΘ∆-∆=∆213G G G∴ΘΘΘ+++-=2432243)(//)(lg 2059.0NH Cu CuCu CuNHCuK ϕϕ E = 负正ϕϕ-=ΘΘ++-ZnZn CuNH Cu //)(2243ϕϕ+])([]][[lg 2059.0243432++NH Cu NH Zn CuSO 4 → 铜氨溶液 E = 0.932V（3）(－) Zn | Zn(NH 3)2+(1mol·L －1) || Cu(NH 3)42+(1mol·L －1) | Cu (+) 按（2）的方法可知ΘΘΘ+++-=2432243)(//)(lg 2059.0NH Zn ZnZnu ZnNHZnK ϕϕ ∴ E = 负正ϕϕ-=ΘΘ++-ZnNH Zn CuNH Cu /)(/)(243243ϕϕ+])([])([lg 2059.0243243++NH Cu NH Zn ZnSO 4 → 锌氨溶液 E = 1.099V[ 现象：伏特表指针偏到E=0.80处解释：(-)：Zn 2++2e -=Zn(+)：Cu 2++2e -=CuCuSO 4溶液中加浓NH 3.H 2O 到沉淀溶解为止，形成深蓝色溶液；Cu 2+ + 4NH 3 = [Cu(NH 3)4]2+ [Cu 2+]下降, E 变小，E=0.45VZnSO 4溶液中加浓NH 3.H 2O 至沉淀溶解为止;Zn 2+ + 4NH 3 = [Zn(NH 3)4]2+ [Zn 2+]下降, E 变大，E=0.76V 最后达到平衡, E=0.8V 接近初起值.]（4）自行设计：浓差电池(－) Cu | Cu 2+(0.01mol·L －1) || Cu 2+(1mol·L －1) | Cu (+) (－) ： Cu － 2e Cu 2+ （氧化反应）12/]lg[2059.02+Θ-+=+Cu CuCuϕϕ （+）： Cu 2+ + 2e Cu （还原反应）22/]lg[2059.02+Θ++=+Cu CuCuϕϕ 浓差电池电动势：E = 负正ϕϕ-= {22/]lg[2059.02+Θ++Cu Cu Cu ϕ}－{12/]lg[2059.02+Θ++Cu CuCu ϕ} = 1222][[][lg 20592.0++Cu Cu 电解Na 2SO 4溶液： 阴极： 2H + + 2eH 2↑ 附近H +浓度减小，破坏水的电离平衡，促使H 2O 进一步电离，从而使得阴极附近[OH －] > [H +]，溶液呈碱性，遇酚酞变红。

阳极：4OH －－ 4e2H 2O + O 2↑【浓差电池：指针偏转不明显，有电流产生，但不大，只要偏转就行！有电势差形成，但不一定能放H 2】（三）、酸度和浓度对氧化还原反应的影响 1、酸度的影响（1）不同介质对KMnO 4还原产物的影响 H 2SO 4（酸性介质）：紫红色褪去2KMnO 4 + 5Na 2SO 3 + 3H 2SO 4 == K 2SO 4 + 2MnSO 4 + 5Na 2SO 4 + 3H 2O H 2O （中性介质）：出现棕黑色沉淀2KMnO 4 + 3Na 2SO 3 + H 2SO 4 == K 2SO 4 + 2MnO 2 + 3Na 2SO 4 + H 2O NaOH （碱性介质）：绿色2KMnO 4 + 2NaOH + Na 2SO 3 == 2Na 2MnO 4 + K 2SO 4 + H 2O（2）不同介质对氧化还原反应方向的影响 I 2 + 2e2I －2/][1lg 2059.02-Θ+=-I IIϕϕIO 3－+ 6H + + 5e21I 2 + 3H 2O 63/]][lg[5059.023+-Θ+=-H IO I IO ϕϕ① KI + KIO 3 + 淀粉 → 无变化 ② KI + KIO 3 + 淀粉 + H 2SO 4 → 变蓝5KI + KIO 3 + 3H 2SO 4 = 3K 2SO 4 + 3I 2 + 3H 2O ③ KI + KIO 3 + 淀粉 + H 2SO 4 + NaOH → 蓝色褪去 3I 2 + 6NaOH == 5NaI + NaIO 3 + 3H 2O 如：（酸度大） AsO 43－+ 2I －+ 2H + → AsO 33－+ I 2 + H 2O （碱性强） AsO 43－+ 2I －+ 2H + ← AsO 33－+ I 2 + H 2O 2、浓度的影响 I 2 + 2e2I － 2/][1lg 2059.02-Θ+=-I IIϕϕ Fe 3+ + e Fe 2+][][lg 059.023/23++Θ+=++Fe Fe Fe Fe ϕϕ 2Fe 3+ + 2I －2Fe 2+ + I 2（1）H 2O + CCl 4 + Fe 3+ + I －→ CCl 4层呈紫红色 （2）CCl 4 + Fe 2+ + Fe 3+ + I －→ CCl 4层颜色变浅由于增大了电对Fe 3+/Fe 2+中还原型Fe 2+的浓度，使得电对的电极电势降低，即氧化能力减弱，与I －反应生成的I 2量减小，故CCl 4层颜色变浅。