第6章电化学基础与氧化还原平衡 CHAP.6 BASIC OF ELECTROCHEMSITY AND REDOX EQUILIBRIUM 6.1氧化还原反应与电极电势 6.1.1氧化还原反应 1.氧化还原反应与氧化值: (1)氧化值(或氧化数):IUPAC1970年严格定义:氧化值是某元素一个原子的荷电数(即原子所带的净电荷 数). 确定氧化值的规则:一单质中元素的氧化值为零: 例如:2中H的氧化值为0. 氧的氧化值一般为+1,在金属氧化物中为-1: 例如:NaH中H的氧化值为-l. 氧的氧化值一般为-2:在过氧化物中为-1:在氧的氟化物中为+1或+2例如:202中0的氧化值为-1: 再比如:0F2中0的氧化值为+2.ˉ离子型化合物中元素的氧化值等于该离子所带的电荷数: 例如:NaC1中a+的氧化值为+1:C1的氧化值为-1. 共价型化合物中,两原子的形式电荷数即为它们的氧化值。 例如:HC1中H的氧化值为+1:C1的氧化值为-1. 中性分子中各原子的氧化值的代数和为零,复杂离子的电荷数等于各元素氧化值的代数和 例题:求N4中N的氧化值. 解:据规则-,H的氧化值为+1 设N的氧化值为x,据规则肚 x+(+1)X4=+1 解得:x=-3例题:求Fe304中Fe的氧化值, 解:据规则®,0的氧化值为-2. 设Fe的氧化值为x,同样据规则±: 3x+(-2)×4=0解得:x=8/3 注意:在共价化合物中,确定元素氧化值时不要与共价数相混淆。 例如:CH4、C2C1等化合物中,C的共价数为4.但C的氧化值分别为-4、-2. 化学中以(W)、S(WD表示元素的氧化值,以与实际不存在的7+、S6+区别。 (②)氧化还原反应:还原剂:氧化值升高的物质.氧化剂:氧化值降低的物质。 一个氧化还原反应由两个半反应组成: 还原剂的氧化反应:如上例中:Fe2 -e-=Fe3+ 氧化剂的还原反应:如:202+2e+2=2H20 (3)氧化还原反应的实质: 氧化还原电对:由同一种元素的氧化态物质和其对应的还原态物质所构成的整体.一般以Ox/△表示. 如上例的氧化剂电对202/H20以及还原剂电对Fe3+/Fe2+ 注意:氧化还原电对是相对的,由参加反应的两电对氧化还原能力的相对强弱而定 例加反成· 2Fe3++2I=2Fe2++12 电对Fe3+Fe2+在此反应中为氧化剂电对. 对于铜锌原电池中的反应: 因此,氧化还原反应是由氧化剂电对与还原剂电对共同作用的结果,其实质是电子的转移 2.氧化还原反应方程式的配平 (1)离子-电子法:
1 第 6 章 电化学基础与氧化还原平衡 CHAP.6 BASIC OF ELECTROCHEMSITY AND REDOX EQUILIBRIUM 6.1 氧化还原反应与电极电势 6.1.1 氧化还原反应 1. 氧化还原反应与氧化值: (1)氧化值(或氧化数):IUPAC1970 年严格定义:氧化值是某元素一个原子的荷电数(即原子所带的净电荷 数). 确定氧化值的规则:¬单质中元素的氧化值为零; 例如:H2 中 H 的氧化值为 0. 氢的氧化值一般为+1,在金属氢化物中为-1; 例如:NaH 中 H 的氧化值为-1. 氧的氧化值一般为-2;在过氧化物中为-1;在氧的氟化物中为+1 或+2 例如:H2O2 中 O 的氧化值为-1; 再比如:OF2 中 O 的氧化值为+2.¯离子型化合物中元素的氧化值等于该离子所带的电荷数; 例如:NaCl 中 Na+的氧化值为+1;Cl-的氧化值为-1. 共价型化合物中, 两原子的形式电荷数即为它们的氧化值. 例如:HCl 中 H 的氧化值为+1;Cl 的氧化值为-1. 中性分子中各原子的氧化值的代数和为零,复杂离子的电荷数等于各元素氧化值的代数和 例题:求 NH4 +中 N 的氧化值. 解: 据规则-,H 的氧化值为+1. 设 N 的氧化值为 x,据规则±: x + (+1)×4 = +1 解得: x = -3 例题:求 Fe3O4 中 Fe 的氧化值. 解: 据规则®, O 的氧化值为-2. 设 Fe 的氧化值为 x,同样据规则±: 3x + (-2)×4 = 0 解得: x = 8/3 注意: 在共价化合物中,确定元素氧化值时不要与共价数相混淆. 例如:CH4、CH3Cl 等化合物中,C 的共价数为 4,但 C 的氧化值分别为-4、-2. 化学中以 Mn(Ⅶ)、S(Ⅵ)表示元素的氧化值,以与实际不存在的 Mn7+、S6+区别. (2)氧化还原反应:还原剂: 氧化值升高的物质.氧化剂:氧化值降低的物质. 一个氧化还原反应由两个半反应组成: 还原剂的氧化反应: 如上例中:Fe2+ - e- =Fe3+ 氧化剂的还原反应: 如:H2O2 + 2e- + 2H+ =2H2O (3)氧化还原反应的实质: 氧化还原电对:由同一种元素的氧化态物质和其对应的还原态物质所构成的整体.一般以 Ox/ReΔ 表示. 如上例的氧化剂电对 H2O2/H2O 以及还原剂电对 Fe3+/Fe2+ 注意:氧化还原电对是相对的,由参加反应的两电对氧化还原能力的相对强弱而定. 例如反应: 2Fe3+ + 2I- =2Fe2+ + I2 电对 Fe3+/Fe2+在此反应中为氧化剂电对. 对于铜锌原电池中的反应: 因此,氧化还原反应是由氧化剂电对与还原剂电对共同作用的结果,其实质是电子的转移 2.氧化还原反应方程式的配平: (1)离子-电子法:
配平原则: 氧化剂、还原剂得失电子数必须相等(电荷守恒) 反应前后各元素原子总数相等(质量守相) 例题:配平Kn04+K2S03一MnS04+K2S04(酸性介质中) 解:写出未配平的离子方程式 NMn04+S032-→h2+ +042 拆分为氧化、还原两个半反应,并使左右两边相同元素的原子数目相等根据溶液的酸碱性加上时,0阳 H90: 加减电子数,使左右两边电荷数相等.乘以话当系数后相加.整理」 Mn04+8r时 2+ 4H0X2+)S032-+H0S02+2Ht×5 2Mm04+5S032+6t=2Mn2++5S042+3H20 例题:配平反应FeS2+HN03一下e2(S04)3+N02 解:改写成离子方程式: FeS2 N03- →Fe3++S042-+N02 配平过程中半反应左右两边添加旷,0州,20的一般规律 对于酸性介质:多n个0,+2n个叶,另一边+n个20 对于碱性介质:多n个0,n个20,另一边+2n个0H 对于中性介质:左边多n个0,+n个H0,右边+2n个0H:右边多n个0,+2n个时,左边n个H20. 2FeS2+30HN03=Fe2(S04)3+30N02+14H20+Hi2S04 思考题:配平C10+C02 一C1+C042(在碱性介质中) (2)氧化值法 配平原则: 反应中元素氧化值升、降总数必须相等: 反应前后各元素原子总数相等. 例题:配平H02+Fe2++H+.H0+Fe39 解:写出未配平方程式,确定氧化值升、降的数值, 日测法配平氧化值没变的元素原子数日. H02+2Fe2++ H20+2Fe3+ 6.1.2电极电势 1原电池: ()原电池: 一种能使氧化还原反应中电子的转移直接转变为电能的装置 例如:金属锌置换铜离子的反应: Cu2++Zn=0u+Zm2+,△rG°m=-212.55kJ·mo1-1可以将其设计成原电池 电池反应:2n()+02+(a)=22+(aq+0u() 电池符号:(-)Zm1Zn2+(c1)11Cu2+(c2)|Cu(+) 理论上讲,任何一个氧化还原反应都能组成原电池 每个原电池都是由两个半电池构成,对应两个电对,C-Z原电池装置电极: 组成原电池的导体 负极:发生氧化反应.Z一Zm2++2e 正极:发生还原反应.Cu2++2e→Cu 电对中,氧化型物质和还原型物质在一定条件下可以相互转化: Ox ne-=ReA 半电池反应(或电极反应):表示氧化型和还原型相互转化的关系式(或分别在两个半电池中发生的反应)。 2
配平原则: 氧化剂、还原剂得失电子数必须相等(电荷守恒); 反应前后各元素原子总数相等(质量守恒). 例题:配平 KMnO4 + K2SO3 → MnSO4 + K2SO4 (酸性介质中). 解: 写出未配平的离子方程式; MnO4 - + SO3 2- → Mn2+ + SO4 2- 拆分为氧化、还原两个半反应,并使左右两边相同元素的原子数目相等根据溶液的酸碱性加上 H+, OH-, H2O; 加减电子数,使左右两边电荷数相等.乘以适当系数后相加,整理. MnO4 - + 8H+ Mn2+ + 4H2 2 O ×2+ ) SO3 2- + H2O SO4 2- + 2H+ ×5 2MnO4 - + 5SO3 2- + 6H+ = 2Mn2+ + 5SO4 2- + 3H2O 例题:配平反应 FeS2 + HNO3 → Fe2(SO4)3 + NO2 解: 改写成离子方程式: FeS2 + NO3 - → Fe3+ + SO4 2- + NO2 配平过程中半反应左右两边添加 H+, OH-, H2O 的一般规律: 对于酸性介质:多 n 个 O,+2n 个 H+,另一边 +n 个 H2O 对于碱性介质:多 n 个 O,+n 个 H2O,另一边 +2n 个 OH-. 对于中性介质:左边多 n 个 O,+n 个 H2O,右边+2n 个 OH-;右边多 n 个 O,+2n 个 H+,左边 n 个 H2O. 2FeS2 + 30HNO3 = Fe2(SO4)3 + 30NO2 + 14 H2O + H2SO4 思考题:配平 ClO- + CrO2 - → Cl- +CrO4 2-(在碱性介质中). (2)氧化值法: 配平原则: 反应中元素氧化值升、降总数必须相等; 反应前后各元素原子总数相等. 例题:配平 H2O2 + Fe2+ + H+ → H2O + Fe3+ 解: 写出未配平方程式,确定氧化值升、降的数值. 目测法配平氧化值没变的元素原子数目. H2O2 + 2Fe2+ + H+ = H2O + 2Fe3+ 6.1.2 电极电势 1. 原电池: (1)原电池: 一种能使氧化还原反应中电子的转移直接转变为电能的装置. 例如:金属锌置换铜离子的反应: Cu2+ + Zn =Cu + Zn2+, ΔrG θ m= -212.55 kJ·mol-1 可以将其设计成原电池. 电池反应: Zn(s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq) + Cu(s) 电池符号: (-) Zn | Zn2+(c1) || Cu2+(c2) | Cu (+) 理论上讲,任何一个氧化还原反应都能组成原电池. 每个原电池都是由两个半电池构成,对应两个电对,Cu-Zn 原电池装置电极: 组成原电池的导体. 负极:发生氧化反应. Zn → Zn2+ + 2e-; 正极:发生还原反应. Cu2+ + 2e- → Cu 电对中,氧化型物质和还原型物质在一定条件下可以相互转化: Ox + ne- =ReΔ 半电池反应(或电极反应):表示氧化型和还原型相互转化的关系式(或分别在两个半电池中发生的反应)
式中n为电极反应转移的电子数 (2)书写原电池符号的规则:负极“(一)”在左边,正极“(+)”在右边: 半电池中两相界面用“丨”分开:同相不同物种用“,”分开:盐桥用“1”表示:非标准态时要注明℃1或 P1,若电极反应无金属导体,用惰性电极Pt或C(石墨) 纯液体、固体和气体写在靠惰性电极一边,用“,”分开 例题:将反应:2Fe2+(1.0mo1.L-1)+C12(100kPa)·2Fe3+(0.10mo1·L-1)+2C1-(2.0mo1·L-1)设 计成原电池,并写出电池符号.解:正极:C12(⑧)+2e →2C1(aq0 负极:Fe2+(aa)-e-→Fe3+(aa). ()Pt IFe2+,Fe3+(0.10mol.L-1)Cl-(2.0mol.L-1).Cl2(100 kPa).Pt(+) 2.电极电势(中)的产生:双电层间的电势差,实际上就是氧化还原电对的平衡电势,称之为电极反应的电 势简称为电极电势(⑥,本书用“j”表示) 3.电极电势的测定:E=中(+) 将待测电极与参比电极构成原电池 参比电极:申极申热在测定讨程中保持恒定不变的电极 理论上一般选择标准氢电极为参比电极 氢电极电极反应:2(g)=叶(aq)+2e-氢电极半电池 Pt|2(10okPa)旷(1mol·L-l) 规定:中日(/2)=中°+/2-0.000N 实际应用时,常采用二级标准电极,如饱和甘汞电极 饱和甘汞电极电极反应:g2C12(s)+2e=2Hg(1)+2C1(aa)饱和甘汞电极半电池 Hg,g2C12(s)|KC1(饱和) 25℃时电极电势:Φ0(饱和甘汞电极)=+0.2445V。 例如Zn2+/Za电极反应电势的测定 (-)ZnlZn2+(1mol .L-1)(1mol.L-1)|H2(100kPa),Pt (+ 298.15R时测得标准电动势E9=0.763V 据E0 9-中96=中0+/2)-中0(22+/2m:+9/2)=0.000N Φ0(2m2+/7n)=-0.763V 4.标准电极电势与标准电极电势表 标准电极电势[中·(Ox/Re△)}:298.15K,电极反应中各组分均处于标淮态时所测得的电极电势 ()标准电极电势(表)的意义:(作正极,发生还原) 0x2+ReA1=0x1+Re△2 E0=Φ82-01= 正-本°负=本”氧化剂 -中还原剂>0 反应在标准态下能自发进行 因此,电极电势可以用来衡量不同氧化还原电对氧化还原能力的相对强弱. (②)注意:采用1953年IUPAC规定的还原电势.即认为Zm比2更易失电子,故中9(Zm2+/Zm)〈0: 电极电势无加合性: 如:20u2++4e=20u,中日 =+0.3419V: Cu2++2e=Cu,中=+0.3419V®中9是水溶液中的标准电极电势:非标准态的中需计算 中0与电极反应作正负极无关: Zm2++2e=Zn(作正极,还原),中 =-07628V 2n-2e=Zn2+(作负极,氧化),0-0.7628 一些电对的中9与介质的酸碱性有关,酸性介质以中°A表示,碱性介质以中°B表示
3 式中 n 为电极反应转移的电子数. (2)书写原电池符号的规则:负极“(-)”在左边,正极“(+)”在右边; 半电池中两相界面用“│”分开;同相不同物种用“,”分开;盐桥用“‖”表示;非标准态时要注明 ci 或 pi,若电极反应无金属导体, 用惰性电极 Pt 或 C (石墨) 纯液体、固体和气体写在靠惰性电极一边,用“,”分开. 例题:将反应:2Fe2+(1.0mol·L-1) + Cl2 (100kPa) → 2Fe3+(0.10mol·L-1) + 2Cl-(2.0mol·L-1)设 计成原电池,并写出电池符号.解: 正极:Cl2 (g) + 2e- → 2Cl- (aq); 负极:Fe2+(aq) - e- → Fe3+(aq). (-)Pt |Fe2+,Fe3+(0.10mol·L-1) ||Cl-(2.0mol·L-1), Cl2(100 kPa), Pt(+) 2.电极电势(φ)的产生:双电层间的电势差,实际上就是氧化还原电对的平衡电势, 称之为电极反应的电 势,简称为电极电势(E,本书用“j”表示.) 3.电极电势的测定: E = φ(+) - φ(-) 将待测电极与参比电极构成原电池. 参比电极:电极电势在测定过程中保持恒定不变的电极. 理论上一般选择标准氢电极为参比电极. 氢电极电极反应: H2(g) = H+(aq) + 2e-氢电极半电池: Pt | H2 (100kPa) | H+(1mol·L-1) 规定: φθ(H+/H2) =φθ H+/H2=0.000V. 实际应用时,常采用二级标准电极,如饱和甘汞电极. 饱和甘汞电极电极反应: Hg2Cl2(s)+2e=2Hg(l)+2Cl-(aq)饱和甘汞电极半电池: Hg, Hg2Cl2(s) | KCl(饱和) 25℃时电极电势: φθ(饱和甘汞电极) = +0.2445V. 例如 Zn2+/Zn 电极反应电势的测定: (-)Zn|Zn2+(1mol·L-1)||H+(1mol·L-1)|H2(100kPa),Pt(+) 298.15K 时测得标准电动势 Eθ= 0.763V. 据 Eθ= φθ (+)- φθ (-) = φθ(H+/H2) - φθ(Zn2+/Zn)∵φθ(H+/H2) = 0.000V ∴φθ(Zn2+/Zn) = - 0.763V 4.标准电极电势与标准电极电势表: 标准电极电势{φθ(Ox/ReΔ)}: 298.15K,电极反应中各组分均处于标准态时所测得的电极电势 (1)标准电极电势(表)的意义:(作正极,发生还原) Ox2 + ReΔ1 = Ox1 + ReΔ2 E θ = φθ 2 - φθ 1 = φθ 正 - φθ 负 = φθ 氧化剂 - φθ 还原剂 > 0. 反应在标准态下能自发进行. 因此,电极电势可以用来衡量不同氧化还原电对氧化还原能力的相对强弱. (2)注意: 采用 1953 年 IUPAC 规定的还原电势.即认为 Zn 比 H2 更易失电子,故 φθ(Zn2+/ Zn) < 0; 电极电势无加合性; 如:2Cu2+ + 4e- =2Cu, φθ = +0.3419V; Cu2+ + 2e- = Cu, φθ = +0.3419V.®φθ 是水溶液中的标准电极电势;非标准态的 φ 需计算 φθ 与电极反应作正负极无关; Zn2+ + 2e- =Zn(作正极,还原), φθ= -0.7628V; Zn - 2e- =Zn2+(作负极,氧化), φθ= -0.7628V 一些电对的 φθ 与介质的酸碱性有关,酸性介质以 φθ A 表示,碱性介质以 φθ B 表示
5.电极电势的理论计算: △GT,p=max将一个自发进行的氧化还原反应设计成原电池,有: △GT,p=-用aax=-W电=-E·Q-n'下E 式中:F为Fara△a0常数,96485C·mol1: n'为电池反应转移的电子数. 在标准状态下:A69=mE°=[°月-◆100=◆°6-△6°公F Φ)=9(时/2)=0.000v. AG/m'F 6.2影响电极电势的主要因素 AFFECTED FACTOR OF ELECTRODE POTENTIAL 6.2.1能斯特方程式对于电极反应:a0x+ne bRed, 在离子强度可忽略的情况下,Nernst关系式为: 式中:中为非标准态时的电极电势(W):中日为标准电极电势():为电极反应转移的电子数: R=8.314·K-1·o1-1,F=96485C·mol-1当T=298.15R时,本书将Nernst关系式简写为: 式中:[Ox]、[Re]分别代表了半反应中氧化型和还原型一侧各组分平衡浓度幂的乘积(固体、纯液体以及 溶剂水除外). 例如.对于M04+8Ht+5e=Mm2++420 Nernst关系式为: 0.0592 g IMnO 固体、液体以及溶剂水不列入关系式中: 气体用相对压力p/p°代入 例如电极反应:2Ht(aq)+2e=H2(g) 一般来说,常温下,T对的影响不大 从Nernst方程式可见,对于确定的电对,j主要取决于[Ox],[Red】(或它们的平衡分压)的大小 ()浓度的影响:例题:计算2m2+/2m电对在[22+门-1.00×10301L-1时的电极电势已知0 (2m2+/2n)=-0.763W. 解:中=中0 +(0.0592/2)1g[2m2+]=-0.763+(0.0592/2)1g(1.00×10-3)=-0.852y 电极反应中,若氧化型浓度降低,则还原型的还原能力将会增强 例题:计算以AgC1饱和,[C1-门=1no1·L-1的溶液中Ag电极的电极电势(已知中日(Ag+/Ag)=0.7996) 解:原Ag电极的电极反应:Ag+e=Ag 中(Ag+/Ag)=中9(Ag*/Ag)+0.05921g[Ag*] 根据:Ag+C1 K°sD(agC1)=[ag][C1-]=1.77×10-10.[Ag+]=1.77×10-10/[C1-] 中(Ag*/Ag)=中9(Ag*/Ag)+0.05921g1.77X10-10/[C1-]) 又:[C1-]=1mol·L-1,.Φ(Ag*/Ag)=0.7996+0.05921g(1.77×10-10=0.222Y
5.电极电势的理论计算: ∵ - ΔGT,p = Wmax 将一个自发进行的氧化还原反应设计成原电池,有: ΔGT,p = - Wmax = - W 电= -E·Q= -n’FE 式中:F 为 FaraΔaθ 常数,96485C · mol-1; n’为电池反应转移的电子数. 4 在标准状态下: ΔGθ = -n’FEθ = -n’F[φθ (+) - φθ (-)]φθ (+) = φθ (-) - ΔGθ/n’F ∵φθ (-) = φθ( H+/ H2)= 0.000V. ∴ φθ (+) = - ΔGθ/n’F 6.2 影响电极电势的主要因素 AFFECTED FACTOR OF ELECTRODE POTENTIAL 6.2.1 能斯特方程式对于电极反应:aOx + ne- bRed, 在离子强度可忽略的情况下,Nernst 关系式为: b eq a eq } c )d(Rec { } c )Ox(c { ln nF RT θ θ θ ϕϕ += 式中: φ为非标准态时的电极电势(V); φθ 为标准电极电势(V);n 为电极反应转移的电子数; R= 8.314J·K-1·mol-1,F= 96485C · mol-1 当 T=298.15K 时,本书将 Nernst 关系式简写为: b a d Ox n ][Re ][ lg 0592.0 += θ ϕϕ 式中:[Ox]、[Red]分别代表了半反应中氧化型和还原型一侧各组分平衡浓度幂的乘积(固体、纯液体以及 溶剂水除外). 例如.对于 MnO4 - + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4H2O Nernst 关系式为: ][ ]][[ lg 5 0592.0 2 8 4 + +− += Mn θ HMnO ϕϕ 固体、液体以及溶剂水不列入关系式中; 气体用相对压力 p/pθ代入. 例如电极反应: 2H+(aq) + 2e- = H2(g) 一般来说,常温下,T 对 j 的影响不大. θ θ ϕϕ p Hp H eq )( ][ lg 2 0592.0 2 + 2 += 从 Nernst 方程式可见,对于确定的电对,j 主要取决于[Ox],[Red] (或它们的平衡分压)的大小 (1)浓度的影响:例题:计算 Zn2+/Zn 电对在[Zn2+]=1.00×10-3 mol·L-1 时的电极电势{已知φθ (Zn2+/Zn)= -0.763V}. 解:φ =φθ + (0.0592/2)lg[Zn2+]= -0.763 + (0.0592/2)lg(1.00×10-3) = -0.852V 电极反应中,若氧化型浓度降低,则还原型的还原能力将会增强. 例题:计算以 AgCl 饱和,[Cl-] = 1mol·L-1 的溶液中 Ag 电极的电极电势(已知φθ(Ag+/Ag) =0.7996V). 解: 原 Ag 电极的电极反应:Ag+ + e- = Ag φ(Ag+/Ag) =φθ(Ag+/Ag) + 0.0592lg[Ag+] 根据:Ag+ + Cl- =AgCl K θ sp(AgCl)= [Ag+][Cl-]=1.77×10-10∴[Ag+] = 1.77×10-10/[Cl-] φ(Ag+/Ag)= φθ(Ag+/Ag) + 0.0592lg(1.77×10-10/[Cl-]) 又∵[Cl-] = 1mol·L-1∴φ(Ag+/Ag) = 0.7996 + 0.0592lg(1.77×10-10) = 0.222V
实际电极反应为:AgC】+e~=A+C1-因此所求银电极的电极电势就是AgC1/Ag电对的电极电势 又由于[C1门=1mo1L-1,电极处在标准态,故所得中(Ag+/Ag)=中0(AgC1/Ag)=0.222W (2)分压的影响: 例题:计算C12/C1-电对在[C1-门=0.100mol·L-1,p(C12)=300.0kPa时的电极电势{已知中 (C12/C1-)=+1.359VW. 解:C12(g)+2e=2C1-(aq 300.0/ =1432V 2 (3)溶液酸度的影响 例题:已知:Gr2072-+14细+6e=2Cr3++7H20的中0=+1.33V:Fe3+e=Fe2+的中0=+0.771y. 若将它们构成原电泡,系统中[门=10.001L,其它离子浓度均为1.0001L1,请写出原电池符 号,并求原电池电动势.解:(-)PtFe2+,Fe3*1Cr2072-,f时(10.0mol·L-),Cr3+Pt(+) E=中)( =中(Cr2072-/Cr3+)-9(Fe3+/Fe2) p=g+20rr S2wg01m1H [Cr2072- +(0.0592/6)1g[Ht]141.33+(0.0592/6)1g[10.0]14=1.47V. E=中(Cr2072-/Gr3+)-中0(fe3+/Fe2=1.47-0.71=0.70 6.2.2条件电极电势 对电极反应Ox+ne~=Red(住反应),若发生副反应,氧化型物质的氧化能力或还原型的还原能力都可能发 生改变 这时:[Ox]=cox/aOx:[Red]=cRed/aRed. 式中:cOx、cRed分别为氧化型和还原型的总浓度 a0x、Red分别为相应的副反应系数298.15K时, 一定条件下,Ox、Red均为定值,将它们并入常数项,并令新常数项为中0,即:电对的电极电势为: Io-Cu 当。 cRed =1.0 mol.L-1 cOx/cRec 1=1时,中=中0, 6为条件电极电芳我表观电设电到它是折特定条行下当电对中c0raa10m11支0Eed =1时,校正了各种外界因素影响之后所得到的实际电极电势. 例题:已知中 Cu2+/Cm)=+0.153V:中9(2/1)=+0.5355.由此可见,Cm2+不可能氧化r,然而实 际在KI适当过量的条件下反应能发生.试计算说明之 解:20u2+2I=20u++I2(s) 中(Cu2+/Cu=中8 +0.05921g([Cu2+1/[Cu+1 '[Cu][I-】=K"sp(CuI) 中=中0+0.05921g(Cu2+][1]/K ) 由于Cu2+未发生副反应,故[0u2]=c(Cu2. 当c(Cu2+)=c(I)=1.0mo1·L-1时: Φ(02+/0=0,-9+0.05921g1/°sp =0.153+0.05921g(1/1.1×10-13)
实际电极反应为:AgCl + e- = Ag + Cl-因此所求银电极的电极电势就是 AgCl/Ag 电对的电极电势. 5 又由于[Cl-] = 1mol·L-1,电极处在标准态,故所得φ(Ag+/Ag) = φθ(AgCl/Ag) = 0.222V. (2)分压的影响: 例 题 : 计 算 Cl2/Cl- 电 对 在 [Cl-]=0.100 mol · L-1, p(Cl2)= 300.0kPa 时 的 电 极 电 势 { 已 知 φ θ (Cl2/Cl-)=+1.359V}. 解: Cl2 (g) + 2e- = 2Cl- (aq) 2 2 ][ )( lg 2 0592.0 − += Cl p Clpeq θ θ ϕϕ 2 )100.0( 0.100 0.300 lg 2 0592.0 ϕ 359.1 += =1.432V. (3)溶液酸度的影响: 例题:已知:Cr2O7 2- + 14H+ + 6e- =2Cr3+ + 7H2O 的φθ= +1.33V;Fe3+ + e- = Fe2+的φθ = +0.771V. 若将它们构成原电池,系统中[H+] = 10.0 mol·L-1 ,其它离子浓度均为 1.00 mol·L-1.请写出原电池符 号,并求原电池电动势.解: (-)Pt|Fe2+, Fe3+||Cr2O7 2-,H+(10.0mol·L-1), Cr3+|Pt(+) E = φ (+)- φ (-) = φ (Cr2O7 2-/Cr3+ )- φθ(Fe3+/ Fe2+) ][ ]][[ lg 6 0592.0 3 2 14 72 + +− += Cr HOCr θ ϕϕ ∵[Cr2O7 2-]=[Cr3+]=1.00 mol·L-1. ∴φ =φθ + (0.0592/6)lg[H+]14= 1.33 + (0.0592/6)lg[10.0]14 = 1.47V. E = φ (Cr2O7 2-/Cr3+ )- φθ(Fe3+/ Fe2+)= 1.47 - 0.771 =0.70V 6.2.2 条件电极电势 对电极反应 Ox + ne- =Red(主反应),若发生副反应,氧化型物质的氧化能力或还原型的还原能力都可能发 生改变. 这时:[Ox] = cOx/aOx; [Red] = cRed/aRed. 式中: cOx、cRed 分别为氧化型和还原型的总浓度; aOx、aRed 分别为相应的副反应系数 298.15K 时, 一定条件下, aOx、aRed 均为定值,将它们并入常数项,并令新常数项为φθ’,即:电对的电极电势为: dOx Oxd c c n Re Re lg 0592.0 α α ϕϕ θ += 当 cOx = cRed = 1.0 mol·L-1 或 cOx/cRed = 1 时, φ = φθ’. φθ’为条件电极电势或表观电极电势,它是指特定条件下,当电对中 cOx= cRed = 1.0 mol·L-1 或 cOx/cRed =1 时,校正了各种外界因素影响之后所得到的实际电极电势. 例题:已知φθ(Cu2+/Cu+) = +0.153V; φθ(I2/I-) = +0.5355V.由此可见, Cu2+不可能氧化 I-,然而实 际在 KI 适当过量的条件下反应能发生.试计算说明之. 解: 2Cu2++ 2I-= 2Cu+ + I2(s) φ(Cu2+/Cu+) =φθ + 0.0592lg([Cu2+]/[Cu+]) ∵[Cu+][I-] = Kθ sp(CuI) ∴ φ =φθ + 0.0592lg([Cu2+][I-]/Kθ sp) 由于 Cu2+未发生副反应,故[Cu2+] = c(Cu2+). 当 c(Cu2+) = c(I-) = 1.0 mol·L-1 时: φ(Cu2+/Cu+) = φθ’ = φθ + 0.0592lg(1/Kθ sp) = 0.153 + 0.0592lg(1/1.1×10-12)