原電池與電極電勢

PAGEPAGE8重慶三峽醫(yī)藥高等專科學(xué)校教案[課程名稱]基礎(chǔ)化學(xué)序號：28班級日期節(jié)次[教學(xué)題目]第二節(jié)原電池與電極電勢[目的要求]1．了解原電池的組成及原理。2．電極電勢的產(chǎn)生及能斯特方程。 [教學(xué)重點(diǎn)]原電池的組成及原理；[教學(xué)難點(diǎn)]電極電勢的產(chǎn)生及能斯特方程；[教學(xué)活動]講授實(shí)驗(yàn)電教討論練習(xí)演示[教學(xué)資源]掛圖實(shí)物文獻(xiàn)資料任課教師簽名：[教學(xué)進(jìn)程][復(fù)習(xí)]氧化還原共軛關(guān)系[引入新課](80分鐘)[板書]第二節(jié)原電池與電極電勢一、原電池（primarycell）實(shí)驗(yàn)一：把鋅放入硫酸銅溶液中，一段時間后，鋅片慢慢溶解，紅棕色銅不斷在鋅片析出，藍(lán)色硫酸銅溶液慢慢變淺。原理：Zn+Cu2+→Zn2++Cu,鋅、銅之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，鋅、銅直接接觸，電子轉(zhuǎn)移沒有秩序，沒有電流產(chǎn)生。隨著反應(yīng)進(jìn)行，溶液溫度上升，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。實(shí)驗(yàn)二：采用如下圖裝置（原電池），一段時間后，鋅片慢慢溶解，紅棕色銅不斷在銅片析出，藍(lán)色硫酸銅溶液慢慢變淺，檢流計A的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。鋅電極（鋅半電池）鋅電極（鋅半電池）鋅片+硫酸鋅溶液銅電極（銅半電池）銅片+硫酸銅溶液鹽橋（含飽和KCl溶液膠凍）負(fù)極正極電流方向圖1銅-鋅原電池原理：Zn+Cu2+→Zn2++Cu,鋅、銅之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，鋅、銅之間通過導(dǎo)線與鹽橋連接，電子轉(zhuǎn)移有秩序，有電流產(chǎn)生，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。1．原電池的裝置：正極（池子、電解質(zhì)溶液、銅片）、負(fù)極（池子、電解質(zhì)溶液、鋅片）、導(dǎo)線、鹽橋鹽橋的作用（溝通電路，使反應(yīng)順利進(jìn)行）：反應(yīng)發(fā)生后，Zn2+的形成將增加左邊燒杯中的正電荷，而Cu的沉積則導(dǎo)致右邊燒杯中負(fù)電荷過剩。通過鹽橋，Cl-向鋅半電池移動，K+向銅半電池移動，每一上燒杯中始終保持電中性，反應(yīng)得以順利進(jìn)行。2．原電池的反應(yīng)原理能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)均可設(shè)計成原電池，氧化還原反應(yīng)中的氧化反應(yīng)部分在負(fù)極發(fā)生；氧化還原反應(yīng)中的還原反應(yīng)部分在正極發(fā)生。如：銅—鋅原電池——又叫丹尼爾電池。Zn+CuSO4→ZnSO4+Cu或離子方程式：Zn+Cu2+→Zn2++Cu鋅極發(fā)生氧化反應(yīng)，向外電路輸出電子，是原電池的負(fù)極；Zn-2e=Zn2+銅極發(fā)生還原反應(yīng)，從外電路接受電子，是原電池的正極；Cu2++2e=Cu3．原電池的功能：借助于氧化還原反應(yīng)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。4．原電池的電極反應(yīng)、電池反應(yīng)、電池符號、電極符號、電對符號（1）電極符號：eq\o\ac(○,1)以“|“表示相界面eq\o\ac(○,2)同一相中不同物質(zhì)之間及電極中其他相界面之間，可用“，”相隔。eq\o\ac(○,3)電池中各有關(guān)物質(zhì)應(yīng)注明濃度，氣體以分壓表示。eq\o\ac(○,4)有固體電極（本身作電極）eq\o\ac(○,5)只有溶液電對反應(yīng)或氣體電極則外加輔助電極。如：Pt|MnO4-(c),Mn2+(c),H+(c)；Pt,H2(P)|H+(c)Pt|Fe3+(c1),Fe2+(c2)；Hg,Hg2Cl2|Cl-(c)（2）電極符號與電對符號區(qū)別：電極符號是固相、氣相在外側(cè)，液相在內(nèi)側(cè)；電對符號是高價氧化型在前/低價還原型在后。（3）電池符號：習(xí)慣上負(fù)極寫在左邊，正極寫在右邊，以“||”表示鹽橋。123電池反應(yīng)Cu2++Zn=Zn2++Cu2MnO4-+10Cl-+16H+=2Mn2++5Cl2+8H2OAgCl+Zn=ZnCl2+2Ag電極反應(yīng)正極Cu2++2e=CuMnO4-+5e+8H+=Mn2++4H2OAgCl+e=Ag+Cl-負(fù)極Zn-2e=Zn2+2Cl--2e=Cl2Zn-2e=Zn2+電對符號Cu2+/CuZn2+/ZnMnO4-/Mn2+Cl2/Cl-AgCl/AgZn2+/Zn電極符號Zn|Zn2+(c)Cu|Cu2+(c)Pt|MnO4-(c),Mn2+(c),H+(c)Pt,Cl2(P)|Cl-(c)AgCl,Ag|Cl-(c)Zn|Zn2+(c)電池符號(-)Zn|Zn2+(c1)||Cu2+(c2)|Cu(+)(-)Pt,Cl2(P)|Cl-(c1)||MnO4-(c2),Mn2+(c3),H+(c4)|Pt(+)(-)Zn|ZnCl2(c)||ZnCl2(c)|AgCl,Ag(+)例題：5-3設(shè)計一個原電池，使其進(jìn)行下列反應(yīng)：Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O解：首先把反應(yīng)分為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)氧化反應(yīng)：6Fe2+-6e=6Fe3+還原反應(yīng)：Cr2O72-+6e+14H+=2Cr3++7H2O其次寫出正、負(fù)極的電極表達(dá)式：負(fù)極：Pt|Fe3+(c1),Fe2+(c2)正極：Pt|Cr2O72-(c3),Cr3+(c4)，H+(c5)最后寫出電池符號：(-)Pt|Fe3+(c1),Fe2+(c2)||Cr2O72-(c3),Cr3+(c4)，H+(c5)|Pt(+)二、電極電勢1．能斯特的雙電層理論——電極電勢的產(chǎn)生金屬放入其自身的鹽溶液中，會存在兩種過程：金屬的溶解與金屬離子在金屬表面的沉積，當(dāng)兩種過程達(dá)到平衡時，就會在金屬表面與表面附近的溶液中形成雙電層。就象電場中的正極與負(fù)極一樣，雙電層間存在著電勢——稱為電極電勢，稱號：φ?；顫娦圆煌慕饘伲潆妱莶煌?，金屬越活潑，電極電勢越低；金屬越不活潑，電極電勢越高?！凑沾鷶?shù)中的數(shù)軸方面，與化合價、溫度的變化一致。電極電勢升高電極電勢升高電極電勢降低0+0.28V-0.28V當(dāng)兩個電極通過導(dǎo)線相連時，電子從活潑金屬上（電子密度大）通過外部電路向不活潑金屬（電子密度小）輸送。即：電極電勢低的電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，電極電勢低高的電極上發(fā)生還原反應(yīng)。2．原電池的電動勢原電池的電動勢等于原電池兩極的電勢差。E池=φ（+）-φ（-）電極電勢的絕對值無法得知，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢為零，用其它電極與之相連形成原電池，通過電流方向和大小測得電動勢，求出電極電勢。（打比方：海拔是以海平面為基準(zhǔn)來進(jìn)行測定的相對值。插入圖片：地形圖）3．標(biāo)準(zhǔn)氫電極與標(biāo)準(zhǔn)電極電勢（1）標(biāo)準(zhǔn)氫電極——插入圖片：標(biāo)準(zhǔn)氫電極（2）標(biāo)準(zhǔn)電極電勢eq\o\ac(○,1)電極電勢的影響因素：金屬本身的活動性、該離子的濃度、體系的溫度。eq\o\ac(○,2)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的條件：溶液活度為1.0mol/L，氣體分壓為101325Pa；液體和固體為純凈物時的電極電勢。把標(biāo)準(zhǔn)氫電極與任一其它標(biāo)準(zhǔn)電極相連形成原電池，測得電動勢就是該標(biāo)準(zhǔn)電極的電極電勢（相對值）。例如：鋅電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池，鋅電極作負(fù)極，電池電動勢為0.7618V,E池=φ（+）-φ（-）=φ?（H+/H2）-φ?（Zn2+/Zn）=0-φ?（Zn2+/Zn）=0.7618V則：φ?（Zn2+/Zn）=-0.7618V又例如：銅電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極組成原電池，銅電極作正極，電池電動勢為0.7618V。E池=φ（+）-φ（-）=φ?（Cu2+/Cu）-φ?（H+/H2）=φ?（Cu2+/Cu）-0=0.3419V則：φ?（Cu2+/Cu）=0.3419V詳見：表5-1附表：6-1、6-2eq\o\ac(○,3)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢（或電極電勢）的意義：數(shù)值大小反映電對中氧化型和還原型物質(zhì)氧化還原能力的強(qiáng)弱：φ?代數(shù)值越大，電對中氧化型物質(zhì)氧化性越強(qiáng)，是較強(qiáng)的氧化劑，容易得電子轉(zhuǎn)變?yōu)槠涔曹椷€原型，其共軛還原型則還原性較弱。φ?代數(shù)值越小，電對中氧化型物質(zhì)氧化性越弱，是較弱的氧化劑，不容易得電子轉(zhuǎn)變?yōu)槠涔曹椷€原型，其共軛還原型則還原性較強(qiáng)。例：對于氧化還原反應(yīng)：ox1+red2=red1+ox2氧化性：ox1>ox2還原性:red2>red1eq\o\ac(○,4)注意事項(xiàng)：1）φ?的正負(fù)號、數(shù)值大小與電極反應(yīng)式的寫法無關(guān)，無論半反應(yīng)是氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)，無論各物質(zhì)前面系數(shù)是整數(shù)或分?jǐn)?shù)，代數(shù)值不變。因?yàn)槭瞧胶鈺r的數(shù)值且φ?是強(qiáng)度性質(zhì)。舉例：Zn-2e=Zn2+φ?（Zn2+/Zn）=-0.7618V；Zn2++2e=Znφ?（Zn2+/Zn）=-0.7618V；2Zn-4e=2Zn2+φ?（Zn2+/Zn）=-0.7618V；2）φ?是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的水溶液中測定，不適用于其它非水溶液。3）僅說明氧化還原反應(yīng)的趨勢和程度，末涉及反應(yīng)速率。舉例：（NH4）2S2O8與MnSO4的反應(yīng)，由于φ?（S2O82-/SO42-）2.01V>φ?（MnO4-/Mn2+）1.51V,故可以發(fā)生下列反應(yīng)：5S2O82-+2Mn2++8H2O=2MnO4-+16H++10SO42-但實(shí)驗(yàn)中看不到紫紅色生成，必須加入少量硝酸銀溶液和催化劑并加熱才能使反應(yīng)速率加快，看到紫紅色。4）注意具體電對（氧化型與還原型）與φ?的一致性。有些物質(zhì)即有氧化性又有還原性，在不同反應(yīng)中可能對應(yīng)不同的值。如：H2O2+2H++2e=2H2Oφ?（H2O2/H2O）=1.776VO2+2H++2e=H2O2φ?（O2/H2O2）=0.695V5）注意溶液酸堿性與φ?的一致性：酸性介質(zhì)查酸表，堿性介質(zhì)查堿表。三、能斯特方程——非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的φ的計算nFnFφ=φ?+lnRT[ox][red]]能斯特（Nernst）方程:φ:非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)電極電勢(v)φ?:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)電極電勢(v)R:氣體常數(shù)8.314J·mol-1·K-1T:熱力學(xué)溫度(K)n:電極反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)(mol)F:Faraday常數(shù)（96487C·mol-1)[ox]:電極反應(yīng)中氧化型一側(cè)各物質(zhì)濃度（mol·L-1）的冪的乘積，冪的指數(shù)為反應(yīng)中各物質(zhì)前面的系數(shù)。[red]:電極反應(yīng)中還原型一側(cè)各物質(zhì)濃度（mol·L-1）的冪的乘積，冪的指數(shù)為反應(yīng)中各物質(zhì)前面的系數(shù)。電極反應(yīng)中如某一物質(zhì)為固體或純液體，濃度為1，氣體的濃度單位則為atmT=298K時，能斯特方程:[red]][ox]0.0592φ=φ?+lgn結(jié)論：（1）氧化型物質(zhì)濃度增大時，其氧化型物質(zhì)的氧化性增強(qiáng)，還原型物質(zhì)濃度增大時，其氧化型物質(zhì)的氧化性降低。（2）與酸性有關(guān)的氧化還原反應(yīng)，H+濃度增大，其氧化型物質(zhì)的氧化性增強(qiáng)。（3）沉淀反應(yīng)、配合物的生成等會直接影響離子的濃度，從而最終影響電極電勢的大小。四、電極電勢的應(yīng)用（了解）（一）比較氧化劑和還原劑的相對強(qiáng)弱1．標(biāo)態(tài)下：φ?值較大的電對中的氧化型是較強(qiáng)的氧化劑；φ?值較小的電對中的還原型是較強(qiáng)的還原劑?？筛鶕?jù)φ?選擇適當(dāng)?shù)难趸瘎?．非標(biāo)態(tài)下：通過能斯特方程計算出之后再判斷。（二）判斷氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向