《工程化学基础》第4章.ppt

第四章 化学反应与能源 一、热化学能的变化 二、化学反应中的能量变化 三、 QV 测定 四、标准摩尔生成焓和标准摩尔焓变 4. 2 化学反应的方向和限度 一、自发反应的能量变化 二、熵变?S 三、吉布斯自由能变化 ?G 一、化学平衡和标准平衡常数 二、标准平衡常数与标准摩尔吉布斯函数变的关系 三、影响化学平衡移动和平衡常数的因素 四、化学反应速率和催化剂 一、氧化还原反应和原电池的能量变化 二、原电池的组成和电极反应 三、电极电势的产生、计算和应用 四、化学电源 五、能源的开发利用 作业： 同一种元素不同价态的组合形式，称为氧化还原电对。氧化还原电对习惯上常用符号 [氧化态(Ox)]／[还原态(Red)]来表示， 氧化还原电对 如： Cu2+／Cu、Zn2＋／Zn 、 Cr2O72–／Cr3+， H+／H2 和 O2／OH－ (Pt)H2(g)∣H+(c)。 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 若干概念 (1) 原电池是由两个半电池组成的；半电池又叫电极。 (2) 半反应，又叫电极反应 氧化态 + ne- 还原态 正极反应： 负极反应： 电池反应： Cu2+ + Zn → Zn2+ + Cu 注意：电极反应包括参加反应的所有物质，如：Cr2O72–/Cr3+ ， 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 M + + + + + + + + – – – – – – – – V1 V2 M + + + + + + + + – – – – – – – – V1’ V2’ Mn+ Mn+ (a) (b) (a)电势差 E = V2 – V1 (b)电势差 E = V1’ – V2’ 金属的电极电势 1. 电极电势的产生 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 2、标准电极电势 规定E ?(H＋／H2) = 0. 0000 V (Pt) H2 (100 kPa)∣H+(1 mol·dm–3) 标准氢电极 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 当c (KCl)为饱和溶液时， E = 0. 2412 V 又称参比电极 (Pt)Hg，Hg2Cl2∣KCl 甘汞电极 稳定性好，使用方便 Hg2Cl2(s) + 2 e 2 Hg(l) ＋ 2 Cl－(aq) 甘汞电极示意图 铂丝 纯汞 甘汞(Hg2Cl2 )和汞的糊状物 KCl 溶液 烧结陶瓷芯或玻璃砂芯 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 表4-1 甘汞电极的电极电势 +0. 3356 +0. 2830 +0. 2445 电极电势 E/V 0. 1 mol·dm–3 1. 0 mol·dm–3 饱 和 KCl 浓度 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 2、影响电极电势的因素 ——能斯特方程式 对于任意给定的电极，电极反应通式为 298. 15 K时: a(氧化态) + n e– b(还原态) 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 例如： 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 例4. 17 已知 O2 (g) + 4 H+ + 4e 2 H2O，E ?(O2/H2O) = 1. 229 V。计算当 H+ 浓度为 1. 0 mol·dm–3，p(O2) = 100 kPa 时，求组成电对的电极电势。 解： 可见，O2 和氧结合态物质作为氧化态时的氧化能力随酸度的降低而降低。所以 O2 在酸性溶液中氧化能力强，而中性、碱性溶液氧化能力减弱。 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 4、电极电势的应用 (1)比较氧化剂和还原剂的相对强弱 Fe3+、Cu 分别是较强的氧化剂与较强的还原剂， 而 Cu2+、Fe2+ 分别是较弱的氧化剂和还原剂， 例 4. 18 制印刷电路底板，常用 FeCl3 溶液刻蚀铜箔，已知此反应能自发进行，不查表比较 Cu2+ 和 Fe3+ 的氧化能力强弱 解： 反应方程式为： 2 FeCl3 + Cu = CuCl2 + 2 FeCl2 或 2 Fe3+ + Cu = Cu2+ + 2 Fe2+ ， 因此，Fe3+ 的氧化能力大于Cu2+。 第4章 化学反应与能源 氧化还原反应和能源 2. 866 0. 401 0. 3419 0 –0. 7618 –2. 71 E ? (V) F2(g) + 2e- = F－(aq) O2(g) + 2H2O + 4e- = 4 OH－(aq) Cu2+(aq