氧化還原與電化學(xué)
化學(xué)試劑,九料化工商城 / 2020-10-26
一、氧化還原與電化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
1.了解電極電位與氧化還原反應(yīng)的關(guān)系以及濃度、介質(zhì)的酸鹼性對(duì)氧化還原反應(yīng)的影響;
2.了解原電池的裝置和反應(yīng),并根據(jù)原電池的原理理解金屬的腐蝕;
3.了解電解池的裝置和反應(yīng)以及電鍍的原理?？探粋€(gè)。
二、氧化還原與電化學(xué)提要
1.氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向
借氧化還原反應(yīng)的自由焓變化可以判斷氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向,即當(dāng)反應(yīng)的自由焓變化△G<0時(shí),反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行;當(dāng)反應(yīng)的自由變化△G>0時(shí),反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行;當(dāng)反應(yīng)的自由焓變化△G=0時(shí),則反應(yīng)處于平衡狀態(tài)而自由焓變化與電池電動(dòng)勢(shì)E之間存在下列關(guān)系:-△G=FE;若△G<0,則E>0,即氧化還原反應(yīng)組成的原電池的電動(dòng)勢(shì)E=?正-?負(fù)>0。于是,正>甲負(fù),在通常情況下可直接用標(biāo)準(zhǔn)電極電位甲來表示,即正>負(fù),也就是作為氧化劑物質(zhì)的電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位代數(shù)值應(yīng)大于作為還原劑物質(zhì)的電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位的代數(shù)值。若兩者的標(biāo)準(zhǔn)電極電位代數(shù)值相差不大,則應(yīng)考慮濃度對(duì)電極電位的影響。
2.介質(zhì)對(duì)氧化還原反應(yīng)的影響
介質(zhì)的酸堿性對(duì)含氧酸鹽的氧化性影響很大。例如,高錳酸鉀在酸性介質(zhì)中被還原為Mn2+離子(無色或淺紅色)。
MnO-4+8H++5e↔Mn2++4H2O ?°=1.491伏
在中性或弱堿性介質(zhì)中被還原為二氧化錳MnO2)的褐色或暗黃色沉淀:
Mno-4+2H2O+3e↔MnO2↓+4OH- ?°=0.588伏
在強(qiáng)堿性介質(zhì)中被還原為綠色的MnO2-離子
4
MnO-4 +e↔MnO2-
4 ?°=0.564伏
由此可以看出,高錳酸鉀在不同的介質(zhì)中還原產(chǎn)物有所不同,并且其氧化性隨介質(zhì)酸性減小而減弱。
氯酸鉀在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出氧化性,能被還原為Cl離子,然而在中性溶液中就不易表現(xiàn)出氧化性。
3.中間價(jià)態(tài)化合物的氧化還原性
這類物質(zhì)一般既可作氧化劑,又可作還原劑。例如,過氧化氫(H2O2)常用作氧化劑而被還原為H2O(或OH-)。
H2O2+2H++2e↔2H2O ?°=1.776伏已
但遇到強(qiáng)氧化劑如高錳酸鉀(在酸性介質(zhì)中時(shí),過氧化氫作為還原劑被氧化而放出氧氣。
O2+2H++2C↔H2O2 ?°=0.682伏
4.原電池
利用氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流的裝置叫做原電池。一般較活潑的金屬為負(fù)極,較不活潑的金屬為正極,放電時(shí),負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)不斷給出電子,通過導(dǎo)線流入正極,正極上發(fā)生還原反應(yīng)。
5.電鍍
利用直流電源把一種金屬覆蓋到另一種金屬表面的過程叫做電鍍。通常把待鍍零件作為陰極，鍍層金屬作為陽極,置于適當(dāng)?shù)碾?/span>解液中進(jìn)行電鍍。陰極與直流電源負(fù)極相連,陽極與直流電源正極相連,在陰極上進(jìn)行還原反應(yīng),可得到所需金屬鍍層,在陽極上進(jìn)行氧化反應(yīng)。電鍍時(shí)應(yīng)在適當(dāng)電壓下控制電流密度。
6.氧化還原與電化學(xué)全屬的腐蝕
電化學(xué)腐蝕是由于金屬在電解質(zhì)溶液中發(fā)生與原電池相似的電化學(xué)過程而引起的一種腐蝕。腐蝕電池中較活潑的金屬作為陽極(即負(fù)極)而被氧化,而陰極(即正極)僅起傳遞電子的作用，本身不被腐蝕。
在腐蝕性介質(zhì)中,加入少量能防止或延緩腐蝕過程的物質(zhì)叫做緩蝕劑。例如,烏洛托品（六次甲基四胺)可用作鋼鐵在酸性介質(zhì)中的緩蝕劑。
三、儀器與藥品
1.儀器
試管、試管架、量筒、洗瓶、滴管、燒杯、鹽橋(含有瓊膠及KCl飽和溶液的U形管)、表面皿、鋅片（鋅棒)、銅片(銅棒)、銅絲(粗、細(xì))、鐵片、濾紙、鐵絲(細(xì))、砂紙
2.藥品
酸：醋酸CH3COOH(6N) 鹽酸HCI(0.1N)
硫酸H2SO4(2N,6N)
堿：氫氧化鈉NaOH(6N)
鹽：硫酸銅CUSO4(0.5M) 三氯化鐵FeCl3(0.1M)
硫酸亞鐵FeSO4(0.1M) 溴化鉀KBr(0.1M)
氯酸鉀KCIO3(0.1M) 碘化鉀KI(0.1M)
鐵氰酸鉀K3[Fe(CN）6](0.1M) 高錳酸鉀KMnO4(0.1M,0.01m)
氯化鈉NaCl(1M) 硫化鈉Na2S(0.1M)
亞硫酸鈉Na2SO3(0.1M) 硝酸鉛Pb(NO3)2(0.1M)
硫酸鋅ZnSO4(0.5M）
其它：溴水(炮和溶液) 碘水(飽和溶液)
苯C6H6 過氧化氫H2O2(3%)
烏洛托品(CH2)6N4(20%) 酚酞(1%)
鐵釘(小號(hào),中號(hào)) 鋅粒(粗,純)
去油液[注1] 去銹液[注2]
電鍍液[注3] 鈍化液[注4]
[注1]去油液配方:氫氧化鈉NaOH(60克·升-1)
碳酸鈉Na2CO3(40克·升-1)
水玻璃Na2SiO3(30克·升-1)
[注2]去銹液配方:鹽酸HCI(20%)
烏洛托品(CH2)6N4(5%)
水H2O(75%)
[注3]電鍍液配方:氧化鋅ZnO(12~16克·升-1)
氫氧化鈉NaOH(80~120克·升-1)
烏洛托品(CH2)6N4(30~40克·升-1)
DPE-1(4~6毫升·升-1)
2-氨基嘧啶(1~2克·升-1)
DPE-1是主要添加劑,能提高分散能力,使鍍層色澤均勻光亮,結(jié)晶細(xì)致。2-氨基嘧啶能使鍍層光亮,提高分散能力,尤其是對(duì)鍍深孔產(chǎn)品。烏洛托品能使鍍層結(jié)晶細(xì)致、白亮。
[注4]鈍化液配方:鉻酸H2CrO4(200~300克·升-1)
硫酸H2SO4(20~30克·升-1)
硝酸(30~50克·升-1)
四、氧化還原與電化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1.氧化還原反應(yīng)與電極電位
(1)鹵素離子的還原性往試管中加入約0.5ml 0.1m KI溶液和2滴0.1M FeCl3溶液,再加入數(shù)滴苯,充分搖蕩,觀察苯層顏色有何變化[注1]然后再加入約5ml水及1滴0.1M K3[Fe(CN)6]溶液[注2],觀察水溶液中顏色有何變化。寫出有關(guān)生成物.
用KBr溶液代替KI溶液,進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn),觀察反應(yīng)能否發(fā)生。
[注1]鹵素單質(zhì)如I2、Br2在苯中的溶解度大于在水中的溶解度。
[注2]3fe2+2[Fe(Cn)6]3-=Fe3[Fe(CN)6])2↓
(藍(lán)色)
Fe3+[Fe(CN)6]3-=Fe[Fe(CN)6])
(棕色)
(2)二價(jià)鐵的還原性往2支試管中分別加入數(shù)滴飽和碘水或飽和溴水,然后加入約0.5ml 0.1M Feso4溶液,搖蕩試管,觀察現(xiàn)象。寫出有關(guān)反應(yīng)方程式。
根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,定性地比較Br2/Br-、I2/I-和Fe3+/fe2+三個(gè)電對(duì)的電極電位大小,并指出其中哪一物質(zhì)是最強(qiáng)的氧化劑,哪一物質(zhì)是最強(qiáng)的還原劑.
2.介質(zhì)對(duì)氧化還原反應(yīng)的影響
(1)介質(zhì)對(duì)高錳酸鉀氧化性的影響往3支試管中各加入數(shù)滴0.01 K MnO4溶液,然后往第1支試管中加入數(shù)滴6N H2SO4使溶液酸化;第2支試管中加入數(shù)滴水;第3支試管中加入數(shù)滴6N NaOH使溶液堿化。然后再各滴入0.1M Na2SO3溶液,并觀察各試管中的現(xiàn)象。寫出有關(guān)生成物。
*(2)酸度對(duì)高錳酸鉀氧化性的影響往2支試管中各加入0.5ml 0.1M KBr溶液,往1支試管中加入約0.5ml 6N H2SO4,往另1支試管中加入約0.5ml 6N CH3COOH,然后再各加入I~3滴0.01 KMnO4溶液,觀察并比較2支試管中紫色消失的快慢并加以說明。
（3）酸度對(duì)氯酸鉀氧化性的影響往試管中加入1ml左右0.1M KCIO3溶液并加入數(shù)滴0.1M KI溶液,加熱,觀察有無現(xiàn)象變化。然后趁熱加入數(shù)滴6N5酸化觀察現(xiàn)象。寫出有關(guān)方程式。
3.中間價(jià)態(tài)化合物的氧化還原性
(1)過氧化氫的氧化性往試管中加入2滴0.1M Pb(NO3)2和2滴0.1M Na2S溶液,觀察現(xiàn)象,再加入數(shù)滴3% H2O2溶液,搖蕩試管,觀察有何變化。寫出有關(guān)生成物.
(2)過氧化氫的還原性。往試管中加入約1ml 0.01M KMnO溶液并加入數(shù)滴6NH2SO4使之酸化,然后滴加3% H2O2溶液,觀察現(xiàn)象。寫出有關(guān)生成物。
4.原電池
取2只50ml燒杯,往1只燒杯中加入約30mL 0.5M ZnSO4溶液,插入連有銅絲的鋅片（或鋅棒）往另1只燒杯中加入約30m1 0.5M CuSO4溶液,插入連有銅絲的銅片(或銅棒）[注1].用鹽橋(含有瓊膠及KCl飽和溶液的U形管)[注2]把2只燒杯中的溶液連通,即組成了原電池。
取一張紙放在表面皿上,并以1M NaCl溶液濕潤(rùn)之,再加入1滴酚酞指示劑。將上述原電池兩上的銅絲的兩端隔開一段距離并均與濾紙接觸。數(shù)分鐘后,觀察濾紙上導(dǎo)線接觸點(diǎn)附近顏色的變化,并說明變化的原因[注3].
[注1]在導(dǎo)線(銅絲)與電極接觸處,以及導(dǎo)線的另一端若有銹蝕,需用砂紙擦凈。
[注2]鹽橋中應(yīng)無氣泡;用好后仍浸入鹽橋溶液中,以便別班學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)使用。
[注3]實(shí)驗(yàn)后,將CuSO4和ZnSO4溶液倒回原瓶,切勿倒錯(cuò)。
5.無氰堿性鍍鋅
（1）取一塊鐵片,用砂紙擦凈表面,系上細(xì)鐵絲,入已加熱至70℃左右的去油液中,去油數(shù)分鐘。取出鐵片,再用水沖洗。
（2）取1只250mL燒杯,加入200ml電鍍液。將上述已處理過的鐵片掛在兩鋅片之間,各相距約5厘米,浸入電鍍液中。按圖14-2裝置,把電源的負(fù)極與鐵片(作陰極)相連，正極與鋅片(作陽極)相連。
(3)接上電源插頭,按下開關(guān),進(jìn)行電鍍,電鍍時(shí)盡可能維持以下條件,尤其是電流密度(可由實(shí)驗(yàn)預(yù)備室做好有關(guān)電路的調(diào)節(jié)工作)。
溫度:35℃以下
陰極電流密度:0.01~0.015安培·厘米-2
電壓:2~3伏特
陰極面積:陽極面積:2~3:1
電鍍約20~30分鐘,隨即關(guān)斷電源。取出已鍍好的鐵片,用水沖洗。然后浸入鈍化液中約5~10秒鐘,取出鐵片,用水沖洗。讓其涼干后,觀察鋅層顏色。
6.金屬的腐蝕
取2支試管,各加入2~3ml 0.1M HCl溶液,然后分別加入一粒大小相仿的純鋅或粗鋅,觀察氣泡產(chǎn)生情況。比較它們腐蝕速度的快慢。
再取一根粗銅絲,插入上述盛有純鋅粒的試管中,觀察粗銅絲與鋅粒未接觸時(shí)以及接觸時(shí)情況有何不同（九料化工http://f670.cn/）。
*7.腐蝕的防止
取2只鐵釘,用砂紙擦去鐵銹,系好細(xì)鐵絲,將鐵釘浸入去銹液中數(shù)分鐘。取出鐵釘,用水沖洗,分別放入2支試管中。往其中1支試管中滴加5滴20%烏洛托品。再各加入2ml 0.1M HCl溶液,并再各滴入1滴0.01M K3[Fe(CN)6]溶液.觀察并比較2支試管中所出現(xiàn)的顏色深淺。
五、氧化還原與電化學(xué)實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備的思考題
(1)如何通過實(shí)驗(yàn)比較下列物質(zhì)的氧化性或還原性強(qiáng)弱?
①Br2、I2和Fe3+離子
②Br-離子、I-離子和Fe2+離子。
(2)介質(zhì)對(duì)KMnO4的氧化性有何影響?如何用實(shí)驗(yàn)證明?試從電極電位予以說明。
(3)為什么過氧化氫既可作氧化劑,又可作還原劑?在何種情況下作氧化劑?何種情況下作還原劑?
(4)原電池是根據(jù)什么原理構(gòu)成的?如果沒有檢流計(jì),可用什么化學(xué)方法檢驗(yàn)是否有電極流產(chǎn)生。
(5)在鍍鋅實(shí)驗(yàn)中各電極名稱及電極反應(yīng)如何?
(6)為什么含雜質(zhì)的金屬較純金屬容易腐蝕?
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