氧化還原與電化學
化學試劑,九料化工商城 / 2020-10-26
一、氧化還原與電化學實驗目的
1.了解電極電位與氧化還原反應的關系以及濃度、介質的酸鹼性對氧化還原反應的影響;
2.了解原電池的裝置和反應,并根據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以及電鍍的原理。刻交個。
二、氧化還原與電化學提要
1.氧化還原反應進行的方向
借氧化還原反應的自由焓變化可以判斷氧化還原反應進行的方向,即當反應的自由焓變化△G<0時,反應能夠自發進行;當反應的自由變化△G>0時,反應不能自發進行;當反應的自由焓變化△G=0時,則反應處于平衡狀態而自由焓變化與電池電動勢E之間存在下列關系:-△G=FE;若△G<0,則E>0,即氧化還原反應組成的原電池的電動勢E=?正-?負>0。于是,正>甲負,在通常情況下可直接用標準電極電位甲來表示,即正>負,也就是作為氧化劑物質的電對的標準電極電位代數值應大于作為還原劑物質的電對的標準電極電位的代數值。若兩者的標準電極電位代數值相差不大,則應考慮濃度對電極電位的影響。
2.介質對氧化還原反應的影響
介質的酸堿性對含氧酸鹽的氧化性影響很大。例如,高錳酸鉀在酸性介質中被還原為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
在強堿性介質中被還原為綠色的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中還原產物有所不同,并且其氧化性隨介質酸性減小而減弱。
氯酸鉀在酸性介質中表現出氧化性,能被還原為Cl離子,然而在中性溶液中就不易表現出氧化性。
3.中間價態化合物的氧化還原性
這類物質一般既可作氧化劑,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
但遇到強氧化劑如高錳酸鉀(在酸性介質中時,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
利用氧化還原反應產生電流的裝置叫做原電池。一般較活潑的金屬為負極,較不活潑的金屬為正極,放電時,負極上發生氧化反應不斷給出電子,通過導線流入正極,正極上發生還原反應。
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,置于適當的電解液中進行電鍍。陰極與直流電源負極相連,陽極與直流電源正極相連,在陰極上進行還原反應,可得到所需金屬鍍層,在陽極上進行氧化反應。電鍍時應在適當電壓下控制電流密度。
6.氧化還原與電化學全屬的腐蝕
電化學腐蝕是由于金屬在電解質溶液中發生與原電池相似的電化學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。
在腐蝕性介質中,加入少量能防止或延緩腐蝕過程的物質叫做緩蝕劑。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)、鐵片、濾紙、鐵絲(細)、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,中號) 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,結晶細致。2-氨基嘧啶能使鍍層光亮,提高分散能力,尤其是對鍍深孔產品。烏洛托品能使鍍層結晶細致、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、氧化還原與電化學實驗內容
1.氧化還原反應與電極電位
(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。寫出有關生成物.
用KBr溶液代替KI溶液,進行上述實驗,觀察反應能否發生。
[注1]鹵素單質如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↓
(藍色)
Fe3+[Fe(CN)6]3-=Fe[Fe(CN)6])
(棕色)
(2)二價鐵的還原性往2支試管中分別加入數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,觀察現象。寫出有關反應方程式。
根據以上實驗結果,定性地比較Br2/Br-、I2/I-和Fe3+/fe2+三個電對的電極電位大小,并指出其中哪一物質是最強的氧化劑,哪一物質是最強的還原劑.
2.介質對氧化還原反應的影響
(1)介質對高錳酸鉀氧化性的影響往3支試管中各加入數滴0.01 K MnO4溶液,然后往第1支試管中加入數滴6N H2SO4使溶液酸化;第2支試管中加入數滴水;第3支試管中加入數滴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象。寫出有關生成物。
*(2)酸度對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溶液并加入數滴0.1M KI溶液,加熱,觀察有無現象變化。然后趁熱加入數滴6N5酸化觀察現象。寫出有關方程式。
3.中間價態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,觀察現象,再加入數滴3% H2O2溶液,搖蕩試管,觀察有何變化。寫出有關生成物.
(2)過氧化氫的還原性。往試管中加入約1ml 0.01M KMnO溶液并加入數滴6NH2SO4使之酸化,然后滴加3% H2O2溶液,觀察現象。寫出有關生成物。
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。數分鐘后,觀察濾紙上導線接觸點附近顏色的變化,并說明變化的原因[注3].
[注1]在導線(銅絲)與電極接觸處,以及導線的另一端若有銹蝕,需用砂紙擦凈。
[注2]鹽橋中應無氣泡;用好后仍浸入鹽橋溶液中,以便別班學生實驗時使用。
[注3]實驗后,將CuSO4和ZnSO4溶液倒回原瓶,切勿倒錯。
5.無氰堿性鍍鋅
（1）取一塊鐵片,用砂紙擦凈表面,系上細鐵絲,入已加熱至70℃左右的去油液中,去油數分鐘。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,進行電鍍,電鍍時盡可能維持以下條件,尤其是電流密度(可由實驗預備室做好有關電路的調節工作)。
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,觀察氣泡產生情況。比較它們腐蝕速度的快慢。
*7.腐蝕的防止
取2只鐵釘,用砂紙擦去鐵銹,系好細鐵絲,將鐵釘浸入去銹液中數分鐘。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支試管中所出現的顏色深淺。
五、氧化還原與電化學實驗前準備的思考題
(1)如何通過實驗比較下列物質的氧化性或還原性強弱?
①Br2、I2和Fe3+離子
②Br-離子、I-離子和Fe2+離子。
(2)介質對KMnO4的氧化性有何影響?如何用實驗證明?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)原電池是根據什么原理構成的?如果沒有檢流計,可用什么化學方法檢驗是否有電極流產生。
(5)在鍍鋅實驗中各電極名稱及電極反應如何?
(6)為什么含雜質的金屬較純金屬容易腐蝕?
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