氧化还原与电化学
化学试剂,九料化工商城 / 2020-10-26
一、氧化还原与电化学实验目的
1.了解电极电位与氧化还原反应的关系以及浓度、介质的酸硷性对氧化还原反应的影响;
2.了解原电池的装置和反应,并根据原电池的原理理解金属的腐蚀;
3.了解电解池的装置和反应以及电镀的原理。刻交个。
二、氧化还原与电化学提要
1.氧化还原反应进行的方向
借氧化还原反应的自由焓变化可以判断氧化还原反应进行的方向,即当反应的自由焓变化△G<0时,反应能够自发进行;当反应的自由变化△G>0时,反应不能自发进行;当反应的自由焓变化△G=0时,则反应处于平衡状态而自由焓变化与电池电动势E之间存在下列关系:-△G=FE;若△G<0,则E>0,即氧化还原反应组成的原电池的电动势E=☥正-☥负>0。于是,正>甲负,在通常情况下可直接用标准电极电位甲来表示,即正>负,也就是作为氧化剂物质的电对的标准电极电位代数值应大于作为还原剂物质的电对的标准电极电位的代数值。若两者的标准电极电位代数值相差不大,则应考虑浓度对电极电位的影响。
2.介质对氧化还原反应的影响
介质的酸碱性对含氧酸盐的氧化性影响很大。例如,高锰酸钾在酸性介质中被还原为Mn2+离子(无色或浅红色)。
MnO-4+8H++5e↔Mn2++4H2O ☥°=1.491伏
在中性或弱碱性介质中被还原为二氧化锰MnO2)的褐色或暗黄色沉淀:
Mno-4+2H2O+3e↔MnO2↓+4OH- ☥°=0.588伏
在强碱性介质中被还原为绿色的MnO2-离子
4
MnO-4 +e↔MnO2-
4 ☥°=0.564伏
由此可以看出,高锰酸钾在不同的介质中还原产物有所不同,并且其氧化性随介质酸性减小而减弱。
氯酸钾在酸性介质中表现出氧化性,能被还原为Cl离子,然而在中性溶液中就不易表现出氧化性。
3.中间价态化合物的氧化还原性
这类物质一般既可作氧化剂,又可作还原剂。例如,过氧化氢(H2O2)常用作氧化剂而被还原为H2O(或OH-)。
H2O2+2H++2e↔2H2O ☥°=1.776伏已
但遇到强氧化剂如高锰酸钾(在酸性介质中时,过氧化氢作为还原剂被氧化而放出氧气。
O2+2H++2C↔H2O2 ☥°=0.682伏
4.原电池
利用氧化还原反应产生电流的装置叫做原电池。一般较活泼的金属为负极,较不活泼的金属为正极,放电时,负极上发生氧化反应不断给出电子,通过导线流入正极,正极上发生还原反应。
5.电镀
利用直流电源把一种金属覆盖到另一种金属表面的过程叫做电镀。通常把待镀零件作为阴极，镀层金属作为阳极,置于适当的电解液中进行电镀。阴极与直流电源负极相连,阳极与直流电源正极相连,在阴极上进行还原反应,可得到所需金属镀层,在阳极上进行氧化反应。电镀时应在适当电压下控制电流密度。
6.氧化还原与电化学全属的腐蚀
电化学腐蚀是由于金属在电解质溶液中发生与原电池相似的电化学过程而引起的一种腐蚀。腐蚀电池中较活泼的金属作为阳极(即负极)而被氧化,而阴极(即正极)仅起传递电子的作用，本身不被腐蚀。
在腐蚀性介质中,加入少量能防止或延缓腐蚀过程的物质叫做缓蚀剂。例如,乌洛托品（六次甲基四胺)可用作钢铁在酸性介质中的缓蚀剂。
三、仪器与药品
1.仪器
试管、试管架、量筒、洗瓶、滴管、烧杯、盐桥(含有琼胶及KCl饱和溶液的U形管)、表面皿、锌片（锌棒)、铜片(铜棒)、铜丝(粗、细)、铁片、滤纸、铁丝(细)、砂纸
2.药品
酸：醋酸CH3COOH(6N) 盐酸HCI(0.1N)
硫酸H2SO4(2N,6N)
碱：氢氧化钠NaOH(6N)
盐：硫酸铜CUSO4(0.5M) 三氯化铁FeCl3(0.1M)
硫酸亚铁FeSO4(0.1M) 溴化钾KBr(0.1M)
氯酸钾KCIO3(0.1M) 碘化钾KI(0.1M)
铁氰酸钾K3[Fe(CN）6](0.1M) 高锰酸钾KMnO4(0.1M,0.01m)
氯化钠NaCl(1M) 硫化钠Na2S(0.1M)
亚硫酸钠Na2SO3(0.1M) 硝酸铅Pb(NO3)2(0.1M)
硫酸锌ZnSO4(0.5M）
其它：溴水(炮和溶液) 碘水(饱和溶液)
苯C6H6 过氧化氢H2O2(3%)
乌洛托品(CH2)6N4(20%) 酚酞(1%)
铁钉(小号,中号) 锌粒(粗,纯)
去油液[注1] 去锈液[注2]
电镀液[注3] 钝化液[注4]
[注1]去油液配方:氢氧化钠NaOH(60克·升-1)
碳酸钠Na2CO3(40克·升-1)
水玻璃Na2SiO3(30克·升-1)
[注2]去锈液配方:盐酸HCI(20%)
乌洛托品(CH2)6N4(5%)
水H2O(75%)
[注3]电镀液配方:氧化锌ZnO(12~16克·升-1)
氢氧化钠NaOH(80~120克·升-1)
乌洛托品(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是主要添加剂,能提高分散能力,使镀层色泽均匀光亮,结晶细致。2-氨基嘧啶能使镀层光亮,提高分散能力,尤其是对镀深孔产品。乌洛托品能使镀层结晶细致、白亮。
[注4]钝化液配方:铬酸H2CrO4(200~300克·升-1)
硫酸H2SO4(20~30克·升-1)
硝酸(30~50克·升-1)
四、氧化还原与电化学实验内容
1.氧化还原反应与电极电位
(1)卤素离子的还原性往试管中加入约0.5ml 0.1m KI溶液和2滴0.1M FeCl3溶液,再加入数滴苯,充分摇荡,观察苯层颜色有何变化[注1]然后再加入约5ml水及1滴0.1M K3[Fe(CN)6]溶液[注2],观察水溶液中颜色有何变化。写出有关生成物.
用KBr溶液代替KI溶液,进行上述实验,观察反应能否发生。
[注1]卤素单质如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↓
(蓝色)
Fe3+[Fe(CN)6]3-=Fe[Fe(CN)6])
(棕色)
(2)二价铁的还原性往2支试管中分别加入数滴饱和碘水或饱和溴水,然后加入约0.5ml 0.1M Feso4溶液,摇荡试管,观察现象。写出有关反应方程式。
根据以上实验结果,定性地比较Br2/Br-、I2/I-和Fe3+/fe2+三个电对的电极电位大小,并指出其中哪一物质是最强的氧化剂,哪一物质是最强的还原剂.
2.介质对氧化还原反应的影响
(1)介质对高锰酸钾氧化性的影响往3支试管中各加入数滴0.01 K MnO4溶液,然后往第1支试管中加入数滴6N H2SO4使溶液酸化;第2支试管中加入数滴水;第3支试管中加入数滴6N NaOH使溶液碱化。然后再各滴入0.1M Na2SO3溶液,并观察各试管中的现象。写出有关生成物。
*(2)酸度对高锰酸钾氧化性的影响往2支试管中各加入0.5ml 0.1M KBr溶液,往1支试管中加入约0.5ml 6N H2SO4,往另1支试管中加入约0.5ml 6N CH3COOH,然后再各加入I~3滴0.01 KMnO4溶液,观察并比较2支试管中紫色消失的快慢并加以说明。
（3）酸度对氯酸钾氧化性的影响往试管中加入1ml左右0.1M KCIO3溶液并加入数滴0.1M KI溶液,加热,观察有无现象变化。然后趁热加入数滴6N5酸化观察现象。写出有关方程式。
3.中间价态化合物的氧化还原性
(1)过氧化氢的氧化性往试管中加入2滴0.1M Pb(NO3)2和2滴0.1M Na2S溶液,观察现象,再加入数滴3% H2O2溶液,摇荡试管,观察有何变化。写出有关生成物.
(2)过氧化氢的还原性。往试管中加入约1ml 0.01M KMnO溶液并加入数滴6NH2SO4使之酸化,然后滴加3% H2O2溶液,观察现象。写出有关生成物。
4.原电池
取2只50ml烧杯,往1只烧杯中加入约30mL 0.5M ZnSO4溶液,插入连有铜丝的锌片（或锌棒）往另1只烧杯中加入约30m1 0.5M CuSO4溶液,插入连有铜丝的铜片(或铜棒）[注1].用盐桥(含有琼胶及KCl饱和溶液的U形管)[注2]把2只烧杯中的溶液连通,即组成了原电池。
取一张纸放在表面皿上,并以1M NaCl溶液湿润之,再加入1滴酚酞指示剂。将上述原电池两上的铜丝的两端隔开一段距离并均与滤纸接触。数分钟后,观察滤纸上导线接触点附近颜色的变化,并说明变化的原因[注3].
[注1]在导线(铜丝)与电极接触处,以及导线的另一端若有锈蚀,需用砂纸擦凈。
[注2]盐桥中应无气泡;用好后仍浸入盐桥溶液中,以便别班学生实验时使用。
[注3]实验后,将CuSO4和ZnSO4溶液倒回原瓶,切勿倒错。
5.无氰碱性镀锌
（1）取一块铁片,用砂纸擦净表面,系上细铁丝,入已加热至70℃左右的去油液中,去油数分钟。取出铁片,再用水冲洗。
（2）取1只250mL烧杯,加入200ml电镀液。将上述已处理过的铁片挂在两锌片之间,各相距约5厘米,浸入电镀液中。按图14-2装置,把电源的负极与铁片(作阴极)相连，正极与锌片(作阳极)相连。
(3)接上电源插头,按下开关,进行电镀,电镀时尽可能维持以下条件,尤其是电流密度(可由实验预备室做好有关电路的调节工作)。
温度:35℃以下
阴极电流密度:0.01~0.015安培·厘米-2
电压:2~3伏特
阴极面积:阳极面积:2~3:1
电镀约20~30分钟,随即关断电源。取出已镀好的铁片,用水冲洗。然后浸入钝化液中约5~10秒钟,取出铁片,用水冲洗。让其凉干后,观察锌层颜色。
6.金属的腐蚀
取2支试管,各加入2~3ml 0.1M HCl溶液,然后分别加入一粒大小相仿的纯锌或粗锌,观察气泡产生情况。比较它们腐蚀速度的快慢。
*7.腐蚀的防止
取2只铁钉,用砂纸擦去铁锈,系好细铁丝,将铁钉浸入去锈液中数分钟。取出铁钉,用水冲洗,分别放入2支试管中。往其中1支试管中滴加5滴20%乌洛托品。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.观察并比较2支试管中所出现的颜色深浅。
五、氧化还原与电化学实验前准备的思考题
(1)如何通过实验比较下列物质的氧化性或还原性强弱?
①Br2、I2和Fe3+离子
②Br-离子、I-离子和Fe2+离子。
(2)介质对KMnO4的氧化性有何影响?如何用实验证明?试从电极电位予以说明。
(3)为什么过氧化氢既可作氧化剂,又可作还原剂?在何种情况下作氧化剂?何种情况下作还原剂?
(4)原电池是根据什么原理构成的?如果没有检流计,可用什么化学方法检验是否有电极流产生。
(5)在镀锌实验中各电极名称及电极反应如何?
(6)为什么含杂质的金属较纯金属容易腐蚀?
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