氧化还原与电极电位

Oxidation-Reduction and Electrode Potential

一、实验目的

(1)定性比较电极电位高低，掌握电极电位与氧化还原反应的关系。

(2)了解影响氧化还原反应的因素。

(3)熟悉常见的氧化剂和还原剂。

二、预习要点

(1)复习有关氧化还原的基本概念、影响电极电位的因素、能斯特(W． Nernst)方程式及非标准电极电位的计算。掌握利用p H计测定原电池电动势的方法。

(2)思考并回答下列问题:

①Fe3+离子能把Cu氧化成Cu2+离子，而Cu2+离子又能将Fe氧化成Fe2+离子，这两个反应有无矛盾?为什么?

②H2O2为什么既可以作氧化剂又可以作还原剂?写出有关电极反应，说明H2O2在什么情况下可以作氧化剂，在什么情况下可以作还原剂。

③为什么稀HCl不能和Mn O2反应，而浓HCl则能反应?这里除H+离子浓度改变外，CI－离子浓度的改变对反应是否也有影响?

与本实验相关的电极电位数据如下:

三、实验基本原理

氧化还原反应是一类重要的化学反应。无论是氧化还原化学反应还是原电池中的电化学反应，都发生了氧化剂和还原剂之间的电子转移。氧化还原反应进行的方向是，电极电位代数值较大的电对中的氧化态物质是较强的氧化剂，它能氧化电极电位代数值较小的电对中的还原态物质。氧化还原电对电极电位的高低可以用Nernst方程式表示:

电极电位的大小，不但取决于电极的本质，而且也和溶液中离子的浓度、气体的压力和温度有关。

四、仪器和试剂

仪器: p H计(见伏特计使用，m V测量部分)，试管(10mm×75mm)，酒精灯，烧杯(50m L)，铜片，锌片，铁钉。

试剂:Zn SO4(1mol·L－1)，Cu SO4(1mol·L－1、0．001mol·L－1)，Fe SO4 (1mol·L－1)，KI(0．1mol·L－1)，Fe Cl3(0．1mol·L－1)，CCl4、K3［Fe(CN)6］ (0．1mol·L－1)，KBr(0．1mol·L－1)，Fe SO4(0．1mol·L－1)，Br2水，KSCN (0．1mol·L－1)，I2水，HNO3(12mol·L－1、2mol·L－1)，Zn粒，H2SO4(1mol·L－1)， KIO3(0．1mol·L－1)，Na OH(6mol·L－1)，KMn O4(0．01mol·L－1)，Na2SO3(0．1 mol·L－1)，Zn SO4(0．2mol·L－1)，H2C2O4(2mol·L－1)，Mn SO4(0．2mol·L－1)， NH4F(3mol·L－1)，H2O2(0．1mol·L－1)，Na Bi O3(固体)，Na2S2O3(0．05mol·L－1)， Hg Cl2(0．1mol·L－1)，Su Cl2(0．2mol·L－1)*，Cl2水。

(* 使用6mol·L－1HCl溶液配制Sn Cl2溶液，用前新配)。

五、实验内容

1． 定性比较电极电位的高低

(1)在50m L小烧杯中，按下表顺序及用量加入相应试剂，连接好盐桥及导线(如图3－7)，用伏特计依次测定这4组原电池的电位差。

图3－7 原电池装置图

根据 测 量 数 据， 试 比 较φCu2+(1mol·L－1)/Cu， φCu2+(0．001mol·L－1)/Cu， φFe2+(1mol·L－1)/Fe，φZn2+(1mol·L－1)/Zn的相对大小。在第一和第二个原电池中，铁电极所发生的反应是否相同?

(2)在试管中加入0．1mol·L－1KI溶液5滴和0．1mol·L－1Fe Cl3溶液3滴，混匀后，再加入5滴CCl4，充分振荡，观察CCl4层的颜色有何变化?试管中发生了什么反应?再往溶液中加入0．1mol·L－1K3［Fe(CN)6］溶液1滴，观察现象，写出反应式。

用0．1mol·L－1KBr溶液代替0．1mol·L－1KI溶液进行相同的实验，能否发生反应?为什么?

在试管中加入0．1mol·L－1Fe SO4溶液5滴，再加入2滴溴水，振荡后滴加0．1mol·L－1KSCN溶液1～2滴，此溶液呈何色?说明试管中发生的反应。

用碘水代替溴水进行相同的实验，能否发生反应? 为什么?

根据以上实验，定性比较I2—I－，Br2—Br－和Fe3+—Fe2+三个氧化还原电对的电极电位的高低，并指出何者为强氧化剂?何者为强还原剂?

2． 浓度对氧化还原反应的影响

(1)在1(1)实验中，第4组原电池是:

( －)Cu|Cu2+(0．001mol·L－1)‖Cu2+(1mol·L－1)|Cu( +)

所测两极间电位差为多少?试用Nernst方程式解释产生电位差的原因。

(2)在两支各盛有一粒锌的试管中，分别加入12mol·L－1HNO3及2mol·L－1 HNO3溶液各5滴，观察所发生的现象，不同浓度的HNO3溶液与Zn作用的反应产物及反应速度有何不同?

(3)在试管中加入0．1mol·L－1KI溶液5滴和0．1mol·L－1K3［Fe(CN)6］溶液2滴，混匀后再加入5滴CCl4，充分振荡，观察CCl4层的颜色有无变化?然后再加入0．2mol·L－1Zn SO4溶液2～3滴，充分振荡，观察现象，试管中发生了什么变化?根据φ值判断I－离子能否还原［Fe(CN)6］3－离子?加入Zn2+离子生成Zn2［Fe(CN)6］白色沉淀:

试说明沉淀生成对氧化还原反应的影响。

3． 介质酸度对氧化还原反应的影响

(1)在试管中加入0．1mol·L－1KI溶液5滴，再加入2滴1mol·L－1H2SO4溶液酸化，然后加入0．1mol·L－1KIO3溶液1滴，振荡并观察现象，试管中发生了什么反应?接着往试管中滴加6mol·L－1Na OH溶液，使溶液呈碱性，振荡后又有何现象?写出各反应式并说明介质对氧化还原反应方向的影响。

(2)取三支试管，各加入0．01mol·L－1KMn O4溶液1滴，然后向第一支试管中加入1mol·L－1H2SO4溶液2滴;第二支试管中加入蒸馏水2滴;第三支试管中加入6mol·L－1Na OH溶液2滴，分别摇匀后再各加入0．1mol·L－1Na2SO3溶液1～2滴，观察各试管中溶液颜色的变化，写出反应式，并用Nernst方程式解释介质对氧化还原反应的影响。

4． 催化剂对氧化还原反应速度的影响

H2C2O4溶液和KMn O4溶液在酸性介质中能发生如下反应:

此反应的电动势虽然较大，但反应速度较慢。Mn2+离子对此反应有催化作用。随着反应自身产生的Mn2+离子增加，反应速度加快。若加入F－离子将Mn2+离子掩蔽起来，则反应速度仍旧较慢。

取三支试管，各加入2mol·L－1H2C2O4溶液5滴及1mol·L－1H2SO4溶液1滴，然后向第一支试管中加入0．2mol·L－1Mn SO4溶液1滴，向第三支试管中加入3mol·L－1NH4F溶液2滴，最后向三支试管中各加入0．01mol·L－1KMn O4溶液1滴，混匀，观察三支试管中紫红色褪去的快慢情况。必要时，可用小火加热，进行比较。

5． 常见的氧化剂和还原剂的反应

(1)H2O2的氧化性:在试管中加入0．1mol·L－1KI溶液5滴，再加入1滴1mol·L－1H2SO4溶液酸化，然后逐滴加入0．1mol·L－1H2O2溶液，振荡试管并观察现象，写出反应式。

(2)KMn O4的氧化性:在试管中加入0．01mol·L－1KMn O4溶液5滴，再加入5滴1mol·L－1H2SO4溶液酸化，然后逐滴加入0．1mol·L－1Fe SO4溶液，振荡试管并观察现象，写出反应式。

(3)Na Bi O3的氧化性:在试管中加入0．2mol·L－1Mn SO4溶液2滴，再加入5滴2mol·L－1HNO3溶液酸化，然后加入少许固体Na Bi O3，搅拌，静置片刻; 观察上清液的颜色变化，写出反应式。

(4)Na2S2O3的还原性:在试管中加入2滴碘水，然后逐滴加入0．05mol·L－1 Na2S2O3溶液，观察试管中溶液颜色的变化，写出反应式。

(5)Sn Cl2的还原性:在试管中加入0．1mol·L－1Hg Cl2溶液2滴，然后再加入0．2mol·L－1Sn Cl2溶液1～2滴，观察生成沉淀的颜色，写出反应式。继续滴加Sn Cl2溶液2滴，振荡后静置片刻，沉淀转变为何色?解释所观察到的现象，写出反应式。

(6)KI的还原性: 在试管中加入0．1mol·L－1KI溶液2滴，逐滴加入Cl2水，边加边振荡试管，注意观察溶液颜色变化。继续滴加Cl2水，溶液颜色又有何变化?写出反应式。

六、实验记录与结果

按照下表要求记录并解释实验现象:

(编者: 刘绍乾)