大学化学实验 12页

实验二：氧化还原反应与电极电势一.实验目的:1．掌握电极电势对氧化还原反应的影响。2．定性观察浓度、酸度对电极电势的影响。3．定性观察浓度、酸度、温度、催化剂对氧化还原反应的方向、产物、速度的影响。4．通过实验了解原电池的装置。\n二、实验原理氧化剂和还原剂的氧化、还原能力强弱，可根据它们的电极电势的相对大小来衡量。电极电势的值越大，则氧化型的氧化能力越强，其氧化型物质是较强氧化剂；电极电势的值越小,则还原型的还原能力越强，其还原型物质为较强还原剂。只有较强的氧化剂才能和较强还原剂反应。即：E(氧化剂)一E(还原剂)>0时，氧化还原反应可以向正反应方向进行。故根据电极电势可以判断氧化还原反应的方向。\n利用氧化还原反应而产生电流的装置，称原电池。原电池的电动势等于两极电极电势之差：EMF=E(＋)一E(－)根据能斯特方程：（式中[氧化型]／[还原型]表示氧化型一边各物质浓度幂次方的乘积与还原型一边各物质浓度幂次方乘积之比）。当氧化型或还原型的浓度、酸度改变时，电极电势E值必定发生改变，从而引起电动势EMF也发生改变。准确测定电动势是用对消法在电位计上进行的。本实验只是为了定性进行比较，所以采用伏特计。浓度及酸度对电极电势的影响，可能导致氧化还原反应方向的改变，也可以影响氧化还原反应的产物，\n三、仪器与试剂1、仪器试管、烧杯、伏特计、表面皿、U形管。2、试剂酸：HCl（浓），HNO3（1mol·L－1，浓），HAc(3mol·L－1)，H2SO4(2mol·L－1，3mol·L－1)，H2C2O4（0.lmol·L－1）；碱：NaOH（5mol·L－1,40%），浓NH3·H2O；盐：ZnSO4（1mol·L－1），CuSO4（1mol·L－1），KI（0.lmol·L－1），AgNO3（0.lmol·L－1），KBr（0.lmol·L－1），FeCl3（0.4mol·L－1），FeSO4（0.4mol·L－1，1mol·L－1），Fe2(SO4)3（0.4mol·L－1），K2Cr2O7（0.4mol·L－1），KMnO4（0.0lmol·L－1），Na2SO3（0.2mol·L－1），Na3AsO3（0.lmol·L－1），MnSO4（0.lmol·L－1），Br2水，I2水，CCl4，固体NH4F，饱和KCl溶液，固体(NH4)2S2O8，NH4SCN（0.lmol·L－1）。3、其他锌粒，琼脂，电极(锌片、铜片、铁片、碳棒)，水浴锅，导线，鳄鱼夹，砂纸，红色石蕊试纸。\n四、实验步骤1、电极电势和氧化还原反应(1).在试管中加入0.5ml0.1mol·L－1的KI溶液和1滴0.4mol·L－1的FeCl3溶液，混匀后加入0.1mlCCl4，充分振荡，观察CCl4层颜色有何变化。(2).用0.lmol·L－1的KBr溶液代替KI进行同样实验，观察CCl4层否有Br2的橙红色。(3).分别用Br2水和I2水同0.4mol·L－1的FeSO4溶液作用,有何现象?再加入1滴0.lmol·L－1NH4SCN溶液，又有何现象?根据以上实验事实，定性比较Br2／Br一、I2／I一、Fe3＋／Fe2＋三个电对的电极电势相对高低，指出哪个是最强的氧化剂，哪个是最强的还原剂，并说明电极电势和氧化还原反应的关系。\n2、浓度和酸度对电极电势的影响(1).浓度影响①在两只50ml烧杯中，分别加入15～30ml1mol·L－1ZnSO4和30ml1mol·L－1CuS04溶液。在ZnSO4溶液中插入Zn片，在CuSO4溶液中插入Cu片，用导线将Zn片和Cu片分别与伏特计的负极和正极相连，用盐桥连通两个烧杯溶液，测量两电极间电压(见右图)。②取出盐桥，在CuSO4溶液中滴加浓NH3·H2O并不断搅拌，至生成的沉淀溶解而形成深蓝色溶液，放入盐桥，观察伏特计有何变化。利用能斯特方程解释实验现象。2CuSO4+2NH3·H2O=Cu2(OH)2SO4+(NH4)2SO4Cu2(OH)2SO4+8NH3=2[Cu(NH3)4]2＋+SO+2OH一③再取出盐桥，在ZnSO4溶液中加浓NH3·H2O并不断搅拌至生成的沉淀完全溶解后，放人盐桥，观察伏特计有何变化。利用能斯特方程解释实验现象。ZnSO4+2NH3·H2O=Zn(OH)2+(NH4)2SO4Zn(OH)2+4NH3=[Zn(NH3)4]2＋+2OH一\n(2).酸度影响①取两只50ml烧杯，在一只烧杯中注入25ml1mol·L－1FeSO4溶液，插入铁片，另一只烧杯中注入25ml0.4mol·L－1的K2Cr2O7溶液，插入碳棒。将铁片和碳棒通过导线分别与伏特计负极、正极相连，两烧杯溶液用另一个盐桥连通，测量两电极间的电压。②往盛有K2Cr2O7的溶液中，慢慢加入2mol·L－1H2SO4溶液，观察电压有何变化?再往K2Cr2O7溶液中逐滴加入5mol·L－1NaOH溶液，观察电压又有什么变化。\n3、浓度和酸度对氧化还原产物的影响(1).取两支试管，各盛一粒锌粒，分别注人2ml浓HNO3和lmol·L－1HNO3，观察所发生现象。写出有关反应式。浓HNO3被还原后主要产物可通过观察生成气体的颜色来判断。稀HNO3的还原产物可用检验溶液中是否有NH离子生成的办法来确定。气室法检验NH离子：将5滴被检溶液滴入一个表面皿中，再加3滴40%NaOH，混匀。在另一块较小的表面皿中粘附一小块湿润的红色石蕊试纸，把它盖在大的表面皿上做成气室。将此气室放在水浴上微热两分钟，若石蕊试纸变蓝色，则表示有NH存在。(2).在三支试管中，各加入几滴0.01mol·L－1KMnO4溶液，再分别加入2mol·L－1H2SO4、蒸馏水、5mol·L－1NaOH溶液各0.5ml，再往三支试管中各加入0.5ml0.2mol·L－1Na2SO3溶液，摇匀后，观察反应产物有何不同。写出有关反应式。\n4、浓度和酸度对氧化还原反应方向的影响(1).浓度的影响①在一支试管中加入lmlH2O、lmlCCl4和lml0.4mol·L－1Fe2(SO4)3溶液，摇匀后，再加入lml0.1mol·L－1KI溶液，振荡后观察CCl4层的颜色。②另取一支试管加入1mlCCl4、lml0.4mol·L－1FeSO4、lml0.4mol·L－1Fe2(SO4)3溶液，摇匀后，再加入lml0.lmol·L－1KI溶液，振荡后观察CCl4层的颜色与上一实验中CCl4层颜色有何区别。③在(1)、(2)试管中，各加入NH4F(s)少许，振荡后，观察CCl4层颜色的变化。(2).酸度影响在试管中加人0.1mol·L－1的Na3AsO4溶液5滴，再加入I2水5滴，观察溶液颜色。然后用浓HCl酸化，有何变化?再加入40%NaOH，又有何变化?写出有关反应方程式，并解释原因。\n5、酸度、温度和催化剂对氧化还原反应速度的影响(l).酸度影响在两支各盛lml0.lmol·L－1KBr溶液的试管中，分别加入3mol·L－1H2SO4和3mol·L－1HAc溶液0.5ml，然后往两支试管中各加入2滴0.01mol·L－1KMnO4溶液。观察并比较两支试管中紫红色褪色的快慢。写出反应式，并解释原因。(2).温度影响在两支试管中分别加入lml0.lmol·L－1H2C2O4，5滴2mol·L－1H2SO4和1滴0.01mol·L－1的KMnO4溶液，摇匀，将其中一支试管放入80℃水浴中加热，另一支不加热。观察两支试管褪色的快慢。写出反应式，并解释原因。(3).催化剂的影响在两支试管中分别加入2滴0.lmol·L－1MnSO4溶液、lml2mol·L－1的H2SO4和少许(NH4)2S2O8固体，振摇使其溶解。然后往一支试管中加入2～3滴0.lmol·L－1的AgNO3，另一支不加。微热。比较两支试管反应现象有何不同。为什么？\n五、思考题(1).通过本次实验，你能归纳出哪些影响电极电势的因素?怎样影响?(2).为什么K2Cr2O4能氧化浓HCl中的Cl－离子，而不能氧化浓度比HCl大得多的NaCl浓溶液中的Cl－离子?(3).如何将反应KMnO4+KI+H2SO4→MnSO4+K2SO4+I2+H2O设计成一个原电池?写出原电池符号及电极反应式。(4).两电对的标准电极电势值相差越大，反应是否进行得越快?你能否用实验证明你的结论?(5).实验中，对“电极本性对电极电势的影响”你是如何理解的?(6).若用饱和甘汞电极来测定锌电极的电极电势，应如何组成原电池?写出原电池符号及电极反应式。[附注]盐桥的制法：称取1g琼脂，放在100ml饱和KCI溶液中浸泡一会，加热煮成期状，趁热倒入U形玻璃管(里面不能留有气泡)中，冷却后即成。\n六、注意事项1、电极Cu片、Zn片及导线头、鳄鱼夹等都必须用砂纸打磨干净，接触不良就会影响伏特计读数。正极接在3.0V、1.5V、0.5V等处(视指针摆动而定)；2、FeSO4和Na2SO3溶液必须新用新配；3、使用滴瓶时，不能倒持滴管，也不能将滴管插入试管中，而要悬空从试管上方按实验用量滴入，用毕立即插回原试液滴瓶中；4、向试管中加入锌粒时，要将试管倾斜，让Zn粒沿试管内壁滑到底部；5、本实验中所用的NH4F、Na3AsO3或Na3AsO4均为剧毒物，(NH4)2S2O8为强氧化剂，故实验完毕后的废液应回收到指定的容器中，处理后排放。