工科化学三五化学反应与能源反应,化学与能源

4.4 氧化还原反应和能源的开发与利用

化合物的反应分为两种：氧化还原反应和非氧化还原反应

氧化还原反应：化合反应，置换反应等

非氧化还原反应：酸碱反应、沉淀反应、配位反应等

分类依据：有无原子得失电子（有电子得失意味着有化合价的变化，所以宏观上从有无化合价变化来分类）

人类的一切生产和生命活动：能量供应问题

氧化还原反应和人类活动密切相关

氧化还原反应是一种原子失去电子同时另一种原子得到电子的反应，如果把一种原子失去电子与另一种原子得到电子从空间上隔离开，那么这个氧化还原反应就需要电子的空间转移，而电子的转移就形成了电流，化学能转化为电能。电化学是研究电能和化学能相互转化的科学。

辨析题：有单质参加的反应都是氧化还原反应（答案见问候评论区）

4.4.1原电池的组成和电极反应

定义：原电池是利用氧化还原反应产生电流，把化学能转化为电能的装置。现在来看，这个定义有待商榷，因为浓差电池并不需要氧化还原反应，但新定义还没形成一个确切的说法。

（原电池的英文原意是Primary cell，这是与Secondary cell相对应，所以原电池的“原”的意思是一次电池，即不能充电二次利用的电池，但二次电池为出来的时候，其本意是最初的）

4.4.1.1原电池的构成：

1）电势不同（活泼性不同）的两个电极（发生氧化/还原反应的地方）

2）盐桥（使得电流成回路）

3）外电路（检流计，一般不用安培表）

最简单的原电池

4.4.1.2原电池中的化学反应

原电池反应

正极：原电池中接受电子发生还原反应的电极

负极：原电池中失去电子发生氧化反应的电极（这个正负极只在原电池中成立）

正极：化合价降低，得到电子，是还原反应，本身是氧化剂

负极：化合价升高，失去电子，是氧化反应，本身是还原剂

这里面涉及到另外一个定义：阴极和阳极。发生还原反应的阴极，发生氧化反应的阳极，在原电池的反应中，阴极为正极，阳极为负极

电势高的为正极，电势低的是负极

4.4.1.3原电池的结构

中间KNO3为盐桥

盐桥的作用：盐桥是倒插的U型管，内含饱和的KCl或者KNO3溶液，可用琼脂溶胶或者多孔塞保护，使溶液不会自动流出。沟通电路，补充电荷、维持电荷平衡

4.4.1.4半反应式

原电池是由两个半电池组成的；半电池中的反应就是半反应，即电极反应。因此将半电池叫做电极。如，电池反应 ：

半反应式即是电极反应

对于自发进行的电池反应，都可以把它分成两个部分（相当于两个电极的反应），一个表示氧化剂的被还原，一个表示为还原剂的被氧化。对于其中的任一部分称为原电池的半反应式

半反应（电极反应）涉及同一元素的氧化态和还原态

氧化钛与还原态的区别和联系

式中，n为电极反应中转移电子的化学计量数

从反应式可以看出，每一个电极反应中都有两类物质：一类是可做还原剂的物质，叫做还原态物质，如上面所写的半反应中的Zn、Cu、Ag等；另一类是可做氧化态的物质，称为氧化态物质，如Zn2 、Cu2 、Ag 。

4.4.1.5氧化还原电对

氧化态和相应的还原态物质能用来组成电对，通常称为氧化还原电对，用符号“氧化态/还原态”表示一般只把作为氧化态和还原态的物质用化学式表示出来，通常不表示电极溶液的组成。如，铜锌原电池中的两个半电池的电对分别表示为Zn2 /Zn和Cu2 /Cu(看不出来阴离子是哪种）又如：Fe3 /Fe2 ,O2/OH-,HgCl2/Hg,MnO4-/Mn2

一个氧化还原电对是同一种元素的不同氧化数之间的关系，氧化态比还原态氧化数（中学化学中叫做化合价）要大。

4.4.1.6电池图式

任一自发的氧化还原反应都可以组成一个原电池，原电池装置可用图式表示

规定：负极写在左边，正极写在右边，以双实线表示盐桥，以单垂线表示两个相之间的界面。用“,”来分隔两种不同种类或不同价态溶液

有些时候，电池图式的正负号也可以省略不写

书写要求

（1）负极写在左边，正极写在右边；

（2）盐桥用“‖”相接；

（3）两相界面用一竖线“｜”表示；（部分教材用竖起来的半省略号表示）

（4）同相的不同物质用“，”间隔；

（5）若用离子时应注明其活度（稀溶液用浓度）；

（6）若电对不含金属导体，则需要加一惰性导体（如Pt）。

应用举例：怎么把一个氧化还原反应设计成一个原电池

第一步，拆分化学反应方程式

注意同相不同物质的隔开

如果是不导电的电极，注意要加入惰性电极，诶上例中的Pt，通常使用的惰性电极还有石墨等。另外一个要注意的地方是，涉及到溶液和气体的，要标注压强和浓度，因为不同浓度和压强之间也会产生电压。这一点我们在下面还要讲到。

至于把电池图式改成化学反应方程式，这里不做要求。

电极类型

不同类型的电极

通常后三类电极在设计成电池时，要引入惰性电极。

惰性电极：在电极反应中，不参与化学反应，但可以导电的电极材料。

下一节讲原电池中的能量变化