工科化学与实验金继红第5章习题及思考题答案.docx
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工科化学与实验金继红第5章习题及思考题答案
工科化学与实验(金继红)第5章-习题及思考题答案
思考题
1.氧化还原反应的特征是什么?
什么是氧化剂和还原剂?
什么是氧化反应和还原反应?
氧化还原反应的特征是有电子的转移或偏移。
在氧化还原的过程中,得电子的物质为氧化剂,失电子的物质为还原剂。
氧化数升高的过程称为氧化,氧化数降低的过程称为还原。
2.如何用离子-电子法配平氧化还原方程式?
配平原则:
(1)反应过程中氧化剂所夺得的电子数必须等于还原剂失去的电子数。
(2)反应前后各元素的原子总数相等。
配平步骤:
将反应式改写成两个半反应式,先将两个半反应式配平,然后将这些反应加合起来,消去电子而完成。
3.什么是氧化还原电对?
同一元素原子的氧化型物质及对应的还原型物质称为氧化还原电对。
氧化还原电对通常写成:
氧化型/还原型(O某/Red),如:
Cu/Cu;Zn/Zn
4.如何用图式表示原电池?
为简单起见,通常用符号表示原电池。
图式中“∣”表示相界面;“‖”表示盐桥;(—)和(+)分别表示原电池的负极和正极。
一般进行氧化反应的负极写在左边,进行还原反应的正极写在右边。
要注明电池反应的温度和压力,如不写明,一般是指在298.15K和标准压力下。
对气体要注明压力,对溶液要注明浓度,当溶液浓度为1mol/L时可以不写。
当电极无金属导体时,需要增加只起导电作用而不参加反应的惰性电极Pt或C;若参加电极反应的物质中有纯气体,液体或固体时,则应写在惰性导体的一边。
5.原电池的两个电极符号是如何规定的?
如何计算电池的电动势?
(—)和(+)分别表示原电池的负极和正极。
2+
2+
电池电动势E=E+-E-
E+和E-分别代表正,负极的电极电势。
6.电对的电极电势值是否与电极反应式的写法有关?
电对的电极电势值是强度性质,与电极反应式的写法无关。
7.原电池的电动势与离子浓度的关系是什么?
从能斯特方程中可反映出影响电极电势的因素有哪些?
原电池的电动势与正极和负极的电极电势有关,等于两者之差。
而电极电势与离子浓度之间的关系,可由能斯特方程表达。
E(O某/Red)RT[c(Red)/c]hE(O某/Red)lnzF[c(O某)/c]g从能斯特方程可以看到影响电极电势的因素有温度,转移电子数,还原态物质和氧化态物质的浓度,以及电极反应式中氧化态物质的化学计量数g,以及还原态物质的计量数h
8.判断氧化还原反应方向的原则是什么?
试举例说明。
判断氧化还原反应进行的方向,只要氧化剂电对的电极电势大于还原剂电对的电极电势E+>E-,即电动势E>0时,该氧化还原反应可自发进行。
9.E不是
10.电极电势的应用有哪些?
举例说明。
电极电势的应用有:
1)判断氧化剂和还原剂的强弱。
2)判断氧化还原反应进行的方向。
3)判断氧化还原反应进行的程度。
4)计算原电池的电动势等。
11.什么是元素电势图?
有何主要用途?
大多数非金属元素和过渡元素可以存在几种氧化态,各氧化态之间都有相应的标准电极电势。
拉特默建议把同一元素不同氧化数的物质所对应电对的标准电极电
RTlnK,E是不是电池反应达到平衡时的电动势?
nF势,从左到右按氧化数由高到低排列起来,每两者之间用一条短线连接,并将相应电对的标准电极电势写在短线上。
这种表明元素各氧化数物质之间标准电极电势关系的图,称为元素的标准电极电势图,简称元素电势图。
元素电势图用途如下:
(1)计算不同氧化数物质构成电对得标准电极电势
(2)判断歧化反应能否进行
12.原电池和电解池各有何特点?
举例说明(从电极名称、电极反应、电子流方
向等方面进行比较)。
原电池是将化学能转化成电能的装置,其中进行的是氧化还原反应。
其中电子流出的电极为负极,电子流入的电极是正极。
负极发生的是氧化反应,正极发生的是还原反应。
电解是在外电源的作用下被迫发生氧化还原的过程,实现电解过程的装置称为电解池。
在电解池中,与直流电源正极相连的电极是阳极,与直流电源负极相连的电极是阴极。
阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。
由于阳极带正电,阴极带负电,电解液中正离子移向阴极,负离子移向阳极。
13.什么叫分解电压?
为什么实际分解电压高于理论分解电压?
使电解质溶液继续不断地电解所需施加的最低外加电压,叫做分解电压。
除了内阻所引起的电压降外,超出理论分解电压主要是由于电极反应是不可逆的产生了所谓“极化”作用引起的。
14.金属电化学腐蚀的特点是什么?
为什么粗锌(含杂质主要是Cu、Fe等)比
纯锌容易在硫酸中溶解?
为什么在水面附近的金属比在水中的金属更容易腐蚀?
金属表面与介质如潮湿空气,电解质溶液等接触因发生电化学作用而引起的腐蚀,称为电化学腐蚀。
其特点是有电极反应发生,存在电流。
粗锌能和杂质构成许多微小的原电池,进而发生电极反应加快锌的溶解。
在水面附近潮湿的空气里,金属的表面吸附了一层薄薄的水膜,这层水膜里含有少
量的氢离子与氢氧根离子,还溶解了氧气等气体,结果在金属表面形成了一层电解质溶液,它跟金属里的杂质恰好形成无数微小的原电池。
进而发生电极反应加快金属的腐蚀。
15.金属防腐的方法有哪些?
1)正确选用金属材料,合理设计金属结构。
2)非金属涂层3)金属镀层4)保护器保护5)阴极电保护6)缓蚀剂保护7)氧化膜
16.化学电源主要有哪几类?
主要有1)一次电池,如常用的锰锌电池。
2)二次电池,如铅蓄电池。
3)燃料电池。
习题
一、选择题
1.非金属碘在0.01moldm-3的I溶液中,加入少量的H2O2,I2I的电极电势()。
A.增大B.减少C.不变D.不能判断答案:
A
2.为求AgCl的溶度积,应设计电池为()。
A.Ag,AgClHCl(aq)Cl2(p)(Pt)B.(Pt)Cl2(p)HCl(aq)AgNO3(aq)AgC.AgAgNO3(aq)HCl(aq)AgCl,AgD.Ag,AgClHCl(aq)AgCl,Ag答案:
C
3.已知碱性溶液中溴的元素电势图:
BrO30.54VBrO0.45VBr21.07VBr
则Eo(BrO/Br)等于()。
A.1.52VB.0.76VC.1.30VD.0.61V答案:
B
4.下列电池中,电池反应为HOHH2O的是()
A.(Pt)H2H+(aq)OHO2(Pt)B.(Pt)H2NaOH(aq)O2(Pt)C.(Pt)H2NaOH(aq)HCl(aq)H2(Pt)D.(Pt)H2(p1)H2O(l)H2(p2)(Pt)答案:
C
5.下列电对的电极电势与pH值无关的是()。
222A.MnO2B.C.D.O/HOHO/HO/MnSO/SO2222224284
答案:
D二、填空题
1.电池Zn()Zn2(c1)Zn2(c2)Zn(),若c1c2,则电池电动势为;若c1c2,则电池电动势为。
答案:
<0,=0
2.在298.15K时,已知Cu2++2eCu标准电池电动势为0.3402V,Cu++2eCu标准电池电动势为。
Cu标准电池电动势为0.522V,则Cu2++e答案:
0.1584V
3.已知Kp(AgSCN)1.110-12,Kp(AgI)1.510-16,Kp(Ag2C2O4)1.010-11,
E(Ag/Ag)0.80V。
则下列各电极的E值高低顺序是。
(1)E(AgSCN/Ag);
(2)E(AgI/Ag);(3)E(Ag2C2O4/Ag)答案:
(3)>
(1)>
(2)
4.根据三个电对的标准电极电势值:
E(O2/H2O2)0.682V;
E(H2O2/H2O)1.77V;E(O2/H2O)1.23V。
可知其中最强的氧化剂是
;最强的还原剂是;既可作氧化剂又可作还原剂的是;只能作还原剂的是。
答案:
H2O2,H2O2,H2O2,H2O三、综合题
1.用离子-电子法配平下列方程式。
(a)酸性介质中:
(1)KClO3+FeSO4Fe2(SO4)3+KCl;
ClO3+6Fe2+6H6Fe3+Cl3H2O
2
(2)H2O2+Cr2O7Cr3++O2;
23H2O2+Cr2O78H2Cr3++3O27H2O
(3)MnO2。
MnO2+MnO44+3MnO244HMnO2+2MnO42H2O
(b)碱性介质中:
(1)Al+NO3Al(OH)3NH3;
8Al+3NO318H2O8Al(OH)33NH33OH
2
(2)ClO3;MnO2ClMnO4ClO33MnO26OHCl3MnO243H2O
(3)Fe(OH)2H2O2Fe(OH)3。
2Fe(OH)2H2O22Fe(OH)3
2.试将下列化学反应设计成电池。
()1Fe2+(c(Fe2+))+Ag+(c(Ag+))=Fe3+(c(Fe3+)+Ag();
(2)AgCl()=Ag+(c(Ag+))+Cl(c(Cl-));(3)AgCl()I(c(I))=AgI()Cl(c(Cl));1(4)H2(p(H2))O2(p(O2))=H2O
(1)。
2
解:
(1)Fe2+(c(Fe2))Ag(c(Ag))Fe3(c(Fe3))Ag()
负极反应:
Fe2+(c(Fe2))eFe3(c(Fe3))正极反应:
Ag(c(Ag))eAg()
电池:
PtFe2+(c(Fe2)),Fe3(c(Fe3))Ag(c(Ag))Ag()
(2)AgCl()Ag(c(Ag))Cl(c(Cl))
负极反应:
Ag()eAg(c(Ag))正极反应:
AgCl()eAg()Cl(c(Cl))电池:
Ag()Ag(c(Ag))Cl(c(Cl))AgCl(),Ag()
(3)AgCl()I(c(I))AgI()Cl(c(Cl))
负极反应:
Ag()I(c(I))eAgI()正极反应:
AgCl()eAg()Cl(c(Cl))
电池:
Ag(),AgI()I(c(I))Cl(c(Cl))AgCl(),Ag()
1(4)H2(p(H2))O2(p(O2))H2O(l)
2负极反应:
H2(p(H2))2e2H
1正极反应:
O2(p(O2))2H2eH2O
2电池:
PtH2(p(H2))H(c)O2(p(O2))Pt
3.写出下列电池中各电极上的反应和电池反应。
()1Ag()AgI()I(c(I))Cl(c(Cl))AgCl()Ag();22
(2)Pb()PbSO4()SO4(c(SO4))Cu2+(c(Cu2+))Cu();
(3)PtH2(p(H2))NaOH(c)HgO()Hg(l)Pt;(4)PtHg
(1)Hg2Cl2()KCl(aq)Cl2(p(Cl2))Pt。
解:
(1)Ag()AgI()I(c(I))Cl(c(Cl))AgCl()Ag()
负极反应:
Ag()+I(c(I))eAgI()正极反应:
AgCl()+eAg()Cl(c(Cl))电池反应:
AgCl()+I(c(I))AgI()+Cl(c(Cl))
22(c(SO4))Cu2+(c(Cu2+))Cu()
(2)Pb()PbSO4()SO42负极反应:
Pb()+SO2(c(SO44))2ePbSO4()
正极反应:
Cu2+(c(Cu2+))+2eCu()
22电池反应:
Pb()+Cu2+(c(Cu2+))+SO4(c(SO4))PbSO4()+Cu()
(3)PtH2(p(H2))NaOH(c)HgO()Hg
(1)Pt
1负极反应:
H2(p(H2))+OHeH2O
2正极反应:
HgO()+H2O+2eHg()2OH电池反应:
H2(p(H2))+HgO()=Hg()+H2O
(4)PtHg
(1)Hg2Cl2()KCl(aq)Cl2(p(Cl2))Pt
负极反应:
Hg
(1)+2Cl-2eHg2Cl2()正极反应:
Cl2(p(Cl2))+2e2Cl电池反应:
2Hg(l)+Cl2(p(Cl2))=Hg2Cl2()
4.当溶液中c(H)增加时,下列氧化剂的氧化能力是增强,减弱还是不变?
2;(3)Fe3+;(4)MnO
(1)Cl2;
(2)Cr2O74。
解:
氧化还原电对的电极反应为:
(1)Cl2+2e2Cl
2
(2)Cr2O714H++6e2Cr3++7H2O
(3)Fe3++eFe2+
+2+(4)MnO48H+5eMn+4H2O
由电极反应的能斯特方程可知
(1)、(3)电对的电极电势与H+浓度无关。
电对
(2)、(4)的能斯特方程分别为:
0.0592Va(Cr3)2
(2)E(Cr2O/Cr)E(Cr2O/Cr)log146a(Cr2O7)a(H)73730.0592Va(Mn2)(4)E(MnO/Mn)E(MnO/Mn)log85a(MnO4)a(H)4242显然H+浓度增加,电对的电极电势增加,因而氧化能力更强。
5.已知下列化学反应(298.15K)
2I(aq)+2Fe3+(aq)=I2()+2Fe2+(aq)
(1)用图式表示原电池;
(2)计算机原电池的E;(3)计算机反应的K;
(4)若c(I)1.0102moldm3,c(Fe3)解:
(1)负极反应:
2I2eI2()
正极反应:
Fe3+(aq)eFe2(aq)
电池:
Pt()I2()I(aq)Fe3+(aq),Fe2+(aq)Pt()
(2)EE(Fe3/Fe2)E(I2/I)(0.7710.5355)V0.2355V
(3)rGmzFE296500Cmol10.2355V45.45kJmol1
1c(Fe2),计算原电池的电动势。
10Ke某p(rGm/RT)e某p[45.451000/(8.3145298.15)]9.15107c(Fe2)(0.7710.0592log10)V0.7118V(4)E(Fe/Fe)E(Fe/Fe)0.0592Vlogc(Fe3)3232E(I2/I)E(I2/I)0.0592Vlog[c(I)]2(0.53550.0592log(1.0102)V0.6539V2EE(Fe3/Fe2)E(I2/I)(0.71180.6539)V0.0579V
6.参考附录G中标准电极电势E值,判断下列反应能否进行。
(1)I2能否使Mn2氧化为MnO2?
(2)在酸性溶液中KMnO4,能否使Fe2氧化为Fe3?
(3)Sn2能否使Fe3还原为Fe2?
(4)Sn2能否使Fe2还原为Fe?
解:
E(I2/I)0.5355V,E(MnO2/Mn2)1.224V
32/Fe2)0.771VE(MnO4/Mn)1.507V,E(FeE(Sn2/Sn)0.1375V,E(Fe2/Fe)0.447VE(Sn4/Sn2)0.151V
(1)I2不能使Mn2+氧化为MnO2。
(2)在酸性溶液中KMnO4能使Fe2+氧化为Fe3+。
(3)Sn2+能使Fe3+还原为Fe2+。
(4)Sn2+能使Fe2+还原为Fe。
7.计算说明在pH4.0时,下列反应能否自动进行。
(假定除H之外的其他物质均处于标准条件下)
2(aq)+H+(aq)+Br(aq)Br2
(1)Cr3(aq)H2O
(1);
(1)Cr2O7+2
(2)MnO4(aq)H(aq)Cl(aq)Cl2(g)Mn(aq)H2O
(1).2解:
(1)正极:
Cr2O7(aq)14H++6e2Cr3+(aq)+7H2O(l)
0.0592Vc(Cr3)2E(Cr2O/Cr)E(Cr2O/Cr)log6c(Cr2O7)c(H)147373=[1.232负极:
2Br(aq)2eBr2(l)
0.0592V1log]V=0.679V61(104)14
E(Br2/Br)E(Br2/Br)1.066V
EE(Cr2O7/Cr3)E(Br2/Br)0.679V-1.066V<0
反应不能自动向右进行,可以自动反向进行。
+2+
(2)正极:
MnO4(aq)8H+5eMn(aq)+4H2O(l)
0.0592Va(Mn2)E(MnO/Mn)E(MnO/Mn)log85a(MnO4)a(H)4242=[1.507
负极:
2Cl(aq)2eCl2(l)
0.0592V1log]V=1.128V51(104)8E(Cl2/Cl)E(Cl2/Cl)1.358V
2EE(MnO4/Mn)E(Cl2/Cl)1.128V1.358V0
反应不能自动向右进行,可以自动反向进行。
8.解释下列现象。
(1)在配制SnCl2溶液时,需加入金属Sn粒后再保存待用;
(2)H2S水溶液长期放置后会变混浊;(3)FeSO4溶液久放后会变黄.
解:
(1)E(Sn4/Sn2)0.151V,E(Sn2/Sn)0.1375V
E(O2/H2O)1.229V
由以上数据可知,空气中氧能将Sn2+氧化成Sn4+,如果加入锡粒,锡是更强的还原剂,空气中氧首先将Sn氧化成Sn2+,所以可以保证SnCl2不被氧化。
(2)E(S/H2S)0.142V,E(O2/H2O)1.229V
空气中氧能将H2S氧化成S,析出的S使溶液浑浊。
(3)E(Fe3/Fe2)0.771V,E(O2/H2O)1.229V空气中氧能将Fe2+氧化成Fe3+,Fe3+溶液呈黄色。
9.298.15K时,反应MnO2+4HCl=MnCl2+Cl2+2H2O在标准状态下能否发生为什么实验室可以用MnO2和浓HCl(浓度为12moldm3)制取Cl2?
能不能用
KMnO4代替MnO2与1moldm3的HCI作用制备Cl2?
(设用12moldm3浓盐酸时,假定c(Mn2)=1.0moldm3,p(Cl2)=100kPa解:
氧化-还原半反应为:
还原反应:
MnO2()+4H++2eMn2(1moldm3)2H2O(l)氧化反应:
2Cl-2eCl2(p100kPa)
查表:
E(MnO2/Mn2)1.224V,E(Cl2/Cl)1.358V所以在标准状态下,MnO2不能将Cl-氧化成Cl2。
采用浓盐酸时:
0.0592Vc(Mn2)/cE(MnO2/Mn)E(MnO2/Mn)log2[c(H)/c]4
0.0592V11.224Vlog41.351V212220.0592V[c(Cl)/c]2E(Cl2/Cl)E(Cl2/Cl)log2p(Cl2)/p=1.358V0.0592V12log1.294V212
采用浓盐酸时,MnO2可以将Cl-氧化成Cl2。
2>E(MnO/Mn)1.507VE(Cl/Cl)1.358V42所以在标准状态下,KMnO4能将Cl-氧化成Cl2
10.Ag不能置换1moldm3HCl里的氢,但可以和1moldm3HI起置换反应产生
H2,通过计算解释此现象。
解:
Ag()HCl(1moldm3)AgCl()H2(100kPa)
Ag()HI(1moldm3)AgI()H2(100kPa)
E(AgCl/Ag)0.2223V,E(AgI/Ag)0.1522V,E(H+/H2)0V
E(AgCl/Ag)E(H+/H2),所以Ag不能将HCl中的H+还原成H2。
E(AgI/Ag)E(H+/H2),所以Ag可以将HI中的H+还原成H2。
11.计算原电池(—)CuCu2+(1.0moldm3)Ag+(1.0moldm3)Ag+(+)在下述情况下电动势的改变值:
(1)Cu2+浓度降至1.0103moldm3
(2)加入足够量的Cl-使AgCl沉淀。
设Cl浓度为1.56moldm3。
解:
EAg/Ag0.800V,EθCu2+/Cu0.3419V
EθEθAg+AgEθCu2+Cu0.8000.3419V=0.4581V
(1)Cu2+浓度降至1.0103moldm3时:
E(Cu2+Cu)Eθ(Cu2+Cu)0.05921log2a(Cu2+)0.059210.3419logV=(0.3419-0.0888)V=0.2531V32110负极电势减小0.0888V,所以电池电动势增大0.0888V
(2)加入足够量的Cl使AgCl沉淀,设Cl平衡浓度为1.56moldm3。
EAg+AgEAgθ+1a(Cl)θ+Ag0.0592Vlog=EAgAg0.0592Vlogθa(Ag+)Kp(AgCl)1.560.79660.0592logV=(0.7966-0.5888)V=0.2078V。
101.7710正极电势减小0.5888V,所以电池电动势减小0.5888V
12.计算下列电池在298.15K时的E,E,r,Gm和rGm,指出反应的方向。
1112+
(1)Cu()+Cl2(p100kPa)Cu(c(Cu2+)1moldm3)Cl(c(Cl)1moldm3)222
(2)Cu()+2H+(c(H+)=0.01moldm3)Cu2+(c(Cu2+)0.1moldm3)H2(p90kPa)
解:
(1)正极反应:
Cl2(p100kPa)2e2Cl(a1)
11负极反应:
Cu()eCu2+(a1)
22反应各物质都处于标准态:
EθEθCl2ClEθ(Cu2+Cu)1.358V-0.3419V=1.016V
rGmzFEθ196500Cmol11.016V98.05kJmol1
反应向右进行。
(2)正极反应:
2H+(0.01molkg1)2eH2(p90kPa)
负极反应:
Cu()-2eCu2+(c=0.10molkg1)
EEH2θ0.0592Vp(H2)/pθ0.059290/100Hlg0lgV0.1170V22a(H+)20.01+EEθCu2+Cu0.059210.05921lg0.3419lgV=0.3123V2+2a(Cu)20.10EEE0.1170V-0.3123V=-0.4293V
rGmzFE296500Cmol1(0.4293V)=82.85kJmol1反应向左进行。
θ13.已知下列电极反应在298.15K时Eθ的值,求AgCl的Kp。
Ag++eAg(),Eθ(Ag+Ag)0.7996VAgCl()+eAg()+Cl,Eθ(AgCIAg)0.2223V
解:
AgCl()=Ag+Cl
设计如下电池,Ag,AgClCl(a1)Ag+(a1)Ag电池反应为:
Ag++ClAgCl()
θrGmRTlnKθzFEθzFθERTzlgKθEθ0.0592VlnKθ
EθEθ(Ag+Ag)Eθ(AgCIAg)
lgKθ10.79960.2223V9.752
0.0592V11θKpθ9.7521.771010
K10θ
14.已知下列电极反应在298.15K时E的值,求K稳(Cu(CN)2)。
Cu(CN)2eCu+2CN,E0.896V
Cu++eCu,Eθ0.521V
解:
根据CueCu,E0.521
CuCuCN2eCu2CNE0.896V
0.521V>-0.896V;组成电池正极反应:
CueCuE0.521
负极反应:
Cu2CNCu(CN)2e
电池反应:
正极反应+负极反应
Cu2CNK稳=Cu(CN)22
Cu(CN)2CuCN
电池电动势=EE=0.521v-(-0.896v)=1.417v根据E0.0592vlgk可得z1.417v=0.0592vlgK稳
即lgK稳1.41723.93
0.0592K稳100.9310238.511023
=1.12107,=2.881013,15.已知Ag(NH3)2的K稳试计算电对Ag(S2O3)2的K稳3Ag(NH3)2
+/Ag和Ag(S2O3)2/Ag的标准电极电势。
3
解:
电极反应:
1Ag(NH)+eAg+2NH,G
(1)=-1FE○323rmAg(NH)32Ag
该反应可以看成是由下列两个反应组成:
2Ag(NH)○32Ag+2NH3,rGm
(2)=-RTlnK稳Ag(NH3)21
3Ag+e○
=-1FEAgAgAg,rGm(3)1=○2+○3,所以有反应○
rG+rGm
(1)=rGm
(2)m(3)
即:
-1FEAg(NH3)2Ag=-RTlnK稳Ag(NH)321-1FEAg+Ag
EAg(NH3)2Ag=0.05916VlgK稳Ag(NH3)21+EAgAg
=