實驗九　氧化還原反應與電極電勢

一、實驗目的

① 熟悉電極電勢與氧化還原反應的關系。

② 了解濃度、酸度、溫度對氧化還原反應的影響。

③ 了解原電池的裝置和原理。

二、實驗原理

氧化還原反應的實質是物質間電子的轉移或電子對的偏移。氧化劑、還原劑得失電子能力的大小,即氧化還原能力的強弱,可根據它們相應電子對的電極電勢的相對大小來衡量。電極電勢的數值越大,則氧化態的氧化能力越強,其氧化態物質是較強的氧化劑。電極電勢的數值越小,則還原態的還原能力越強,其還原態物質是較強的還原劑。只有較強的氧化劑和較強的還原劑之間才能夠發生反應,生成較弱的氧化劑和較弱的還原劑,故根據電極電勢可以判斷反應的方向。

　　利用氧化還原反應產生電流的裝置稱原電池。原電池的電動勢E池 =φ(₊)-φ(_-),根據能斯特方程,當氧化型或還原型物質的濃度、酸度改變時,電極電勢的數值會隨之發生改變。本實驗利用伏特計測定原電池的電動勢來定性比較濃度、酸度等因素對電極電勢及氧化還原反應的影響。

三、儀器和試劑

1.儀器

試管、燒杯、表面皿、培養皿、U形管、伏特計、水浴鍋、導線、砂紙、鱷魚夾。

2.試劑

HCl(2mol·L-1)、HNO₃ (1mol·L-1、濃)、H₂SO₄ (1mol·L-1、3mol·L-1)、HAc (3mol·L-1)、H₂C₂O₄ (0.1mol·L-1)、NH₃·H₂O (濃)、NaOH (6mol·L-1, 40%)、ZnSO₄ (1mol·L-1)、CuSO₄?(1mol·L-1)、 KI (0.1mol·L-1)、KBr (0.1mol·L-1)、AgNO₃ (0.1mol·L-1、0.5mol·L-1)、FeCl₃ (0.1mol·L-1)、Fe₂(SO₄)₃ (0.1mol·L-1)、FeSO₄?(0.4,1mol·L-1)、K₂Cr₂O₇?(0.4mol·L-1)、KMnO₄?(0.001mol·L-1)、Na₂SO₃?(0.1mol·L-1)、Na₃AsO₃(0.1mol·L-1)、_?MnSO₄(0.1mol·L-1)、KSCN (0.1mol·L-1)、溴水?(Br₂)、碘水?(I₂)、CCl₄、NH₄F (1mol·L-1、固體)、KCl(飽和溶液)、SnCl₂ (0.5mol·L-1)、CuCl₂ (0.5mol·L-1)、(NH₄)₂C₂O₄?(飽和溶液)、鋅粒、小鋅片、小銅片、瓊脂、電極(鋅片、銅片、鐵片、碳棒)、紅色石蕊試紙。

四、實驗步驟

1.電極電勢和氧化還原反應

① 向試管中加入10滴0.1mol·L-1的KI溶液和2滴0.1mol·L-1的FeCl₃溶液后,搖勻,再加入10滴CCl₄溶液充分振蕩,觀察CCl₄層顏色的變化,解釋原因并寫出相應的反應方程式。

② 用0.1mol·L-1KBr代替KI溶液進行同樣實驗,觀察CCl₄層顏色的變化。

③ 用溴水(Br₂)?代替FeCl₃溶液與0.1mol·L-1?的KI溶液作用,又有何現象?

根據實驗結果比較Br₂/ Br-、I₂/ I-、Fe3+/Fe2+三個電子對的電極電勢相對大小,指出最強的氧化劑和還原劑,并說明電極電勢和氧化還原反應的關系。

2.濃度對電極電勢的影響

① 在兩只50mL燒杯中,分別加入25mL 1mol·L-1?的ZnSO₄溶液和25mL 1mol·L-1?的CuSO₄溶液,在ZnSO₄溶液中插入仔細打磨過的鋅片,在CuSO₄溶液中插入仔細打磨過的銅片,用導線將銅片、鋅片分別與伏特計的正負極相連,兩個燒杯溶液間用KCl鹽橋連接好,測量電池電動勢。

② 取出鹽橋,在CuSO₄溶液中滴加過量濃NH₃·H₂O,邊加邊攪拌,當生成的沉淀完全溶解而形成深藍色溶液時,放入鹽橋,測定電池電動勢。

③ 再取出鹽橋,在ZnSO₄溶液中滴加濃NH₃·H₂O,邊加邊攪拌,至生成的沉淀完全溶解后,放入鹽橋,觀察伏特計示數有何變化。

比較3次測定結果,你能得出什么結論?利用能斯特方程解釋實驗現象。

3.酸度對電極電勢的影響

① 取兩只50mL小燒杯,分別加入25mL 1mol·L-1FeSO₄溶液和25mL0.4mol·L-1K₂Cr₂O₇溶液,在盛有FeSO₄溶液的燒杯中插入鐵片,盛有K₂Cr₂O₇溶液的燒杯中插入碳棒,用導線將鐵片、碳棒與伏特計的負極、正極相連,將兩燒杯間用另一鹽橋連接好,測量電池電動勢。

② 在K₂Cr₂O₇溶液中,逐滴加入1mol·L-1H₂SO₄溶液,觀察伏特計示數的變化。再向K₂Cr₂O₇溶液中,逐滴加入6mol·L-1 NaOH溶液,觀察伏特計的示數又怎樣變化?

4.濃度、酸度對氧化還原反應產物的影響

① 在3支試管中,均加入2滴0.001mol·L-1KMnO₄溶液,再分別加入1mol·L-1H₂SO₄、蒸餾水、6mol·L-1NaOH溶液各0.5mL,搖勻后往3支試管中各加幾滴 0.1mol·L-1Na₂SO₃溶液,觀察反應產物有何不同?解釋原因。

② 在兩支試管中分別加入2mL濃HNO₃和1mol·L-1HNO₃,再各加入一小顆鋅粒,觀察發生的現象。寫出有關反應式。

濃HNO₃被還原的主要產物可通過對生成氣體顏色的觀察進行判斷,稀HNO₃被還原的主要產物可通過檢驗溶液中是否有N生成來進行判斷。溶液中N檢驗方法常用氣室法或奈斯勒試劑法(奈斯勒試劑是K₂[HgI₄]的KOH溶液,遇N生成棕紅色沉淀)。氣室法檢驗N離子方法:取大小兩個表面皿,在較大表面皿中加入5~10滴待測試液,再滴入3~5滴40%的NaOH溶液,在較小的表面皿貼一小塊濕潤的紅色石蕊試紙(或廣泛pH試紙),將兩個表面皿蓋好做成氣室,將該氣室放在水浴上微熱,若試紙變藍色,則表示N存在。

5.濃度、酸度對氧化還原反應方向的影響

(1)濃度的影響

① 取一支試管,加入蒸餾水、CCl₄溶液和0.1mol·L-1Fe₂(SO₄)₃溶液各10滴,搖勻,再加入10滴0.1mol·L-1?的KI溶液,振蕩后觀察CCl₄層的顏色。

② 在另一支試管中加入CCl₄、0.1mol·L-1FeSO₄和0.1mol·L-1 Fe₂(SO₄)₃溶液各10滴,搖勻后,再加入10滴 0.1mol·L-1的KI溶液,振蕩后觀察CCl₄層的顏色。并與上一實驗進行比較。

③ 在以上2只試管中各加入一小勺NH₄F(固體),用力振蕩一會兒,觀察CCl₄層的顏色變化。

解釋以上實驗現象,說明濃度對氧化還原反應方向的影響。

(2)酸度的影響　Na₃AsO₃ 溶液與I₂水之間反應如下:

+2I-+2H++I₂+H₂O

取一支試管,加入5滴0.1mol·L-1 Na₃AsO₃ 溶液,再加入5滴I₂水,觀察溶液顏色。然后將溶液用2mol·L-1 HCl酸化,溶液顏色有何變化?再向溶液中滴入40% NaOH溶液,又有何變化?解釋原因,說明酸度對氧化還原反應方向的影響。

6.酸度、溫度和催化劑對氧化還原反應速度的影響

(1)酸度的影響　在兩支試管中,各加入5滴飽和(NH₄)₂C₂O₄溶液,再分別加入3mol·L-1H₂SO₄和3mol·L-1 HAc溶液各5滴?,然后往兩支試管中各加入2滴0.001mol·L-1KMnO₄?溶液,觀察比較兩支試管中紫紅色褪去的快慢。解釋原因,并寫出有關反應方程式。

(2)溫度的影響　在兩支試管中,各加入10滴0.1mol·L-1H₂C₂O₄溶液,5滴1mol·L-1H₂SO₄和1滴0.001mol·L-1KMnO₄?溶液,搖勻;將其中一支試管放入80℃水浴中加熱,另一支試管不加熱,比較兩支試管紫紅色褪色快慢。說明原因。

(3)催化劑的影響　在3支試管中,各加入1mL 0.1mol·L-1 H₂C₂O₄溶液,5滴1mol·L-1 H₂SO₄和1滴0.001mol·L-1 KMnO₄?溶液,搖勻;向其中一支試管滴加5滴0.1mol·L-1 MnSO₄,另一支試管滴加5滴1mol·L-1 NH₄F溶液,第三支試管加5滴蒸餾水,搖勻,比較3支試管紫紅色褪色快慢,必要時可加熱。解釋原因。

7.趣味實驗

(1)錫樹的形成　將一張經0.5mol·L-1SnCl₂溶液均勻潤濕的圓形濾紙貼在培養皿中,不能有氣泡,濾紙中央放上一小塊鋅片,蓋上蓋子,放置約30min,即可觀察到閃光的小錫樹。

(2)銀樹的形成　方法同上,只是改以0.5mol·L-1AgNO₃溶液潤濕濾紙,濾紙中央放上一小塊銅片,即可觀察到美麗發光的銀樹。

(3)銅樹的形成　方法同(1),改以0.5mol·L-1CuCl₂溶液代替SnCl₂溶液潤濕濾紙,即可觀察到銅樹。

五、注意事項

① FeSO₄和Na₂SO₃溶液要現配制。

② 作為電極的鋅片、銅片、鐵片等用時要用砂紙打磨,以免接觸不良影響伏特計讀數。

③ 鹽橋的制法　將1g瓊脂加入100mL飽和KCl溶液中浸泡一會兒,加熱煮成糊狀,趁熱倒入U形玻璃管中(注意里面不能留氣泡),冷卻即成。

六、思考題

① 為什么K₂Cr₂O₇能氧化濃HCl中的Cl-,而不能氧化濃度更大的NaCl溶液中的Cl-?

② 試歸納影響電極電勢的因素。

③ 若用飽和甘汞電極來測定鋅電極的電極電勢,應如何組成原電池?寫出原電池符號及電極反應式。

④ 試根據氧化還原的概念,再設計制備幾種金屬樹。