二,電極電勢(shì)的應(yīng)用
(一)、判斷氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)弱
在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)弱,可直接比較Eφ值的小。
Eφ值較小的電極其還原型物質(zhì)愈易失去電子,是愈強(qiáng)的還原劑,對(duì)應(yīng)的氧化型物質(zhì)則愈難得到電子,是愈弱的氧化劑。Eφ值愈的電極其氧化型物質(zhì)愈易得到電子,是較強(qiáng)的氧化劑,對(duì)應(yīng)的還原型物質(zhì)則愈難失去電子,是愈弱的還原劑。
在標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)表中, 還原型的還原能力自上而下依次減弱,氧化型的氧化能力自上而下依次增強(qiáng)。
[例1] 在下列電對(duì)中選擇出最強(qiáng)的氧化劑和最強(qiáng)的還原劑。并指出各氧化態(tài)物種的氧化能力和各還原態(tài)物種的還原能力強(qiáng)弱順序。
MnO4-/Mn2+、Cu2+/Cu、Fe3+ /Fe2+、I2/I-、Cl2/Cl-、Sn4+/Sn2+
(二)、判斷氧化還原反應(yīng)的方向
1.根據(jù)Eφ值,判斷標(biāo)準(zhǔn)狀況下氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向。
通常條件下,氧化還原反應(yīng)總是由較強(qiáng)的氧化劑與還原劑向著生成較弱的氧化劑和還原劑方向進(jìn)行。從電極電勢(shì)的數(shù)值來看,當(dāng)氧化劑電對(duì)的電勢(shì)于還原劑電對(duì)的電勢(shì)時(shí),反應(yīng)才可以進(jìn)行。反應(yīng)以“高電勢(shì)的氧化型氧化低電勢(shì)的還原型”的方向進(jìn)行。在判斷氧化還原反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行時(shí),通常指的是正向反應(yīng)。
2.根據(jù)電池電動(dòng)勢(shì)Eφ池值,判斷氧化還原反應(yīng)進(jìn)行方向。
任何一個(gè)氧化還原反應(yīng),原則上都可以設(shè)計(jì)成原電池。利用原電池的電動(dòng)勢(shì)可以判斷氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的方向。由氧化還原反應(yīng)組成的原電池,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,如果電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì) >0, 則電池反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行;如果電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì) <0, 則電池反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,則用該狀態(tài)下的電動(dòng)勢(shì)來判斷。
從原電池的電動(dòng)勢(shì)與電極電勢(shì)之間的關(guān)系來看,只有 > 時(shí),氧化還原反應(yīng)才能自發(fā)地向正反應(yīng)方向進(jìn)行。也就是說,氧化劑所在電對(duì)的電極電勢(shì)必須于還原劑所在電對(duì)的電極電勢(shì),才能滿足E >0的條件。
從熱力學(xué)講電池電動(dòng)勢(shì)是電池反應(yīng)進(jìn)行的推動(dòng)力。當(dāng)由氧化還原反應(yīng)構(gòu)成的電池的電動(dòng)勢(shì)Eφ池于零時(shí),則此氧化還原反應(yīng)就能自發(fā)進(jìn)行。因此,電池電動(dòng)勢(shì)也是判斷氧化還原反應(yīng)能否進(jìn)行的判據(jù)。
電池通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能,體系的自由能降低。在恒溫恒壓下,自由能的降低值(-△G)等于電池可能作出的最有用電功(W電):
-△G=W電=QE=nFE池
即△G=-nFE池
在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,上式可寫成:
△Gφ = -nFEφ池
當(dāng)Eφ池 為正值時(shí),△Gφ為負(fù)值,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氧化還原反應(yīng)正向自發(fā)進(jìn)行;當(dāng)Eφ池為負(fù)值時(shí),△Gφ為正值,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反應(yīng)正向非自發(fā)進(jìn)行,逆向反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。E或Eφ愈是較的正值,氧化還原反應(yīng)正向自發(fā)進(jìn)行的傾向愈。E池或Eφ池愈是較的負(fù)值,逆向反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的傾向愈。
[例2] 試判斷反應(yīng) Br + 2Fe 2Fe +2Br 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行的方向。
解:查表知:Fe + e Fe = +0.771V
Br + 2e 2Br = +1.066V
由反應(yīng)式可知:Br 是氧化劑,F(xiàn)e 是還原劑。
故上述電池反應(yīng)的 = +1.066-0.771=0.295V>0
(三).判斷反應(yīng)進(jìn)行的限度——計(jì)算平衡常數(shù)
一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的完成程度可從該反應(yīng)的平衡常數(shù)小定量地判斷。因此,把標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)Kφ和熱力學(xué)吉布斯自由能聯(lián)系起來。
△Gφ=-2.303RTlgKφ
△Gφ=-nFEφ
則: -nFEφ = 2.303RTlgKφ
標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)Kφ和標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)Eφ之間的關(guān)系式為:
-nFEφ
lgKφ = ————————
2.303RT
R為氣體常數(shù),T為絕對(duì)溫度,n為氧化還原反應(yīng)方程中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目,F(xiàn)為法拉第常數(shù)。
該式表明,在一定溫度下,氧化還原反應(yīng)的平衡常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)有關(guān),與反應(yīng)物的濃度無(wú)關(guān)。Eφ越,平衡常數(shù)就越,反應(yīng)進(jìn)行越完全。因此,可以用Eφ值的小來估計(jì)反應(yīng)進(jìn)行的程度。一般說,Eφ≥0.2~0.4V的氧化還原反應(yīng),其平衡常數(shù)均于106( K>106 ),表明反應(yīng)進(jìn)行的程度已相當(dāng)完全了。Kφ值小可以說明反應(yīng)進(jìn)行的程度,但不能決定反應(yīng)速率。