化学实验手册 - 氧化还原反应与电极电势实验

化学实验手册

氧化还原反应、电极电势与电解实验综合指南

电极电势与反应方向 酸度对反应的影响 浓度对反应的影响 原电池实验 电解实验 思考题

1. 电极电势与氧化还原反应方向

(1) KI与FeCl₃反应

实验步骤:
在试管中加入2滴0.1 mol·L⁻¹ KI溶液和1滴淀粉溶液，然后加2滴0.1 mol·L⁻¹ FeCl₃溶液。
实验现象:
溶液变蓝色（碘遇淀粉）
化学反应方程式:
2FeCl₃ + 2KI → I₂ + 2FeCl₂ + 2KCl
离子方程式:
2Fe³⁺ + 2I⁻ → 2Fe²⁺ + I₂

(2) SnCl₂还原碘

实验步骤:
向上述溶液中逐滴加入0.1 mol·L⁻¹ SnCl₂溶液，直到蓝色消失为止。
实验现象:
蓝色消失（碘被还原）
化学反应方程式:
I₂ + SnCl₂ → SnCl₄ + 2KI
离子方程式:
I₂ + Sn²⁺ → Sn⁴⁺ + 2I⁻

(3) KMnO₄氧化FeSO₄

实验步骤:
往盛有2滴0.01 mol·L⁻¹ KMnO₄溶液和2滴1 mol·L⁻¹ H₂SO₄溶液的试管中滴加0.1 mol·L⁻¹ FeSO₄溶液。
实验现象:
溶液紫色消失（高锰酸根被还原）
化学反应方程式:
2KMnO₄ + 10FeSO₄ + 8H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + 8H₂O
离子方程式:
MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O
实验结论:

通过上述实验可比较电对电极电势大小顺序：

MnO₄⁻/Mn²⁺ > Fe³⁺/Fe²⁺ > I₂/I⁻ > Sn⁴⁺/Sn²⁺

根据实验现象和电极电势判断氧化还原反应的方向：电极电势较高（正值较大）的电对的氧化态物质可以氧化电极电势较低（负值较大）的电对的还原态物质。

2. 酸度对氧化还原反应的影响

(1) MnO₂与盐酸反应

实验步骤:
在两支试管中各加入少量MnO₂固体，再分别加入1 mol·L⁻¹ HCl溶液、浓HCl溶液各4滴。将两片润湿的KI-淀粉试纸分别覆盖在两支试管上。
实验现象:
浓HCl试管中试纸变蓝，稀HCl试管中无明显变化
化学反应方程式:
MnO₂ + 4HCl(浓) → MnCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O
离子方程式:
MnO₂ + 4H⁺ + 4Cl⁻ → Mn²⁺ + 2Cl₂ + 2H₂O

3. 浓度对氧化还原反应的影响

(1) Fe³⁺浓度对碘生成的影响

实验步骤:
在两支试管中各加入2滴0.1 mol·L⁻¹ FeCl₃溶液，并向其中一支试管中加入2滴0.1 mol·L⁻¹ FeSO₄溶液，再向两支试管中各加入2滴0.1 mol·L⁻¹ KI溶液。
如果现象不明显，则向两支试管中各加入数滴CCl₄，搅拌后静置观察。
实验现象:
加FeSO₄的试管中颜色较浅，CCl₄层紫色较淡
主要反应:
2Fe³⁺ + 2I⁻ → 2Fe²⁺ + I₂
解释:

Fe²⁺的加入提高了生成物浓度，使反应逆向进行程度增大，I₂生成量减少。

(2) Ag⁺沉淀对氧化还原的影响

实验步骤:
向试管中滴加1滴碘水和5滴0.1 mol·L⁻¹ (NH₄)₂Fe(SO₄)₂溶液，观察现象后滴加1滴0.1 mol·L⁻¹ AgNO₃溶液。
实验现象:
加Ag⁺前无明显变化；加Ag⁺后生成黄色沉淀，溶液褪色
化学反应方程式:
I₂ + 2Fe²⁺ + 2Ag⁺ → 2AgI↓ + 2Fe³⁺
解释:

Ag⁺与I⁻生成AgI沉淀，移除了生成物，使平衡向正反应方向移动。

(3) 配合物对氧化还原的影响

实验步骤:
在试管中加入2滴0.1 mol·L⁻¹ FeCl₃溶液和2滴0.1 mol·L⁻¹ KI溶液，观察现象后加少量固体NaF。
实验现象:
初始溶液变黄褐色(I₂生成)，加NaF后颜色变浅甚至褪去
化学反应方程式:
Fe³⁺ + 6F⁻ → [FeF₆]³⁻
解释:

F⁻与Fe³⁺形成稳定的[FeF₆]³⁻络合物，降低了Fe³⁺浓度，使2Fe³⁺ + 2I⁻ → I₂ + 2Fe²⁺反应逆向进行。

4. 原电池实验

(1) 小型简易原电池构成

实验步骤:
取3只100mL烧杯分别加入0.1 mol·L⁻¹ CuSO₄、ZnSO₄和FeSO₄溶液各30mL，插入相应金属片构成半电池。组成Cu-Zn、Cu-Fe、Fe-Zn三种原电池，用盐桥连接，测量电动势。
实验结果:

三种原电池的电动势顺序：Cu-Zn > Cu-Fe > Fe-Zn

电极电势大小顺序：Cu²⁺/Cu > Fe²⁺/Fe > Zn²⁺/Zn

(2) 浓度对电极电势的影响

实验步骤:
在铜锌原电池中：
1. 向CuSO₄溶液中加入浓氨水至沉淀溶解
2. 向ZnSO₄溶液中加入浓氨水至沉淀溶解
分别观察电动势变化。
实验结果:

加入浓氨水至CuSO₄溶液：电动势减小

加入浓氨水至ZnSO₄溶液：电动势增大

说明氧化态离子浓度减小，电极电势降低；还原态离子浓度减小，电极电势增大。

5. 电解实验

实验步骤:
在U形管中加入饱和CuCl₂溶液，两端分别插入石墨电极并连接电源。
实验现象:

阴极：红色铜析出

阳极：产生气泡，用KI-淀粉试纸检验呈蓝色（氯气生成）

电极反应:
阳极反应: 2Cl⁻ → Cl₂↑ + 2e⁻
阴极反应: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu↓
总反应:
Cu²⁺ + 2Cl⁻ → Cu + Cl₂↑

实验思考题

1. 影响电极电势的因素有哪些？

(1) 温度 - 根据Nernst方程，温度影响电极电势大小

(2) 浓度 - 氧化态或还原态浓度变化直接影响电极电势

(3) 酸度 - 特别是H⁺或OH⁻参与电极反应时

(4) 沉淀反应 - 形成难溶化合物会改变离子浓度

(5) 配合物形成 - 改变游离离子浓度

2. 为什么MnO₂能与浓盐酸反应而不能与稀盐酸反应？

(1) 浓HCl提供更高H⁺和Cl⁻浓度，使反应平衡右移

(2) 浓HCl中Cl⁻浓度高，降低了Cl₂/Cl⁻电对的电极电势

(3) Nernst方程表明：E = E° - (RT/nF)lnQ，浓HCl时Q值更小，反应更易进行

只有浓盐酸才能满足MnO₂氧化Cl⁻的热力学条件

3. 为什么2Fe²⁺ + I₂ + 2Ag⁺ → 2AgI + 2Fe³⁺能正向进行，而2[FeF₆]³⁻ + 2I⁻ → I₂ + 2Fe²⁺ + 12F⁻不能正向进行？

第一反应能进行的原因：

Ag⁺与I⁻生成AgI沉淀，移除了产物I⁻，使平衡向右移动。电极电势：φ°(Fe³⁺/Fe²⁺) = +0.77V > φ°(I₂/I⁻) = +0.54V

第二反应不能进行的原因：

[FeF₆]³⁻非常稳定（K稳 = 1×10¹⁶），大大降低了游离Fe³⁺浓度，使实际φ(Fe³⁺/Fe²⁺) < φ(I₂/I⁻)

2[FeF₆]³⁻ + 2e⁻ → 2Fe²⁺ + 12F⁻的实际E < 0

反应能否进行取决于实际电极电势大小关系

核心理论要点

电极电势

电极电势（E）是衡量物质获得电子倾向的物理量

Nernst方程：

E = E° + (RT/nF) ln([氧化态]/[还原态])

氧化还原反应自发性

ΔG = -nFE

Ecell > 0：反应自发进行

Ecell = E阴极 - E阳极

影响电极电势因素

  • 浓度 - 离子浓度变化通过Nernst方程影响E
  • 温度 - 直接影响Nernst方程
  • 酸度 - 改变H⁺浓度影响电极电势
  • 沉淀/络合 - 改变氧化态/还原态浓度
参考资料来自三张实验手册图片
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技术支持 IDO老徐
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