7、4、3、求氧化还原反应的平衡常数
电化学最重要的研究成果之一是原电池的电动势、反应的 函数[变]和标准平衡常数之间的关系,这里,汇总了各有关物理量间的关系:
EMF=E( )-E(-)
EθMF= Eθ( )- Eθ(-)
ΔrG =-
ΔrGθ =- FEθMF
ΔrGθ = -RT
ΔrGθ = -2.303RT
由上式得: =
T=298.15K下
或
由上述关系可以看出,电动势或电极电势的测定是热力学信息的重要来源之一。可以通过 , , 等的测定或计算得到ΔrGθ ,ΔrG 和 。很显然,由热力学数据也可以计算 , , 。
例1:求电池反应:Zn Cu2 =Zn2 Cu 在298K 的标准平衡常数。
解:根据EMFθ= Eθ( )- Eθ(-) =0.337V-(-0.7628V) =1.10V
ΔrGθ =-2.303RTlgK
=
=1.58×1037
标准平衡常数非常大,说明反应进行的很完全。
通过EMF,也可求出非氧化还原反应的K。
例2 :由标准电极电势求Ag Cl-=AgCl(s)的 和 sp。
解:将Ag 生成AgCl(s)的反应方程式两边各加1个金属Ag,得式:
Ag Cl- Ag=AgCl(s) Ag
负极: Cl- Ag–e AgCl(s) =0.2223V
正极: Ag e Ag =0.7996V
lg =(0.7996V-0.2223V)/0.0592=9.75
=5.62×109
sp=1/ =1.78×10-10
上述电池反应并非氧化还原反应,然而电对 与 确实能组成原电池并产生电流。其电极电势差是由于Ag 浓度不同所致。在标准状态下, 半电池中, ;而在标准状态下的 半电池中, 。不言而喻, ( )> ( )。这类由于电极反应物种相同但浓度不同而产生电动势的原电池称为浓差电池。利用浓差电池还可以确定配离子的稳定常数。
前面的讨论仅限于热力学范畴,没有涉及反应的动力学问题。一般说来,氧化还原反应的速率比酸碱反应和沉淀反应要慢些,特别是有结构复杂的含氧酸根参与的反应更是如此。有时氧化剂与还原剂的电极电势之差已足够大,反应应该很完全,但由于反应速率很小,实际上却见不到反应发生。例 与 在酸性溶液中的反应:
= ( )- ( )
=(1.512-0.7991)V=0.713V>0.2V
从热力学上判断,该反应能够发生,但是,实际上却难以进行。如果在溶液中引进少量的 后, 的紫色能较快地褪去。有人认为 起了催化剂的作用,活化了金属银:
也就是说从热力学角度指出了氧化还原反应的可能性、趋势大小,不能说明速率快慢。金属活动顺序是按金属在水溶液中生成简单离子时的标准电极电势的顺序列的。