標準還原電位差(二) Standard Reduction Potentials

化學原理啟迪268

1.     科學界一致接受的共識是，所有半反應的電位差，都是在2H⁺＋2e^－→H2的電位差等於0伏特的基礎上推演出來的。（我們假設2H⁺＋2e^－→H2在標準狀態下進行，氣體分子的行為符合理想氣體模式）不過，在我們使用這些數值之前，我們必須瞭解電池的半反應電位差的幾個基本性質。

2.     一般來說，題目會先提供還原半反應程序的電位差。舉例來說：

2H⁺＋2e^－→H2

Cu²⁺＋2e^－→Cu

Zn²⁺＋2e^－→Zn

這些半反應的E°值，稱為「標準還原電位差standard reduction potentials」。

3.     使用標準還原電位差表格提供的數據時要留意，我們不能馬上把表格中的二個半反應結合成一個電池反應，因為表格提供的是「還原反應」的電位差，因此要獲得一個平衡的「氧化還原反應」，表格的資訊有二個地方需要調整：

4.     一、其中一個還原半反應必須逆轉（因為氧還反應包含一種物質被氧化，一種物質被還原）。最大正電位差的半反應，會順著還原反應的方向進行，另一個半反應（電位差較小）則要調整成逆反應方向，也就是變成氧化反應。電池的二個半反應的淨電位差不同。

5.     因為還原反應程序必須在陰極，氧化反應程序必須在陽極，我們可以寫成

E°cell＝E°cathode－E°anode  

我們用「－」號，因為「－」號代表「改變反應的方向，並且相加 ＋(－)＝－」。

注：E°cell電池標準電位差；E°cathode陰極的標準還原電位差；E°anode陽極的標準還原電位差。

6.     我們改變陽極端的「標準還原電位差」的正、負號，就變成氧化反應，也等於是「陽極的氧化反應」與「陰極的還原反應」相加。

7.     二、因為電池其中一個物質失去電子的數量，必須等於另一個物質得到電子的數量，所以半反應必須依需要乘上某個整數，但是這樣做並不會改變電位差E°的數值，因為標準電位差是「內含性質intensive property」（它與反應進行多少次無關），電位差不需要乘上平衡電池反應的「整數」。

8.     假設有一個以氧還反應為基礎的電池：

Fe³⁺(aq)＋Cu(s)→Cu²⁺ (aq)＋Fe²⁺ (aq)

半反應是

Fe³⁺＋e^－→Fe²⁺  E°＝0.77V………(1)

Cu²⁺＋2e^－→Cu  E°＝0.34V………(2)

9.     因為Cu^2＋/Cu 半反應的標準還原電位差E°的正數值比較低，所以它應該是提供電子的「氧化反應」，我們必須把半反應的標準還原電位差調整成逆反應－氧化反應：

Cu→Cu²⁺＋2e^－

這就是陽極反應。

10. 在電池反應中，每個銅原子會釋放出2個電子，但每個鐵離子Fe³⁺只會接受1個電子，所以反應(1)必須乘上2倍：

2 Fe³⁺＋2e^－→2Fe²⁺

11. 現在我們把二個調整過的半反應加起來，就得到平衡的電池反應：

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》

徐弘毅：

1.     什麼是標準狀態？標準狀態： (1).反應進行的氣壓是1大氣壓，1大氣壓就是平常我們生活在平地、海平面感受到的氣壓。(2).反應進行的溫度是25℃或絕對溫度298K。(3).溶液的濃度是1莫耳濃度1M，也就是每1公升有6×10²³個分子或離子。

2.     什麼是「標準還原電位差」？還原反應的定義：物質得到電子。電位差的定義：進行還原反應的物質「氧化劑」對電子的拉力。標準還原電位差的定義：在標準狀態下，進行還原反應的物質「氧化劑」對電子的拉力。

3.     由於真正的電池反應包含一個還原反應和一個氧化反應，但是標準還原電位差表列舉的純粹是所有物質的還原反應電位差，所以利用表格計算電池的電位差，必須把其中一個電極物質的還原電位差，轉換成氧化反應的電位差。

4.     如何判斷哪一個電極物質的還原電位差必須轉換成氧化反應電位差？宇宙間所有的物質在進行化學反應時都必須公平競爭，如果二個電極當中的其中一種物質的標準還原電位差數值比較大，代表它比較容易進行還原反應，搶奪電子的能力比較強，那麼相對地，另一種物質搶電子的能力不如人，因此失去電子，進行氧化反應。

5.     為什麼我們會分別稱電池的陽極與陰極的反應為「氧化半反應」與「還原半反應」？本來一個完整的電子轉移化學反應應該是「氧化還原反應」，參與反應的二種物質，其中一種提供電子，另一種接受電子，然後製造出產物。

6.     我們為了能夠把過程中轉移的電子拿來利用，製造電池，把完整的「氧化還原反應」切割為二半，也就是把「氧化反應」單獨放置在一個系統中，再把「還原反應」設置在另一個獨立系統中，然後用電線連接二個獨立的系統，攔截反應過程的電子。

7.     由於陽極端只有「氧化還原反應」的其中一個氧化反應（一半），因此陽極所進行的反應稱為「氧化半反應」；而陰極端也同樣只有進行「氧化還原反應」的其中一個的還原反應（一半），因此陰極所進行的反應稱為「還原半反應」。

8.     氧化半反應與還原半反應的物質，必須依照釋放或接受電子的多寡，各自乘上必要的「整數」倍來使整個反應物質數量達到平衡，遵守質量不滅定律、能量不滅定律。為什麼電位差不需跟著調整乘上某種「倍數」呢？

9.     電位差是指每一種氧化劑物質對電子的拉力，跟數量無關，它單純比較陽極釋放電子與陰極吸引電子的能力落差。這個道理如同我們研究山坡上的球滾落下來的位能，注意的是球的位置與低窪處的高度距離，而不是滾下來的球有幾顆。