在前一單元學會電池運作原理 瞭解鋅銅電池因金屬鋅的活性比銅大 所以鋅銅電池放電過程中 陽極半電池-鋅放出電子進行氧化反應 陰極半電池的銅離子得到電子進行還原反應 以伏特計測量鋅銅電池電壓 兩半電池與伏特計的連接方式如畫面 所得的電壓為多少伏特呢？ 試問 若伏特計位置不變 但兩半電池位置交換 伏特計的指針會如何偏轉？ 在鋅銅電池中 為什麼電子是由鋅片經外電路往銅片 而不是自銅片經外電路向鋅片移動？ 這是因為物質得失電子傾向不同 鋅比銅更容易失去電子 電子從失電子傾向大的鋅流向銅 像瀑布一樣 自發性地由高往低處流 科學家將物質得、失電子傾向稱為電位 以英文大寫字母E表示 物質釋放電子 進行氧化反應 其釋放電子的傾向稱為氧化電位 物質得到電子 進行還原反應 其得到電子的傾向即稱為還原電位 失去電子傾向越大的半電池 其氧化電位越高 為較強的還原劑 可作為電池的陽極 反之 得到電子傾向越大的半電池 其還原電位越高 為較強的氧化劑 可作為電池的陰極 以鋅銅電池運作為例 電子由鋅片經外電路移動到銅片 即表示鋅的氧化電位大於銅 若改用得電子的傾向來看 銅離子比鋅離子得電子的傾向大 亦即銅離子的還原電位大於鋅離子 國際純化學暨應用化學聯合會 於1953年推薦半反應的電位 皆以還原電位表示 書寫為E還原 化學電池的電壓 可視為陰極與陽極間的還原電位差 因物質本性不同 各物質得失電子的傾向也不同 在化學平衡單元 學習過反應的溫度、壓力、溶液的濃度 會影響反應的進行 所以電位也受到這些因素的影響 讓我們來思考一下這個問題 電位的高低與半電池中中各物質的本性、 溫度、壓力及濃度等條件有關 因此IUPAC便以特定溫度時 氣體壓力1bar、電解質濃度為1M 作為電化學標準狀態 在標準狀態下 物質的半電池電位稱為標準電位 以Eo表示 而氧化或還原半反應均無法單獨發生 那要如何測得半電池電位呢？ 科學家採用的方法是 選一個半電池作為參考電極 以此做為比較的基準 就像描述一座山有多高時 會將海平面的高度視為零公尺 山的最高點與海平面的高度差即為山的高度 IUPAC 建議採用標準氫電極 當參考電極 而參考電極的角色如同海平面般 可作為電位比較的基準 標準氫電極以金屬鉑作為電極 在25度C下 浸在氫離子濃度為1M的酸性溶液中 不斷通入氫氣 使氫氣壓力維持在1 bar 將此半反應電位定為0.00伏特 若欲求其他半電池的標準還原電位 則是將標準氫電極與待測半電池組成電池 測定電池電壓而得 在標準狀態下 若欲求鋅半電池電位 可將鋅半電池與標準氫電極 連接成一個完整的鋅氫電池 由伏特計讀數發現電子由鋅電極流向氫電極 故氫電極發生還原反應為陰極 而鋅電極發生氧化反應為陽極 兩個半電池組成電池 測得電池電壓為正0.76伏特 即可得到鋅離子的標準還原電位 為負0.76伏特 在標準狀態下 欲求銅半電池電位 亦可將銅半電池與標準氫電極 連接成一個完整的氫銅電池 由伏特計讀數發現電子由標準氫電極流向銅電極 故氫電極發生氧化反應為陽極 而銅半電池發生還原反應為陰極 兩個半電池組成電池 測得電池電壓為正0.34伏特 即可得到銅離子的標準還原電位 為正0.34伏特 請想想看 當鋅半電池的還原電位為負0.76伏特 銅半電池的還原電位為0.34伏特 若將標準氫電極的還原電位 由0伏特改為1伏特時 鋅及銅半電池的還原電位是否改變？ 若改變 還原電位各會變為多少伏特？ 鋅銅電池的電壓會變為多少？ 由於電池電位是物質得或失電子的傾向 所以當標準改變時 電位也會等量改變 鋅半電池在標準改變後 還原電位會等於負0.76伏特再加上1伏特 會變成0.24伏特 銅半電池則會由0.34伏特再加上1伏特 會變成1.34伏特 最後鋅銅電池在改變標準後 電池電壓不改變 另外 還原反應逆寫後變成氧化反應 此時的半電池電位即為氧化電位 與原本的還原電位等值異號 例如 銀離子得到電子 還原電位為正0.80伏特 而金屬銀失去電子 氧化電位為負0.80伏特 而物質得失電子是一種傾向 不會因為莫耳數多寡而改變 所以半反應的係數乘以n倍 半電池的電位數值不會改變 除了鋅和銅半電池可和標準氫電極 連接測定電位之外 其他常見物質的還原電位 也可以用相同的方式來測得 結果整理如表格所示 還原電位越高的物質 越容易進行還原反應 也就是指接受電子的傾向越大 為越強的氧化劑 以表格中的黃底來呈現 表格第一列的氟氣體還原電位最高 為正2.87伏特 得電子傾向最強 氟氣體為最強的氧化劑 而鋰離子的還原電位最低 為負3.05伏特 為最弱的氧化劑 相反的 氧化電位越高的物質 越容易進行氧化反應 也就是指失去電子傾向越大 為越強的還原劑 以表格中的綠底來呈現 氟離子的氧化電位最低 為負2.87伏特 是最弱的還原劑 而鋰金屬的氧化電位最高 為正3.05伏特 是最強的還原劑 讓我們來思考一下這個問題 讓我們來總結一下學習內容 當物質釋放電子 進行氧化反應 其釋放電子的傾向稱為氧化電位 失去電子傾向越大的半電池 其氧化電位越高 為較強的還原劑 可作為電池的陽極 當物質得到電子 進行還原反應 其得到電子的傾向稱為還原電位 得到電子傾向越大的半電池 則還原電位越高 為較強的氧化劑 可作為電池的陰極 IUPAC規定的電位標準狀態為25度C時 氣體壓力l bar、電解質濃度為1M 參考電極為標準氫電極 以金屬鉑作為電極 浸在氫離子濃度為1M的電解質酸性溶液中 不斷地通入氫氣 使氫氣的壓力維持在1 bar 並將此半反應的電位定為0.00伏特 可將化學反應式書寫如畫面所示 有關半電池電位特性說明如下 首先影響電位高低的因素為物質的本性、 溫度、壓力及濃度 和半電池電位高低無關的因素 為電極的表面積、 體積、形狀與粗細 將半反應逆寫後 半電池電位會是等值異號 若將半反應係數乘以n倍 半電池電位數值則不變 今天的課程到此結束 我們下次見 Bye bye