普通化學/氧化還原反應/電化學

氧化還原反應（複習）

氧化還原（reduction/oxidation reaction 的縮寫）描述所有原子氧化數（氧化態）發生改變的化學反應。

這可以是一個簡單的氧化還原過程，例如碳氧化生成二氧化碳，或者碳被氫還原生成甲烷（CH4），也可以是一個複雜的氧化還原過程，例如糖在人體內透過一系列非常複雜的電子傳遞過程發生氧化。

氧化還原一詞來自還原和氧化這兩個概念。它可以用簡單的話解釋

不涉及形式電荷變化的非氧化還原反應被稱為複分解反應。

• 氧化描述的是一個分子、原子或離子失去電子
• 還原描述的是一個分子、原子或離子獲得電子

然而，這些描述（儘管對於許多目的來說已經足夠）並不完全正確。氧化和還原實際上是指氧化數的變化——電子的實際轉移可能永遠不會發生。因此，氧化最好定義為氧化數的增加，還原最好定義為氧化數的減少。在實踐中，電子的轉移總是會導致氧化數的變化，但也有許多反應被歸類為“氧化還原”，即使沒有電子轉移發生（例如那些涉及共價鍵的反應）。

電化學

電化學是化學的一個分支，它處理化學反應中電流的流動。平衡半反應中的電子顯示了電流與特定氧化還原反應之間的直接關係。電化學反應是自發的，或者是非自發的。自發氧化還原反應會自行產生電壓。非自發氧化還原反應發生在施加外部電壓的情況下。在電池中發生的反應就是電化學反應。

電化學反應的三個組成部分

• 一個溶液，氧化還原反應可能發生在其中（溶液是溶解在液體（通常是水）中的物質）
• 一個電子傳遞的導體（例如金屬導線）
• 一個離子傳遞的導體（通常是鹽橋）例如浸泡在鹽溶液中的濾紙。

電解

電解實驗迫使非自發化學反應發生。當兩個電極浸入導電溶液中，並且施加在兩個電極上的電電壓增加到足以使電子流動的程度時，就會實現這一點。接收電子的電極，或者發生還原反應的電極，被稱為陰極。提供電子的電極，或者發生氧化反應的電極，被稱為陽極.

熔融鹽就是一個可以電解的例子，因為鹽是由離子組成的。當鹽處於固態時，離子不能自由移動。然而，當鹽被加熱到足以熔化（使其成為熔融鹽）時，離子就可以自由移動。熔融鹽中離子的這種流動性使得鹽具有導電性。在熔融鹽的電解中，例如熔化的$NaCl$，鹽的陽離子（在本例中為$Na^{+}$）將在陰極被還原，鹽的陰離子（在本例中為$Cl^{-}$）將在陽極被氧化

陰極反應: Na⁺ + e_- → Na

陽極反應: 2Cl → Cl₂ + 2e_-

鹽的水溶液也可以電解，因為它們也具有導電性。在水溶液中，陰極和陽極都可能發生額外的反應

陰極: 2H₂O + 2e_- → H₂ + 2OH_- （水的還原）

陽極: 2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e_- (水的氧化)

結合以上兩個反應，現在每個電極都有兩個可能的反應。在陰極，陽離子的還原或水的還原都會發生。在陽極，陰離子的氧化或水的氧化都會發生。以下規則決定了每個電極上發生的反應。

• 陰極: 如果陽離子是活性很強的金屬，水會被還原。活性很強的金屬包括 Li、Na、K、Rb、Cs、Ca、Sr 和 Ba。如果陽離子是活性金屬或非活性金屬，陽離子會被還原。
• 陽極: 如果陰離子是多原子離子，水通常會被氧化。具體來說，硫酸根離子、高氯酸根離子、硝酸根離子不會被氧化；水會代替它們被氧化。氯離子、溴離子和碘離子會被氧化。如果一種鹽中的陰離子在水溶液電解中被氧化，那麼在任何其他鹽中，該陰離子也會被氧化。

原電池

使用**原電池**捕捉自發氧化還原反應的能量。以下部分是構成原電池的必要條件

頂部“電流表”測量流經電線的電流。電子從銅流向鋅，使鋅成為氧化劑。

1. 兩個半電池
2. 兩個電極
3. 一根導電線
4. 一個鹽橋
5. 一個裝置，通常是電流表或電壓表

原電池的結構如右圖所示。兩個半反應被分成兩個半電池。氧化半反應中的所有反應物被置於一個半電池（陽極）中，還原半反應中的所有反應物被置於另一個半電池（陰極）中。如果半反應中含有金屬，金屬充當該半電池的電極。否則，使用鉑、銀或金製成的惰性電極。電極透過導線連線，允許電子流動。電子始終從陽極流向陰極。半電池透過鹽橋連線，允許溶液中的離子從一個半電池移動到另一個半電池，以便反應能夠繼續進行。由於總反應是自發的，電子將自發地流過外電路，從中可以提取能量。所獲得的能量是有用的，因為它可以用來做功。例如，如果將一個電氣元件（如燈泡）連線到導線上，它將從流動的電子中獲得能量。

原電池的穩定結果取決於三個變數：壓力、溫度和濃度。因此，化學家定義了原電池的標準狀態。原電池的標準狀態是所有氣體為 1.00 大氣壓 (atm)，溫度為 298 開爾文 (K)，所有可溶性化合物、液體和固體的濃度為 1.00 摩爾 (M)。

電壓

電壓是衡量氧化還原反應自發性的指標，可以用電壓表測量。如果反應的電壓為正，則反應自發發生，但如果為負，則不會自發發生。

為了計算氧化還原方程式的電壓，將該方程式分解為其氧化部分和還原部分。然後，在標準電極電勢表上查詢每個部分的電壓。該表格將列出還原方程式的電壓。氧化反應的電壓是其對應還原方程式的電壓的負值。要找到方程式的電壓，將每個半反應的標準電壓相加。

進一步閱讀

對於那些對氧化還原反應的更細緻內容感興趣的人，可以參考以下書籍

• 氧化還原：基礎、過程和應用