楼层: 首页/ 化学/ 大学化学 · 氧化还原与电化学
电

氧化还原与电化学:电子的流动

Redox & Electrochemistry · 电池与能斯特
前面平衡都是原子重排,这章看电子的转移:谁抢电子、谁给出电子,就能做成电池、电镀、电解。电池为什么有电压?浓度不同电压会变吗?标准电极电势和能斯特方程给你答案。
①
氧化数

升降定得失

②
原电池

化学能→电

③
电极电势 E°

查表比强弱

④
能斯特方程

浓度修正

开场场景:把锌片插进硫酸铜,锌片慢慢溶解、铜析出;柠檬接上两个不同金属就能点亮小灯——电子在两个电极间跑路,就成了电。

卡必背公式 / 概念
氧化 = 失电子、氧化数升高;还原 = 得电子、氧化数降低
氧化剂被还原,还原剂被氧化
原电池:负极氧化(出电子),正极还原(收电子)
原电池符号:(−) Zn | Zn²⁺ ‖ Cu²⁺ | Cu (+)
标准电极电势 E°:查表,越正值越易得电子
电池电动势 E° = E°(正极) − E°(负极)
能斯特方程 E = E° − (RT/nF)·ln Q
电解:外加电强迫非自发反应发生,如电解水、电镀
口诀:负氧正还(负极氧化、正极还原);E° 大为氧化剂,能斯特修浓度。

义是什么:把氧化还原拆开成两半

氧化还原:本质是电子从还原剂转移给氧化剂。氧化数升高=失电子=被氧化;降低=得电子=被还原。原电池让这两半反应隔在两个池子进行,电子被迫经外电路流过——就成了电流。

电极电势:每个电极都有“抢电子的本事”,用标准电极电势 E° 量化。把正负极 E° 相减就是电池电压。浓度改变电压靠能斯特方程修正;电解则反过来,外接电源硬推电子,让本不自发的反应发生。

路怎么判:定正负极,查 E° 算 E

第一步:找氧化数变化。化合价升的是还原剂(负极),降的是氧化剂(正极)。第二步:查表定 E°。E° 越正的电对,氧化型越容易得电子、氧化性越强。

第三步:算电动势。E°电池 = E°正极 − E°负极,结果为正说明电池能自发放电。能斯特方程:浓度不标准时,用 E = E° − (RT/nF)lnQ 修正;反应物浓度越大、产物越小,电压越高。

典型例题:三道

例1:Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu,指出氧化剂与还原剂。
审题:看氧化数变化。
Zn 从 0 升到 +2,失电子 → Zn 是还原剂;Cu²⁺ 从 +2 降到 0,得电子 → Cu²⁺ 是氧化剂。
例2:已知 E°(Cu²⁺/Cu)=+0.34 V,E°(Zn²⁺/Zn)=−0.76 V,求铜锌电池电动势。
审题:E°电池=正极−负极。
E° = 0.34 − (−0.76) = +1.10 V,正值,电池自发放电。
例3:电解水生成什么?
审题:外加电强迫反应。
阴极出 H₂,阳极出 O₂,体积比约 2:1。纯水导电差,常加少量硫酸增强导电。

用途与案例

生活:干电池与锂电池

一次性电池、手机锂电都是原电池,把氧化还原的电子流直接变成电能;可充电电池放电自发、充电靠电解逆向进行。

工业:电解精炼铜与电镀

粗铜作阳极电解,纯铜在阴极析出;钥匙上镀镍镀铬,都是外加电让金属离子在表面还原成镀层。

展往哪儿长

金属腐蚀与防护:铁生锈是微电池腐蚀;刷漆、镀锌、接更活泼的锌块(牺牲阳极)都能保护钢铁。浓差电池:两边浓度不同也能产生电压,是能斯特方程的直接后果。

ΔG 与电的桥:ΔG = −nFE,电池电动势越大,反应推动力越大——把热力学和电化学接成了一条线。

防坑警示

“负氧正还”别记反:原电池负极发生氧化(出电子),正极发生还原(收电子),电子在外电路从负极流向正极。另外 E° 相减时是正极减负极,符号一差结果全反;盐桥/离子只负责导通,不参与反应。

练习

基础:Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu,谁被氧化?

查看解答Fe 从 0 升到 +2 失电子 → Fe 被氧化,是还原剂。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「必背公式/概念」那一段,把例题再顺一遍。

进阶:为什么轮船外壳要焊锌块?

查看解答锌比铁活泼(更负的 E°),优先被腐蚀溶解,保护铁不生锈——牺牲阳极法。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「必背公式/概念」那一段,把例题再顺一遍。

提高:把铜锌电池中 Cu²⁺ 溶液冲稀,电池电压变大还是变小?

查看解答Cu²⁺ 是反应物,浓度减小,由能斯特方程 E 减小 → 电压变小。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「必背公式/概念」那一段,把例题再顺一遍。

证教材级补充:能斯特方程与浓差电池

E = E° − (RT/nF)·ln Q。Q 是当前浓度商:产物越多、反应物越少,E 越小。当两边溶液浓度不同时,浓度差本身就能驱动电子流动——浓差电池。

神经细胞膜内外 K⁺、Na⁺ 浓度差产生的膜电位,本质就是一种浓差电池;生物电(心电、脑电)的离子基础由此而来。人体能感知、能思考,追根到底是离子浓度差在产生微小电压。

基础例题:为什么苹果切开久了会变黄?果肉里的多酚被空气中的氧气氧化(酶促褐变),这是氧化还原;滴柠檬汁(酸+抗氧化剂)抑制氧化酶,延缓变色。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「必背公式/概念」那一段,把例题再顺一遍。
进阶例题:充电电池充电时是原电池还是电解池?充电时外接电源反向供电,把放电时的产物“推回去”,属于电解池;放电时才是自发的原电池。
做对了?很好,下一题/下一章走起。
错了或卡壳?回到本章「必背公式/概念」那一段,把例题再顺一遍。
记
小结卡

① 氧化数升高=氧化=失电子;降低=还原=得电子。

② 原电池负氧正还,E°电池=E°正−E°负,为正才自发。

③ 浓度不标准用能斯特方程修正;电解靠外加电逆推反应。

费曼学习法:讲给别人听
合上书本,假装对面坐着一个刚上大学的同学,把这三件事说清楚——说不清楚的地方,就是你没真懂。
  1. 用自己的话讲:本章核心是「氧化还原、原电池、电极电势与能斯特方程」,合上书用自己的话讲一遍,不许照抄。
  2. 举个反例 / 什么时候最容易错:对照上面「防坑警示」,挑一条讲明白为什么那是坑。
  3. 哪里还卡壳(标记薄弱点):哪一句你要翻书才说得顺?那个地方就是你的薄弱点,拿笔圈出来。