氧化还原平衡

Edexcel 国际 A-Level 化学· 16.1–16.19 (WCH15)· 35 分钟阅读

1. 标准电极电势与原电池★★☆☆☆⏱ 8 min

📘 定义

标准电极电势

半电池在标准条件下，相对于标准氢电极(SHE)测得的电势。

例:

Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) 的E°为 +0.34 V

标准条件定义为298 K (25°C)、100 kPa气体压强、所有水相物种浓度为1.00 mol dm⁻³。SHE是通用的参比半电池，由浸没在1.00 mol dm⁻³ H⁺溶液中的铂电极组成，H₂气体在100 kPa下鼓泡通过电极，根据定义它的E°值为0 V。

E°可以为三类半电池测量：金属/金属离子半电池（金属条浸入其离子溶液中）、非金属/离子半电池（铂电极，非金属气体鼓泡通过，浸入其离子溶液中），以及同一元素存在两种氧化态的半电池（铂电极浸入两种离子浓度相等的溶液中）。

📐 例题

描述用于测量Zn²⁺/Zn半电池标准电极电势(E° = -0.76 V)的装置。

1
1. 搭建作为参比半电池的标准氢电极(SHE)：铂电极置于1.00 mol dm⁻³ H⁺溶液中，H₂气体以100 kPa鼓泡，温度为298 K。
2
1. 搭建锌半电池：洁净的锌金属条在298 K下浸入1.00 mol dm⁻³ Zn²⁺溶液中。
3
1. 用盐桥（例如浸泡过KNO₃的滤纸）连接两个半电池，完成离子回路并平衡电荷。
4
1. 将锌电极和铂电极连接到高阻电压表上；测得的电势差就是Zn²⁺/Zn半电池的E°：-0.76 V。

Exam tip:

考试不会要求你画出完整的电池装置，但你必须能够在1-2分的题目中标注E°测量的关键组件。

2. 电池图示与标准电池电动势计算★★★☆☆⏱ 10 min

📘 定义

标准电池电动势

标准条件下，无电流通过回路时，两个相连半电池之间的最大电势差。

电池图示遵循标准约定：氧化半电池（E°更负、还原性更强的物质）写在左侧，还原半电池（E°更正、氧化性更强的物质）写在右侧。单竖线|代表相界，双竖线||代表盐桥。不含固体金属反应物的半电池需要标注铂电极。

E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{\text{reduction (right)}} - E^\circ_{\text{oxidation (left)}}

正的E°cell值确认该反应在标准条件下热力学可行。

📐 例题

已知E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V和E°(Zn²⁺/Zn) = -0.76 V，写出电池图示并计算标准电池电动势。

1
1. 识别半电池：Zn的E°更负，因此发生氧化（图示左侧），Cu发生还原（右侧）。
2
1. 写出电池图示：Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s)
3
$E^\circ_{\text{cell}} = +0.34 - (-0.76) = +1.10 V$
4
1. 正值确认该反应按书写方式是可行的。

✓ 快速检测

包含Fe³⁺/Fe²⁺ (E°=+0.77 V)和I₂/I⁻ (E°=+0.54 V)半电池的电池，正确的电池图示是以下哪一项？
- Pt(s) | I⁻(aq), I₂(aq) || Fe³⁺(aq), Fe²⁺(aq) | Pt(s)
- Pt(s) | Fe³⁺(aq), Fe²⁺(aq) || I⁻(aq), I₂(aq) | Pt(s)
- Fe(s) | Fe³⁺(aq), Fe²⁺(aq) || I⁻(aq), I₂(aq) | I(s)

3. 氧化还原反应的可行性与局限性★★★☆☆⏱ 8 min

正的E°cell意味着反应在标准条件下热力学可行。E°cell与总熵变和ln K成正比，因此更大的正E°cell对应平衡时反应进行得更完全。

要预测歧化反应的可行性，计算同一元素同时发生氧化和还原的反应的E°cell：如果值为正，反应可行。例如，Cu⁺发生歧化是因为E°cell = E°(Cu⁺/Cu) - E°(Cu²⁺/Cu⁺) = +0.52 V - +0.15 V = +0.37 V。

📐 例题

预测MnO₄⁻ (E°(MnO₄⁻/Mn²⁺) = +1.51 V)和Cl⁻ (E°(Cl₂/Cl⁻) = +1.36 V)之间的反应在标准条件下是否可行，并说明该预测的一个局限性。

1
1. MnO₄⁻的E°更高，因此发生还原，Cl⁻发生氧化。
2
$E^\circ_{\text{cell}} = 1.51 - 1.36 = +0.15 V$
3
1. 正的E°cell意味着该反应在标准条件下热力学可行。
4
1. 局限性：该反应活化能很高，因此室温下非常慢，除非加热或加入催化剂，否则可能观察不到明显反应。

4. 氧化还原滴定★★★★☆⏱ 7 min

📘 定义

氧化还原滴定

利用待测物和滴定剂之间的氧化还原反应测定待测物未知浓度的容量分析技术。

本单元指定两个标准氧化还原滴定：1. 高锰酸根(VII) (MnO₄⁻)与Fe²⁺的滴定：在酸性条件下进行，自指示（紫色MnO₄⁻被还原为Mn²⁺后变为无色，终点为持久浅粉色），MnO₄⁻:Fe²⁺的摩尔比为1:5。2. 碘-硫代硫酸钠滴定：由氧化性待测物生成I₂，用S₂O₃²⁻滴定，淀粉作指示剂（终点时蓝黑色变为无色），S₂O₃²⁻:I₂的摩尔比为2:1。

📐 例题

25.0 cm³ Fe²⁺溶液用0.0200 mol dm⁻³ KMnO₄溶液滴定，消耗22.4 cm³达到终点。计算Fe²⁺的浓度，单位为mol dm⁻³。

1
$n(\text{MnO}_4^-) = c \times V = 0.0200 \times 22.4 / 1000 = 4.48 \times 10^{-4} \text{ mol}$
2
1. MnO₄⁻:Fe²⁺的摩尔比为1:5，因此n(Fe²⁺) = 5 × 4.48 × 10⁻⁴ = 2.24 × 10⁻³ mol
3
$c(\text{Fe}^{2+}) = n / V = 2.24 \times 10^{-3} / 0.0250 = 0.0896 \text{ mol dm}^{-3}$

Exam tip:

即使你用捷径解题，也要在计算步骤中写出反应物之间的摩尔比，以获得步骤分。

5. 燃料电池★★★☆☆⏱ 5 min

📘 定义

燃料电池

只要持续供应燃料，就能将燃料（例如H₂、甲醇）和氧化剂(O₂)的化学能直接连续转化为电能的电化学电池。

氢氧燃料电池是最常见的类型，使用酸性（例如H₂SO₄）或碱性（例如KOH）电解质。它们的效率比内燃机更高，以H₂为燃料时仅产生水作为废物，被用于电动汽车和航天任务。

📐 例题

写出碱性电解质氢氧燃料电池的半反应和总反应式。

1
1. 氧化（负极）：H₂被氧化为H₂O，消耗电解质中的OH⁻：
2
$H_2(g) + 2OH^-(aq) \rightarrow 2H_2O(l) + 2e^-$
3
1. 还原（正极）：O₂被还原为OH⁻：
4
$O_2(g) + 2H_2O(l) + 4e^- \rightarrow 4OH^-(aq)$
5
1. 将氧化半反应乘以2以平衡电子，再与还原半反应相加：
6
$2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$

6. 常见陷阱

错误做法:

计算E°cell时翻转E°值的符号

原因:

E°值始终以还原电势形式给出，因此公式E°cell = E°(还原) - E°(氧化)已经考虑了氧化过程，无需改变符号

正确做法:

直接使用数据手册中的所有还原E°值代入公式，不要为氧化半反应翻转符号。

错误做法:

认为正的E°cell意味着反应在实验室中一定能观察到

原因:

E°仅预测热力学可行性，不预测反应速率：许多可行反应活化能极高（动力学稳定），或处于非标准条件下

正确做法:

考试中被问及时，一定要将动力学稳定性和非标准条件作为E°预测的局限性提及。

错误做法:

将氧化性更强的物质写在电池图示的左侧

原因:

电池图示约定将氧化半电池（E°更负、还原性更强的物质）放在左侧，还原半电池放在右侧

正确做法:

按E°排序半电池：最负的（氧化）在左，最正的（还原）在右，用||分隔代表盐桥。

错误做法:

氧化还原滴定计算使用错误的摩尔比（例如MnO₄⁻:Fe²⁺用1:1）

原因:

氧化还原反应的计量关系由电子平衡决定：MnO₄⁻得到5个电子，每个Fe²⁺失去1个电子，因此电荷平衡要求1:5的比例

正确做法:

熟记标准比例：MnO₄⁻:Fe²⁺ = 1:5，S₂O₃²⁻:I₂ = 2:1，或对半反应配平得到不熟悉反应的比例。

错误做法:

在碱性燃料电池的半反应中写入H⁺离子

原因:

碱性电解质中存在过量OH⁻，H⁺离子会立即反应生成H₂O，无法以显著浓度存在

正确做法:

碱性半反应用OH⁻和H₂O平衡氧和氢，酸性电解质用H⁺和H₂O平衡。

7. 速查表

概念	核心规则/公式
标准E°条件	298 K、100 kPa、水相浓度1.00 mol dm⁻³
E°cell计算	$E_{cell}^{\circ} = E_{还原}^{\circ} - E_{氧化}^{\circ}$ （正值=可行）
电池图示约定	氧化在左 \| 还原在右，\| 代表相界，\|\| 代表盐桥
MnO₄⁻/Fe²⁺滴定	1:5摩尔比，酸性条件，自指示（紫色→无色）
I₂/S₂O₃²⁻滴定	2:1摩尔比，淀粉指示剂（蓝黑色→无色）
氢氧燃料电池总反应	$2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$
可行性局限性	动力学稳定性（高Eₐ）、非标准条件

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下一步

现在你已经掌握了氧化还原平衡，可以继续学习Edexcel IAL 化学 Unit 5的后续主题：过渡金属化学，它高度依赖d区元素的氧化还原性质，以及包括胺、酰胺和氨基酸在内的有机含氮化合物。氧化还原平衡是WCH15考试中占比很高的主题，经常与原电池或氧化还原滴定的实操题结合考察，因此要练习往年真题以提升速度和准确率。确保你熟记标准氧化还原滴定的摩尔比和燃料电池半反应，这些内容经常出现在3-5分的计算和记忆题中。你还需要复习滴定实操题要求的测量不确定度相关内容，这是考纲要求的考点。