電極電位與電化電池：電池的化學原理！
歡迎來到化學中最實用且令人興奮的領域：電化學 (Electrochemistry)！
如果這個課題讓你感到不知所措，請放心；其實我們只是在研究如何將氧化還原反應分開進行，迫使電子流經導線。
這就是世界上所有電池、智能手機和電動汽車背後的科學原理！理解這一章有助於我們利用化學能來進行實用的電功。
快速重溫：氧化還原反應
還記得 AS 化學的內容嗎？氧化還原 (Redox) 代表還原 (Reduction) 和氧化 (Oxidation)。
- 氧化 (Oxidation) 是電子流失 (Loss of Electrons) (OIL)
- 還原 (Reduction) 是電子獲得 (Gain of Electrons) (RIG)
3.1.9.1 電極電位與電池
甚麼是半電池 (Half-Cell)？
一個簡單的氧化還原反應可以分為兩部分：氧化半反應和還原半反應。當我們將這兩部分物理隔離時，就產生了半電池。
半電池由浸入含有自身離子溶液中的金屬（電極）組成。
例如，鋅半電池由浸入 \(1.00 \text{ mol dm}^{-3}\) 的 \(\text{Zn}^{2+}(\text{aq})\) 溶液中的鋅棒組成。
在電極表面，會建立一種平衡：
\(\text{M}^{n+}(\text{aq}) + n\text{e}^- \rightleftharpoons \text{M}(\text{s})\)
該平衡的位置決定了金屬離子獲得電子（還原）的難易程度，從而決定了電極電位 (\(E\))。
半反應方程式的 IUPAC 慣例
國際純化學暨應用化學聯合會 (IUPAC) 對編寫電極的半反應方程式制定了嚴格規則：它們必須始終寫作還原反應（獲得電子）。
這是因為標準電位 \(E^\ominus\) 是衡量發生還原傾向的指標。
例子：
- 銅半反應方程式：\(\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}(\text{s})\)
- 鋅半反應方程式：\(\text{Zn}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Zn}(\text{s})\)
標準電極電位 (\(E^\ominus\))
半電池測得的電壓很大程度上取決於濃度和溫度。為了公平地比較不同的半電池，我們必須在標準條件下測量它們。在這些特定條件下測得的電位稱為標準電極電位 (\(E^\ominus\))。
標準條件（必須記住）：
- 溫度： \(298 \text{ K}\) (\(25^\circ \text{C}\))
- 壓力： \(100 \text{ kPa}\)（針對任何涉及的氣體）
- 濃度： \(1.00 \text{ mol dm}^{-3}\)（針對所有涉及的離子）
標準氫電極 (SHE)
我們無法直接測量單個半電池的電位；我們必須測量兩個半電池之間的電位差。 為了建立一個刻度，我們需要一個參考點，即標準氫電極 (Standard Hydrogen Electrode, SHE)。
SHE 被定義為電極電位為零伏特：\(E^\ominus = 0.00 \text{ V}\)。
\(\text{2H}^{+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2(\text{g})\) \(E^\ominus = 0.00 \text{ V}\)
類比： 把 SHE 想成是測量電位的「海平面」。所有其他半電池的電位都是相對於這個零點進行測量的。
SHE 的裝置需要：
- 鉑電極（惰性，為反應提供表面）。
- 濃度為 \(1.00 \text{ mol dm}^{-3}\) 的 \(\text{H}^+\) 離子。
- 以 \(100 \text{ kPa}\) 壓力流過電極的 \(\text{H}_2\) 氣體。
- 保持在 \(298 \text{ K}\) 的溫度。
利用 \(E^\ominus\) 值預測氧化還原反應
當你查看標準電極電位列表（電化序列）時，\(E^\ominus\) 值越正，該物種發生還原的傾向就越大。
關於可行性（即氧化還原反應是否會自發發生）的一般規則是：
如果電池的構造使還原反應發生在 \(E^\ominus\) 值更正的半電池中，該反應就是可行的。
半反應方程式中，\(E^\ominus\) 更正的一側（左側）的物種將充當氧化劑（它會被還原）。
半反應方程式中，\(E^\ominus\) 更負的一側（右側）的物種將充當還原劑（它會被氧化）。
記憶法：正值勝出！
想像你有兩個半電池 A 和 B。
- A 的 \(E^\ominus = +0.77 \text{ V}\)
- B 的 \(E^\ominus = -0.44 \text{ V}\)
反應 B 是「輸家」（更負）。它將被迫反向進行（氧化）。
計算電池電動勢 (EMF)
電動勢 (EMF, \(E_{\text{cell}}\)) 是電池能產生的最大電位差。它是在幾乎沒有電流輸出的情況下測量的（這就是為什麼必修實驗 6 中需要高電阻電壓表的原因）。
計算標準電動勢 (\(E^\ominus_{\text{cell}}\)) 的公式：
\(\mathbf{E^\ominus_{\text{cell}} = E^\ominus_{\text{reduction}} - E^\ominus_{\text{oxidation}}}\)
或者，使用常規電池符號（見下文）：
\(\mathbf{E^\ominus_{\text{cell}} = E^\ominus_{\text{RHS}} - E^\ominus_{\text{LHS}}}\)
如果計算出的 \(E^\ominus_{\text{cell}}\) 為正值，則該反應是可行的（自發反應）。
常規電池表示法（電池符號）
這是一種書寫電化電池結構的簡寫方式，從氧化側（陽極）開始，到還原側（陰極）結束。
符號規則：
\(\mathbf{\text{還原劑} \mid \text{氧化態物種} \parallel \text{還原態物種} \mid \text{氧化劑}}\)
其中：
- \(\mathbf{\mid}\) 代表相界（例如固體金屬進入水溶液離子）。
- \(\mathbf{\parallel}\) 代表鹽橋（允許離子流動以保持電中性）。
- 左側 (LHS) 是氧化發生的地方。
- 右側 (RHS) 是還原發生的地方。
例子： 鋅-銅電池，其中鋅被氧化，銅被還原。
\(\mathbf{\text{Zn}(\text{s}) \mid \text{Zn}^{2+}(\text{aq}, 1.0 \text{M}) \parallel \text{Cu}^{2+}(\text{aq}, 1.0 \text{M}) \mid \text{Cu}(\text{s})}\)
如果需要惰性電極（如鉑，Pt）（例如當沒有金屬存在時，如 \(\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}\) 電池），則惰性電極包含在半電池符號的末端。
例子： \(\text{Pt}(\text{s}) \mid \text{Fe}^{2+}(\text{aq}), \text{Fe}^{3+}(\text{aq}) \parallel \ldots\)
- 兩個半電池由外部導線（用於電子流）和鹽橋（用於離子流）連接。
- \(E^\ominus\) 更負的半電池發生氧化（陽極，負極）。
- \(E^\ominus\) 更正的半電池發生還原（陰極，正極）。
3.1.9.2 電化電池的商業應用
電化電池至關重要；它們將化學能直接轉化為電能。我們將其作為便攜式電源使用。電池按其可重複使用性大致分類：
- 不可充電（不可逆）電池： 一旦反應物被消耗，它們就無法再生。（例如標準鹼性電池）。
- 可充電電池： 化學反應是可逆的。施加外部電壓會使電池反應逆轉，恢復反應物。（例如汽車電池、鋰電池）。
- 燃料電池： 反應物（燃料和氧化劑）從外部源持續供應。
1. 鋰離子電池（可充電）
鋰離子電池因其重量輕、能量密度高而為現代電子產品提供動力。簡化的反應涉及 \(\text{Li}^+\) 離子在電極之間的移動。
充電/放電：
- 在放電（使用）期間，電子從負極流向正極。
- 在充電期間，外部電流迫使電子向相反方向流動。
簡化電極反應（放電過程）：
- 負極（陽極，氧化）： 鋰金屬失去電子。
\(\mathbf{\text{Li} \rightarrow \text{Li}^+ + \text{e}^{-}}\)
- 正極（陰極，還原）： 鋰離子與鈷氧化物和電子結合。
\(\mathbf{\text{Li}^+ + \text{CoO}_2 + \text{e}^{-} \rightarrow \text{Li}^{+}[\text{CoO}_2]^{-}}\)
你知道嗎？ 在正極形成的化合物 \(\text{Li}^{+}[\text{CoO}_2]^{-}\) 是一種嵌入化合物，這意味著 \(\text{Li}^+\) 離子插入了鈷氧化物結構的層之間。
2. 鹼性氫氧燃料電池
燃料電池與電池不同，因為它們不會耗盡；只要供應燃料，它們就會產生電流。氫氣和氧氣被持續供應到電極。輸出物是水，使其非常環保（零溫室氣體排放）。
電極反應（在鹼性條件下，例如使用 KOH 電解質）：
- 負極（陽極，氫的氧化）： 氫與氫氧根離子反應生成水和電子。
\(\mathbf{\text{2H}_2(\text{g}) + 4\text{OH}^{-}(\text{aq}) \rightarrow 4\text{H}_2\text{O}(\text{l}) + 4\text{e}^{-}}\)
- 正極（陰極，氧的還原）： 氧氣獲得電子並與水反應生成氫氧根離子。
\(\mathbf{\text{O}_2(\text{g}) + 2\text{H}_2\text{O}(\text{l}) + 4\text{e}^{-} \rightarrow 4\text{OH}^{-}(\text{aq})}\)
總反應： 將兩個半反應方程式相加（並抵消 \(\text{OH}^-\) 和電子）得出簡單的總反應：
\(\mathbf{\text{2H}_2(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}(\text{l})}\)
電化電池的優點與風險
電化電池（特別是燃料電池和高效電池）對於發展可持續能源至關重要。
優點：
- 高效率： 燃料電池將化學能直接轉化為電能，避免了與燃燒相關的能量損耗（熱量散失）。
- 環保（燃料電池）： 它們通常只產生水作為副產品。
- 便攜式電源： 電池使電器能夠便攜並脫離電網使用。
風險/缺點：
- 儲存與供應（燃料電池）： 氫燃料通常使用化石燃料生產，且安全儲存氫氣具有挑戰性。
- 廢棄物處理（不可充電）： 傳統電池含有重金屬（如鎘或鉛），如果回收不當，會造成廢棄和環境風險。
- 可充電電池壽命： 可充電電池會隨時間退化，限制其使用壽命並需要最終更換。
關鍵要點總結
電化電池使我們能夠利用氧化還原反應來產生電力。
標準電極電位 (\(E^\ominus\)) 以 SHE (\(0.00 \text{ V}\)) 為參考點，衡量標準條件下發生還原的傾向。
當電池的設置使得還原反應發生在 \(E^\ominus\) 值更正的半電池時，反應就會自發發生。整個電池的電動勢必須為正。