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Galvanic Cells : Redox reactions to drive Galvanic Cells.
相關課程
- 假設有這樣一個反應
- 銅離子作爲反應物
- 銅離子帶2個單位正電荷
- 都爲溶液狀態
- 在該溶液中一定還有其他
- 陰離子
- 其實我們可以稍微講一下這個
- 我們知道離子在水溶液中
- 它們都是遊離的
- 所以你只要知道
- 溶液中有大量遊離的離子
- 離子中一定會有一些陰離子
- 使整個溶液呈中性
- 不過現在我們就只關注
- 陽離子
- 在該溶液中
- 我們插入一根鋅棒
- 於是它們就發生了取代反應
- 銅想要
- 跳離溶液
- 我應該畫個圖來表示的
- 我來畫個圖吧
- 這個代表溶液
- 我們把溶液用藍色表示吧
- 因爲它是水溶液 裏面絕大部分都是水
- 溶液中有些銅離子
- +2價的銅離子
- 溶液中還有其他一些陰離子
- 比如硝酸根之類的
- 它們都是遊離的離子
- 它們均勻分布在溶液中
- 水分子是極性分子
- 所以化合物會遊離
- 一般的鹽類都會完全遊離
- 我往溶液中插入一根鋅棒
- 固體的鋅 我把它畫出來吧
- 把鋅棒插入溶液中
- 該反應說的就是
- 如果銅離子
- 得到電子的話
- 銅離子就會變成中性
- 它們就會變成金屬銅
- 而這邊的鋅原子
- 它們本來是固態的
- 但如果它們失去電子
- 它們會想變離子跳進溶液中
- 我們把反應寫完整吧
- 如果銅離子得到電子
- 它們就會變成金屬銅
- 銅變成了固態
- 如果金屬鋅失去電子
- 它們就會變成陽離子
- 然後鋅離子會進入溶液中
- 我還是用一樣的顏色吧
- 加上+2價的鋅離子
- 就是這樣 附注一下
- 這些是真實的離子
- 我們講過氧化數了
- 當你們想要知道
- 一個離子的氧化數
- 它的的氧化數就等於所帶的電荷數
- 因爲這電荷不再是假定的了
- 記住氧化數就是假設的電荷數
- 假設鍵爲電價鍵
- 而這時 它們是離子
- 所以氧化態
- 或氧化數 就等於電荷數
- 而這只是個附注
- 習慣上 如果寫的是2+
- 這就表示是真實的電荷
- 如果寫的是+2
- 至少我所學表示方法是這樣的
- 不同地方的表示方法
- 可能不同
- +2表示的是氧化態
- 也就是說 這不一定是離子
- 但當它是離子時 就是電荷數
- 如果是+2
- 它表示的就是氧化態
- 如果是2+ 它表示的就是
- 就是離子的電荷數 同樣地
- 如果對於一般的離子
- 比如說 帶1個單位電荷的…
- 我們用鈉離子(Na+)來做例子吧
- Na+表示它帶1個單位正電荷
- 如果你想要寫出Na+的氧化數
- 它的氧化數是+1
- 稍稍提醒一下
- 其實在物質的整個結構中
- 這沒什麽大區別
- 不過有時我們會分不清楚
- 到底這是氧化態還是離子
- 不過這取決於你所在的學校
- 你的老師還有常規的表示方法
- 你可能想搞清楚這兩個概念
- 並且確定一下他們用的和至少我記得
- 剛學這個的時候用的一樣
- 不管怎樣
- 我們還是回到這個反應
- 我們先寫出它的半反應
- 那麽從這開始
- 而其實我們可以
- 從氧化態開始著手
- 銅離子(Cu2+)的氧化態
- 它帶2個正電荷
- 它的氧化態也是+2
- 然後它變成了中性
- 所以很明顯 它得到了2個電子
- 也就是說它被還原了
- 它從帶有正電荷的離子
- 變成了氧化態或價態爲0
- 也就是它的電荷減少了
- 我把它寫出來吧
- 所以這家夥被還原了
- 我來把它的半反應寫出來
- 該半反應實際上就是
- 溶液中的Cu2+
- 它得到了2個電子
- 這就被還原了
- 所以要再加上2個電子
- 最後生成了固態的Cu
- 而它氧化數爲0
- 現在看看鋅是怎樣變化的
- 一開始時 鋅是中性的固態單質
- 它電子不多不少
- 但是當鋅變成離子進入溶液時
- 它帶上了電荷
- 所以鋅一定是失去了電子
- 所以關於鋅的半反應
- 這時 固態的鋅
- 它反應時失去了2個電子
- 它進入溶液 而且它現在是離子
- 我們把aq寫在後面
- 表示溶液
- 現在我們如果做這個實驗…
- 我現在就告訴你
- 這個反應會導通方向進行
- 這是實際會發生的反應
- 我們馬上就會談到
- 實際上這些電子
- 有多渴望轉移…
- 從哪裏轉移呢？
- 電子是從鋅轉移到銅的
- 我們馬上就會講到一點
- 從電壓看出它們多想轉移
- 而電壓通俗的理解就是
- 電子轉移的願望大小
- 或者電荷的潛能大小
- 但放眼整個反應
- 你只需要關注發生的變化
- 反應中電荷的移動…
- 當鋅進進水中
- 隨著鋅進入溶液中
- 它把一部分電荷轉移到了銅離子上
- 然後就變成了固體Cu
- 所以電子在移動
- 如果我們可以控制這些移動的電子
- 我們就能制造電流
- 這情況 都是化學的內容
- 電子到處移動
- 但它們不會有組織地移動
- 因爲溶液是均勻混合的
- 不過我們現在討論的問題
- 非常有趣
- 我們甚至可以討論
- 電子沿某方向移動的願望有多強
- 看看這些半反應
- 你可以查表
- 然後可以找到這些反應
- 能量或是電壓
- 而這個半反應有一個電位
- 通常電位會用E表示
- 有時候E不會寫在這裡
- 不過這好像有點超綱了
- 至少對於一年級的化學課來說
- 這裡的E爲0.34V
- 然而對於這個半反應
- 它的電位是不同的
- 它的E爲0.76V
- 如果我換個方式來寫這個反應
- 如果我這樣子寫的話
- Zn加2個電子生成單質Zn
- 那麽E就是原來的相反數
- 不過這其實表現著
- 這種狀態 Cu2+
- 它的能量是比Cu要高
- 所以反應更傾向於逆向進行
- 伏特等於焦耳每庫倫
- 對此你可以看看有關電壓的
- 物理係列的影片
- 1伏特等於1焦/庫 1V=1J/C
- 這個值反映的就是
- Cu2+對電子的吸引力
- 這樣是比較好理解的
- 而這個值反映的就是
- 電子想要離開Zn的傾向
- 所以對於整個反應
- 上面所寫的這個反應
- 我們可以把電位等同能量
- 這整個反應的能量變化
- 我們知道有這些能量時
- 電子想與Cu2+結合
- 而有這些能量時 電子想離開Zn
- 所以整個反應的能量變化
- 電子從Zn轉移
- 到Cu2+的傾向
- 就等於這兩個數的和
- 所以E=1.1V
- 可能你會問 Sal啊
- 這些都是電壓呀
- 這很有趣還會産生電流
- 有沒有方法
- 做個電池或賈法尼電池呢？
- 如果你不知道什麽是賈法尼電池
- 我們馬上就要談到怎麽制作了
- 很明顯答案是肯定的
- 因爲這是這集的多重點
- 我們要怎麽利用這些電荷呢？
- 我們要把這兩個反應分開
- 把它們分開
- 那麽把鋅棒放在這裡
- 我們用跟上面一樣的顏色表示吧
- 把銅棒放在另一邊
- 或者我應該把寫在上面的反應
- 複製粘貼
- 這樣好記住這個反應
- 耶 就這樣了
- 沒什麽不好的
- 好了
- 我把它粘貼在這裡吧
- 忽略這些彎彎曲曲的線
- 然後把金屬棒分別放到溶液中
- 裏面會有些別的離子
- 它們會中和溶液
- 我把它們都放在溶液中
- 不過它們是分開的
- 我來適當做個標記吧
- 這個是鋅棒
- 固體的鋅棒
- 這個是固體的銅
- 我用不同的顏色表示吧
- 這裡的是銅
- 銅棒
- 它們分別浸在溶液中
- 那麽如果把這倆連起來會怎麽樣
- 是吧？ 它們是金屬
- 你查元素周期表就知道
- 它們都是過渡金屬
- 它們都有自由電子海
- 所以它們都有良好的導電性
- 用導體將它們連起來會怎麽樣？
- 所以如果像這樣用導體連起來
- 已知Zn渴望抛棄電子
- 變成Zn2+進入溶液 是吧？
- 假設如此
- 那麽Zn進入溶液中
- 變成了Zn2+
- 而它的電子就留下了 是吧？
- 而且其實是兩個電子
- 正如上面所寫的半反應 對吧？
- Zn變成Zn2+進入溶液中
- 而且留下了兩個電子
- 這兩個電子
- 老想脫離Zn的束縛了
- 而在這邊有很多的Cu2+
- Cu2+在溶液中
- 很想得電子然後跳到銅棒上
- 但現在它們還都是離子
- 它們都是+2價的離子
- 而且非常想跳到銅棒上
- 從而變成銅棒的一部分
- 爲了達到跳上去
- 就必須得到電子
- 每個Cu2+都必須得到兩個電子
- 而我們知道這潛能
- 或是吸引電子的能力
- 或是吸引電子的能力
- 可用0.34V表示
- 它們得到電子然後跳上來的
- 傾向是0.34V
- 而Zn進入溶液中
- 把電子留下的傾向是0.76V
- 你覺得接下來會怎麽樣？
- 如果這裡有一根連通的導體
- 那麽這些電子
- 一旦鋅進入溶液
- 它們就會沿著導體走
- 然後它們就變得可以被領走
- 因爲這些是多出來的電子
- 然後和Cu2+結合
- 變成Cu析出在銅棒上
- 所以Cu2+會在銅棒上析出
- 但是由此發生了什麽變化？
- 我們得到了源源不斷的電流
- 電流確實在流動
- 那麽這時的電壓是多少呢？
- 電子從鋅棒脫離
- 然後達到銅棒
- 與溶液中的Cu2+結合
- 然後析出的傾向是多少呢？
- 這樣的電壓是+1.1V
- 電子從這邊流到那邊
- 那麽電源的正負極是什麽？
- 負極就是帶正電荷的電極
- 你可以想象一下
- 這個是電池 對吧？
- 因爲它可以産生電流
- 因爲兩極之間存在電位差
- 陰極也就是正極
- 也就是電子流入的一極
- 那麽陽極是――
- 聯想一下熟悉的東西
- 你看 陽離子是帶正電荷的離子
- 而陰離子是帶負電荷的離子
- 所以陽極也就是負極
- 所以這裡負極是哪個呢？
- 負極就是
- 電子流出的一極
- 看 電子是從鋅棒上流出的
- 所以鋅棒就是負極
- 那麽正極是哪個呢？
- 正極就是電子流入的一極
- 電子流入到這裡
- 然後被Cu2+領走
- 因爲它想從溶液中析出
- 所以這邊就是正極 或陰極
- 銅棒是陰極
- 鋅棒是陽極
- 如果有人問
- 正負極上面
- 會發生氧化還原反應嗎？
- 嗯 這邊會出現什麽？
- 這邊有固體的鋅
- 固體Zn跳進
- 中性的哦
- 它跳進溶液裏
- 留下兩個電子
- 所以它失去了電子
- 失去電子就意味著被氧化
- 所以這邊是氧化反應
- 同理 在銅棒的那邊
- 溶液中的Cu2+
- 它們得到電子
- 所以它們是被還原了
- 所以陰極發生的是還原反應
- 還原
- 這時你可能會說
- 哇 Sal 這個地方很有趣
- 電池 在這裡會叫做賈法尼電池
- Sal 你制造了電流
- 但是我發現了一個問題
- 因爲隨著反應進行
- 這邊的溶液中就會有越來越多的Zn2+
- Zn2+不斷跳進來
- 就會有越來越多的帶正電的Zn2+
- 隨著反應的進行
- 而另外一邊溶液中的Cu2+會越來越少
- 那麽如果你假設有別的…
- 假設是…
- 我是說 爲了保持溶液的電中性
- Cu2+是帶正電荷的
- 也許這邊會有一些Cl-
- Cl-使溶液保持電中性
- 可能也有一些Cl-在這邊
- 維持電中性
- 一開始它是帶負電荷的
- 不過隨著Zn2+的增多 逐漸變成中性
- 但反應了很多之後
- 溶液帶上很多正電了 對吧
- 進來的Zn2+越來越多
- 溶液的正電荷越來越多
- 而這邊Cu2+的不斷減少
- 溶液中的負電荷不斷變多
- 我們可以怎麽解決這個問題？
- 解決辦法是――
- 而這只是解決問題的一種方法而已
- 其實還有很多
- 不過在第一年的化學課中
- 這個方法可能是你會遇到的
- 就是他們做了個東西叫做鹽橋
- 鹽橋是什麽呢 我想
- 我們可以把它叫做鹽的類水溶液
- 這種鹽可能是KCl
- 所以這裡就有鉀離子
- K+帶1個單位正電荷
- 溶液狀態
- 加上帶1個單位負電荷的Cl-
- 而我說它是類水的
- 因爲它並非是嚴格意義上的水溶液
- 人們想要把鹽橋做的更粘稠
- 所以它並不是均勻混合的
- 如果是純水的溶液
- 那麽它就會溶進這溶液裏
- 上面就什麽都沒了
- 這樣它就是個無用的裝置
- 但是人們用的是洋菜
- 它還是如水一般
- 離子還是可以自由移動的
- Na+和Cl-可以自由移動
- 那麽假設…
- 不好意思 不是Na+
- 假設就是K+
- 而這些就是Cl-
- 我已經用藍色畫出來了
- Cl-帶負電荷
- 然而發生的是
- 氧化還原反應的進行
- 導致了這些電子
- 它們從陽極流向陰極
- 這邊變成正的 而那邊變成負的
- 鹽橋的作用就是
- 鹽遊離出的負離子
- 也就是Cl-進入這邊的溶液
- 中和它的電性
- 所以當Zn2+越來越多 最後這邊就有
- 越來越多的Cl-
- 所以如果你蒸發這溶液
- 最後會得到一些ZnCl固體
- 而這邊 爲了保持它的平衡
- 會有很多鹽橋裏的陽離子
- 鹽遊離的
- 所以K+會進入溶液
- 取代不斷析出的Cu2+
- 所以這整個裝置
- 保證了持續的電流
- 又不會産生電荷不平衡
- 因爲啊 呐
- 如果這溶液帶很多正電會怎麽樣？
- 如果它帶很多正電
- 我會用個生動的顏色
- 因爲沒有鹽橋
- 到某一刻 電子就會覺得 嗯
- 我既可以去那邊進行反應
- 也可以和這群帶正電的孩紙耍
- 可能我不那麽想離開
- 所以你必須想辦法
- 來平衡這些電荷
- 同理 如果這邊溶液帶很多負電
- 因爲Cu2+都析出了
- 電子就不會想來這兒了
- 因爲同種電荷相互排斥
- 所以鹽橋在發揮中和電性作用時
- 是十分必要的
- 它使它不會帶上負電
- 然後賈法尼電池就能夠持續工作了
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