1 第五章 氧化还原反应和电位
氧化还原反应是自然界存在的一大类非常重要的化学反应，它们对于地球和生命体的产生、进化以及繁衍生息都有着极为特殊的意义。它在生命过程中扮演着十分重要的角色，如：光合作用、呼吸过程、能量转换、新陈代谢、神经传导等等。又如人体动脉血液中的血红蛋白(Hb)同氧结合形成氧合血红蛋白(HbO2)，通过血液循环氧被输送到体内各部分，以氧合肌红蛋白(MbO2)的形式将氧贮存起来，人需要氧的时候，氧合肌红蛋白释放出氧将葡萄糖氧化，并放出能量。生命过程中能量的获取和多种疾病的发生也属于氧化还原反应。心电、脑电、肌电等生物电现象，都与氧化还原反应中电子转移所产生的电池电动势有关。
本章首先介绍氧化还原反应的一般特征；然后重点讨论电极电位产生的原因、影响电极电位的因素和电极电位对氧化还原反应的影响，并简单介绍与此相关的pH计和生物传感器。
第一节 氧化还原反应
一、氧化值
为表示各元素在化合物中所处的化合状态，无机化学中引进了氧化值(oxidation number)的概念，氧化值又称为氧化数。1970年纯粹和应用化学国际联合会（International Union of Pure and Applied
Chemistry , 缩写为IUPAC）对其给出的定义是：氧化值是某元素一个原子的荷电数，这种荷电数是假设把每个键中的电子指定给电负性较大的原子而求得。
在离子化合物中，简单阳离子、简单阴离子所带的电荷数即该元素原子的氧化数。例如：在NaCl中Na的氧化数为+1，Cl的氧化数为−1。
对共价化合物来说，共用电子对偏向吸引电子能力较大的原子，在HCl中，Cl原子的形式电荷为−1，H原子的形式电荷为+1。为了 2 便于确定元素原子的氧化数，根据元素氧化值的定义，有如下几条求算元素氧化值的规则：
1. 在电中性的化合物中，所有元素的氧化值之和为零。
第八章 氧化还原反应与电极电位
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例 8-1 写出并配平下列各电池的电极反应、电池反应，注明电极的种类。
（1） (-) Ag(s)│AgCl(s) │HCl(sln)│Cl2(100kp)│Pt(s) (+)
（2） (-) Pb(s)│PbSO4(s)│K2SO4(sln)‖KCl(sln)│PbCl2(s)│Pb(s) (+)
（3） (-) Zn(s)│Zn2+(c1)‖MnO4-(c2), Mn2+(c3), H+(c4)│Pt(s) (+)
（4） (-) Ag(s) | Ag+ (c1) ‖Ag+(c2) │Ag(s) (+)
分析 将所给原电池拆分为两个电极。负极发生氧化反应，正极发生还原反应，写出正、负极反应式，由正极反应和负极反应相加构成电池反应。
解 （1） 正极反应 Cl2(g)+2e- → 2 Cl－ (aq) 属于气体电极
负极反应 Ag(s)+Cl-(aq) → AgCl(s)+e- 属于金属-难溶盐-阴离子电极
电池反应 2Ag（s）+ Cl2(g) →2AgCl(s) n=2
（2） 正极反应 PbCl2(s)+2e- →Pb(s)+2Cl- (aq) 属于金属-难溶盐-阴离子电极
负极反应 Pb(s)+SO42-(aq) →PbSO4(s)+2e- 属于金属-难溶盐-阴离子电极
电池反应 PbCl2(s) +SO42- (aq)→PbSO4(s) +2Cl-(aq) n=2
（3） 正极反应 MnO4-(aq) +8H+(aq)+5e- →Mn2+(aq)+ 4H2O(l) 属于氧化还原电极
负极反应 Zn(s) → Zn2+(aq)+2e- 属于金属-金属离子电极
氧化还原反应的电极电位计算电极电位与氧化还原反应的驱动力计算
氧化还原反应是化学中非常重要的一类反应，涉及到电子的转移与传递。在氧化还原反应中，电极电位是一个关键参数，用来描述电极上发生氧化还原反应的趋势和方向。本文将介绍如何计算氧化还原反应的电极电位以及电极电位与氧化还原反应的驱动力之间的关系。
一、氧化还原反应的电极电位计算方法
在氧化还原反应中，电极电位可以通过计算标准电极电位和非标准电极电位来确定。标准电极电位是指在标准状况下（浓度为1 mol/L，温度为298K），电极上的氧化还原反应的电位。非标准电极电位是指在非标准状况下，电极上的氧化还原反应的电位。
1. 计算标准电极电位
标准电极电位的计算可以通过标准氧化还原电位表来实现。标准氧化还原电位表列出了各个氧化还原对的标准电极电位值。对于给定的氧化还原对，其标准电极电位可以通过两个半反应的标准电极电位之差来计算。
2. 计算非标准电极电位
非标准电极电位可以通过涉及到的各种因素来确定，例如浓度、温度和电子传递系数等。在实际应用中，可以使用尼尔斯特方程来计算非标准电极电位： E = E0 - (0.0592/n) * logQ
其中，E是非标准电极电位，E0是标准电极电位，n是电子传递的电子数目，Q是反应物浓度之比的电子指数。
二、电极电位与氧化还原反应的驱动力计算方法
氧化还原反应的驱动力可以通过计算电极电位之差来确定。具体而言，氧化还原反应的驱动力等于电子传递的能力与电子转移的能力之间的差异。
根据热力学理论，氧化还原反应的驱动力可以通过以下公式计算：
ΔG = -nFΔE
其中，ΔG是氧化还原反应的自由能变化，n是电子传递的电子数目，F是法拉第常数，ΔE是氧化还原反应的电极电位差。
根据上述公式，我们可以通过计算氧化还原反应的电极电位差来确定反应的驱动力。如果电极电位差为正值，说明反应是自发进行的，驱动力大；如果电极电位差为负值，反应是不自发进行的，驱动力小。
氧化还原反应的电位与标准电极电势
氧化还原反应是化学中十分重要的一类反应，在许多化学和生物过程中起着关键作用。在这些反应中，电子的转移是一个核心步骤，而电子的转移程度取决于氧化还原反应的电位。本文将介绍氧化还原反应的电位以及标准电极电势，以帮助读者更好地理解这一概念。
一、氧化还原反应的概念及基本原理
氧化还原反应是指物质在化学反应中失去或获得电子的过程。在氧化还原反应中，通常有一个物质被氧化（失去电子），同时另一个物质被还原（获得电子）。这种电子的转移导致了物质的化学性质的变化。
在氧化还原反应中，有两个重要的概念需要理解：氧化剂和还原剂。氧化剂是指能够接受电子的物质，它们在反应中发生还原。而还原剂是指能够提供电子的物质，它们在反应中发生氧化。氧化剂和还原剂之间的电子转移进一步推动了氧化还原反应的进行。
二、电位与电势的概念
电位是指电荷在电场中由于位置的不同而具有的能量差异。在氧化还原反应中，我们关注的是电荷的转移过程，因此我们需要引入电势的概念。电势是指单位正电荷在电场中的势能，它可以用来描述电荷的状态，并进一步推导出与电势相关的氧化还原反应的性质。
标准电极电势是指在标准状态下，电极与参比电极之间产生的电势差。标准状态下，物质的浓度为1mol/L，温度为25℃，压力为1 atm。通过与参比电极的比较，我们可以确定氧化还原反应的标准电极电势，进而预测反应的方向和速率。
三、标准电极电势的测量与应用
标准电极电势可以通过电化学电池来测量。电化学电池是由两个电极构成的系统，其中一个电极是参比电极，而另一个电极则是我们希望测量电势的电极。在测量过程中，我们将待测电极与参比电极连接，通过测量电路中流过的电流和电势差的变化，可以确定待测电极与参比电极之间的电势差，即标准电极电势。
标准电极电势的测量结果通常以“标准氢电极”作为参照。标准氢电极的电势被定义为零，其他电极的电势则以标准氢电极为基准进行比较。通过测量不同电极与标准氢电极之间的电势差，我们可以获得相应物质的标准电极电势。
