電池電動勢

牛刀小試解答 ※

1. C 2. D 3. BCDE 4. ABDE 5. B 6. ABE 7. 2 倍 8. 0.4M 9. (a)略；(b)34.8mL；(c)25 10.

(3)2.52g 及 4.69g 11. (1)0.1M；(2)0.15M 12. (1)略；(2)0.03 M；(3)0.0948；(4)700 mL

第四節 電池電動勢

一、電化學研究的領域：電化學就是探討氧化還原反應與電流間之相互作用，不外乎有兩種 可能性：

1. 氧化還原反應可以產生電流，這種輸出電能的裝置，稱為 。 2. 電流可以產生氧化還原反應，這種輸入電能的裝置，稱為 。

二、電化電池

1. 電池裝置以_{Zn Cu} ^2電池為例

2. 電池之反應

(1) 接通後，Cu極發生 ，鋅極發生 。 (2) 電子由鋅極( )流至銅極( )。

(3) 經一段時間後，鋅極 重量，銅極 重量，銅、鋅增減之莫耳數比為 。

e- V

Zn Cu

-

+

Zn²⁺

SO₄^2- SO₄

2-Cu²⁺

陽極 ^{陰離子 陽離子} 陰極

半反應式：

陽極：

陰極：

全反應：

鹽 橋

(4) 剛接通時電壓最大，達平衡時電壓為 ，移去鹽橋後電壓亦為零。

3. 電化電池的電極反應：

(1) 發生還原半反應之電極，稱為 極，在商業電池上常標之以 號。

(2) 發生氧化半反應之電極，稱為 極，在商業電池上常標之以 號。

(3) 外線路中，電子由 極流向 極，伏特計(安培計)之指針偏向 極。

(4) 電解液中陽離子趨向 極，陰離子趨向 極。

4. 鹽橋：在電化電池中連接兩半反應電池之裝置。

(1) 組成：

(2) 功用：

(3) 用一多孔素瓷杯亦可，且效果更佳。

5. 未能取得電流之裝置：

(1) 將銅線插入盛AgNO₃飽和溶液之燒杯中。

現象：

(2) Zn與Cu NO( _{3 2(}) _aq)之反應：

Zn片上有Cu析出，當反應達平衡後取出溶液，並在溶液中加入Na S₂ ，則生成白色 ZnS沈澱，由此可以證明_Zn^2存在。

【範例 1】

在一杯硝酸銀水溶液內放人秤好重量的銅絲，隔夜後發現發生了化學變化。下列有關這實驗 的敘述，何者為正確？

(A)本實驗 1 莫耳的銀離子和 2 莫耳的銅原子作用 (B)水溶液由原先的無色變成淡藍色

(C)本反應為一種氧化還原反應

(D)可利用本反應的原理來組成化學電池 (E)反應後銅絲的重量比反應前增加。

Ans ： BCDE

【範例 2】

將10.0 克重之細銅線浸入 100 毫升，1.0 M 之硝酸銀水溶液，片刻後取出銅線。經分離乾燥 後，測得銅線與析出銀之總量為10.70 克，取出銅線後的溶液中銅離子及銀離子之濃度各為？

(原子量：Cu＝63.51，Ag＝107.9)

(A) [Cu^2]＝0.20 M，[Ag^]＝0.800 M (B) [Cu^2]＝0.046 M，[Ag^]＝0.908 M (C) [Cu^2]＝0.10 M，[Ag^]＝0.950 M (D) [Cu^2]＝0.100 M，[Ag^]＝0.900 M。

Ans ： B

【範例 3】

將鐵片放入硫酸銅溶液中，等鐵片表面附有一層金屬銅後取出，洗淨、乾燥、然後秤量時，

得知其重量增加1.0 克。在鐵片上析出的銅重量約為多少克？(Fe＝56，Cu＝64)

Ans ： 8g

三、標準電位 1. 電位之意義：

(1). 氧化電位：

(2). 還原電位：

2. 電子之爭取與釋放：

(1). 一氧化還原反應如下： ，則物系中M 及N競爭放出電子，_M^n、_N^n競 爭要獲得電子，若反應平衡傾向右端，則：

放出電子之傾向：M ＞N 獲得電子之傾向：_N^n＞_M^n。

M + N ⁿ⁺ M ⁿ⁺ + N

(2). 實驗：

4.電位表 還原電位 氧化電位

(b)電池之電壓＝ 陰極還原電位＋陽極氧化電位

＝ 陰極還原電位－陽極還原電位

＝ 陽極氧化電位－陰極氧化電位

【範例 4】

已知Zn_{( )s} Zn₍²_aq^₎2e^ _E⁰＝0.76V

( )s (aq)

Ag Ag^ e^ _E⁰＝－0.80V

則Zn_{( )s} 2Ag₍^_aq)Zn₍²_aq^₎2Ag_{( )s} 之_E⁰＝ V。

Ans ： 1.56V

(c)電池電壓之討論

①_E⁰之大小和反應式之係數無關。

如：

② 一反應被寫成逆反應時，則其逆反應之電位 大小不變 、 符號相反 。 如：

③ 一半電池的電位隨所定標準半電池之電位之改變而 ，但一電池之電壓不 隨之改變。

例如：已知2H⁺(aq)+2e^－→H2(g) _E⁰＝0.00 V Cu²⁺(aq) +2e^－→Cu(s) E0＝0.34 V Ni²⁺(aq) +2e^－→Ni(s) E0＝0.25 V

Ni(s)+Cu²⁺(aq)→Ni²⁺(aq)+Cu(s) E0＝ V

若改定 2H⁺(aq)+2e^－→H2(g) _E⁰＝1.00 V

則：Cu²⁺(aq) +2e^－→Cu(s) E0＝__________ V

Ni²⁺(aq) +2e^－→Ni(s) E0＝__________V Ni(s)+Cu²⁺(aq)→Ni²⁺(aq)+Cu(s) E0＝ ___ V

(d)一電池電壓的大小決定於 、 、 ，但與電極的大小，反應方程式之 係數及所定之標準半電池之電位 。

(e)由二半反應電位求另一半反應電位：

由於各半反應之電子得失數不同，其質點在電場作功不同，故必須利用 能量加成定律求之。

例如：已知Fe₍²_aq^₎2e^Fe_{( )s E}⁰＝－0.44 V

3 2

(aq) (aq)

Fe^ e^ Fe ^ _E⁰＝0.77 V

則 Fe(³_aq^)3e^ Fe( )_{s E}⁰＝ V

(3)預測在標準狀態下反應可否自然發生：

(a)若全反應_E⁰＞0， 自然發生。

(b)若全反應_E⁰＜0， 自然發生。

例如：已知MnO₄^8H^5e^ Mn^24H O_{2 E}⁰＝1.52 V

2Cl^ Cl22e^ _E⁰＝－1.36 V

反應2MnO₄^16H^10Cl^2Mn^28H O₂ 5Cl₂之_E⁰＝ 。 表示反應在標準狀態下 。

(4)預測之限制：

(a)若全反應之_E⁰僅為 ＜ 0.2V 則基於標準狀態所做的預測，可能與實驗結果有

出入。

(b)_E⁰值僅可預測反應是否發生，無法預測 。

6. 伏打電池

7. 元素的重要反應

【範例 5】

標準氫電極的電位_E⁰＝0.00 伏特，是：

(A)化學共同定義的 (B)從反應能量推算的結果 (C)由理論計算的結果 (D)由實驗測得的。

Ans ： A

【範例 6】

已知半反應O₂2H^2e^ H O_{2 2 E}⁰＝0.68 伏特，

2

4 8 5 4 2

MnO^ H^ e^ Mn ^ H O _E⁰＝1.49 伏特，

則反應5H O_{2 2}2MnO₄^6H^ 5O₂2Mn^28H O₂ 之電動勢為？

(A)－0.81 伏特 (B)－0.42 伏特 (C) 0.81 伏特 (D) 2.17 伏特。

Ans ： C

【範例 7】

已知_CuCu^_e^ _E⁰＝－0.52 V；_Cu^ _Cu^2_e^ _E⁰＝－0.15 V，

則_Cu^自身氧化還原反應之_E⁰值為若干？

Ans ： 0.37V

【範例 8】

已知_{Zn Co} ^2 _Zn^2 _Co、_{Fe Co} ^2 _Fe^2_Co，而Fe與_Zn^2不反應，則下列何者正確？

(A)氧化力：_Co^2＞_Fe^2＞_Zn^2 (B)還原力：Zn＞Co＞Fe (C)氧化力：_Zn^2＞_Fe^2＞_Co^2 (D)還原力：Fe＞Co＞Zn。

Ans ： A

【範例 9】

若金屬_A可溶於B₍²_aq^₎，而不溶於E₍²_aq^₎；_B可溶於C₍²_aq^₎；C不溶於A₍²_aq^₎中，而可溶於D₍²_aq^₎中；

則：

(A)E可溶於B₍²_aq^₎及D₍²_aq^₎中 (B)B可溶於D₍²_aq^₎中

(C)B及_D皆可使A₍²_aq^₎還原為金屬_A (D)氧化力最大者為B(²aq^) (E)還原力大小次序為：E＞A＞C＞D＞B。

Ans ： AB

【範例 10】

已知下列各氧化電位：(未平衡)

CuCu2^ _E⁰＝－0.34 V；I^ I₂ E⁰＝－0.53 V；AgAg^ _E⁰＝－0.80 V；

E0＝－1.06 V；Cl^ Cl_{2 E}⁰＝－1.36 V；Mn^2 MnO₄^ _E⁰＝－1.52 V。

下列何者能氧化_I^但不能氧化_Cl^？ (A)Br2 (B)Ag^ (C)MnO₄^ (D)Cu^2。

Ans ： AB

【範例 11】

下列金屬各一對相接觸，浸於稀硫酸，電子流動由右金屬流往左金屬者為何？

(A)鋅－銀 (B)錫－鐵 (C)銀－錫 (D)鐵－鋅 (E)銅－鋅。

Ans ： BCDE

【範例 12】

下列反應不發生者為？

(A)2NaI Br ₂ 2NaBr I ₂ (B)2NaI Cl ₂ 2NaCl I ₂ (C)2NaBr Cl ₂ 2NaCl Br ₂ (D)2NaF Br ₂ 2NaBr F ₂。

Ans ： D

【範例 13】

下列組合中何者會發生反應？

(A)Zn CaCl ₂ (B)Ca AlCl ₃ (C)Al CuCl ₂ (D)I₂CaCl₂ (E)Br₂MgI₂。

Ans ： BCE

【範例 14】

下列反應在常溫而不另外加其它能量之情形下，何者不易向右方進行？

(A)6CO2( )_g 6H O2 ( )_l C H O6 12 6(_aq)6O2( )_g (B)2FeCl3(_aq)2Fe( )_s 3Cl2( )_g (C)

2 ( ) 2( ) 2( )

2H O_l 2H _g O _g (D)Co( )_s Cu^2(1 )M Co(²_aq^)Cu( )_s (E)

2 2

( )_s (1 ) (_aq) ( )_s

Zn Ni ^ M Zn ^ Ni 。

Ans ： ABC

【範例 15】

下列各物質水溶液100 mL 各滴入同一濃度KMnO4溶液(酸性)2、3 滴時，不使MnO₄^之紫紅色 消失者為何物？

(A)Na SO_{2 4} (B)FeSO₄ (C)NaHSO₃ (D)H S₂ (E)NaF。

Ans ： AE

【範例 16】

若各離子濃度均為0.15 M，下列那一組離子不可能都以 0.15 M 共存於同一溶液中？

(A)Na^，NO₃^，_I^，NH₄^ (B)_K^，_Br^，_Li^，NO₃^ (C)_H^，_Cl^，_Na^，_OH^

(D)Na^，_CN^，NO₃^，_Ni^2 (E)Cr O_{2 7}^2，_Na^，_H^，_I^。

Ans ： CDE

【範例 17】

在標準狀況下，下列各混合物何者不進行化學變化？

(A)CuCl2(aq)F2( )g (B)Zn( )s CuCl2(aq) (C)ZnF2(aq)Co( )s (D)Ag(^aq)CuCl2(aq) (E)

2(aq) 2(aq)

NiCl ZnBr 。

Ans ： CE

【範例 18】

以下各組溶液(濃度皆為 1 M)以所附資料之容器儲存，何項不妥當？

(A)HCl Cu ( ) (B)KI Zn ( ) (C) Fe(NO3)2 (Zn) (D)Mg NO( _{3 2}) ( )Al 。

Ans ： C

【範例 19】

已知_Fe^2_Fe^3_e^，_E⁰＝－0.77 V，

2 2

FeFe ^ e^，_E⁰＝+0.44 V，

2 2

NiNi ^ e^，_E⁰＝+0.25 V，則下列敘述何者正確？

(A)鎳製容器可以儲存 1 M _Fe^3溶液，但不適於儲存1 M _Fe^2溶液。

(B)鎳製容器可以儲存 1 M _Fe^2溶液，但不適於儲存1 M _Fe^3溶液。

(C)鎳製容器可以儲存 1 M _Fe^3溶液或1 M _Fe^2溶液。

(D)鎳製容器不可以儲存 1 M _Fe^3溶液，或1 M _Fe^2溶液。

Ans ： B

【範例 20】

將鋅片及銅片分置於同一杯稀硫酸中，並在液外以電線連接兩金屬上端。以下何者為正確？

(A)鋅不溶解，但鋅片上有H₂氣發生 (B)銅溶解，並在銅片上有H₂氣發生 (C)銅不溶，其銅片上亦無H₂發生

(D)鋅片溶解，而銅片不溶，但在鋅片及銅片上都有H₂發生。

Ans ： D

【範例 21】

對一氧化還原之Δ_E⁰而言，下列敘述何者正確？

(A)Δ_E⁰＞0，則反應向右可自然發生 (B)Δ_E⁰越大則平衡常數K 越大

(C)Δ_E⁰值越大，反應速率越快 (D)方程式各係數加倍後，Δ_E⁰值亦應加倍 (E)電位值與溫度無關。

Ans ： AB

【範例 22】

有關半電池及電化電池(可放電)的下列敘述中，何者正確？

(A)半電池的標準還原電位以E H⁰( ^H₂)＝0.00 V 為標準 (B)所謂標準狀態是氣體分壓為 1 atm，25℃，離子濃度 1 M (C)所謂標準狀態是氣體分壓為 1 atm，0℃，離子濃度 1 N (D)二個半電池構成一個電化電池時，還原電位較高的是正極 (E)電化電池的正極就是陽極。

Ans ： ABD

【範例 23】

鋅銅電池的反應可表示為Cu₍²_aq^₎Zn_{( )s} Cu_{( )s} Zn₍²_aq^₎，Δ_E⁰＝1.1 伏特。下列有關此電池的敘 述，何者正確？

(A)鹽橋的功用在聯結二電極間的電路 (B)陽極可析出銅

(C)電池用完時，電位差為 0 伏特 (D)電池反應達到平衡狀態時，電壓＝0

(E)Cu(²_aq^)2e^ Cu( )_s ，_E⁰＝0.34 伏特，所以2Cu(²_aq^)4e^ 2Cu( )_s ，_E⁰＝0.68 伏特。

Ans ： AD

【範例 24】

在A、B、C、D 四燒杯中各放 30 毫升 1 M 的硫酸鋅、硫酸鎳、硫酸銅及硝酸銀，依序以碳棒、鎳 片、銅片、碳棒為電極，構成四個半電池，問那兩個半電池所組成的化學電池，其電位差最 大？試繪簡圖顯示化學電池之組合情形，並標明各部分名稱，注意伏特計之兩端應標示(+) (－)。

Ans ： 略

【範例 25】

依下列數據，回答有關「秒錶反應」(clock reaction)的問題：

3 2 2

6 5 1 3

IO^ H^ e^ 2I  H O _E⁰＝1.20 V

3 6 6 3 2

IO^ H^ e^ I^ H O _E⁰＝1.09 V

2 2 2

I  e^  I^ _E⁰＝0.53 V

2

4 3 2 3 2

SO ^ H^ e^HSO^H O _E⁰＝0.11 V。

(1)IO₃^會先與HSO₃^作用產生_I^。試寫出此反應的反應方程式。此反應為何自然發生？

Δ_E⁰為若干伏特？

(2)當HSO₃^耗盡時，過量的IO₃^又與_I^作用產生I₂，I₂再與澱粉作用，使溶液顯出藍色。

試寫出IO₃^與_I^產生I₂的反應方程式。此反應的Δ_E⁰為若干伏特？

(3)I2能氧化HSO₃^否？試寫出其反應方程式，並以Δ_E⁰說明之。

(4)在酸性溶液中，HSO₃^的還原能力較_I^為強，其理由為何？

Ans ： (1)0.98V(2)0.67V

(b) 反應向反應物方向進行之趨勢增大，電池電壓 。

(c)電壓：

【範例 29】(參考)

有關右圖電池的問題，下列敘述何者正確？

(A)此組電池沒有電流，伏特計指針為零 (B) A 為陽極，B 為陰極。電流由BA (C) A 為陰極，B 為陽極。電流由AB

(D)此組電池放電後，電壓逐漸降低，最後兩燒杯內 A 中之[Ag^]大於B 中之[Ag^]

(E) B 為正極，A 為負極，電流由AB。

9. 雙電池 (1) 定義：

(2 ) 種類：(a) (b)

(3) 電壓求法：(a) (b)

【範例 30】

(1) 正向聯接(順接)

已知：Zn( )_s Zn(²_aq^)2 e^ E⁰＝0.76 V

Ni( )_s Ni(²_aq^)2 e^ E⁰＝0.25 V

Ag Ag

AgNO_3(aq) AgNO_3(aq)

1.0 M 0.001 M

A B

V

Ag( )_s Ag(^_aq)e^ E⁰＝-0.80 V a 圖：

b 反應式：

A：

B：

A＋B：

C：

D：

C＋D：

全反應電壓：

(2) 逆向聯接(逆接) a 圖：

b 反應式：

A：

B：

A＋B：

C：

D：

C＋D：

全反應電壓：

【範例 31】

已知Cu_{( )s} 2Ag₍^_aq)Cu₍²_aq^₎2Ag_{( )s} E⁰＝0.46 V ；

2 2

( )s (aq) (aq) ( )s

Zn Cu ^ Zn ^ Cu E⁰＝1.10 V。

若將Cu Ag ^電池及_{Zn Cu} ^2電池的銅極與銅極以導線相聯，鋅極與銀極以導線相聯。

(1)雙電池之淨電位為 伏特。

(2)電子由 極流向 極。

(3)雙電池之淨反應為：

(4)Cu Ag ^電池中，銅半電池內電解液顏色漸呈 。 _{Zn Cu} ^2電池中，銅半電池內電解液顏色漸呈 。

(5)若Ag極重量增加1.08 克，則Cu Ag ^電池中銅極重量 。_{Zn Cu} ^2電池中銅極重量

，外線路中通過電量為 庫倫。(原子量：Cu＝64、Ag＝108)

Ans ： (1)1.56V(2)Zn ， Ag(3) 略 (4) 藍色，淺至無色 (5) 變小，變大， 965

【範例 32】

下列四個半電池分別由該金屬棒插入於1 M 之該金屬離子溶液而成，其氧化電位如下：

甲：_E⁰(_{Cr Cr} ^3) ＝0.74 V，乙：_E⁰(_{Fe Fe} ^2) ＝0.44 V，

丙：_E⁰(_{Ni Ni} ^2) ＝0.25 V，丁：_E⁰(_{Cu Cu} ^2) ＝-0.34 V。

若兩兩相連接構成兩個電池後，又彼此連接而成雙電池，則下列何者為真？

(A)欲得最高電壓有二種連接法 (B)欲得不同之總電壓有三種連接法 (C)欲得最低電壓有二種連接法 (D)最高電壓為 1.27 V

(E)最低電壓為 0.29 V。

Ans ： ABCDE

由範例可得結論：

四個半反應之氧化電位A＞B＞C＞D 組成雙電池 (1)組合數：

(2)電壓種類：

(3)最高電壓：

(4)中間電壓：

(5)最低電壓：

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ 牛 刀 小 試 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

01. 鹵素離子之標準氧化電位(單位：伏特)各為_F^：－2.87，_Cl^：－1.36，_Br^：－1.07，

I^：－0.53，就鹵素元素及鹵素離子間之反應而言，當最強氧化劑與最強還原劑反應時 E0(伏特)應為？ (A)－2.34 (B)－1.51 (C) 2.34 (D) 4.86。

02. Au3K(^_aq) Au(³_aq^)3K _E⁰＝－4.43V，下列敘述何者為正確？

(A)Au是比_K更強的還原劑 (B)K(^aq)的氧化力大於Au₍³_aq^₎

(C)Au(³aq^)是比K₍^_aq)更強的氧化劑 (D)在標準狀況下，反應從左向右進行。

03. A，B，C 三種金屬，A 與 B 同時浸入稀硫酸中，並以導線連接，則 A 為正極。C 之硝酸 鹽的水溶液中放入B，則 B 之表面析出 C。但 C 不溶於稀酸中，則 A，B，C 可能依次為 (A)Mg，Fe，Ag (B)Ca，Zn，Cu (C)Zn，Mg，Ag (D)Fe，Zn，Cu

(E)Al，Fe，Pt (F)Al，Zn，Pt。

04. 已知_Cu^2 ⁰ ^.153^V Cu^{ 0 .521V} Cu，_Fe^3  ^0.771^V Fe^{2  0.44V} Fe，則何者可發生自身氧化還 原反應？(A)_Cu^ (B)_Fe^2 (C)_Cu^及_Fe^2 (D)均不能。

05. 在 25℃物質濃度 1 M 的條件下，混合下列各組物質，何者不進行化學變化？

(A)CuCl₂ Br₂ (B)CuCl₂Zn (C)CuCl₂ Ag (D)CuCl₂AgNO₃ (E)CuCl₂ ZnBr₂。

06. 1 M Fe SO₂( _{4 3}) 溶液可貯藏於下列何種金屬製的容器中？ (A)鎳 (B)銀 (C)鋁 (D)鋅。

07. 下列敘述正確者為何？

(A)H O_{2 2}當氧化劑時產生O2 (B)H O_{2 2}的酸性溶液會使KI 的澱粉溶液呈藍色 (C)H O_{2 2}的氧化力在鹼性中比在酸性中強 (D)H O_{2 2}的還原力隨溶液pH 增大而降低。

08. 下列各物質，何者可在室溫下與水反應生成H₂？ (A)Ca (B)Mg (C)Fe (D)K。

09. 化學反應方程式，平衡時反應物與生成物的係數，與下列何者無關？

(A)反應次數 (B)反應速率常數 (C)平衡常數 (D)反應熱 (E)Δ_E⁰。

10. 鉛與銀的標準還原電位分別為_E⁰(_Pb^2_Pb)＝－0.13 伏特，_E⁰(Ag^Ag)＝+0.80 伏特，

若以銀和鉛為兩極所構成的電化電池，在標準狀態下其電動勢為？

(A) 0.67 伏特 (B) 0.93 伏特 (C) 1.47 伏特 (D) 1.73 伏特。

11. 已知還原電位如課本，下列敘述何者錯誤？

(A)Cl2( )_g 2Br(^_aq)可反應產生Br_{2( )l} 2Cl₍^_aq)

(B)Cu( )_s 2H(^_aq)可反應產生Cu₍²_aq^₎H_{2( )g}

(C)3Fe^2可自身氧化還原產生Fe_{( )s} 2Fe^3

(D)_Cu^2_Cu半電池與_Al^3_Al半電池組成的電池電位為2.0 伏特，且知銅為陰極，則

3

3 ( )_s

Al ^ e^ Al 的_E⁰＝－1.66 伏特。

12. 在 A、B、C、D 四個燒杯中各放 30 mL 之 1 M ZnSO₄，NiSO₄，CuSO₄，AgNO₃依序以鋅 片、鎳片、銅片、銀片為電極，構成四個半電池，並附有鹽橋，電錶及正負極的標示：

(1)繪圖顯示由那兩個半電池所組成之電化電池可得最大電位差。

(1)繪圖顯示由那兩個半電池所組成之電化電池可得最大電位差。

在文檔中 高三選修化學(上)第五章氧化還原 (頁 24-47)