氧化還原反應、化學電池和電解 / 子課題
簡單化學電池中的反應
Reactions in Simple Chemical Cells
雙金屬電極電池、鹽橋功能、半電池 EMF 量度及半反應式書寫
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 簡單電池的結構
考評提示：雙金屬電極與電解質、鹽橋、半電池組合
- 簡單電池組成：兩種不同金屬電極 + 一種電解質（如稀硫酸）；電子從較活潑金屬（負極）經外電路流至較不活潑金屬（正極）。
- 單一電解質電池的問題：正極處生成的氣體（如 H₂）可能附於電極阻礙反應；溶液混合會導致電壓不穩。
- 半電池 (half-cell)：將金屬浸於其離子溶液中（如 Zn│Zn²⁺(aq)）；兩半電池透過鹽橋連接構成完整電池。
- 鹽橋／多孔裝置功能：容許離子流動以完成電路、保持兩半電池電中性，並防止兩種電解質直接混合。鹽橋常用 KNO₃ 或 KCl 飽和溶液（不與電極反應）。
- 量度 EMF：用高阻抗伏特計連接兩電極，正極接伏特計正端讀數為正值（即電池 EMF）。不同金屬對給出不同電壓，因兩者電化序位置差距不同。
2. 半反應式與總反應式
考評提示：負極氧化、正極還原；電子流向預測
- 負極（較活潑金屬）發生氧化，釋出電子：M(s) → Mⁿ⁺(aq) + ne⁻；正極（較不活潑金屬或其離子）獲電子發生還原。
- 例：Zn│Zn²⁺(aq)∥Cu²⁺(aq)│Cu 電池——負極 Zn → Zn²⁺ + 2e⁻；正極 Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu；總反應 Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu；EMF ≈ 1.10 V。
- 電子流動方向：外電路由負極（較活潑金屬）流向正極；電池內部由正離子向正極、負離子向負極移動（透過鹽橋）。
常見題型 · scoring points
描述如何用鋅片、銅片及稀硫酸組裝簡單化學電池並量度電壓
- 將鋅片和銅片分別浸入盛有稀硫酸的燒杯中，注意兩電極不接觸。
- 用導線及高阻抗伏特計連接兩金屬片，伏特計正端接銅片。
- 觀察：鋅片逐漸溶解（氧化），銅片表面產生氣泡（H₂）；伏特計讀出約 1.1 V 的 EMF。
- 改變金屬對（如 Mg-Cu、Zn-Ag）可觀察到不同電壓，因兩金屬電化序位置差距不同。
解釋單一電解質電池面對的問題及如何用鹽橋解決
- 問題一：在正極處 H⁺ 被還原產生 H₂ 氣體，氣泡覆蓋電極表面，增加內阻，令電壓隨時間下降。
- 問題二：兩金屬離子直接混合影響反應進行，電池壽命短。
- 解決方法：將兩金屬改為半電池形式（金屬浸於自身鹽溶液），以鹽橋連接。
- 鹽橋提供離子路徑以完成電路、保持兩半電池電中性，同時防止兩溶液直接混合。
書寫 Zn│Zn²⁺(aq)∥Cu²⁺(aq)│Cu 電池的半反應式及總反應式
- 負極（鋅半電池，氧化）：Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻。
- 正極（銅半電池，還原）：Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)。
- 總電池反應式：Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)。
- EMF 約 1.10 V；電子從鋅電極經外電路流向銅電極。
解釋鹽橋的功能並說明選用 KNO₃ 的原因
- 功能一：容許離子移動完成電路，讓電流持續流動。
- 功能二：保持兩半電池電中性——陽離子流向還原半電池、陰離子流向氧化半電池。
- 選用 KNO₃：K⁺ 和 NO₃⁻ 不會與電極金屬或電解質發生反應或沉澱。
- 亦可用飽和 KCl，但若半電池含 Ag⁺ 會產生 AgCl 沉澱阻塞鹽橋，則不適用。
預測 Mg│Mg²⁺(aq)∥Cu²⁺(aq)│Cu 電池的電子流方向及電壓大小
- Mg 在電化序中位置比 Cu 高得多，活潑性遠大於 Cu。
- 負極為 Mg 半電池：Mg → Mg²⁺ + 2e⁻；正極為 Cu 半電池：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu。
- 電子從 Mg 電極經外電路流向 Cu 電極。
- 電壓比 Zn-Cu 電池更高（約 2.7 V），因 Mg 與 Cu 在電化序位置差距較大。
描述量度化學電池 EMF 的正確實驗程序
- 儀器：高阻抗數位伏特計（減少電路中電流以接近真實 EMF）。
- 步驟：先組裝兩個半電池及鹽橋，確保電極不被氧化污染。
- 將伏特計兩端分別連接兩金屬電極，正端接預期的正極。
- 在電流極小情況下讀取穩定讀數；若讀數為負值，表示正負極接反，調換即可。
解釋為何使用不同金屬對作電極會產生不同電壓
- 電池電壓大小取決於兩電極間還原傾向的差距。
- 在電化序中位置相差越遠，兩金屬的還原電位差越大，產生的 EMF 越高。
- 例：Mg-Cu 電壓 (~2.7 V) > Zn-Cu (~1.1 V) > Fe-Cu (~0.8 V)。
- 若兩金屬在電化序位置相同或非常接近（如 Cu-Ag 間隔小），EMF 較小。
預測 Zn│Zn²⁺(aq)∥Ag⁺(aq)│Ag 電池內部變化及電子流
- 電子流：外電路由鋅電極流向銀電極（鋅較活潑）。
- 負極（氧化）：Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻，鋅電極質量減少，Zn²⁺ 濃度上升。
- 正極（還原）：Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s)，銀電極質量增加，Ag⁺ 濃度下降。
- 鹽橋內：K⁺ 流向銀半電池以平衡減少的正電荷，NO₃⁻ 流向鋅半電池以平衡新增的正電荷。
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關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
