第 15 单元
氧化还原与电化学
铁生锈、电池放电、电镀与氯碱工业，背后都是电子从一种物质转移到另一种物质。这一单元从氧化数记账出发，学会配平氧化还原方程式，再用一张标准电极电势表算出电池的电压、自由能和平衡常数，理解浓度与 pH 如何改变电势、电解如何用电“逆推”反应，最后把全部数据画成拉蒂默图、弗罗斯特图和布拜图。
- 1 氧化数：给电子记账 甲烷燃烧时没有离子，电子却照样易手。一套优先规则给每个原子记上“形式电荷”，谁被氧化、谁被还原便一目了然。 25 分钟
- 2 配平氧化还原方程式：半反应法 MnO₄⁻ 氧化 Fe²⁺ 的方程式里凭空冒出 8 个 H⁺ 和 4 个 H₂O。把反应拆成两半，逐步配平原子和电荷，电子守恒会告诉你一切。 30 分钟
- 3 原电池与标准电极电势 把两个半反应隔开、让电子走导线，化学能就变成电能。一张标准电极电势表能算出任何电池的电压、ΔG° 和平衡常数。 30 分钟
- 4 能斯特方程：浓度和 pH 改变电势 浓度每变十倍，电势移动 59/n mV；每消耗一个 H⁺，pH 每升一个单位电势就降一截。pH 计和浓差电池都是这条对数规律的应用。 30 分钟
- 5 电解：用电推动反应 给反应加一个足够大的外电压，它就会逆着自发方向进行。哪种物质在电极上反应取决于电势和过电势，产量由法拉第定律决定。 30 分钟
- 6 过电位与电极反应速率 为什么在汞上放出氢气比在铂上多要一伏多？用塔菲尔 1905 年的原始数据画塔菲尔图，求出传递系数和交换电流密度，再用巴特勒–福尔默方程看电位怎样控制电极反应的速率。 30 分钟
- 7 电池：储存电荷的化学 电压来自吉布斯能，容量来自法拉第定律：由化学式算出石墨、钴酸锂和磷酸铁锂的理论容量，看铅酸电池怎样消耗硫酸，再用格子气模型解释磷酸铁锂平坦的放电平台。 30 分钟
- 8 氧化态地图：拉蒂默图、弗罗斯特图与布拜图 为什么水溶液里没有 Cu⁺？为什么氯气在碱里变成漂白剂？为什么铁会生锈而铜屋顶经久不坏？同一张电势表，换三种画法就能回答。 35 分钟