标准电极电位的定义及应用  

一、标准氢电极作为参考  

在电化学中，标准氢电极 (SHE, Standard Hydrogen Electrode)被定义为零电位电极，即其电极电位 E_SHE = 0 V。将氢电极作为参照基准，我们可以测量其他电极的电位，称之为 电极电位。

当测量是在标准状态下进行时，我们定义的电位差即为标准电极电位 (E⁰)。例如，E⁰ _Ce⁴⁺_/Ce³⁺ = 1.61 V 表示 Ce⁴⁺/Ce³⁺ 相对于 SHE 的标准电位差（见图 3）。

二、电极电位和氧化还原反应的趋势  

在原电池中，当与外部电路接通时，电子从电势较低的半电池流向电势较高的半电池，通常左侧电极为氧化反应，右侧电极为还原反应。这说明右侧半电池更容易接受电子，因而 电极电位反映了物质接受电子的倾向。电位越高，接受电子的趋势越强 (更容易被还原)。

三、理解电极电位的正负值  

电极电位 E 的值越正，表明氧化态物质是强氧化剂，更容易被还原；相反，E 的值越负，表明还原态物质是强还原剂，更容易被氧化。当两个半电池连接组成电池时，电池的总电动势为：

E_cell = E_正 - E_负 > 0    

因此，电极电位的正负值大小对于设计和判断氧化还原反应方向至关重要。

四、Ag/AgCl 电极反应示例  

Ag/AgCl 电极反应示例：银氯化银 (AgCl) 固体接受一个电子被还原为银 (Ag)，并释放出氯离子：

AgCl (s) + e^- → Ag(s) + Cl^-

由于单一半反应电位无法直接测量，Ag/AgCl 电极电位通过与 SHE 组成的 Harned 电池 得到。如下式所示：

2H⁺(aq) + 2e^- → H₂(g)

图 4：Harned 电池电动势测量示意图。电池总反应为上述两反应的组合，电动势为 E_AgCl/Ag。

五、AgCl/Ag 标准电极电位  

在标准状态下，AgCl/Ag 电极的标准电极电位为：    

E⁰ (AgCl/Ag) = 0.2223 V

标准电极电位是指在标准条件下显示的电动势 (E⁰)，即该电池的总电势。该值对于判断氧化还原反应的进行方向非常有帮助。

六、标准电极电位的实际应用  

标准电极电位不仅是电化学研究中的一个基本概念，还在多个领域有着广泛的实际应用。以下为一些重要的应用实例：

1. 电化学电池设计  

通过了解不同金属和离子的标准电极电位，可以设计出如锂电池、镍镉电池等具有不同电势和特性的电池。这些电池在日常生活中的应用极为广泛，例如用于手机、笔记本电脑和电动汽车。

2. 金属防腐与保护  

电极电位还用于判断材料的腐蚀性。通常，将容易腐蚀的金属与电位更负的金属接触以实现阴极保护。例如，铁管外表面包裹锌以防止腐蚀。

3. 电镀工艺  

电镀工艺中选择不同的金属电极进行电解，将金属离子还原镀在物体表面。电极电位有助于选择合适的金属和电解条件。

七、延展知识点：能斯特方程    

在实际的化学反应中，标准电极电位并不是唯一的考量指标。当考虑非标准条件时，可以使用 能斯特方程 (Nernst Equation) 来计算电极电位。能斯特方程考虑了电极电位随反应物浓度变化的关系，如下：

E = E⁰ - (RT / nF) ln Q

其中：E 是电极电势；E0是标准电极电势；R 是气体常数（8.314 J/(mol·K)）；T 是温度（单位为开尔文，K）；n 是电池反应中转移的电子数；F 是法拉第常数（96485 C/mol）；Q 是反应商，等于反应物和生成物活度的比值。

在实际应用中，能斯特方程有助于我们理解化学反应的动态过程，并且在实际生产和生活实践中也有重要作用，如在电池的电动势计算、电解质溶液的pH值测定等方面。此外，能斯特方程还与电化学反应的吉布斯自由能变化相关联，可以用来推导出反应的速率和平衡条件。

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电化学基础知识专栏：第一期 关于氧化还原反应、原电池和电解池

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