課程：酸化還元反応（標準電極電位）

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半反応のエネルギーバランスと標準電極電位
- 　電子のもつエネルギーを考慮して半反応式のエネルギーバランスを考えましょう。
  　ところで、電荷（電子など）があるところには電場が生じ、その電荷は、電場の電位に応じたエネルギーをもっています。
  ややこしい説明はどうでもよいから、
  「ある電位E (V or J/C)にある電荷量q (C)は、q・Eのエネルギー(J)をもつ」
  「1モルの電子(e^－)の電荷量(C)の絶対値は96485 (C/mol)であり、これをファラデー定数(F)とよぶ」
  を覚えること。
  
  これもややこしいから、以下の式だけは必ず覚えること。
  
  「n モルの電子がもつエネルギー」＝　－n・F・E
  
  　F：ファラデー定数96485 (C/mol)、E：電位(V or J/C)
  
  　ファラデー定数は、1モルの電子が持つ電荷量の絶対値です。電子はマイナス電荷なので、マイナスのエネルギーを持ちます。したがって、上の式では電位にファラデー定数をかけて、マイナスをくっ付けているのです。
  
  ※電子は負電荷だから、エネルギーの式にはマイナスがつくことを忘れない。
- 半反応の標準電極電位を求める例題
  
  　有機物酸化の半反応①で移動する電子4e-に生じる電位をE_①(V)とします。
  　ボルト（V）の単位は（J / C）と換算できます。J（ジュール）はエネルギーの単位、C（クーロン）は電荷量の単位です。1モルの電子がもつ電荷量の絶対値は、ファラデー定数（F）96485 (C / mol)で与えられます。
  　したがって、半反応式①の電子4e^-がもつエネルギーは、－4・F・E_① (J)です。
  　この電子がもつエネルギーを含めて、各物質の標準生成ギブズエネルギーを半反応式の下に記し、半反応の左辺と右辺でエネルギーがバランスする式を解きます。
  
  
  有機物酸化の半反応の標準電極電位
  
                                            （原形）                          （生成形）
  
  ①                        CO₂ +   4H⁺   +   4e- =   CH₂O    +     H₂O
  
  G_f⁰ (kJ/mol)        －385        0   －129.7      －237.18
  
  電気エネルギー(J)                           －4FE_①
  
  左辺と右辺の合計エネルギーがバランスする式：
  －385・10³　－4FE_①    =   －129.7・10³ －237.18・10³
  
  未知数 E_① を求めます。
  
  E_①    = (－129.7・10³ －237.18・10³＋ 385・10³)／(－4・96485) = －0.05 (V)
  
  　これは、左辺（原形）と右辺（生成形）の標準生成ギブズエネルギーの合計差（生成形－原形）が4電子に与えられることを意味します。酸化還元反応では、この電子に与えられたエネルギーを使って化学結合を組み直すのです。
  　そのエネルギーから計算される電位（E_①）を、その半反応の標準電極電位とよびます。標準生成ギブズエネルギーは物質に固有の値を持つので、半反応式ごとに固有の標準電極電位をもつのです。
- 酸素呼吸において、
  酸素分子が還元される半反応式②の標準電極電位を求めます。
  
  
  酸素呼吸（酸素還元）
  
  ②          　　　　　 O₂ 　+ 　4H⁺ 　　+　4e^- 　　= 　　 2H₂O
  
  G_f⁰ (kJ/mol)        　　0         0                                 2（－237.18）
  
  電気エネルギー(J)                             －4FE_②
  
  エネルギーバランス：－4FE_②　＝ 2（－237.18・10³）
  
  E_② = 2（－237.18・10³）／ (－4・96485) = 1.23 (V)
- 硫酸還元の半反応の標準電極電位を求めます。
  
  
  硫酸呼吸（硫酸還元）
  
  ④                    SO₄^2-   +   10H⁺   + 8e^-   = H₂S   +   4H₂O
  
  G_f⁰ (kJ/mol) 　　－744.5                  0                      －27.78    4(－237.18)
  
  電気エネルギー(J)                             －8FE_④
  
  エネルギーバランス：－744.5・10³－8FE_④　＝　－27.78・10³－4・237.18・10³
  
  E_④ = （－27.78・10³－4・237.18・10³＋744.5・10³）／ (－8・96485) = 0.30 (V)
  
  ※ギブズエネルギーの単位にキロ(k)がついているので、1000倍することを忘れない

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半反応の標準電極電位を求める例題

酸素分子が還元される半反応式②の標準電極電位を求めます。

硫酸還元の半反応の標準電極電位を求めます。