第 7 章 氧化还原平衡 ==================== **摘要**：本章重点讨论涉及电子转移的化学平衡（氧化还原反应）；介绍了一种系统的方法来识别电子转移并配平氧化还原反应方程式；说明了氧化还原电位与能斯特方程与吉布斯自由能之间的关系。 **关键词**：电子接受体 · 电子给予体 · 氧化还原电位 · 能斯特方程 · 氧化值 --- ## 7.1 氧化还原平衡引论 氧化还原反应涉及电子从**电子给予体**（还原剂）转移到**电子接受体**（氧化剂）。电子给予体（还原剂）被氧化，而电子接受体（氧化剂）则被还原。这个"还原剂被氧化"和"氧化剂被还原"的表述可能会造成混淆。为了尽量减少误解，在接下来的讨论中，我们将避免使用还原剂和氧化剂这两个术语，限制使用氧化和还原这两个术语。 电子转移与能量转移相关，并为地球上大多数生命的生存提供了基础。异养生物，包括人类、利用有机物（电子给予体）与电子接受体（氧气）结合，进行呼吸作用，释放出用于维持和生长的能量。一些微生物（例如化能自养或化能异养生物）利用矿物质如黄铁矿（$\mathrm{FeS_2}$）或还原气体如甲烷（$\mathrm{CH_4}$）作为电子给予体，在电子转移到电子接受体（氧气、金属氧化物或硫酸盐）时生成能量。还原物质（有机物、铁硫化物）暴露于大气氧气中（氧化风化）不仅会导致电子的转移（氧化作用），还会释放质子。一个极端的例子是酸性矿山废水（acid mine drainage）：金属硫化物的氧化导致质子的释放，从而营造酸性条件。黄铁矿（$\mathrm{FeS_2}$）是矿山废物的主要成分，与氧气反应： $$ 4\mathrm{FeS_2} + 15\mathrm{O_2} + 10\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\mathrm{FeOOH} + 8\mathrm{SO_4^{2-}} + 16\mathrm{H^+} $$ 在这个反应中，每 mol 的 $\mathrm{FeS_2}$ 被氧化会产生 4 个电子，使得反应环境变酸。 ## 7.2 识别电子转移与配平氧化还原反应方程式 氧化还原反应会改变物质的**氧化值**。**氧化值**（oxidation number）或**氧化态**（oxidation state）是一个假想的原子电荷，假设它与其他原子的所有键均为离子键。氧化值量化了电子的过剩或短缺。氧化值是整数，因为只有离散的电子才能被转移注①。确定氧化值的规则如下： 1. 单质中元素的氧化值为零。 2. 单原子离子中的原子氧化值等于该离子的电荷，例如：$\mathrm{Ca^{2+}}$、$\mathrm{Fe^{3+}}$、$\mathrm{F^-}$。 3. 氧在化合物中的氧化值一般为$-2$，仅在$\mathrm{OF_2}$中为$+2$；在过氧化物（如$\mathrm{H_2O_2}$、$\mathrm{Na_2O_2}$等）中为$-1$；在超氧化物（如$\mathrm{KO_2}$）中为$-1/2$。 4. 氢在化合物中的氧化值一般为$+1$。仅在与活泼金属生成的离子型氧化物（如$\mathrm{NaH}$、$\mathrm{CaH_2}$）中为$-1$。 5. 碱金属和碱土金属在化合物中的氧化值分别为$+1$和$+2$；氟在化合物中的氧化值总是$-1$。 6. 在任何化合物分子中各元素氧化值的代数和等于零；在多原子离子中各元素氧化值的代数和等于该离子所带电荷数。 例如，在硫酸（$\mathrm{H_2SO_4}$）中，硫的氧化值为$+6$，而硝酸盐（$\mathrm{NO_3^-}$）和铵离子（$\mathrm{NH_4^+}$）中的氮的氧化值分别为$+5$和$-3$。给硫分配氧化值比较具有挑战性，因为在不同的分子中，硫的氧化值可能为$-2$、$-1$、$0$、$+3$、$+4$和$+6$。需要记住的是，这些氧化值是假设的，虽然看起来在硫代硫酸盐（$\mathrm{S_2O_3^{2-}}$）中，两个硫原子的氧化值为$+2$，而实际上一个硫的电荷为$-1$，另一个为$+5$。一些常见的含铁（$\mathrm{Fe}$）、锰（$\mathrm{Mn}$）和钛（$\mathrm{Ti}$）矿物中的元素具有混合氧化值：例如，在磁铁矿（$\mathrm{Fe_3O_4}$）中，两个铁原子的氧化值为$+3$，另一个为$+2$。 涉及电子转移的反应配平需要一个系统的方法，包括两个步骤：首先识别电子给予体和电子接受体，从而确定转移的电子数；然后配平各元素。有两种方法：**半反应法**（离子电子法），其中将氧化过程和还原过程分开，并在重新组合之前分别配平；以及**氧化值法**或**全反应法**。后者包括以下步骤： 1. 为方程中的每个原子分配氧化数，并将其写在原子上方。 2. 识别失去或获得电子的原子，即那些氧化数增加或减少的原子。 3. 识别左侧的电子给予体化合物和电子接受体化合物，并计算它们给予/接受的电子数。 4. 配平左侧的电子给予体化合物和电子接受体化合物。 5. 配平方程两边除了氧和氢以外的所有元素。 6. 通过添加水（$\mathrm{H_2O}$）来配平两边的氧元素。 7. 通过添加氢离子（$\mathrm{H^+}$）来配平两边的氢元素。 作为一个例子，考虑如下可能发生在地表沉积物或地下水中的反应： $$ \mathrm{FeS} + \mathrm{NO_3^-} \rightarrow \mathrm{FeOOH} + \mathrm{SO_4^{2-}} + \mathrm{N_2} $$ 首先，先把氧化值识别出来。氧和氢的氧化值分别是-2和+1，这里省去： $$ \begin{aligned} &+2 - 2\quad + 5\quad \quad + 3 \quad \quad \quad+ 6\quad \quad \ 0 \hfill \\ &\mathrm{FeS} + \quad \quad \mathrm{NO_{3}}^{ - } \to\mathrm{ FeOOH} + \mathrm{SO_{4}^{2 - }} + \mathrm{N_{2}} \hfill \\ \end{aligned} $$ Fe失去1个电子从+2价变为+3价，S失去8个电子从-2价变为+6价，N获得5个电子从+5价变为0价。因此，FeS失去9个电子（其中1个来自Fe，8个来自S）并获得5个电子（氮从+5价变为0价）。因此，配平左侧的电子给予体和电子接受体，意味着5个FeS与9个NO₃⁻反应。 $$ 5\mathrm{FeS} + 9\mathrm{NO_3^-} \rightarrow \mathrm{FeOOH} + \mathrm{SO_4^{2-}} + \mathrm{N_2} $$ 接下来的配平就是简单照抄上面的方法了。首先，我们配平Fe、S和N： $$ 5\mathrm{FeS} + 9\mathrm{NO_3^-} \rightarrow 5\mathrm{FeOOH} + 5\mathrm{SO_4^{2-}} + 4.5\mathrm{N_2} $$ 然后，我们在左边加上3个水分子以配平氧原子： $$ 5\mathrm{FeS} + 9\mathrm{NO_3^-} + 3\mathrm{H_2O} \rightarrow 5\mathrm{FeOOH} + 5\mathrm{SO_4^{2-}} + 4.5\mathrm{N_2} $$ 最后，在右边加一个质子来配平氢原子： $$ 5\mathrm{FeS} + 9\mathrm{NO_3^-} + 3\mathrm{H_2O} \rightarrow 5\mathrm{FeOOH} + 5\mathrm{SO_4^{2-}} + 4.5\mathrm{N_2} + \mathrm{H^+} $$ 一般来说，化学计量系数不为分数，所以将左右两边的化学计量系数同乘2，我们就得到了最终的方程式： $$ 10\mathrm{FeS} + 18\mathrm{NO_3^-} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow 10\mathrm{FeOOH} + 10\mathrm{SO_4^{2-}} + 9\mathrm{N_2} + 2\mathrm{H^+} $$ ## 7.3 氧化还原电位与能斯特方程 电子转移与能量转移相关。电化学电池将反应的吉布斯自由能转化为电能，反之亦然。原电池利用自发化学反应产生电，而电解反应则需要电能来驱动非自发反应。 将一条锌金属条浸入硫酸铜的水溶液中，锌条将变得更暗，因为铜沉淀形成，同时溶液的蓝色会褪去，因为自发反应消耗了有色的Cu²⁺： $$ \mathrm{Zn(s)} + \mathrm{Cu^{2+}(aq)} \rightarrow \mathrm{Zn^{2+}(aq)} + \mathrm{Cu(s)} \tag{7.1} $$ 锌（Zn）失去两个电子，这些电子被铜离子（Cu²⁺）接受，反应释放的能量以热的形式释放。如果电子失去（氧化）和电子获得（还原）反应的部分物理意义上分开，但通过导线和盐桥注②连接，以维持电荷平衡，那么由于电位差（E，以伏特V表示），电流将通过导线流动。 电化学家将氧化还原反应分为两个半反应或两个半电池，一个用于氧化过程，一个用于还原过程。对于反应7.1，这些半反应为： $$ \mathrm{Zn(s)} \rightarrow \mathrm{Zn^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \quad \text{氧化过程（失电子反应）} \tag{7.2a} $$ 和 $$ \mathrm{Cu^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Cu(s)} \quad \text{还原过程（得电子反应）} \tag{7.2b} $$ 这些半反应的电位已经相对于原子/氢气的转化进行了测量，原子/氢气的电位已被设定为0伏特，无论是还原还是氧化反应： $$ 2\mathrm{H^+(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{H_2(g)} \quad \text{还原过程（得电子反应）} \tag{7.3a} $$ $$ \mathrm{H_2(g)} \rightarrow 2\mathrm{H^+(aq)} + 2\mathrm{e^-} \quad \text{氧化过程（失电子反应）} \tag{7.3b} $$ 各种反应的**标准还原电位**$E^0$（standard reduction potentials）（电子在左侧，SATP条件下）已被列出，可以用来计算反应的氧化还原电位（见表7.1）。**氧化电位**（oxidation potentials）是还原电位的相反数。 | 还原半反应 | $E^0$ (V) | |:----------:|:--------:| | $\mathrm{Co^{3+}(aq)} + \mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Co^{2+}(aq)}$ | +1.82 | | $\mathrm{H_2O_2(aq)} + 2\mathrm{H^+} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow 2\mathrm{H_2O(l)}$ | +1.78 | | $\mathrm{Ce^{4+}(aq)} + \mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Ce^{3+}(aq)}$ | +1.72 | | $\mathrm{Mn^{3+}(aq)} + \mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Mn^{2+}(aq)}$ | +1.51 | | $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}(aq)} + 14\mathrm{H^+} + 6\mathrm{e^-} \rightarrow 2\mathrm{Cr^{3+}(aq)} + 7\mathrm{H_2O(l)}$ | +1.33 | | $\mathrm{Ag^+(aq)} + \mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Ag(s)}$ | +0.80 | | $\mathrm{Fe^{3+}(aq)} + \mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Fe^{2+}(aq)}$ | +0.77 | | $\mathrm{Cu^{2+}(aq)} + \mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Cu^+(aq)}$ | +0.15 | | $2\mathrm{H^+} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{H_2(g)}$ | 0.00 | | $\mathrm{Pb^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Pb(s)}$ | -0.13 | | $\mathrm{Sn^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Sn(s)}$ | -0.14 | | $\mathrm{Co^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Co(s)}$ | -0.28 | | $\mathrm{Cd^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Cd(s)}$ | -0.40 | | $\mathrm{Fe^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Fe(s)}$ | -0.44 | | $\mathrm{Zn^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Zn(s)}$ | -0.76 | | $\mathrm{Mn^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Mn(s)}$ | -1.18 | | $\mathrm{Mg^{2+}(aq)} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Mg(s)}$ | -2.37 | > **表7.1** 25℃时的标准还原电位 例如，锌（Zn）和铜（Cu）的标准还原电位为： $$ \mathrm{Zn^{2+}} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Zn} \quad E^0 = -0.76 \, \text{V} \tag{7.4a} $$ $$ \mathrm{Cu^{2+}} + 2\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Cu} \quad E^0 = +0.34 \, \text{V} \tag{7.4b} $$ 这样，式7.1的总电位为：$(-0.76) + 0.34 = 1.1 \, \text{V}$，正电压表明该反应是自发的。氧化还原电位是一个强度变量，与物质的量无关，并且是可加的。 标准氧化还原电位$E^0$与标准吉布斯自由能通过**能斯特公式**注③（Nernst expression）相关联： $$ \Delta_r G^0 = -nFE^0 \tag{7.5} $$ 其中，$\Delta_r G^0$是反应的标准吉布斯自由能，$n$是转移的电子数，$F$是法拉第常数（1摩尔电子的电荷：96500库伦（C）每摩尔电子；1焦耳（J）=1伏特·库伦（V·C））。式7.5中的负号是必需的，因为自发反应的吉布斯自由能变为负，而氧化还原电位为正。因此，我们可以计算式7.1的吉布斯自由能： $$ \Delta_r G^0 = -nFE^0 = -2 \times 96500 \times 1.1 = -212 \, \text{kJ} $$ 由于$\Delta_r G^0$与温度$K$有关（式5.10），标准氧化还原电位也可与平衡常数建立联系： $$ K = \exp \left( -\frac{\Delta_r G^0}{RT} \right) = \exp \left( \frac{nFE^0}{RT} \right) \tag{7.6} $$ 类似于吉布斯自由能变，氧化还原电位也因温度和反应物的成分而变。对于吉布斯自由能，我们有式5.9： $$ \Delta_r G = \Delta_r G^0 + RT \ln Q $$ 其中$Q$是反应商。由于$\Delta_r G^0 = -nFE^0$，$\Delta_r G = -nFE$，所以： $$ -nFE = -nFE^0 + RT \ln Q $$ 两边同除以$-nF$，就得到了**能斯特方程**（Nernst equation）： $$ E = E^0 - \frac{RT}{nF} \ln Q = E^0 - \frac{2.303RT}{nF} \lg Q \tag{7.7} $$ 其中后一个等式是通过带入$\ln 10 = 2.303 \lg 10 = 2.303$得到的。 在25℃下，$\frac{2.303RT}{F}$一项的取值为0.0592V，所以， $$ E = E^0 - \frac{0.0592}{n} \lg Q \tag{7.8} $$ 回到最初的式7.1，如果$[\mathrm{Zn^{2+}}]$为0.5 mol/L，$[\mathrm{Cu^{2+}}]$为0.01 mol/L，那么其电位是： $$ E = E^0 - \frac{0.0592}{n} \lg Q = 1.1 - \frac{0.0592}{2} \lg \left[ \frac{\mathrm{Zn^{2+}}}{\mathrm{Cu^{2+}}} \right] = 1.05 \, \text{V} $$ 这个氧化还原反应是自发的。 我们最终总结出，不同化学分支间平衡常数的表述具有内在的一致性和可互换性。平衡常数可以通过以下方式推导得出： 化学热力学，即从纯相中得到的$\Delta_r G_f$（式5.10）：$K = \exp \left( -\frac{\Delta_r G^0}{RT} \right)$。 平衡时溶液的组成（式5.4）：$ K = \frac{C_{\mathrm{eq}}^\gamma D_{\mathrm{eq}}^\delta}{A_{\mathrm{eq}}^\alpha B_{\mathrm{eq}}^\beta}$。 氧化还原电位（式7.6）：$K = \exp \left( \frac{nFE^0}{RT} \right)$。 在所有变量一定的情况下，同一个反应的平衡常数有且只有一个。 ### 译者专栏 4 土卫二上的甲烷菌 二十世纪八十年代起，美国的旅行者号计划开始了对土星的研究，并于二十一世纪初启动卡西尼号土星探测项目。仅就探索土卫二（Enceladus）而言，至今已有诸多重大发现。根据探测结果，土卫二的表面主要是新鲜的冰，反照率很高，冰层下存在一个全球性的海洋。土卫二南极的喷发物是细小冰晶组成的羽流和水蒸气，除此之外还有二氧化碳和甲烷等多种碳氢化合物。人们还在其中发现了氨气和磷酸化合物等物质。这些物质都来自土卫二表面之下的海洋，可由微生物产生或被微生物用于生长。这让土卫二成为最有可能找到地外生命的场所（Postberg et al., 2023；李春辉，2024）。 在这一系列发现中，一个关键问题浮出水面：土卫二的环境能否为潜在的生命形式提供足够的能量支持？为了回答这一问题，地球系统科学家引入了一个热力学核心概念——**亲和势**（affinity）*A*。地球上产甲烷菌可以利用氢气和二氧化碳合成甲烷供给自身能量，其化学本质是利用反应的不平衡状态，就是这一亲和势。这一概念不仅揭示了化学反应的自发趋势，还为评估地外生命存在的可能性提供了定量工具。 亲和势的定义为： $$ A=RT(\mathrm{ln}K-\mathrm{ln}Q)\tag{7.9} $$ 其中，*K*是反应平衡常数，*Q*是实际环境中的反应商，*R* 和 *T* 分别为气体常数与温度。当 *A*>0：反应正向自发进行，可为生命代谢提供能量；当 *A*≫0：反应驱动力极强，暗示能量供给充沛，可能支持微生物生存。在地球环境下，产甲烷菌可以利用 *A*>10 kJ/mol 的反应亲和势来维持自身的生存。由于顶上厚厚的冰层，土卫二海洋的水温很可能保持着0摄氏度（273.15K）左右。所以现在我们需要分析的是平衡常数与反应商。 产甲烷的核心化学反应是： $$ \mathrm{CO}_2(aq)+4\mathrm{H}_2(aq)\to\mathrm{CH}_4(aq)+2\mathrm{H_2O}(l)\tag{7.10} $$ 探测实验结果显示，在0摄氏度条件下： $$ \Delta G_{\mathrm{CO}_{2}(aq)}^{o}=-383\mathrm{kJ/mol}\quad\quad\Delta G_{\mathrm{H}_{2}(aq)}^{o}=19\mathrm{kJ/mol} $$ $$ \Delta G_{\mathrm{CH}_{4}(aq)}^{o}=-32.5\mathrm{kJ/mol}\quad\quad\Delta G_{\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}(l)}^{o}=-235\mathrm{kJ/mol} $$ | 化学物质 | pH=9时的含量(单位：mol/kg) | pH=11时的含量(单位：mol/kg) | | :----------------: | :------------------------: | :-------------------------: | | CO2(aq) | $7\times10^{-5}$ | $1\times10^{-7}$ | | CH4(aq) | $3\times10^{-5}$ | $4\times10^{-8}$ | | H2(aq) | $1\times10^{-4}$ | $2\times10^{-7}$ | 回顾第4章，利用式4.6，我们来计算标准吉布斯自由能变$\mathrm{\Delta_r}G^{0}$： $$ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm{r}}G^{0} & =\left[\Delta G_{\mathrm{CH}_{4}(aq)}^{o}+2\times\Delta G_{\mathrm{H}_{2}0(l)}^{o}\right]-\left[\Delta G_{\mathrm{CO}_{2}(aq)}^{o}+4\times8\Delta G_{\mathrm{H}_{2}(aq)}^{o}\right] \\ & =\left((-32.5+2\times(-235)\right)-(-383+4\times19)=-195.5\mathrm{kJ/mol} \end{aligned} $$ 回顾第5章，利用式5.10b，计算出平衡常数*K*。注意上面的单位是kJ/mol，换到下面需要乘1000；下面的温度要采用热力学温度： $$ K=\exp\left(\frac{-\Delta_\mathrm{r}G^\mathrm{o}}{RT}\right)=2.426\times10^{37} $$ 在算反应平衡常数时，无论数值有多么惊人，都不妨碍我们继续算下去。接下来来算反应商，利用式5.3，分类讨论： 当pH=9时，注意纯液相的活度系数为1： $$ Q_1=\frac{\mathrm{C}^\gamma\mathrm{D}^\delta}{\mathrm{A}^\alpha\mathrm{B}^\beta}=\frac{[\mathrm{CH}_4]}{[\mathrm{CO}_2][\mathrm{H}_2]^4}=\frac{3\times10^{-5}}{7\times10^{-5}\times(1\times10^{-4})^4}=4.286\times10^{15} $$ 当pH=11时： $$ Q_{2}=\frac{\mathrm{C^{\gamma}D^{\delta}}}{\mathrm{A^{\alpha}B^{\beta}}}=\frac{[\mathrm{CH_{4}}]}{[\mathrm{CO_{2}}][\mathrm{H_{2}}]^{4}}=\frac{4\times10^{-8}}{1\times10^{-7}\times(2\times10^{-7})^{4}}=2.5\times10^{26} $$ 接下来套用式7.9，分别计算不同pH条件下的亲和势： $$ \mathrm{pH=9:}A_{1}=RT(\mathrm{ln}K-\mathrm{ln}Q_{1})=113754.089\mathrm{J/mol=113.754~kJ/mol>10~kJ/mol} $$ $$ \mathrm{pH=11:}A_{2}=RT(\mathrm{ln}K-\mathrm{ln}Q_{2})=57455.057\mathrm{J/mol}=57.455\mathrm{kJ/mol}>10\mathrm{kJ/mol} $$ 这一结果意味着，土卫二海洋中产甲烷反应的热力学驱动力极强，足以支撑微生物的代谢需求。即使环境pH升高至11，$A_{2}=57.455\mathrm{kJ/mol}>10\mathrm{kJ/mol}$，反应依然具备显著的能量优势。 尽管亲和势分析揭示了土卫二海洋中产甲烷反应等代谢路径的热力学可行性，但要真正验证生命的存在，还需跨越热力学的边界，整合多维度证据与探测技术。首先，生物标志物的特异性检测至关重要。例如，若土卫二的甲烷中12C/13C 同位素比值显著偏轻（与地球生物甲烷特征相似），或检测到脂类、核酸等复杂有机物，将成为生命活动的直接化学指纹。其次，环境参数的精细测绘也不可或缺。卡西尼号的数据虽提供了pH、温度等初步信息，但深海环境的局部波动（如热液喷口附近的温度梯度、离子浓度）可能对生命活动产生决定性影响，需通过未来着陆器或潜水探测器实现原位测量（Barge and Rodriguez, 2021）。此外，能量与物质的耦合机制亟待厘清：土卫二海洋中是否存在电子受体（如Fe3+）以支持氨氧化等需氧代谢？磷酸盐是否以溶解态存在，以供微生物合成ATP？这些问题需通过质谱、光谱分析及实验室模拟进一步解答（Postberg et al., 2023; Osorio et al., 2021）。热力学指明了方向，而多维数据的交织与实证，才是揭开土卫二生命之谜的最终钥匙。 无论如何，卡西尼号的探测揭开了土卫二的冰山一角，而亲和势分析则像一盏明灯，指引我们深入理解其隐藏海洋的能量本质。从产甲烷菌的热力学优势，到氨、磷可能支撑的多元代谢，土卫二的环境正以化学的诗篇诉说着生命的潜力。未来的探测任务，或许将在这颗冰卫星的深海之中，找到热力学理论与生命奇迹的交汇点。 **参考文献** [1] 李春辉.行星科学导论[M].广西师范大学出版社:桂林,2024:224 [2] 朱裕贞等. 现代基础化学[M]. 3. 化学工业出版社:北京, 2017. [3] Barge, L.M., Rodriguez, L.E. Life on Enceladus? It depends on its origin. *Nat Astron* 5, 740–741 (2021). [4] Postberg, F., Sekine, Y., Klenner, F. et al. Detection of phosphates originating from Enceladus’s ocean. *Nature* 618, 489–493 (2023). [5] Tenelanda-Osorio, L. I., Parra, J. L., Cuartas-Restrepo, P., & Zuluaga, J. I. (2021). Enceladus as a Potential Niche for Methanogens and Estimation of Its Biomass. *Life* (Basel, Switzerland), 11(11), 1182. --- **注释** 1 大多数情况下氧化值和化合价(valence)是一致的，但它们是两种不同的概念，且数值上也有不一致 的情况。一般来说，在离子化合物中元素的氧化值等于离子中单原子的电荷数， 但在共价化合物中元素的氧化值和共价数常不一致。氧化值是元素在化合状态时的形式电荷，不仅可以有正、负值， 而且还可以有分数。例如，$\mathrm {KO_2}$ 中 O的氧化值为-1/2，在 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 中 Fe的氧化值为+ 8/3。而化合价指 元素在化合时原子的个数比，它只能是整数。（引自朱裕贞等《现代基础化学》第三版p29） 2 盐桥是由U形管及置入管中的饱和电解质溶液（如$\mathrm{KCl}$，$\mathrm{NH_4NO_3}$等溶液）和琼脂制成的冻胶构成。冻胶既可以防止管中电解质溶液流出，又允许正、负离子自由移动。 3 能斯特（1864—1941），德国化学家。因提出热力学第三定律荣获1920年诺贝尔化学奖。