高中化学：反应中电子转移的方法

这个视频继续学习氧化还原反应。之前说过氧化剂具有氧化性，在反应中得电子；还原剂具有还原性，在反应中失电子。它们得失电子的过程正是反应中电子转移的过程。问题来了，如何清晰的表示反应中电子的转移？告诉你有两种表示方法：双线桥和单线桥。下面就分别介绍一下。

·首先看双线桥。拿这个美和二氧化碳的反应为例，标出其中化合价改变的元素。然后请你牢记书写要点。

→第一，箭头有反应物中化合价发生变化的元素，指向生成物中化合价变化后的同一元素。有点绕嘴，我来演示一下。反应中每从零价变成了正二价，所以箭头从反应前零价的美指向反应后正二价的美，起点和终点都是美，也就是同一元素。

类似的翻译中碳从正四价变成零价，所以箭头从正四价的碳指向零价的碳，也是同一元素。这下明白了吧？进一步的双线桥就意味着应该画两根箭头，一上一下，也就是画格架升高、降低各有一根箭头，并且跨度是从反应物到生成物，越过了方程式中间的等号。

到这事可还没完，还需要标明电子转移数目。看方程式，美的化合价升高意味着失电子，失去了几个？显然从零价到正二价失去了两个电子，所以写出失两个电子。当然要注意，这里的计量数是二，意味着有两个美元子被氧化，所以总共失去的电子是二乘两个电子。

可别直接写上十四个电子，因为这里前面的二代表有两个美元子被氧化，后面的二代表每个美元子失去两个电子，意义不同，所以不要混为一谈。类似的这里的碳从正四价到零价得四个电子，又因为二氧化碳的计量数是一，这里就是一乘四个电子，不过一是可以不写的。明白了吧？

总之标明电子转移数目时化合价升高失电子，化合价降低得电子，要在双线桥上写出得失m乘n个电子。其中m是化合价发生改变的元素原子个数，n是每个原子的得失电子数。

大家巩固一下，看铁和盐酸的反应，其中化合价改变的是铁和氢两种元素。铁元素从零价变成正二价应该是失两个电子，因为铁的计量数是一，所以一乘可以不写。再看氢元素从正衣架变成零架得一个电子，但因为氯化氢的计量数为二，所以要写成二乘一个电子才对。搞定！多说一句，凡音中铁失俩电子，氢一共得俩电子是符合得失电子守恒的规律的。

说完了双线桥，再看看单线桥。还拿这俩反应为例，单线桥的书写要点相对简单。

·第一，线桥从反应物中化合价升高的元素指向反应物中化合价降第一的元素。注意这里说的都是反应物，看这个方程式应该是从升价的美指向降价的碳，显然箭头不用跨过中间的等号。

·第二，在线条上标明电子转移总数，不用写出得失。看这反映中两个美元子一共失去了二乘二个电子，那就直接在线条上写。四个电子即可，好理解吧。

·再练一个铁和盐酸的反应中化合价升高的是铁，那箭头就应该指向化合价降低的氢铁，一共失去两个电子，所以写上两个电子就搞定了。当然了，你也可以根据氢一共得到二乘以一个电子，也可以写出同样的结果，因为得失电子守恒。

到这儿我就把双线桥和单线桥的速写方法给你介绍完了，它们各有各的优点。双线桥可以清晰的表示物质得失电子的情况和转化后的产物，而单线桥则能清楚的表现反应物之间的电子转移情况，箭头的方向就是电子转移的方向。

最后再提醒一句，无论用哪种方法，你一定要把箭头对准相应的元素，写偏了可就挂了，所以一定不要像大锤一样粗心大意。

就说这么多，刷点题练练吧。

电子超快相干转移动力学及电子-空穴复合的微观机理研究取得进展

中国科学技术大学教授赵瑾研究组与美国匹兹堡大学教授 Hrvoje Petek 合作，在金属纳米颗粒与石墨界面的电子超快相干转移及掺杂半导体中电子-空穴复合的微观机理研究中取得新进展。

通常，金属/半导体（半金属）异质界面的电子转移需要首先激发热电子，然后热电子跨越界面势垒（例如肖特基势垒），进而完成电子转移。然而，热电子的寿命很短，势垒的存在极大地限制了电子转移的效率。高效的电子转移通常依赖于特定的物理过程，例如质子耦合电子转移、共振相干等。基于超快光学的实验方法例如瞬态光谱、和频光谱等被广泛用来表征电荷转移，但目前还没有实验方法可以在电荷转移的超快过程中直接描述相干这一物理过程。

Hrvoje Petek 与赵瑾合作，通过发展多维相干时间分辨光电子能谱技术与第一性原理计算的结合，证实了 Ag/Graphite 界面超快电荷转移过程的相干性。实验发现，Ag 在石墨表面吸附所产生的占据界面态中的电子，在双光子激发下，转移到石墨的未占据层间态。通过对三维时间分辨谱的傅里叶变换分析结合跃迁偶极距的理论计算，获得了界面电子转移过程中共振相干的直接证据，并揭示这一电子转移过程在<10 fs 超快时间内完成。相关成果发表在 Physical Review Letters 上，Hrvoje Petek 与赵瑾教授为共同通讯作者，第一作者为博士谭世倞。

此外，赵瑾研究组研究了半导体杂质掺杂导致的激发态电子空穴的复合问题。大量理论工作提出，半导体材料中离子掺杂可以改变半导体的能隙与光吸收性质，可用于提高半导体材料太阳能转化效率。然而，离子掺杂在改变半导体能隙的同时也引入了可能的电子-空穴复合中心，什么样的掺杂会导致电子-空穴的迅速复合，仍未有研究从第一性原理计算的角度给出清晰图像。赵瑾研究组以掺杂 TiO2 为原型材料，利用自己发展的 Hefei-NAMD 程序研究了掺杂半导体中的电子-空穴复合动力学及其物理机制。研究发现，掺杂离子引入的杂质声子的局域程度是决定电子-空穴复合的关键因素。以 TiO2 为例，非饱和共掺杂（如 Cr-N 掺杂）会引入非常弥散的杂质声子，与周边的 TiO2 原子有很强的耦合，导致电子-空穴在几个皮秒之内复合。相反，饱和共掺杂（如 V-N 掺杂）引入的杂质模式非常局域，与周边的 TiO2 原子耦合很弱，电子-空穴复合的时间尺度可以保持在纳秒量级。更进一步的计算表明，TiO2 中电子-空穴复合的时间尺度与杂质声子的局域度存在指数关系，因此杂质声子的局域程度可以作为一个判断半导体材料中电子-空穴复合时间的重要因子。相关研究成果发表在Nano Letters 上，物理系博士生张丽丽与微尺度物质科学国家研究中心博士郑奇靖为共同第一作者，赵瑾为通讯作者。

上述研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院等的资助。

图1. Ag/Graphite 界面超快相干电荷转移

图2.声子局域度影响电子-空穴复合时间

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