Skip to content · ⁨الانتقال إلى المحتوى⁩

Electrochemistry · ⁨الكيمياء الكهربية⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level الكيمياء⁩ · Topic 24 · ⁨الموضوع 24⁩

Video lesson for this topic · ⁨درس فيديو لهذا الموضوع⁩ Open the video page · ⁨افتح صفحة الفيديو⁩
7:53

الكهرباء الكيميائية (A2)

شيئان في جيبك يعملان بنفس الكيمياء. البطارية: تفاعل يرغب في الحدوث يدفع الإلكترونات عبر سلك. والشاحن: نحن ندفع تلك…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨سرد باللغة الإنجليزية · ترجمة مدمجة بالإنجليزية + الصينية⁩

24.1

Electrolysis · ⁨التحليل الكهربائي⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English
  1. predict the identities of substances liberated during electrolysis from the state of electrolyte (molten or aqueous), position in the redox series (electrode potential) and concentration
  2. state and apply the relationship $F = Le$ between the Faraday constant, $F$, the Avogadro constant, $L$, and the charge on the electron, $e$
  3. calculate: (a) the quantity of charge passed during electrolysis, using $Q = It$ (b) the mass and/or volume of substance liberated during electrolysis
  4. describe the determination of a value of the Avogadro constant by an electrolytic method
العربية
  1. التنبؤ بهوية المواد المنفصلة أثناء التحليل الكهربائي بناءً على حالة المحلول الكهربي (صلب أو مائي)، وموقعه في سلسلة الأكسدة والاختزال (الجهد الكهربائي للقطب) والتركيز
  2. اذكر وطبق العلاقة $F = Le$ بين ثابت فاراداي، $F$، وثابت أفوجادرو، $L$، وشحنة الإلكترون، $e$
  3. احسب: (أ) كمية الشحنة المارة أثناء التحليل الكهربائي، باستخدام $Q = It$ (ب) كتلة و/أو حجم المادة المنفصلة أثناء التحليل الكهربائي
  4. وصف طريقة تحديد قيمة ثابت أفوجادرو بطريقة تحليل كهربائي

Source: Cambridge International syllabus · ⁨المصدر: منهج كامبريدج الدولي⁩

English
Electrolysis: ions discharge at the electrodes

Electrolysis 电解 uses electricity to break down a molten or aqueous electrolyte 电解质. Positive ions move to the negative electrode and negative ions move to the positive electrode.

At each electrode 电极 a half-reaction happens:

  • at the cathode 阴极 (negative): positive ions gain electrons (reduction).
  • at the anode 阳极 (positive): negative ions lose electrons (oxidation).

Predicting the products

  • a molten electrolyte gives the metal at the cathode and the non-metal at the anode.
  • an aqueous electrolyte also contains water. At the cathode, a less reactive metal is released, but for a reactive metal you get hydrogen instead. At the anode you usually get oxygen, but a concentrated halide solution gives the halogen.

Calculations

The charge on one mole of electrons is the Faraday constant 法拉第常量, linked to the Avogadro constant 阿伏伽德罗常量 ($L$) and the charge on one electron ($e$) by $F = Le$.

The charge passed is $Q = It$ (current $\times$ time). Then:

  1. moles of electrons $= Q / F$.
  2. use the half-equation to find moles of product.
  3. find the mass ($\times M_r$) or the gas volume.

Measuring the mass deposited for a known charge lets you work back to a value of the Avogadro constant.

Worked example. A current of $2.0\ \text{A}$ flows for $30$ minutes through copper(II) sulfate solution, depositing copper at the cathode: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Find the mass of copper deposited. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)

Charge passed: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Moles of electrons $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. From the half-equation, $2\ \text{mol}$ of electrons give $1\ \text{mol}$ of Cu, so $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ and

$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
العربية
التحليل الكهربائي: تفريغ الأيونات عند الأقطاب

التحليل الكهربائي يستخدم الكهرباء لتفكيك محلل كهربائي سائل أو محلول. تتحرك الأيونات الموجبة نحو القطب السالب وتتحرك الأيونات السالبة نحو القطب الموجب.

عند كل قطب تحدث تفاعل نصفي:

  • عند الكاثود (السالب): تكتسب الأيونات الموجبة إلكترونات (اختزال).
  • عند الأنود (الموجب): تفقد الأيونات السالبة إلكترونات (أكسدة).
خلية تحليل كهربائي: مصدر تيار مستمر متصل بقطبين في محلل كهربائي، مع حركة الأيونات الموجبة نحو الكاثود والأيونات السالبة نحو الأنود
التحليل الكهربائي: يدفع مصدر التيار المستمر الأيونات الموجبة نحو الكاثود (اختزال) والأيونات السالبة نحو الأنود (أكسدة)
أداة هوفمان للقطر الكهربائي زجاجية على حامل، متصلة بمصدر كهرباء، مع أنبوب لجمع الغاز على كل جانب
هوفمان فولتامتر لتحليل الماء: يدفع مصدر الطاقة التيار عبر قطبين، ويتجمع الغاز الناتج عند كل واحد منهما في أنبوب جانبه

التنبؤ بالنواتج

  • يعطي المحلل الكهربائي السائل المعدن عند الكاثود واللافلز عند الأنود.
  • يحتوي المحلل الكهربائي المائي أيضاً على الماء. عند الكاثود، يُحرر فلز أقل نشاطاً، ولكن بالنسبة للمعدن النشط تحصل على الهيدروجين بدلاً منه. عند الأنود عادة ما تحصل على الأكسجين، لكن المحلول المركز للهاليدات يعطي الهالوجين.
المحلل الكهربائي السائل يعطي المعدن واللافلز؛ والمائي يحتوي أيضاً على الماء
إلكتروليت صهر يعطي الفلز واللافلز؛ المحلول المائي يحتوي أيضاً على الماء

الحسابات

شحنة مول واحد من الإلكترونات هي ثابت فاراداي، المرتبط بـ ثابت أفوجادرو ($L$) وشحنة إلكترون واحد ($e$) بواسطة $F = Le$.

الشحنة المارة هي $Q = It$ (التيار $\times$ × الزمن). ثم:

  1. مولات الإلكترونات $= Q / F$.
  2. استخدم المعادلة النصفية لإيجاد مولات الناتج.
  3. أوجد الكتلة ($\times M_r$) أو حجم الغاز.

قياس كتلة الترسيب لشحنة معلومة يسمح لك بالرجوع إلى قيمة ثابت أفوجادرو.

مثال محلول. يمر تيار قدره $2.0\ \text{A}$ لمدة $30$ دقيقة عبر محلول كبريتات النحاس(II)، ترسب النحاس عند الكاثود: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. أوجد كتلة النحاس المترسبة. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$، $A_r$ Cu $= 64$.)

الشحنة المارة: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. مولات الإلكترونات $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. من المعادلة النصافية، $2\ \text{mol}$ من الإلكترونات تعطي $1\ \text{mol}$ من Cu، لذا $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ و

$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
آلة طلاء البرميل تقوم بطلاء أجزاء صغيرة
يُستخدم التحليل الكهربائي لطلاء جسم بطبقة رقيقة ولامعة من معدن مثل الكروم
Explore · ⁨استكشف⁩

Faraday's first law · ⁨قانون فاراداي الأول⁩

m = k·Q

Mass deposited is proportional to the charge passed (Faraday's law). · ⁨الكتلة المترسبة متناسبة طردياً مع الشحنة المارة (قانون فاراداي).⁩

Explore · ⁨استكشف⁩

Inside an electrolysis cell · ⁨داخل خلية التحليل الكهربائي⁩

Choose an electrolyte and watch the ions move: cations to the cathode, anions to the anode, where they are discharged. · ⁨اختر إلكتروليت وراقب حركة الأيونات: الكاتيونات نحو الكاثود، والأنيونات نحو الأنود، حيث يتم تفريغها.⁩

Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
English العربية
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ التحليل الكهربائي
electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ الإلكتروليت
Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
24.2

Standard electrode potentials and cell potentials · ⁨جهود الأقطاب القياسية وجهود الخلية⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English
  1. define the terms: (a) standard electrode (reduction) potential (b) standard cell potential
  2. describe the standard hydrogen electrode
  3. describe methods used to measure the standard electrode potentials of: (a) metals or non-metals in contact with their ions in aqueous solution (b) ions of the same element in different oxidation states
  4. calculate a standard cell potential by combining two standard electrode potentials
  5. use standard cell potentials to: (a) deduce the polarity of each electrode and hence explain/deduce the direction of electron flow in the external circuit of a simple cell (b) predict the feasibility of a reaction
  6. deduce from $E^{\ominus}$ values the relative reactivity of elements, compounds and ions as oxidising agents or as reducing agents
  7. construct redox equations using the relevant half-equations
  8. predict qualitatively how the value of an electrode potential, $E$, varies with the concentrations of the aqueous ions
  9. use the Nernst equation, e.g. $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, to predict quantitatively how the value of an electrode potential varies with the concentrations of the aqueous ions; examples include $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
  10. understand and use the equation $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
العربية
  1. تعريف المصطلحات: (أ) الجهد القياسي للقطب (الاختزالي) (ب) الجهد القياسي للخلية
  2. وصف القطب الهيدروجيني القياسي
  3. وصف الطرق المستخدمة لقياس جهود الأقطاب القياسية لـ: (أ) الفلزات أو اللافلزات المتصلة بأيونها في محلول مائي (ب) أيونات العنصر نفسه في حالات تأكسد مختلفة
  4. حساب جهد خلية قياسي بجمع جهدي قطبين قياسيين
  5. استخدام جهود الخلايا القياسية لـ: (أ) استنتاج قطبية كل قطب ومن ثم شرح/استنتاج اتجاه تدفق الإلكترونات في الدائرة الخارجية لخلية بسيطة (ب) التنبؤ بإمكانية التفاعل
  6. استنتج من $E^{\ominus}$ قيم التفاعلية النسبية للعناصر والمركبات والأيونات كعوامل مؤكسدة أو كعوامل مختزلة
  7. كتابة معادلات الأكسدة والاختزال باستخدام معادلات النصف ذات الصلة
  8. تنبأ نوعياً كيف تتغير قيمة جهد القطب $E$ مع تراكيز الأيونات المائية
  9. استخدم معادلة نرنست، مثل $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$، للتنبؤ كمياً بكيفية تغير قيمة جهد قطب مع تركيزات الأيونات المائية؛ تشمل الأمثلة $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$، $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
  10. افهم واستخدم المعادلة $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨المصدر: منهج كامبريدج الدولي⁩

English

The electrode potential 电极电势 ($E$) of a half-cell shows how easily it is reduced. We measure it against a reference, under standard conditions, to get the standard electrode potential 标准电极电势 ($E^{\ominus}$), always written as a reduction.

The reference is the standard hydrogen electrode 标准氢电极: hydrogen gas at $1\ \text{atm}$ over platinum in $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$, defined as exactly $0.00\ \text{V}$.

To measure an $E^{\ominus}$, connect the half-cell to the standard hydrogen electrode and read the voltage. A metal sits in a solution of its ions; for two ions of the same element (such as $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), a platinum electrode dips into a solution containing both.

Combining half-cells

The standard cell potential 标准电池电势 is the difference between the two standard electrode potentials:

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$

Worked example. Find the standard cell potential of a cell built from the $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ half-cell ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) and the $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ half-cell ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$

From $E^{\ominus}$ values you can:

  • find the polarity: the more negative electrode is the negative terminal, and electrons flow from it through the external circuit to the positive electrode.
  • judge reactivity: a more positive $E^{\ominus}$ means a better oxidising agent 氧化剂 (easily reduced); a more negative $E^{\ominus}$ means a better reducing agent 还原剂.

Feasibility and redox equations

A reaction is feasible when $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ is positive. To build the full equation, take the two half-equations 半反应方程式, reverse the one that is oxidised, and add them so the electrons cancel. This $E^{\ominus}$ test tells you the feasibility 可行性 of the reaction.

You can also link it to free energy: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, where $n$ is the moles of electrons.

The Nernst equation

If the concentrations are not standard, the electrode potential changes. Raising the concentration of the oxidised species makes $E$ more positive. The Nernst equation 能斯特方程 gives the exact value:

$$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$

where $z$ is the number of electrons in the half-equation.

العربية

الجهد الكهربائي للقطب ($E$) يوضح مدى سهولة اختزاله. نقيسه مقابل مرجع، تحت الظروف القياسية، للحصول على الجهد الكهربائي للقطب القياسي ($E^{\ominus}$)، تُكتب دائماً كاختزال.

المرجع هو القطب الهيدروجيني القياسي: غاز الهيدروجين عند $1\ \text{atm}$ فوق البلاتين في محلول $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$، مُعرّف تماماً بأنه $0.00\ \text{V}$.

فقاعات غاز الهيدروجين فوق قطب بلاتيني في حمض داخل أنبوب زجاجي، الخلية كاملة مُعلمة بـ 0.00 فولت
القطب الهيدروجيني القياسي: H$_2$ عند 1 atm فوق البلاتين في محلول 1 mol dm$^{-3}$ H$^+$، وهو المرجع $0.00$ V لكل جهد قطبي

لقياس $E^{\ominus}$، صل نصف الخلية بالقطب الهيدروجيني القياسي واقرأ الجهد. يوجد فلز في محلول أيوناته؛ بالنسبة لأيونين لنفس العنصر (مثل $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$)، يُغمس قطب بلاتيني في محلول يحتوي على كليهما.

دمج نصف الخلايا

جهد الخلية القياسي هو الفرق بين جهدي القطبين القياسيين:

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$
نصف خلية زنك ونصف خلية نحاس متصلان بجسر ملحي وفولتميتر، مع تدفق الإلكترونات من الزنك إلى النحاس عبر السلك
خلية بسيطة: نصفان خلايا متصلان بجسر ملحي، مع فولتميتر. تتدفق الإلكترونات من القطب السالب (Zn) إلى القطب الموجب (Cu)

مثال محلول. أوجد جهد الخلية القياسي لخلية مبنية من نصف الخلية $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) ونصف الخلية $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$

من قيم $E^{\ominus}$ يمكنك:

  • تحديد القطبية: القطب الأكثر سلبية هو الطرف السالب، وتتدفق الإلكترونات منه عبر الدائرة الخارجية إلى القطب الموجب.
  • تقييم النشاط الكيميائي: جهد $E^{\ominus}$ أكثر إيجابية يعني عامل مؤكسد أفضل (سهل الاختزال)؛ وجهد $E^{\ominus}$ أكثر سلبية يعني عامل مختزل أفضل.
مقياس عمودي لجهود الأقطاب القياسية من الفلور في الأعلى إلى الصوديوم في الأسفل، مع أسهم لعامل مؤكسد أقوى للأعلى وعامل مختزل أقوى للأسفل
السلسلة الكهروكيميائية: جهد $E^{\ominus}$ أكثر إيجابية (الأعلى) هو عامل مؤكسد أقوى؛ وجهد $E^{\ominus}$ أكثر سلبية (الأسفل) هو عامل مختزل أقوى

الإمكانية ومعادلات الأكسدة والاختزال

يكون التفاعل ممكناً عندما تكون $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ موجبة. لبناء المعادلة الكاملة، خذ المعادلتين النصفتين، عكس تلك التي يتم أكسدتها، واجمعها بحيث تلغي الإلكترونات بعضها البعض. هذا اختبار $E^{\ominus}$ يخبرك بـ إمكانية التفاعل.

يمكنك أيضاً ربطه بالطاقة الحرة: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$، حيث $n$ هو عدد مولات الإلكترونات.

معادلة نرنست

إذا لم تكن التراكيز قياسية، يتغير جهد القطب. رفع تركيز النوع المؤكسد يجعل $E$ أكثر إيجابية. تعطي معادلة نيرنست القيمة الدقيقة:

$$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$

حيث $z$ هو عدد الإلكترونات في معادلة النصف.

Explore · ⁨استكشف⁩

Electrode potential lab · ⁨مختبر جهد القطب⁩

Ecell = Eright - Eleft

Change cell potential and see oxidising power increase. · ⁨غيّر جهد الخلية ولاحظ ازدياد القدرة المؤكسدة.⁩

Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
English العربية
electrode/ɪˈlektrəʊd/ مقطب كهربائي
cathode/ˈkæθəʊd/ القطب السالب
anode/ˈænəʊd/ القطب الموجب
Faraday constant/ˈfærədeɪ ˈkɒnstənt/ ثابت فاراداي
Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ ثابت أفوجادرو
electrode potential/ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ جهد المقطب
standard electrode potential/ˈstændəd ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ الجهد القياسي للمقطب
standard hydrogen electrode/ˈstændəd ˈhaɪdrədʒn ɪˈlektrəʊd/ المقطب القياسي للهيدروجين
standard cell potential/ˈstændəd sel pəˈtenʃl/ الجهد القياسي للخلية
oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ عامل مؤكسد
reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ عامل مختزل
half-equation/hɑːf ɪˈkweɪʒn/ معادلة نصفية
feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ إمكانية التنفيذ
Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ معادلة نرنست
Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩
24.2

Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

English
  • $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; a positive $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ means the reaction is feasible.
  • Standard conditions for $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, platinum electrode — state them if asked.
  • A more negative electrode potential means a stronger reducing agent; use the series to predict the direction.
  • For electrolysis quantities use $Q = It$ and moles of electrons $= Q/F$.
العربية
  • $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$؛ يعني $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ إيجابي أن التفاعل ممكن.
  • الظروف القياسية لـ $E^{\ominus}$: 298 كلفن، $1\ \text{mol dm}^{-3}$، 100 كيلو باسكال، قطب البلاتين — أدرجها إذا طُلب ذلك.
  • يعني جهد القطب الأكثر سلبية أنه عامل مختزل أقوى؛ استخدم السلسلة للتنبؤ بالاتجاه.
  • كميات التحليل الكهربائي تستخدم $Q = It$ ومولات الإلكترونات $= Q/F$.

Interactive lessons on this topic · ⁨دروس تفاعلية حول هذا الموضوع⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.⁩

Past Papers · ⁨أوراق الامتحانات السابقة⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨A-Level الكيمياء⁩ · ⁨المزيد من المواضيع في A-Level Chemistry · ⁨A-Level الكيمياء⁩⁩

Log in or create account · ⁨تسجيل الدخول أو إنشاء حساب⁩

IGCSE, A-Level & AP