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
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
state and apply the relationship $F = Le$ between the Faraday constant, $F$, the Avogadro constant, $L$, and the charge on the electron, $e$
calculate: (a) the quantity of charge passed during electrolysis, using $Q = It$ (b) the mass and/or volume of substance liberated during electrolysis
describe the determination of a value of the Avogadro constant by an electrolytic method
العربية
التنبؤ بهوية المواد المنفصلة أثناء التحليل الكهربائي بناءً على حالة المحلول الكهربي (صلب أو مائي)، وموقعه في سلسلة الأكسدة والاختزال (الجهد الكهربائي للقطب) والتركيز
اذكر وطبق العلاقة $F = Le$ بين ثابت فاراداي، $F$، وثابت أفوجادرو، $L$، وشحنة الإلكترون، $e$
احسب: (أ) كمية الشحنة المارة أثناء التحليل الكهربائي، باستخدام $Q = It$ (ب) كتلة و/أو حجم المادة المنفصلة أثناء التحليل الكهربائي
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:
moles of electrons $= Q / F$.
use the half-equation to find moles of product.
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
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).
التحليل الكهربائي: يدفع مصدر التيار المستمر الأيونات الموجبة نحو الكاثود (اختزال) والأيونات السالبة نحو الأنود (أكسدة)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.
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 $F = Le$.
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
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.
Standard electrode potentials and cell potentials · جهود الأقطاب القياسية وجهود الخلية
Syllabus · المنهج
English
define the terms: (a) standard electrode (reduction) potential (b) standard cell potential
describe the standard hydrogen electrode
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
calculate a standard cell potential by combining two standard electrode potentials
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
deduce from $E^{\ominus}$ values the relative reactivity of elements, compounds and ions as oxidising agents or as reducing agents
construct redox equations using the relevant half-equations
predict qualitatively how the value of an electrode potential, $E$, varies with the concentrations of the aqueous ions
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 $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
understand and use the equation $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
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
حساب جهد خلية قياسي بجمع جهدي قطبين قياسيين
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
استنتج من $E^{\ominus}$ قيم التفاعلية النسبية للعناصر والمركبات والأيونات كعوامل مؤكسدة أو كعوامل مختزلة
كتابة معادلات الأكسدة والاختزال باستخدام معادلات النصف ذات الصلة
تنبأ نوعياً كيف تتغير قيمة جهد القطب $E$ مع تراكيز الأيونات المائية
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 $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$، $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
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:
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}$).
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:
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 $0.00\ \text{V}$.
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:
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 $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).
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.
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:
$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; 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.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · اختر واحدًا وسيتبعك الموقع — الملاحظات، الأوراق، الفيديوهات والتدريب جميعها تفتح عليه.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · اكتب للبحث عن ملاحظات، دروس، أكواد، مفردات وأسئلة امتحانات سابقة عبر جميع المواد.