- predecir las identidades de las sustancias liberadas durante la electrólisis a partir del estado del electrolito (fundido o acuoso), su posición en la serie redox (potencial electrodo) y su concentración
- enunciado y aplicación de la relación $F = Le$ entre la constante de Faraday, $F$, la constante de Avogadro, $L$, y la carga del electrón, $e$
- calcular: (a) la cantidad de carga que pasa durante la electrólisis, usando $Q = It$; (b) la masa y/o el volumen de sustancia liberada durante la electrólisis
- describir la determinación de un valor de la constante de Avogadro mediante un método electrolítico
Electroquímica
A-Level Química · Tema 24
7:53
Electroquímica (A2)
Dos cosas en tu bolsillo funcionan con la misma química. Una batería: una reacción que quiere ocurrir empuja electrones por un cable. Y el cargador: empujamos esos…
Narración en inglés · Subtítulos en inglés + 中文 quemados en pantalla
24.1
Electrólisis
Syllabus
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Electrolisis 电解 usa electricidad para descomponer un electrolito 电解质 fundido o acuoso. Los iones positivos se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos se mueven hacia el electrodo positivo.
En cada electrodo 电极 ocurre una semirreacción:
- en el cátodo 阴极 (negativo): los iones positivos ganan electrones (reducción).
- en el ánodo 阳极 (positivo): los iones negativos pierden electrones (oxidación).
Predicción de productos
- un electrolito fundido produce el metal en el cátodo y el no metal en el ánodo.
- un electrolito acuoso también contiene agua. En el cátodo, se libera un metal menos reactivo, pero para un metal reactivo se obtiene hidrógeno en su lugar. En el ánodo generalmente se obtiene oxígeno, pero una solución concentrada de haluro produce el halógeno.
Cálculos
La carga de un mol de electrones es la constante de Faraday 法拉第常量, relacionada con la constante de Avogadro 阿伏伽德罗常量 ($L$) y la carga de un electrón ($e$) mediante $F = Le$.
La carga que pasa es $Q = It$ (corriente $\times$ tiempo). Luego:
- moles de electrones $= Q / F$.
- use la semiecuación para encontrar los moles de producto.
- encuentre la masa ($\times M_r$) o el volumen del gas.
Medir la masa depositada para una carga conocida permite calcular hacia atrás un valor de la constante de Avogadro.
Ejemplo resuelto. Una corriente de $2.0\ \text{A}$ fluye durante $30$ minutos a través de una solución de sulfato de cobre(II), depositando cobre en el cátodo: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Encuentre la masa de cobre depositado. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)
Carga que pasa: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Moles de electrones $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. De la semiecuación, $2\ \text{mol}$ de electrones dan $1\ \text{mol}$ de Cu, por lo tanto $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ y
$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
Explorar
Primera ley de Faraday
m = k·Q
La masa depositada es proporcional a la carga que pasa (ley de Faraday).
Explorar
Dentro de una celda de electrólisis
Elige un electrolito y observa cómo se mueven los iones: cationes al cátodo, aniones al ánodo, donde se descargan.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ | 电解 | diàn jiě |
| electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ | 电解质 | diàn jiě zhì |
| electrode/ɪˈlektrəʊd/ | 电极 | diàn jí |
| cathode/ˈkæθəʊd/ | 阴极 | yīn jí |
| anode/ˈænəʊd/ | 阳极 | yáng jí |
| Faraday constant/ˈfærədeɪ ˈkɒnstənt/ | 法拉第常量 | fǎ lā dì cháng liàng |
| Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ | 阿伏伽德罗常量 | ā fú gā dé luó cháng liàng |
24.2
Potenciales estándar de electrodo y potenciales de pila
Syllabus
- definir los términos: (a) potencial estándar de electrodo (de reducción) (b) potencial estándar de celda
- describir el electrodo estándar de hidrógeno
- describir los métodos utilizados para medir los potenciales estándar de electrodo de: (a) metales o no metales en contacto con sus iones en solución acuosa (b) iones del mismo elemento en diferentes estados de oxidación
- calcular un potencial estándar de celda combinando dos potenciales estándar de electrodo
- utilizar los potenciales estándar de celda para: (a) deducir la polaridad de cada electrodo y, por tanto, explicar/deducir la dirección del flujo de electrones en el circuito externo de una celda simple (b) predecir la viabilidad de una reacción
- deducir a partir de los valores de $E^{\ominus}$ la reactividad relativa de elementos, compuestos e iones como agentes oxidantes o como agentes reductores
- construir ecuaciones redox utilizando las semiecuaciones correspondientes
- predecir cualitativamente cómo varía el valor de un potencial de electrodo, $E$, con las concentraciones de los iones acuosos
- utilizar la ecuación de Nernst, por ejemplo, $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, para predecir cuantitativamente cómo varía el valor de un potencial de electrodo con las concentraciones de los iones acuosos; los ejemplos incluyen $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
- comprender y utilizar la ecuación $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
El potencial de electrodo 电极电势 ($E$) de una semicelda muestra qué tan fácilmente se reduce. Se mide contra una referencia, bajo condiciones estándar, para obtener el potencial estándar de electrodo 标准电极电势 ($E^{\ominus}$), siempre escrito como reducción.
La referencia es el electrodo estándar de hidrógeno 标准氢电极: gas de hidrógeno a $1\ \text{atm}$ sobre platino en $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$, definido exactamente como $0.00\ \text{V}$.
Para medir un $E^{\ominus}$, conecte la semicelda al electrodo estándar de hidrógeno y lea el voltaje. Un metal está en una solución de sus iones; para dos iones del mismo elemento (como $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), un electrodo de platino se sumerge en una solución que contiene ambos.
Combinación de semiceldas
El potencial estándar de pila 标准电池电势 es la diferencia entre los dos potenciales estándar de electrodo:
$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$
Ejemplo resuelto. Calcule el potencial estándar de celda de una celda construida a partir del $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ semicelula ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) y la $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ semicelula ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).
$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$
A partir de los valores de $E^{\ominus}$ puede:
- encontrar la polaridad: el electrodo más negativo es el terminal negativo, y los electrones fluyen desde él a través del circuito externo hacia el electrodo positivo.
- juzgar la reactividad: un $E^{\ominus}$ más positivo indica un mejor agente oxidante 氧化剂 (se reduce fácilmente); un $E^{\ominus}$ más negativo indica un mejor agente reductor 还原剂.
Factibilidad y ecuaciones redox
Una reacción es factible cuando $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ es positivo. Para construir la ecuación completa, toma las dos ecuaciones semirreacción 半反应方程式, invierte la que se oxida y súmalas de modo que los electrones se cancelen. Esta prueba $E^{\ominus}$ determina la factibilidad 可行性 de la reacción.
También puedes relacionarlo con la energía libre: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, donde $n$ es el número de moles de electrones.
La ecuación de Nernst
Si las concentraciones no son estándar, el potencial del electrodo cambia. Aumentar la concentración de la especie oxidada hace que $E$ sea más positivo. La ecuación de Nernst 能斯特方程 proporciona el valor exacto:
$$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$
donde $z$ es el número de electrones en la semirreacción.
Explorar
Laboratorio de potencial de electrodo
Ecel = Ederecho - Eizquierdo
Cambiar el potencial de celda y ver aumentar el poder oxidante.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| electrode potential/ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ | 电极电势 | diàn jí diàn shì |
| standard electrode potential/ˈstændəd ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ | 标准电极电势 | biāo zhǔn diàn jí diàn shì |
| standard hydrogen electrode/ˈstændəd ˈhaɪdrədʒn ɪˈlektrəʊd/ | 标准氢电极 | biāo zhǔn qīng diàn jí |
| standard cell potential/ˈstændəd sel pəˈtenʃl/ | 标准电池电势 | biāo zhǔn diàn chí diàn shì |
| oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ | 氧化剂 | yǎng huà jì |
| reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ | 还原剂 | huán yuán jì |
| half-equation/hɑːf ɪˈkweɪʒn/ | 半反应方程式 | bàn fǎn yìng fāng chéng shì |
| feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ | 可行性 | kě xíng xìng |
| Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ | 能斯特方程 | néng sī tè fāng chéng |
24.2
Consejos para el examen
- $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; un valor positivo de $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ indica que la reacción es viable.
- Condiciones estándar para $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, electrodo de platino — indícalas si se te piden.
- Un potencial de electrodo más negativo significa un agente reductor más fuerte; utiliza la serie para predecir la dirección.
- Para cantidades en electrólisis utiliza $Q = It$ y moles de electrones $= Q/F$.
Lecciones interactivas sobre este tema
Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.