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Electrochemistry · ⁨電気化学⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 化学⁩ · Topic 24 · ⁨トピック 24⁩

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7:53

電気化学(A2)

ポケットの中にある2つのものは同じ化学原理で動いています。電池:自然に起こりたい反応が、電線を介して電子を押し出します。そして充電器:私たちはその電子を…押し戻します

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

24.1

Electrolysis · ⁨電気分解⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
  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

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

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

$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
日本語
電気分解:イオンが電極で放電する

電気分解は、電気を用いて溶融または水溶液状の電解質を分解する。正イオンは負極へ、負イオンは正極へ移動する。

各電極では半反応が起こる:

  • カソード(負極):正イオンが電子を受け取る(還元)。
  • アノード(正極):負イオンが電子を失う(酸化)。
電気分解セル:直流電源が電解質内の2つの電極に接続され、正イオンがカソードへ、負イオンがアノードへ移動している様子
電気分解:直流電源が正イオンをカソードへ(還元)、負イオンをアノードへ(酸化)駆動する
スタンドに取り付けられたガラス製ホフマン・ボルタメーター、電源に配線され、両側にガス収集管がついている
水の電気分解用のホフマン・ボルタメーター:電源が2つの電極を通って電流を流し、それぞれで生成されたガスが側面の管に集まる

生成物の予測

  • 溶融電解質からは、カソードで金属、アノードで非金属が得られる。
  • 水溶液電解質には水も含まれる。カソードでは、より不活性な金属が析出するが、活性な金属の場合、代わりに水素が得られる。アノードでは通常酸素が得られるが、濃塩化物溶液ではハロゲンが得られる。
溶融電解質では金属と非金属が得られ、水溶液では水も含まれる
溶融電解質は金属と非金属を与え、水溶液は水を含む

計算

電子1モルの電荷量はファラデー定数であり、アボガドロ定数($L$)および電子1個あたりの電荷量($e$)とは $F = Le$ で関連している。

通過した電荷量は $Q = It$ (電流 $\times$ × 時間)。したがって:

  1. 電子の物質量 $= Q / F$ 。
  2. 半方程式を用いて生成物の物質量を求める。
  3. 質量($\times M_r$ )または気体の体積を求める。

既知の電荷量に対して析出した質量を測定することで、アボガドロ定数の値を逆算できる。

** worked example.** $2.0\ \text{A}$ の電流が $30$ 分間銅(II)硫酸水溶液を流れ、カソードで銅が析出する:$\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$ 。析出された銅の質量を求めよ。($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$ 、$A_r$ Cu $= 64$ 。)

通過した電荷量:$Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$ 。電子の物質量 $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$ 。半方程式より、$2\ \text{mol}$ の電子が $1\ \text{mol}$ のCuを与えるため、$n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ および

$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
バレルメッキ装置で小型部品をメッキしている様子
電気分解は、クロムなどの光沢のある金属の薄い層で物体をメッキするために用いられる
Explore · ⁨探索⁩

Faraday's first law · ⁨ファラデーの第一法則⁩

m = k·Q

Mass deposited is proportional to the charge passed (Faraday's law). · ⁨析出質量は比例して流過した電荷量(ファラデーの法則)に依存する。⁩

Explore · ⁨探索⁩

Inside an electrolysis cell · ⁨電気分解セル内部⁩

Choose an electrolyte and watch the ions move: cations to the cathode, anions to the anode, where they are discharged. · ⁨電解液を選択するとイオンの動きが見えます:陽イオンは陰極へ、陰イオンは陽極へ移動し、そこで放電されます。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ 電気分解
electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ 電気分解液
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24.2

Standard electrode potentials and cell potentials · ⁨標準電極電位および電池電位⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
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 $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
日本語
  1. 用語を定義する: (a) 標準電極(還元)電位 (b) 標準電池電位
  2. 標準水素電極について説明する
  3. 標準電極電位の測定方法について説明する: (a) 水溶液中のイオンと接触している金属または非金属 (b) 異なる酸化状態にある同一元素のイオン
  4. 2つの標準電極電位を組み合わせて標準電池電位を計算する
  5. 標準電池電位を用いて: (a) 各電極の極性を導き出し、単純な電池の外回路における電子流の方向を説明・導く (b) 反応の自発性を予測する
  6. $E^{\ominus}$ の値から、元素、化合物、イオンの酸化剤または還元剤としての相対的な反応性を導く
  7. 関連する半反応式を用いて酸化還元反応式を作成する
  8. 水溶液イオンの濃度の変化に伴い、電極電位 $E$ の値がどのように変化するかを定性的に予測する
  9. ネルンスト方程式、例として$E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$などを用い、水溶液イオンの濃度の変化に伴う電極電位の変数を定量的に予測する。具体例には$\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$、$\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$などが含まれる
  10. 方程式 $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$ を理解して適用する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

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.

日本語

電極電位($E$ )は、半電池がどれだけ容易に還元されるかを示す。これを基準として標準条件下で測定することで、標準電極電位($E^{\ominus}$ )が得られ、常に還元として表記される。

基準は標準水素電極である:プラチナ上に $1\ \text{atm}$ の水素ガスが通じ、$1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$ の酸溶液中において、厳密に $0.00\ \text{V}$ と定義されている。

酸性中プラチナ電極の上を泡立ちながら通じる水素ガス、ガラス管内の全セルに0.00ボルトと記号
標準水素電極:H$_2$ 1 atm、酸中1 mol dm$^{-3}$ H$^+$ のプラチナ上、すべての電極電位の$0.00$ V基準

$E^{\ominus}$ を測定するには、半電池を標準水素電極に接続して電圧を読む。金属はそのイオン溶液中に置かれ、同じ元素の2種類のイオン(例えば$\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$ )がある場合、白金電極を両方のイオンを含む溶液に浸す。

半電池の組み合わせ

標準電池電位は、2つの標準電極電位の差である:

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$
塩橋と電圧計で結ばれた亜鉛半電池と銅半電池、導線を介して亜鉛から銅へ電子が流れている様子
単純な電池:塩橋で結ばれた2つの半電池と電圧計。電子は負極(Zn)から正極(Cu)へ外部回路を通じて流れる

** worked example.** $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ 半電池($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$ )と $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ 半電池($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$ )から構成される電池の標準電池電位を求めよ。

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

$E^{\ominus}$の値から以下がわかる:

  • 極性を求める:より負の電極が負極であり、電子はそこから外部回路を通じて正極へ流れる。
  • 反応性を判断する:より正の$E^{\ominus}$ はより良い酸化剤(容易に還元)を意味し、より負の$E^{\ominus}$ はより良い還元剤を意味する。
上部にフッ素、下部にナトリウムまでの垂直スケール、上向き矢印が強い酸化剤、下向き矢印が強い還元剤を示す
電気化学系列:より正の$E^{\ominus}$ (上部)は強い酸化剤、より負の$E^{\ominus}$ (下部)は強い還元剤

可能性と酸化還元方程式

$E^{\ominus}_{\text{cell}}$が正のとき、反応は自発的である。完全な式を立てるには、2つの半反応式を取り上げ、酸化を受ける側を逆にして足し合わせ、電子を打ち消すようにする。この$E^{\ominus}$テストにより、反応の自発性が判明する。

また、自由エネルギーとも結びつく:$\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$ 、ここで $n$ は電子の物質量である。

ネルンストの式

濃度が標準状態ではない場合、電極電位は変化する。酸化された種の濃度を上げると、$E$がより正の値になる。ネルンスト方程式は正確な値を与える:

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

ここで $z$ は半反応式における電子の数である。

Explore · ⁨探索⁩

Electrode potential lab · ⁨電極電位実験⁩

Ecell = Eright - Eleft · ⁨⟦Ecell = Eright - Eleft⟦⁩

Change cell potential and see oxidising power increase. · ⁨セル電位を変化させて、酸化力が増大することを確認せよ。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
electrode/ɪˈlektrəʊd/ 電極
cathode/ˈkæθəʊd/ カソード
anode/ˈænəʊd/ アノード
Faraday constant/ˈfærədeɪ ˈkɒnstənt/ ファラデー定数
Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ アボガドロ定数
electrode potential/ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ 電極電位
standard electrode potential/ˈstændəd ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ 標準電極電位
standard hydrogen electrode/ˈstændəd ˈhaɪdrədʒn ɪˈlektrəʊd/ 標準水素電極
standard cell potential/ˈstændəd sel pəˈtenʃl/ 標準電池電位
oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ 酸化剤
reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ 還元剤
half-equation/hɑːf ɪˈkweɪʒn/ 半反応式
feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ 可能性
Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ ネルンストの式
Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
24.2

Exam tips · ⁨試験対策⁩

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 $= Q/F$.
日本語
  • $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$;$E^{\ominus}_{\text{cell}}$が正であれば、反応は可能である。
  • $E^{\ominus}$の標準条件:298 K、$1\ \text{mol dm}^{-3}$、100 kPa、プラチナ電極 — 問われたら答えること。
  • より負の電極電位は強い還元剤を意味する;系列を使って方向性を予測する。
  • 電気分解の量については、$Q = It$と電子の物質量 $= Q/F$を使う。

Interactive lessons on this topic · ⁨このトピックのインタラクティブ授業⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨一歩ずつ進め、即時チェック付きの問題で学習します。⁩

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