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Electrochemistry · ⁨전기화학⁩

IGCSE Chemistry · ⁨IGCSE 화학⁩ · Topic 4 · ⁨주제 4⁩

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10:25

전기분해

전기는 놀라운 일을 할 수 있습니다: 화합물을 파열시킬 수 있습니다. 녹거나 용해된 화합물에 전류를 흐르게 하면, 그것은 constituent elements로 분리됩니다.…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in⁩

4.1

Electrolysis · ⁨전기분해⁩

Syllabus
English
Core Supplement
1 Define electrolysis as the decomposition of an ionic compound, when molten or in aqueous solution, by the passage of an electric current 8 Describe the transfer of charge during electrolysis to include: (a) the movement of electrons in the external circuit (b) the loss or gain of electrons at the electrodes (c) the movement of ions in the electrolyte
2 Identify in simple electrolytic cells: (a) the anode as the positive electrode (b) the cathode as the negative electrode (c) the electrolyte as the molten or aqueous substance that undergoes electrolysis
3 Identify the products formed at the electrodes and describe the observations made during the electrolysis of: (a) molten lead(II) bromide (b) concentrated aqueous sodium chloride (c) dilute sulfuric acid using inert electrodes made of platinum or carbon/graphite 9 Identify the products formed at the electrodes and describe the observations made during the electrolysis of aqueous copper(II) sulfate using inert carbon/graphite electrodes and when using copper electrodes
4 State that metals or hydrogen are formed at the cathode and that non-metals (other than hydrogen) are formed at the anode
5 Predict the identity of the products at each electrode for the electrolysis of a binary compound in the molten state 10 Predict the identity of the products at each electrode for the electrolysis of a halide compound in dilute or concentrated aqueous solution
11 Construct ionic half-equations for reactions at the anode (to show oxidation) and at the cathode (to show reduction)
6 State that metal objects are electroplated to improve their appearance and resistance to corrosion
7 Describe how metals are electroplated
한국어
핵심 보충
1 전해질을 용융 상태 또는 수용액 상태에서 전기류가 흐를 때 이온 화합물이 분해되는 현상으로 정의한다. 8 전해질 내에서의电荷 이동 과정을 설명한다: (a) 외부 회로 내의 전자 이동, (b) 전극에서의 전자 손실 또는 획득, (c) 전해질 내의 이온 이동
2 단순 전해 셀에서 다음을 식별함: (a) 양극을 양극(+)으로 (b) 음극을 음극(-)으로 (c) 전해질을 용융 상태 또는 수용액 상태인 전해되는 물질로
3 백금이나 탄소/그래파이트 등 비활성 전극을 사용하여 다음 물질의 전해질에서 전극에 생성되는 산물을 식별하고 관찰된 현상을 서술한다: (a) 용융된 브롬화 납(II), (b) 농축 염수소산 나트륨 수용액, (c) 희석 황산. 9 비활성 탄소/그래파이트 전극을 사용할 때와 구리 전극을 사용할 때의 황산구리(II) 수용액 전해질에서 전극에 생성되는 산물을 식별하고 관찰된 현상을 서술한다
4 음극에서는 금속이나 수소, 양극에서는非金属(수소 제외)이 생성됨을 밝힘
5 용융 상태인 이원 화합물의 전해질에서 각 전극에 생성될 산물의 정체를 예측한다. 10 희석 또는 농축 수용액 상태인 할로겐 화합물의 전해질에서 각 전극에 생성될 산물의 정체를 예측한다
11 양극(산화 반응)과 음극(환원 반응)에서의 반응에 대한 이온 반반응식을 작성한다
6 금속 물체의 외관을 개선하고 부식에 대한 저항성을 높이기 위해的电镀가 이루어짐을 밝힘
7 금속的电镀 방법을 설명함

Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

English
Electrolysis: ions discharge at the electrodes

Electrolysis 电解 is the breaking down (decomposition 分解) of an ionic compound 离子化合物 — when it is molten 熔融 or in aqueous 水溶液 solution — by passing an electric current 电流 through it.

It only works when the substance is molten or dissolved, because then the ions 离子 are free to move and carry the charge. A solid ionic compound cannot be electrolysed because its ions are locked in place.

The electrolytic cell

The set-up is called an electrolytic cell 电解池. Two electrodes 电极 (solid conductors) dip into the electrolyte 电解质 — the molten or aqueous substance being broken down.

  • The anode 阳极 is the positive ($+$) electrode.
  • The cathode 阴极 is the negative ($-$) electrode.

The electrodes are often inert 惰性 (they do not react), such as platinum 铂 or carbon/graphite 石墨.

What is formed at each electrode

There is a simple rule:

  • Metals 金属 or hydrogen 氢气 are formed at the cathode.
  • Non-metals 非金属 (other than hydrogen) are formed at the anode.

For aqueous solutions, the product can depend on whether the solution is dilute 稀 or concentrated 浓. Here are the three Core examples:

Electrolyte At the cathode ($-$) At the anode ($+$)
molten lead(II) bromide, $\text{PbBr}_2$ lead 铅 (silvery liquid) bromine 溴 (red-brown vapour)
concentrated aqueous sodium chloride hydrogen (bubbles of gas) chlorine 氯气 (pale green gas)
dilute sulfuric acid 硫酸 hydrogen (bubbles of gas) oxygen 氧气 (bubbles of gas)

Worked example. Predict the products of electrolysing molten zinc chloride, $\text{ZnCl}_2$. Because it is molten, only zinc ions and chloride ions are present - there is no water to complicate things. Zinc is a metal, so it forms at the cathode: $\text{Zn}^{2+}$ ions gain electrons and silvery zinc appears. Chlorine is a non-metal, so it forms at the anode: pale green chlorine gas bubbles off. Always check the state first. A molten compound simply gives you its own two elements, while an aqueous one brings water into the competition - which is why concentrated sodium chloride solution gives hydrogen at the cathode rather than sodium.

How the charge moves

During electrolysis:

  • Electrons 电子 move through the wires (the external circuit 外电路) from the power supply.
  • At the cathode, positive ions gain electrons. Gaining electrons is reduction 还原.
  • At the anode, negative ions lose electrons. Losing electrons is oxidation 氧化.
  • Inside the electrolyte, the ions move: positive ions go to the cathode and negative ions go to the anode.

You can write a half-equation 半反应式 for each electrode. For molten lead(II) bromide:

$$\text{Pb}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Pb} \quad (\text{cathode, reduction})$$
$$2\text{Br}^{-} \rightarrow \text{Br}_2 + 2e^{-} \quad (\text{anode, oxidation})$$

Electrolysis of copper(II) sulfate

The product at the anode depends on the electrode:

  • With inert carbon electrodes: copper 铜 forms at the cathode and oxygen forms at the anode. The blue colour of the solution slowly fades as copper is removed.
  • With copper electrodes: copper forms at the cathode, while the anode itself dissolves into the solution. The blue colour stays the same. This is used to purify copper.

Electroplating

Electroplating 电镀 means covering a metal object with a thin layer of another metal. This improves its appearance and its resistance to corrosion 腐蚀 (rusting and wearing away).

To electroplate an object:

  • the object to be coated is made the cathode;
  • the plating metal is made the anode;
  • the electrolyte is a solution containing ions of the plating metal.
한국어
전해질: 이온이 전극에서 방전됨

전기분해는 이온 화합물이 용융 상태이거나 수용액일 때 전류를 통과시켜 분해(분해)시키는 과정입니다.

수소 전기분해 장치
전기분해 셀은 전류를 사용하여 화합물을 분해합니다.

이것은 물질이 용융되거나 용해되었을 때만 작동합니다. 그러면 이온이 자유롭게 움직여 전하를 운반할 수 있기 때문입니다. 고체 이온 화합물은 이온이 고정되어 있어 전기분해할 수 없습니다.

작은 전해 실험: 물이 담긴 비커에 거꾸로 세운 계량관 두 개가 놓여 있고, 9볼트 배터리와 연결되어 있으며 각 관 상단에 가스가 채워져 있어 한 관의 가스 양이 다른 관보다 약 두 배 많은 모습
물의 전해: 각 전극에서 기포가 발생하여 위쪽 관에 모이며, 산소보다 수소 약 두 배가 생성됨

전해전지

이 장치의 명칭은 전해전지입니다. 두 전극(고체 도체)이 전해질—분해되는 용융 상태 또는 수용액 물질—에 담겨 있습니다.

  • 양극은 양($+$) 전극입니다.
  • 음극은 음($-$) 전극입니다.

전극은 종종 불활성 (반응하지 않음)인 플래티늄이나 탄소/그래파이트 등입니다.

각 전극에서 생성되는 물질

간단한 규칙이 있습니다:

금속/수소는 음극에서 형성되며, 비금속은 양극에서 형성됨
음극에서는 금속과 수소가 형성되며, 양극에서는 비금속이 형성됨
  • 금속 또는 수소는 음극에서 형성됩니다.
  • 비금속 (수소를 제외함)은 양극에서 형성됩니다.

수용액의 경우, 생성물은 용액이 희석되었는지 농축되었는지에 따라 달라질 수 있습니다. 여기 핵심 예제 세 가지가 있습니다:

전해질 음극에서 ($-$) 양극에서 ($+$)
용융된 브롬화 납(II), $\text{PbBr}_2$ 납 (은색 액체) 브롬 (적갈색 기체)
농축된 염화 나트륨 수용액 수소 (기포) 염소 (연한 초록색 기체)
희석 황산 수소 (기포) 산소 (기포)

해설 예제. 용융된 아연 클로라이드, $\text{ZnCl}_2$을 전해할 때 생성물을 예측해 보십시오. 용융 상태이므로 아연 이온과 염화 이온만 존재하며,水是 없습니다. 아연은 금속이므로 음극에서 형성됩니다: $\text{Zn}^{2+}$ 이온이 전자를 얻어 은색 아연이 나타납니다. 염소는 비금속이므로 양극에서 형성됩니다: 연한 초록색 염소 기체가 기포로 빠져나옵니다. 항상 상태(state)를 먼저 확인하십시오. 용융된 화합물은 단순히 그 자체 두 원소를 주지만, 수용액은 물을 경쟁에 참여시켜-그것이 바로 농축된 염화 나트륨 용액이 음극에서 나트륨 대신 수소를 주는 이유입니다.

전하의 이동 방식

전해 중:

  • 전자는 전원 공급장치로부터 외부 회로를 통해 wires를 이동합니다.
  • 음극에서는 양이온이 전자를 얻습니다. 전자를 얻는 것은 환원입니다.
  • 양극에서는 음이온이 전자를 잃습니다. 전자를 잃는 것은 산화입니다.
  • 전해질 내부에서는 이온들이 이동합니다: 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동합니다.

각 전극에 대한 반 반응식을 쓸 수 있습니다. 용융된 브롬화 납(II)의 경우:

$$\text{Pb}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Pb} \quad (\text{cathode, reduction})$$
$$2\text{Br}^{-} \rightarrow \text{Br}_2 + 2e^{-} \quad (\text{anode, oxidation})$$

용융 브롬화 납의 전해전지: 용융물에 담긴 음극과 양극에 연결된 직류 전원, 음극으로 이동하는 납 이온, 양극으로 이동하는 브롬 이온 *용융된 브롬화 납(II)에서, $\text{Pb}^{2+}$은 음극으로 이동하고 $\text{Br}^-$은 양극으로 이동하여 각각 방전됨

황산 구리(II)의 전해

양극의 생성물은 전극 종류에 따라 다릅니다:

  • 불활성 탄소 전극 사용 시: 구리가 음극에서 형성되고 산소가 양극에서 형성됩니다. 구리가 제거되면서 용액의 파란색이 서서히 옅어집니다.
  • 구리 전극 사용 시: 구리가 음극에서 형성되고, 양극 자체가 용액에 녹아듭니다. 파란색은 유지됩니다. 이는 구리의 정제에 사용됩니다.

도금

도금이란 금속 물체 표면에 다른 금속의 얇은 층을 덮는 것입니다. 이는 외관을 개선하고 부식 (녹슬거나 마모됨)에 대한 저항성을 높입니다.

물체를 도금하기 위해:

  • 도금될 물체는 음극으로 만듭니다;
  • 도금할 금속은 양극으로 만듭니다;
  • 전해질은 도금 금속 이온이 포함된 용액입니다.
황산 구리(II) 용액에서 물체를 음극으로, 순수 구리 막대를 양극으로 사용한 도금 전지
도금하려면, 도금 금속 이온 용액 속에서 물체를 음극으로 하고 도금 금속을 양극으로 설정해야 함
Explore · ⁨탐색하기⁩

Inside an electrolysis cell · ⁨전해 셀 내부⁩

Pick an electrolyte and watch ions move: positive ions to the cathode, negative ions to the anode. · ⁨전해액을 선택하고 이온이 움직이는 것을 관찰하십시오: 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동합니다.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ 전해
decomposition/ˌdiːkɒmpəˈzɪʃn/ 분해
ionic compound/aɪˈɒnɪk ˈkɒmpaʊnd/ 이온 화합물
molten/ˈməʊltn/ 융해 상태의
aqueous/ˈeɪkwɪəs/ 수용액 상태의
electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 전류 강도
ions/ˈaɪɒnz/ 이온
electrolytic cell/ɪˌlektrəˈlɪtɪk sel/ 전해 셀(electrolytic cell)
electrodes/ɪˈlektrəʊdz/ 전극
electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ 전해질
anode/ˈænəʊd/ 양극(anode)
cathode/ˈkæθəʊd/ 음극(cathode)
inert/ɪˈnɜːt/ 불활성인
platinum/ˈplætɪnəm/ 백금
graphite/ˈɡræfaɪt/ 흑연
metals/ˈmetlz/ 금속
hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 수소
non-metals/nɒn ˈmetlz/ 비금속 원소
dilute/daɪˈluːt/ 희석된
concentrated/ˈkɒnsəntreɪtɪd/ 농도 높은
lead/liːd/ 인도하다, 이끌다
bromine/ˈbrəʊmaɪn/ 브롬
chlorine/ˈklɔːriːn/ 염소
sulfuric acid/sʌlˈfjʊərɪk ˈæsɪd/ 황산
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ 산소
electrons/ɪˈlektrɒnz/ 전자
external circuit/ekˈstɜːnl ˈsɜːkɪt/ 외부 회로
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 산화
half-equation/hɑːf ɪˈkweɪʒn/ 반응식(반 반응)
copper/ˈkɒpə/ 구리
electroplating/ɪˌlektrəʊˈpleɪtɪŋ/ 도금
corrosion/kəˈrəʊʒn/ 부식
4.2

Hydrogen–oxygen fuel cells · ⁨수소-산소 연료전지⁩

Syllabus
English
Core Supplement
1 State that a hydrogen–oxygen fuel cell uses hydrogen and oxygen to produce electricity with water as the only chemical product 2 Describe the advantages and disadvantages of using hydrogen–oxygen fuel cells in comparison with gasoline/petrol engines in vehicles
한국어
핵심 보충
1 수소-산소 연료전지는 수소와 산소를 사용하여 전기를 생산하며, 화학적 생성물은 물 뿐임을 명시한다. 2 자동차의 가솔린 엔진에 비해 수소-산소 연료전지를 사용하는 장단점을 설명한다

Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

English

A fuel cell 燃料电池 uses hydrogen and oxygen to make electricity directly. The only chemical product is water.

$$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$$

It is useful to compare a fuel cell with a normal petrol (gasoline) engine in a vehicle.

Hydrogen–oxygen fuel cell Petrol engine
Main product water only carbon dioxide and pollutants 污染物
Effect on air clean adds to air pollution
Fuel storage hydrogen is hard and dangerous to store (flammable, needs high pressure) petrol is easy to store
Source hydrogen may be made using fossil fuels made from crude oil

Advantages of the fuel cell: the only product is water, so it does not pollute the air, and it changes chemical energy into electricity efficiently. Disadvantages: hydrogen is hard to store and transport safely, and producing the hydrogen can still use energy from fossil fuels.

한국어

연료전지는 수소와 산소를 사용하여 직접 전기를 생산합니다. 유일한 화학적 생성물은 물입니다.

$$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$$

수소와 산소를 두 전극에 공급하는 수소-산소 연료전지, 외부 회로를 통해 모터가 작동하고, 물이 유일한 생성물로 배출됨 *수소-산소 연료전지는 화학 에너지를 직접 전기로 변환하며, 물만이 유일한 생성물임

일반 자동차의 가솔린 엔진과 연료전지를 비교하는 것이 유용합니다.

수소-산소 연료전지 가솔린 엔진
주요 생성물 오직 물 이산화탄소 및 오염 물질
대기 영향 청정 대기 오염 증가
연료 저장 수소는 저장하기 어렵고 위험함 (가연성, 고압 필요) 가솔린은 저장하기 쉬움
원천 화석 연료를 사용하여 생성될 수 있음 원유에서 유래

장점: 유일한 생성물이 물이므로 대기를 오염시키지 않으며, 화학 에너지를 전기로 효율적으로 변환합니다. 단점: 수소는 안전하게 저장하고 운송하기 어렵으며, 수소 생산 과정에서도 여전히 화석 연료의 에너지를 사용할 수 있습니다.

Explore · ⁨탐색하기⁩

Inside a hydrogen–oxygen fuel cell · ⁨수소-산소 연료전지 내부⁩

Step through a fuel cell. Hydrogen and oxygen combine to make water, and the energy of that reaction is released as electricity — with no carbon dioxide. · ⁨연료전지의 작동 원리. 수소와 산소가 결합하여 물을 생성하고, 이 반응의 에너지가 전기로 방출되는데 — 탄소 화합물(이산화탄소)은 발생하지 않는다.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
fuel cell/ˈfjuːəl sel/ 연료 전지
pollutants/pəˈluːtənts/ 오염 물질
4.2

Exam tips · ⁨시험 팁⁩

English
  • At the cathode (negative) you get a metal or hydrogen; at the anode (positive) you get a non-metal. Positive ions move to the cathode, negative ions to the anode.
  • A molten compound just gives its two elements. An aqueous solution can give something different (concentrated sodium chloride gives hydrogen and chlorine, not sodium).
  • Reduction is gain of electrons (at the cathode); oxidation is loss of electrons (at the anode). Remember OIL RIG.
  • In a half-equation the atoms and the charges must balance, with the electrons on the correct side: $\text{Pb}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Pb}$ (cathode).
  • To electroplate an object, make it the cathode, make the plating metal the anode, and use a solution containing ions of the plating metal.
한국어
  • 음극 (음)에서는 금속 또는 수소를 얻고, 양극 (양)에서는 비금속을 얻습니다. 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동합니다.
  • 용융된 화합물은 두 원소만 생성합니다. 수용액은 다른 산물을 낼 수 있습니다(예: 농축 염화나트륨 수용액은 나트륨이 아닌 수소와 염소를 생성함).
  • 환원은 전자의 획득입니다(음극에서 발생); 산화는 전자의 손실입니다(양극에서 발생). OIL RIG를 기억하세요.
  • 반응식에서는 원자와 전하가 균형을 이루어야 하며, 전자는 올바른 쪽에 위치해야 합니다: $\text{Pb}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Pb}$ (음극).
  • 물체에 도금하려면, 이를 음극으로 만들고 도금 금속을 양극으로 설정하며, 도금 금속 이온이 포함된 용액을 사용해야 합니다.

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Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨즉시 체크 기능 exercises를 통해 단계별로 진행하세요.⁩

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