- prever as identidades das substâncias liberadas durante a eletrólise a partir do estado do eletrólito (fundido ou aquoso), posição na série redox (potencial de eletrodo) e concentração
- enunciar e aplicar a relação $F = Le$ entre a constante de Faraday, $F$, a constante de Avogadro, $L$, e a carga do elétron, $e$
- calcular: (a) a quantidade de carga passada durante a eletrólise, usando $Q = It$ (b) a massa e/ou volume de substância liberada durante a eletrólise
- descrever a determinação de um valor da constante de Avogadro por um método eletrolítico
Eletroquímica
Química do A-Level · Tópico 24
7:53
Eletroquímica (A2)
Duas coisas no seu bolso funcionam com a mesma química. Uma bateria: uma reação que quer acontecer empurra elétrons por um fio. E o carregador: nós empurramos esses…
Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas
24.1
Eletrólise
Programa
Fonte: Programa Cambridge International
Eletrólise 电解 usa eletricidade para decompor um eletrólito 电解质 fundido ou aquoso. Íons positivos movem-se para o eletrodo negativo e íons negativos movem-se para o eletrodo positivo.
Em cada eletrodo 电极 ocorre uma semirreação:
- nenhuma catodo 阴极 (negativo): íons positivos ganham elétrons (redução).
- nenhuma ânodo 阳极 (positivo): íons negativos perdem elétrons (oxidação).
Prevendo os produtos
- um eletrólito fundido produz o metal no cátodo e o não-metal no ânodo.
- um eletrólito aquoso também contém água. No cátodo, um metal menos reativo é liberado, mas para um metal reativo você obtém hidrogênio em vez disso. No ânodo geralmente você obtém oxigênio, mas uma solução concentrada de haleto produz o halogênio.
Cálculos
A carga em um mol de elétrons é a constante de Faraday 法拉第常量, ligada à constante de Avogadro 阿伏伽德罗常量 ($L$) e à carga de um único elétron ($e$) por $F = Le$.
A carga transferida é $Q = It$ (corrente $\times$ × tempo). Então:
- mols de elétrons $= Q / F$.
- use a semirreação para encontrar os mols de produto.
- encontre a massa ($\times M_r$) ou o volume do gás.
Medir a massa depositada para uma carga conhecida permite calcular um valor da constante de Avogadro.
Exemplo resolvido. Uma corrente de $2.0\ \text{A}$ flui durante $30$ minutos através de uma solução de sulfato de cobre(II), depositando cobre no cátodo: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Encontre a massa de cobre depositada. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)
Carga transferida: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Mols de elétrons $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. Da semirreação, $2\ \text{mol}$ de elétrons produzem $1\ \text{mol}$ de Cu, logo $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ e
$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
Explorar
Primeira lei de Faraday
m = k·Q
A massa depositada é proporcional à carga passed (Lei de Faraday).
Explorar
Dentro de uma célula de eletrólise
Escolha um eletrólito e veja os íons se moverem: cátions para o cátodo, ânions para o ânodo, onde são descarregados.
Vocabulário
Treinar
| Inglês | Chinês | Pinyin |
|---|---|---|
| electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ | 电解 | diàn jiě |
| electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ | 电解质 | diàn jiě zhì |
24.2
Potenciais padrão de eletrodo e potenciais de célula
Programa
- definir os termos: (a) potencial padrão de eletrodo (redução) (b) potencial padrão de célula
- descrever o eletrodo padrão de hidrogênio
- descrever métodos usados para medir os potenciais padrão de eletrodo de: (a) metais ou não-metais em contato com seus íons em solução aquosa (b) íons do mesmo elemento em diferentes estados de oxidação
- calcular um potencial padrão de célula combinando dois potenciais padrão de eletrodo
- usar potenciais padrão de célula para: (a) deduzir a polaridade de cada eletrodo e, consequentemente, explicar/deduzir a direção do fluxo de elétrons no circuito externo de uma célula simples (b) prever a viabilidade de uma reação
- deduzir de $E^{\ominus}$ valores a reatividade relativa de elementos, compostos e íons como agentes oxidantes ou como agentes redutores
- construir equações redox usando as semi-equações relevantes
- prever qualitativamente como o valor de um potencial de eletrodo, $E$, varia com as concentrações dos íons aquosos
- usar a equação de Nernst, p.ex. $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, para prever quantitativamente como o valor de um potencial de eletrodo varia com as concentrações dos íons aquosos; exemplos incluem $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
- compreender e usar a equação $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
Fonte: Programa Cambridge International
O potencial de eletrodo 电极电势 ($E$) de uma semicélula mostra quão facilmente ela é reduzida. Medimos esse potencial contra uma referência, sob condições padrão, para obter o potencial de eletrodo padrão 标准电极电势 ($E^{\ominus}$), sempre escrito como redução.
A referência é o eletrodo padrão de hidrogênio 标准氢电极: gás hidrogênio a $1\ \text{atm}$ sobre platina em $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$, definido exatamente como $0.00\ \text{V}$.
Para medir um $E^{\ominus}$, conecte a semicélula ao eletrodo padrão de hidrogênio e leia a tensão. Um metal está imerso em uma solução de seus íons; para dois íons do mesmo elemento (como $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), um eletrodo de platina é mergulhado em uma solução contendo ambos.
Combinando semicélulas
O potencial padrão de célula 标准电池电势 é a diferença entre os dois potenciais de eletrodo padrão:
$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$
Exemplo resolvido. Encontre o potencial padrão de célula de uma célula construída a partir da semicélula $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) e da semicélula $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).
$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$
Com valores de $E^{\ominus}$ você pode:
- encontrar a polaridade: o eletrodo mais negativo é o polo negativo, e os elétrons fluem dele através do circuito externo para o eletrodo positivo.
- julgar a reatividade: um $E^{\ominus}$ mais positivo significa um melhor agente oxidante 氧化剂 (facilmente reduzido); um $E^{\ominus}$ mais negativo significa um melhor agente redutor 还原剂.
Viabilidade e equações redox
Uma reação é viável quando $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ é positivo. Para montar a equação completa, pegue as duas meias-equações 半反应方程式, inverta a que sofre oxidação e adicione-as para que os elétrons se cancelem. Este teste $E^{\ominus}$ indica a viabilidade 可行性 da reação.
Você também pode vinculá-la à energia livre: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, onde $n$ são os mols de elétrons.
A equação de Nernst
Se as concentrações não forem padrões, o potencial do eletrodo muda. Aumentar a concentração da espécie oxidada torna $E$ mais positivo. A equação de Nernst 能斯特方程 fornece o valor exato:
$$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$
onde $z$ é o número de elétrons na meia-equação.
Explorar
Laboratório de potencial de eletrodo
Ecel = Edireita - Esquerda
Alterar o potencial da célula e ver o poder oxidante aumentar.
Vocabulário
Treinar
| Inglês | Chinês | Pinyin |
|---|---|---|
| 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 |
| 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
Dicas de prova
- $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; um $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ positivo significa que a reação é viável.
- Condições padrão para $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, eletrodo de platina — mencione-as se solicitado.
- Um potencial de eletrodo mais negativo significa um agente redutor mais forte; use a série para prever a direção.
- Para quantidades em eletrólise use $Q = It$ e mols de elétrons $= Q/F$.
Aulas interativas sobre este tópico
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