Два предмета в вашем кармане работают на одной химии. Батарея: реакция, стремящаяся произойти, толкает электроны через провод. И зарядное устройство: мы толкаем эти…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
24.1
Electrolysis · Электролиз
Syllabus · Программа
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
Русский
предсказывать вещества, выделяющиеся при электролизе, по состоянию электролита (расплав или водный раствор), положению в ряду редокс-потенциалов (электродный потенциал) и концентрации
формулировать и применять соотношение $F = Le$ между постоянной Фарадея, $F$, постоянной Авогадро, $L$, и зарядом электрона, $e$
вычислять: (a) величину заряда, прошедшего во время электролиза, используя $Q = It$ (b) массу и/или объём вещества, выделившегося при электролизе
описывать определение значения постоянной Авогадро электролитическим методом
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
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
Электролиз использует электрический ток для разложения расплавленного или водного электролита. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные ионы — к положительному.
На каждом электроде протекает полуреакция:
на катоде (отрицательном): положительные ионы принимают электроны (восстановление).
на аноде (положительном): отрицательные ионы отдают электроны (окисление).
Электролиз: источник постоянного тока направляет положительные ионы к катоду (восстановление) и отрицательные ионы к аноду (окисление)Вольтампер Hofmann для электролиза воды: источник питания пропускает ток через два электрода, газ, образующийся на каждом, собирается в соответствующей трубке
Прогнозирование продуктов
расплавленный электролит дает металл на катоде и неметалл на аноде.
водный электролит также содержит воду. На катоде выделяется менее активный металл, но если металл активный, вместо него выделяется водород. На аноде обычно выделяется кислород, но концентрированный раствор галогенида дает галоген.
Расплавленный электролит дает металл и неметалл; водный раствор также содержит воду
Расчеты
Заряд одного моля электронов — это постоянная Фарадея, связанная с постоянной Авогадро ($L$) и зарядом одного электрона ($e$) соотношением $F = Le$.
используйте полуреакцию для нахождения количества вещества продукта.
найдите массу ($\times M_r$) или объем газа.
Измерение массы осадка при известном заряде позволяет вычислить значение постоянной Авогадро.
Разобранный пример. Ток силой $2.0\ \text{A}$ течет в течение $30$ минут через раствор сульфата меди(II), выделяя медь на катоде: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Найдите массу осажденной меди. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)
Пройденный заряд: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Количество вещества электронов $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. Из полуреакции следует, что $2\ \text{mol}$ моль электронов дают $1\ \text{mol}$ моль Cu, следовательно, $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ и
Электролиз используется для нанесения тонкого блестящего слоя металла, такого как хром, на изделие методом электропокрытий
Explore · Исследовать
Faraday's first law · Первый закон Фарадея
m = k·Q
Mass deposited is proportional to the charge passed (Faraday's law). · Масса осажденного вещества пропорциональна прошедшему заряду (закон Фарадея).
Explore · Исследовать
Inside an electrolysis cell · Внутри электролитической ячейки
Choose an electrolyte and watch the ions move: cations to the cathode, anions to the anode, where they are discharged. · Выберите электролит и наблюдайте движение ионов: катионы — к катоду, анионы — к аноду, где они разряжаются.
Standard electrode potentials and cell potentials · Стандартные потенциалы электродов и потенциалы ячеек
Syllabus · Программа
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 $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
описывать методы, используемые для измерения стандартных электродных потенциалов: (a) металлов или неметаллов в контакте с их ионами в водном растворе (b) ионов одного элемента в различных степенях окисления
вычислять стандартный потенциал ячейки, объединяя два стандартных электродных потенциала
использовать стандартные потенциалы ячеек для: (a) определения полярности каждого электрода и, следовательно, объяснения/определения направления потока электронов во внешней цепи простого гальванического элемента (b) предсказания спонтанности реакции
выводить относительную реакционную способность элементов, соединений и ионов как окислителей или восстановителей из значений $E^{\ominus}$
составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций, используя соответствующие полуреакции
качественно предсказывать, как меняется значение электродного потенциала, $E$, в зависимости от концентраций водных ионов
использовать уравнение Нернста, напр. $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, для количественного предсказания того, как меняется значение электродного потенциала в зависимости от концентраций водных ионов; примеры включают $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
поймите и используйте уравнение $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
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.
Русский
Потенциал электрода ($E$) полуэлемента показывает легкость его восстановления. Мы измеряем его относительно эталона при стандартных условиях, чтобы получить стандартный потенциал электрода ($E^{\ominus}$), который всегда записывается как восстановление.
Эталонным является стандартный водородный электрод: водородный газ при $1\ \text{atm}$ над платиной в растворе $1\ \text{mol dm}^{-3}$$\text{H}^+$, которому присваивается значение ровно $0.00\ \text{V}$.
Стандартный водородный электрод: H$_2$ при 1 атм над платиной в растворе 1 моль дм$^{-3}$ H$^+$, является $0.00$ В эталоном для всех электродных потенциалов
Чтобы измерить $E^{\ominus}$, подключите полуэлемент к стандартному водородному электроду и снимите показания напряжения. Металл находится в растворе своих ионов; для двух ионов одного элемента (например, $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$) платиновый электрод погружают в раствор, содержащий оба вида.
Объединение полуэлементов
Стандартный потенциал ячейки — это разница между двумя стандартными потенциалами электродов:
Простая гальваническая ячейка: два полуэлемента, соединенных солевым мостиком, с вольтметром. Электроны текут от отрицательного (Zn) электрода к положительному (Cu)
определить полярность: более отрицательный электрод является отрицательным полюсом, и электроны текут от него через внешнюю цепь к положительному электроду.
судить о реакционной способности: более положительный $E^{\ominus}$ означает лучший окислитель (легко восстанавливается); более отрицательный $E^{\ominus}$ означает лучший восстановитель.
Электрохимический ряд: более положительный $E^{\ominus}$ (сверху) — более сильный окислитель; более отрицательный $E^{\ominus}$ (снизу) — более сильный восстановитель
Самостоятельность реакций и уравнения редокс
Реакция возможна, когда $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ имеет положительный знак. Чтобы составить полное уравнение, возьмите две полуреакции, измените знак у той, которая происходит окисление, и сложите их так, чтобы электроны сократились. Это $E^{\ominus}$ критерий определяет возможность протекания реакции.
Его также можно связать со свободной энергией: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, где $n$ — количество вещества электронов.
Уравнение Нернста
Если концентрации не стандартные, электродный потенциал изменяется. Повышение концентрации окисленной формы делает $E$ более положительным. Уравнение Нернста дает точное значение:
$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; 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 $= Q/F$.
Русский
$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; положительное$E^{\ominus}_{\text{cell}}$ означает, что реакция протекает самопроизвольно.
Стандартные условия для $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 кПа, платиновый электрод — укажите их при запросе.
Более отрицательный электродный потенциал означает более сильный восстановитель; используйте ряд для определения направления реакции.
Для расчета количеств при электролизе используйте $Q = It$ и количество вещества электронов $= Q/F$.
Interactive lessons on this topic · Интерактивные уроки по этой теме
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.
