Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Electrochemistry · ⁨Điện hóa⁩

A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩ · Topic 24 · ⁨Chủ đề 24⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
7:53

Điện hóa (A2)

Hai thứ trong túi của bạn hoạt động dựa trên cùng một hóa học. Pin: một phản ứng muốn diễn ra đẩy electron qua dây dẫn. Và bộ sạc: chúng ta đẩy những electron đó…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

24.1

Electrolysis · ⁨Điện phân⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English
  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
Tiếng Việt
  1. dự đoán danh tính của các chất được giải phóng trong quá trình điện phân dựa trên trạng thái của electrolyte (nóng chảy hoặc dung dịch nước), vị trí trong dãy redox (thế điện cực) và nồng độ
  2. nêu và áp dụng mối liên hệ $F = Le$ giữa hằng số Faraday, $F$, hằng số Avogadro, $L$, và điện tích của electron, $e$
  3. tính toán: (a) lượng điện tích đã đi qua trong quá trình điện phân, sử dụng $Q = It$ (b) khối lượng và/hoặc thể tích của chất được giải phóng trong quá trình điện phân
  4. mô tả việc xác định giá trị của hằng số Avogadro bằng phương pháp điện phân

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Nguồn: Chương trình 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:

  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

$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
Tiếng Việt
Điện phân: các ion bị khử/oxi hóa tại các điện cực

Điện phân sử dụng điện để phân hủy một chất điện phân dạng nóng chảy hoặc dung dịch. Các ion dương di chuyển về phía điện cực âm và các ion âm di chuyển về phía điện cực dương.

Tại mỗi điện cực xảy ra một phản ứng bán phần:

  • tại catot (âm): các ion dương nhận electron (phản ứng khử).
  • tại anot (dương): các ion âm mất electron (phản ứng oxi hóa).
Tế bào điện phân: nguồn DC nối với hai điện cực trong dung dịch điện phân, với ion dương di chuyển về catot và ion âm di chuyển về anot
Điện phân: nguồn DC đẩy các ion dương về catot (khử) và các ion âm về anot (oxi hóa)
Volutameter Hofmann bằng thủy tinh đặt trên giá đỡ, đấu dây với nguồn điện, mỗi bên đều có ống thu khí
Voltam kế Hofmann dùng cho điện phân nước: nguồn điện đẩy dòng điện qua hai điện cực, và khí sinh ra ở mỗi bên được thu vào ống tương ứng

Dự đoán sản phẩm

  • chất điện phân nóng chảy tạo kim loại ở catot và phi kim ở anot.
  • chất điện phân dung dịch cũng chứa nước. Tại catot, kim loại kém hoạt động hơn sẽ được giải phóng, nhưng nếu là kim loại hoạt động mạnh thì bạn sẽ thu được hiđro thay vì kim loại. Tại anot, thường thu được ôxy, nhưng dung dịch halogenide đặc sẽ tạo ra halogen.
Điện phân nóng chảy cho kim loại và phi kim; điện phân trong dung dịch nước cũng chứa nước
Electrolyte nóng chảy tạo ra kim loại và phi kim; dung dịch nước cũng có nước

Tính toán

Điện tích của một mol electron là hằng số Faraday, liên hệ với hằng số Avogadro ($L$) và điện tích của một electron ($e$) qua $F = Le$.

Điện lượng đã truyền đi là $Q = It$ (cường độ dòng điện $\times$ × thời gian). Sau đó:

  1. số mol electron $= Q / F$.
  2. sử dụng phương trình bán phần để tìm số mol sản phẩm.
  3. tính khối lượng ($\times M_r$) hoặc thể tích khí.

Đo khối lượng chất lắng đọng cho một điện lượng xác định cho phép bạn tính ngược lại giá trị của hằng số Avogadro.

Ví dụ minh họa. Dòng điện $2.0\ \text{A}$ chạy trong $30$ phút qua dung dịch đồng(II) sunfat, lắng đọng đồng ở catot: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Tìm khối lượng đồng lắng đọng. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)

Điện lượng truyền đi: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Số mol electron $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. Từ phương trình bán phần, $2\ \text{mol}$ electron tạo ra $1\ \text{mol}$ Cu, do đó $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ và

$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
Máy mạ điện dạng thùng để mạ điện các chi tiết nhỏ
Điện phân được sử dụng để mạ điện cho một vật bằng một lớp kim loại mỏng, sáng bóng như crôm
Explore · ⁨Khám phá⁩

Faraday's first law · ⁨Định luật Faraday thứ nhất⁩

m = k·Q

Mass deposited is proportional to the charge passed (Faraday's law). · ⁨Khối lượng lắng đọng tỷ lệ thuận với điện lượng đã truyền (Định luật Faraday).⁩

Explore · ⁨Khám phá⁩

Inside an electrolysis cell · ⁨Bên trong cell điện phân⁩

Choose an electrolyte and watch the ions move: cations to the cathode, anions to the anode, where they are discharged. · ⁨Chọn chất điện phân và quan sát các ion di chuyển: cation đến cathode, anion đến anode, nơi chúng bị giải phóng.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ điện phân
electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ chất điện ly
Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
24.2

Standard electrode potentials and cell potentials · ⁨Thế điện cực chuẩn và thế pin chuẩn⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
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 $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
Tiếng Việt
  1. định nghĩa các thuật ngữ: (a) thế điện cực chuẩn (khử) (b) thế pin chuẩn
  2. mô tả điện cực hydro chuẩn
  3. mô tả các phương pháp dùng để đo thế điện cực chuẩn của: (a) kim loại hoặc phi kim tiếp xúc với ion của chúng trong dung dịch nước (b) ion của cùng một nguyên tố ở các trạng thái oxi hóa khác nhau
  4. tính thế pin chuẩn bằng cách kết hợp hai thế điện cực chuẩn
  5. sử dụng thế pin chuẩn để: (a) suy luận độ phân cực của từng điện cực và từ đó giải thích/suy luận chiều dòng electron trong mạch ngoài của pin đơn giản (b) dự đoán khả năng xảy ra của phản ứng
  6. suy luận từ các giá trị $E^{\ominus}$ mức độ hoạt động tương đối của các nguyên tố, hợp chất và ion với vai trò là chất oxi hóa hoặc chất khử
  7. lập phương trình redox bằng cách sử dụng các phương trình nửa phản ứng phù hợp
  8. dự đoán định tính thế nào giá trị của thế điện cực, $E$, thay đổi theo nồng độ của các ion trong dung dịch nước
  9. sử dụng phương trình Nernst, ví dụ $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, để dự đoán định lượng thế nào giá trị của thế điện cực thay đổi theo nồng độ của các ion trong dung dịch nước; các ví dụ bao gồm $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
  10. hiểu và sử dụng phương trình $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Nguồn: Chương trình 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:

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$

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.

Tiếng Việt

Thế điện cực ($E$) của một bán pin cho biết mức độ dễ dàng bị khử của nó. Chúng ta đo nó so với một tham chiếu, dưới điều kiện chuẩn, để có được thế điện cực chuẩn ($E^{\ominus}$), luôn được viết dưới dạng phản ứng khử.

Tham chiếu là điện cực hydro chuẩn: khí hiđro ở áp suất $1\ \text{atm}$ trên platin trong dung dịch $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$, được quy ước chính xác là $0.00\ \text{V}$.

Khí hydro sủi bọt trên điện cực platin trong axit bên trong ống thủy tinh, toàn bộ tế bào được ghi nhãn là 0.00 volt
Điện cực hydro tiêu chuẩn: H$_2$ ở áp suất 1 atm trên platinum trong dung dịch 1 mol dm$^{-3}$ H$^+$, là tham chiếu $0.00$ V cho mọi thế điện cực

Để đo một $E^{\ominus}$, nối bán tế bào với điện cực hydro tiêu chuẩn và đọc điện áp. Một kim loại nằm trong dung dịch ion của nó; đối với hai ion của cùng một nguyên tố (như $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), một điện cực platinum nhúng vào dung dịch chứa cả hai.

Kết hợp các bán pin

Thế pin chuẩn là hiệu giữa hai thế điện cực chuẩn:

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$
Tế bào bán phần kẽm và tế bào bán phần đồng được nối với nhau bằng cầu muối và voltmeter, với electron di chuyển từ kẽm sang đồng qua dây dẫn
Pin đơn giản: hai bán pin được nối bởi cầu muối, với vôn kế. Electron chảy từ điện cực âm (Zn) đến điện cực dương (Cu)

Ví dụ minh họa. Tìm thế pin tiêu chuẩn của một pin được cấu tạo từ bán tế bào $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) và bán tế bào $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).

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

Từ các giá trị $E^{\ominus}$, bạn có thể:

  • xác định cực tính: điện cực có thế âm hơn là cực âm, và electron chảy từ đó qua mạch ngoài đến điện cực dương.
  • đánh giá tính hoạt động: $E^{\ominus}$ dương hơn nghĩa là tác nhân oxi hóa tốt hơn (dễ bị khử); $E^{\ominus}$ âm hơn nghĩa là tác nhân khử tốt hơn.
Thang đo dọc thế điện cực chuẩn từ flo ở trên cùng đến natri ở dưới cùng, với các mũi tên chỉ chất oxi hóa mạnh hơn ở phía trên và chất khử mạnh hơn ở phía dưới
Dãy điện hóa: $E^{\ominus}$ dương hơn (trên cùng) là tác nhân oxi hóa mạnh hơn; $E^{\ominus}$ âm hơn (dưới cùng) là tác nhân khử mạnh hơn

Khả thi và phương trình redox

Phản ứng khả thi khi $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ là dương. Để lập phương trình tổng quát, lấy hai phương trình bán phần, đảo ngược phương trình xảy ra oxi hóa, và cộng chúng lại sao cho electron triệt tiêu. $E^{\ominus}$ này kiểm tra cho thấy khả năng diễn ra của phản ứng.

Bạn cũng có thể liên kết nó với năng lượng tự do: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, nơi $n$ là số mol electron.

Phương trình Nernst

Nếu nồng độ không chuẩn, thế điện cực sẽ thay đổi. Tăng nồng độ các loài bị oxy hóa sẽ làm cho $E$ trở nên dương hơn. Phương trình Nernst cho giá trị chính xác:

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

trong đó $z$ là số electron trong phương trình bán phản ứng.

Explore · ⁨Khám phá⁩

Electrode potential lab · ⁨Thí nghiệm tiềm năng điện cực⁩

Ecell = Eright - Eleft

Change cell potential and see oxidising power increase. · ⁨Thay đổi thế tế bào và thấy lực oxi hóa tăng lên.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
electrode/ɪˈlektrəʊd/ điện cực
cathode/ˈkæθəʊd/ cathode
anode/ˈænəʊd/ anode
Faraday constant/ˈfærədeɪ ˈkɒnstənt/ hằng số Faraday
Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ hằng số Avogadro
electrode potential/ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ thế điện cực
standard electrode potential/ˈstændəd ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ tiềm năng điện cực chuẩn
standard hydrogen electrode/ˈstændəd ˈhaɪdrədʒn ɪˈlektrəʊd/ điện cực hydro chuẩn
standard cell potential/ˈstændəd sel pəˈtenʃl/ tiềm năng pin chuẩn
oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ chất oxi hóa
reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ chất khử
half-equation/hɑːf ɪˈkweɪʒn/ half-equation
feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ khả thi
Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ Phương trình Nernst
Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
24.2

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

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 $= Q/F$.
Tiếng Việt
  • $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; một $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ dương có nghĩa là phản ứng có khả năng xảy ra.
  • Điều kiện chuẩn cho $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, điện cực bạch kim — hãy nêu chúng nếu được yêu cầu.
  • Thế điện cực âm hơn có nghĩa là chất khử mạnh hơn; sử dụng dãy để dự đoán chiều phản ứng.
  • Đối với lượng chất trong điện phân, sử dụng $Q = It$ và số mol electron $= Q/F$.

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP