Dos cosas en tu bolsillo funcionan con la misma química. Una batería: una reacción que quiere ocurrir empuja electrones por un cable. Y el cargador: empujamos esos…
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24.1
Electrólisis
Syllabus
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
Español
predecir las identidades de las sustancias liberadas durante la electrólisis a partir del estado del electrolito (fundido o acuoso), su posición en la serie redox (potencial electrodo) y su concentración
enunciado y aplicación de la relación $F = Le$ entre la constante de Faraday, $F$, la constante de Avogadro, $L$, y la carga del electrón, $e$
calcular: (a) la cantidad de carga que pasa durante la electrólisis, usando $Q = It$; (b) la masa y/o el volumen de sustancia liberada durante la electrólisis
describir la determinación de un valor de la constante de Avogadro mediante un método electrolítico
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios 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
Electrolisis: los iones se descargan en los electrodos
Electrolisis 电解 usa electricidad para descomponer un electrolito 电解质 fundido o acuoso. Los iones positivos se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos se mueven hacia el electrodo positivo.
En cada electrodo 电极 ocurre una semirreacción:
en el cátodo 阴极 (negativo): los iones positivos ganan electrones (reducción).
en el ánodo 阳极 (positivo): los iones negativos pierden electrones (oxidación).
Electrolisis: la fuente de corriente continua impulsa los iones positivos al cátodo (reducción) y los iones negativos al ánodo (oxidación)Un voltámetro de Hofmann para la electrólisis del agua: la fuente de alimentación impulsa la corriente a través de dos electrodos, y el gas producido en cada uno se recolecta en su tubo lateral
Predicción de productos
un electrolito fundido produce el metal en el cátodo y el no metal en el ánodo.
un electrolito acuoso también contiene agua. En el cátodo, se libera un metal menos reactivo, pero para un metal reactivo se obtiene hidrógeno en su lugar. En el ánodo generalmente se obtiene oxígeno, pero una solución concentrada de haluro produce el halógeno.
Un electrolito fundido produce metal y no metal; el acuoso también contiene agua
Cálculos
La carga de un mol de electrones es la constante de Faraday 法拉第常量, relacionada con la constante de Avogadro 阿伏伽德罗常量 ($L$) y la carga de un electrón ($e$) mediante $F = Le$.
La carga que pasa es $Q = It$ (corriente $\times$ tiempo). Luego:
moles de electrones $= Q / F$.
use la semiecuación para encontrar los moles de producto.
encuentre la masa ($\times M_r$) o el volumen del gas.
Medir la masa depositada para una carga conocida permite calcular hacia atrás un valor de la constante de Avogadro.
Ejemplo resuelto. Una corriente de $2.0\ \text{A}$ fluye durante $30$ minutos a través de una solución de sulfato de cobre(II), depositando cobre en el cátodo: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Encuentre la masa de cobre depositado. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)
Carga que pasa: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Moles de electrones $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. De la semiecuación, $2\ \text{mol}$ de electrones dan $1\ \text{mol}$ de Cu, por lo tanto $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ y
Standard electrode potentials and cell potentials · Potenciales estándar de electrodo y potenciales de pila
Syllabus
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 $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
Español
definir los términos: (a) potencial estándar de electrodo (de reducción) (b) potencial estándar de celda
describir el electrodo estándar de hidrógeno
describir los métodos utilizados para medir los potenciales estándar de electrodo de: (a) metales o no metales en contacto con sus iones en solución acuosa (b) iones del mismo elemento en diferentes estados de oxidación
calcular un potencial estándar de celda combinando dos potenciales estándar de electrodo
utilizar los potenciales estándar de celda para: (a) deducir la polaridad de cada electrodo y, por tanto, explicar/deducir la dirección del flujo de electrones en el circuito externo de una celda simple (b) predecir la viabilidad de una reacción
deducir a partir de los valores de $E^{\ominus}$ la reactividad relativa de elementos, compuestos e iones como agentes oxidantes o como agentes reductores
construir ecuaciones redox utilizando las semiecuaciones correspondientes
predecir cualitativamente cómo varía el valor de un potencial de electrodo, $E$, con las concentraciones de los iones acuosos
utilizar la ecuación de Nernst, por ejemplo, $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, para predecir cuantitativamente cómo varía el valor de un potencial de electrodo con las concentraciones de los iones acuosos; los ejemplos incluyen $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
comprender y utilizar la ecuación $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios 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.
Español
El potencial de electrodo 电极电势 ($E$) de una semicelda muestra qué tan fácilmente se reduce. Se mide contra una referencia, bajo condiciones estándar, para obtener el potencial estándar de electrodo 标准电极电势 ($E^{\ominus}$), siempre escrito como reducción.
La referencia es el electrodo estándar de hidrógeno 标准氢电极: gas de hidrógeno a $1\ \text{atm}$ sobre platino en $1\ \text{mol dm}^{-3}$$\text{H}^+$, definido exactamente como $0.00\ \text{V}$.
El electrodo estándar de hidrógeno: H$_2$ at 1 atm over platinum in 1 mol dm$^{-3}$ H$^+$, the $0.00$ V referencia para cada potencial de electrodo
Para medir un $E^{\ominus}$, conecte la semicelda al electrodo estándar de hidrógeno y lea el voltaje. Un metal está en una solución de sus iones; para dos iones del mismo elemento (como $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), un electrodo de platino se sumerge en una solución que contiene ambos.
Combinación de semiceldas
El potencial estándar de pila 标准电池电势 es la diferencia entre los dos potenciales estándar de electrodo:
Una pila simple: dos semiceldas unidas por un puente salino, con un voltímetro. Los electrones fluyen desde el electrodo negativo (Zn) al electrodo positivo (Cu)
Ejemplo resuelto. Calcule el potencial estándar de celda de una celda construida a partir del $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ semicelula ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) y la $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ semicelula ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).
encontrar la polaridad: el electrodo más negativo es el terminal negativo, y los electrones fluyen desde él a través del circuito externo hacia el electrodo positivo.
juzgar la reactividad: un $E^{\ominus}$ más positivo indica un mejor agente oxidante 氧化剂 (se reduce fácilmente); un $E^{\ominus}$ más negativo indica un mejor agente reductor 还原剂.
La serie electroquímica: un $E^{\ominus}$ más positivo (arriba) es un agente oxidante más fuerte; un $E^{\ominus}$ más negativo (abajo) es un agente reductor más fuerte
Factibilidad y ecuaciones redox
Una reacción es factible cuando $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ es positivo. Para construir la ecuación completa, toma las dos ecuaciones semirreacción 半反应方程式, invierte la que se oxida y súmalas de modo que los electrones se cancelen. Esta prueba $E^{\ominus}$ determina la factibilidad 可行性 de la reacción.
También puedes relacionarlo con la energía libre: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, donde $n$ es el número de moles de electrones.
La ecuación de Nernst
Si las concentraciones no son estándar, el potencial del electrodo cambia. Aumentar la concentración de la especie oxidada hace que $E$ sea más positivo. La ecuación de Nernst 能斯特方程 proporciona el valor exacto:
$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; 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 $= Q/F$.
Español
$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; un valor positivo de $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ indica que la reacción es viable.
Condiciones estándar para $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, electrodo de platino — indícalas si se te piden.
Un potencial de electrodo más negativo significa un agente reductor más fuerte; utiliza la serie para predecir la dirección.
Para cantidades en electrólisis utiliza $Q = It$ y moles de electrones $= Q/F$.
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