- prédire les identités des substances libérées lors de l'électrolyse à partir de l'état de l'électrolyte (fondu ou aqueux), de la position dans la série redox (potentiel d'électrode) et de la concentration
- énoncer et appliquer la relation $F = Le$ entre la constante de Faraday, $F$, la constante d'Avogadro, $L$, et la charge de l'électron, $e$
- calculer : (a) la quantité de charge passant pendant l'électrolyse, en utilisant $Q = It$ (b) la masse et/ou le volume de substance libérée pendant l'électrolyse
- décrire la détermination d'une valeur de la constante d'Avogadro par une méthode électrolytique
Électrochimie
Chimie A-Level · Sujet 24
7:53
Électrochimie (A2)
Deux objets dans votre poche fonctionnent grâce à la même chimie. Une pile : une réaction qui veut avoir lieu pousse les électrons à travers un fil. Et le chargeur : nous poussons ces…
Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés
24.1
Électrolyse
Programme
Source : Programme Cambridge International
L'électrolyse 电解 utilise l'électricité pour décomposer un électrolyte 电解质 fondu ou aqueux. Les ions positifs se déplacent vers l'électrode négative et les ions négatifs vers l'électrode positive.
À chaque électrode 电极, une demi-réaction se produit :
- à la cathode 阴极 (négative) : les ions positifs gagnent des électrons (réduction).
- à l'anode 阳极 (positive) : les ions négatifs perdent des électrons (oxydation).
Prédire les produits
- un électrolyte fondu donne le métal à la cathode et le non-métal à l'anode.
- un électrolyte aqueux contient aussi de l'eau. À la cathode, un métal moins réactif est libéré, mais pour un métal réactif, vous obtenez de l'hydrogène à la place. À l'anode, vous obtenez généralement de l'oxygène, mais une solution concentrée d'halogénures donne l'halogène.
Calculs
La charge d'une mole d'électrons est la constante de Faraday 法拉第常量, liée à la constante d'Avogadro 阿伏伽德罗常量 ($L$) et à la charge d'un électron ($e$) par $F = Le$.
La charge passée est $Q = It$ (courant $\times$ temps). Ensuite :
- moles d'électrons $= Q / F$.
- utilisez l'équation demi-bilan pour trouver les moles de produit.
- trouvez la masse ($\times M_r$) ou le volume gazeux.
Mesurer la masse déposée pour une charge connue permet de remonter à une valeur de la constante d'Avogadro.
Exemple résolu. Un courant de $2.0\ \text{A}$ circule pendant $30$ minutes dans une solution de sulfate de cuivre(II), déposant du cuivre à la cathode : $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Trouvez la masse de cuivre déposée. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)
Charge passée : $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Moles d'électrons $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. D'après l'équation demi-bilan, $2\ \text{mol}$ d'électrons donnent $1\ \text{mol}$ de Cu, donc $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ et
$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
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Première loi de Faraday
m = k·Q
La masse déposée est proportionnelle à la charge passée (loi de Faraday).
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À l'intérieur d'une cellule d'électrolyse
Choisissez un électrolyte et regardez les ions se déplacer : les cations vers la cathode, les anions vers l'anode, où ils sont déchargés.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ | 电解 | diàn jiě |
| electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ | 电解质 | diàn jiě zhì |
| 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 |
24.2
Potentiels d'électrode standards et potentiels de pile
Programme
- définir les termes : (a) potentiel d'électrode standard (réduction) (b) potentiel de cellule standard
- décrire l'électrode standard à hydrogène
- décrire les méthodes utilisées pour mesurer les potentiels d'électrode standards de : (a) métaux ou non-métaux en contact avec leurs ions en solution aqueuse (b) ions du même élément dans différents états d'oxydation
- calculer un potentiel de cellule standard en combinant deux potentiels d'électrode standards
- utiliser les potentiels de cellule standards pour : (a) déduire la polarité de chaque électrode et ainsi expliquer/déduire la direction du flux d'électrons dans le circuit externe d'une cellule simple (b) prédire la faisabilité d'une réaction
- déduire à partir des valeurs $E^{\ominus}$ la réactivité relative des éléments, composés et ions en tant qu'agents oxydants ou agents réducteurs
- construire des équations redox en utilisant les demi-équations pertinentes
- prédire qualitativement comment la valeur d'un potentiel d'électrode, $E$, varie avec les concentrations des ions aqueux
- utiliser l'équation de Nernst, ex. $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, pour prédire quantitativement comment la valeur d'un potentiel d'électrode varie avec les concentrations des ions aqueux ; les exemples incluent $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
- comprendre et utiliser l'équation $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
Source : Programme Cambridge International
Le potentiel d'électrode 电极电势 ($E$) d'une demi-pile indique la facilité avec laquelle elle est réduite. Nous le mesurons par rapport à une référence, dans des conditions standards, pour obtenir le potentiel d'électrode standard 标准电极电势 ($E^{\ominus}$), toujours écrit comme une réduction.
La référence est l'électrode standard à hydrogène 标准氢电极 : gaz hydrogène à $1\ \text{atm}$ sur du platine dans $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$, défini comme exactement $0.00\ \text{V}$.
Pour mesurer un $E^{\ominus}$, connectez la demi-pile à l'électrode standard à hydrogène et lisez la tension. Un métal est placé dans une solution de ses ions ; pour deux ions du même élément (comme $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), une électrode de platine plonge dans une solution contenant les deux.
Combiner des demi-piles
Le potentiel de pile standard 标准电池电势 est la différence entre les deux potentiels d'électrode standards :
$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$
Exemple résolu. Trouvez le potentiel de pile standard d'une pile constituée de la demi-pile $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) et de la demi-pile $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).
$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$
À partir des valeurs $E^{\ominus}$, vous pouvez :
- trouver la polarité : l'électrode la plus négative est la borne négative, et les électrons s'y échappent pour traverser le circuit externe jusqu'à l'électrode positive.
- juger de la réactivité : une valeur $E^{\ominus}$ plus positive signifie un meilleur agent oxydant 氧化剂 (facilement réduit) ; une valeur $E^{\ominus}$ plus négative signifie un meilleur agent réducteur 还原剂.
Faisabilité et équations redox
Une réaction est faisable lorsque $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ est positif. Pour construire l'équation globale, prendre les deux équations demi-ioniques 半反应方程式, inverser celle qui subit l'oxydation, puis les additionner pour que les électrons s'annulent. Ce $E^{\ominus}$ test permet de déterminer la faisabilité 可行性 de la réaction.
On peut aussi le relier à l'énergie libre : $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, où $n$ représente le nombre de moles d'électrons.
L'équation de Nernst
Si les concentrations ne sont pas standards, le potentiel d'électrode change. Augmenter la concentration de l'espèce oxydée rend $E$ plus positif. L'équation de Nernst 能斯特方程 donne la valeur exacte :
$$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$
où $z$ est le nombre d'électrons dans l'équation demi-ionique.
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Laboratoire de potentiel d'électrode
Ecell = Edroite - Egauche
Modifier le potentiel de la cellule et voir l'oxydant s'intensifier.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| electrode/ɪˈlektrəʊd/ | 电极 | diàn jí |
| 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
Conseils d'examen
- $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$ ; une valeur positif $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ signifie que la réaction est faisable.
- Conditions standards pour $E^{\ominus}$ : 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, électrode en platine — les citer si demandé.
- Un potentiel d'électrode plus négatif signifie un agent réducteur plus fort ; utiliser la série pour prédire la direction.
- Pour les quantités lors d'une électrolyse, utiliser $Q = It$ et le nombre de moles d'électrons $= Q/F$.
Leçons interactives sur ce sujet
Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.