Elektrokimia: elektrolisis dan sel diperjelas

Elektrokimia kelihatan menakutkan kerana ia mempunyai dua bahagian yang seolah-olah berfungsi dalam arah bertentangan, elektrolisis menolak elektrik masuk ke dalam bahan kimia untuk memecahkannya, manakala sel kimia membiarkan tindak balas menghasilkan elektrik. Sebaik anda nampak bahawa kedua-duanya hanyalah tindak balas redoks dengan elektron dihalakan melalui wayar, keseluruhan topik menjadi satu gambaran yang jelas. Penjelasan ini melukis gambaran itu dari asas.

Elektrolisis: memaksa tindak balas dengan elektrik

Elektrolisis ialah penguraian sebatian ion, dalam bentuk lebur atau akueus, dengan mengalirkan elektrik melaluinya. Cecair yang mengkonduksi ialah elektrolit, dan ia mengkonduksi kerana ionnya kini bebas bergerak. Dua rod dipanggil elektrod dicelup ke dalamnya: katod disambung ke terminal negatif bekalan kuasa, dan anod ke terminal positif. Ini ialah inti bab keseimbangan redoks, dan ia berjalan atas satu peraturan tarikan yang mudah.

Cas bertentangan menarik, jadi:

• Kation (ion positif) bergerak ke katod, menerima elektron, dan diturunkan.
• Anion (ion negatif) bergerak ke anod, kehilangan elektron, dan dioksidakan.

Itu sahaja mekanisme yang anda perlukan. Selebihnya hanyalah menentukan ion yang mana bertindak balas apabila ada pilihan.

Sebatian lebur: kes mudah

Apabila elektrolit ialah sebatian lebur, tiada air dan oleh itu tiada persaingan, hanya ion sebatian itu sendiri hadir. Plumbum(II) bromida lebur ialah contoh klasik. Ion plumbum(II) pergi ke katod dan ion bromida ke anod:

• Katod: Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb (manik kelabu plumbum lebur terbentuk)
• Anod: 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻ (wap bromin perang dibebaskan)

Perubahan keseluruhan ialah PbBr₂ → Pb + Br₂. Perhatikan ini ialah tindak balas redoks yang dibahagikan antara dua elektrod: penurunan di katod, pengoksidaan di anod, setiap kali.

Larutan akueus: mengapa “penyahcasan terpilih” muncul

Air mengubah segala-galanya. Dalam larutan akueus, air itu sendiri membekalkan sedikit ion H⁺ dan OH⁻, jadi di setiap elektrod kini ada dua calon bersaing untuk dinyahcas. Yang mana menang ditentukan oleh tiga faktor yang mesti anda timbang mengikut urutan:

1. Kedudukan dalam siri elektrokimia. Ion unsur yang kurang reaktif dinyahcas dengan lebih mudah. Di katod ini bermaksud ion seperti Cu²⁺ atau H⁺ lebih diutamakan berbanding yang reaktif seperti Na⁺; di anod, OH⁻ dinyahcas mengatasi sulfat.
2. Kepekatan ion. Kepekatan tinggi ion tertentu boleh mengatasi siri. Sebab itu natrium klorida pekat memberi klorin di anod walaupun OH⁻ sepatutnya menang.
3. Jenis elektrod. Biasanya elektrod adalah lengai (karbon atau platinum) dan tidak mengambil bahagian. Tetapi elektrod reaktif seperti kuprum boleh melarut sendiri di anod dan bukannya ion dinyahcas.

Kerjakan contoh piawai di bawah elektrolisis larutan akueus dan corak akan menjadi lumrah. Bagi asid sulfurik cair, contohnya, anda sebenarnya mengelektrolisiskan air: hidrogen di katod, oksigen di anod, dalam nisbah isi padu 2 : 1.

Elektrod kuprum: pusingan istimewa yang berguna

Mengelektrolisiskan kuprum(II) sulfat dengan elektrod kuprum menunjukkan faktor ketiga beraksi dan menjelaskan penyaduran serta penulenan kuprum. Anod kuprum reaktif melarut, Cu → Cu²⁺ + 2e⁻, manakala di katod kuprum termendap, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Kuprum sebenarnya dipindahkan dari anod ke katod, tepat cara kuprum tak tulen ditulenkan dan cara objek disadur dengan lapisan kuprum yang nipis dan sekata.

Sel kimia: tindak balas berjalan terbalik

Sel kimia (voltan) melakukan sebaliknya daripada elektrolisis: bukannya menggunakan elektrik untuk memaksa tindak balas, ia menggunakan tindak balas redoks spontan untuk menghasilkan elektrik. Celup dua logam berbeza ke dalam elektrolit dan sambungkannya dengan wayar, maka arus mengalir. Sebabnya ialah perbezaan kereaktifan.

Logam yang lebih reaktif kehilangan elektron dengan lebih mudah, jadi ia dioksidakan dan menjadi terminal negatif. Elektron itu bergerak melalui wayar luar ke logam yang kurang reaktif, terminal positif, melakukan kerja elektrik dalam perjalanan. Dalam sel zink–kuprum, zink ialah terminal negatif dan perlahan-lahan melarut, manakala kuprum ialah terminal positif. Anda boleh membina satu sendiri mengikut membina sel voltan ringkas.

Ada akibat yang kemas dan boleh disoal: semakin jauh jarak dua logam dalam siri kereaktifan, semakin besar voltan yang dihasilkan sel. Sel magnesium–kuprum memberi bacaan lebih tinggi daripada sel zink–kuprum kerana magnesium dan kuprum lebih jauh terpisah.

Memegang dua idea bersama

Cara paling bersih untuk mengekalkan elektrolisis dan sel jelas ialah mengingati arah tenaganya. Elektrolisis: tenaga elektrik → perubahan kimia, dipacu oleh bekalan luar, digunakan untuk memecahkan sebatian atau menyalut logam. Sel kimia: perubahan kimia → tenaga elektrik, spontan, digunakan untuk menjana arus. Kedua-duanya redoks pada intinya, pengoksidaan di satu elektrod, penurunan di satu lagi, hanya sumber tolakan yang berbeza.

Menjadikannya masuk

Jangan hafal senarai panjang hasil elektrod. Sebaliknya, bagi mana-mana soalan elektrolisis, namakan ion yang hadir, hantar kation ke katod dan anion ke anod, kemudian terapkan tiga faktor penyahcasan terpilih mengikut urutan. Bagi mana-mana sel, cari logam yang lebih reaktif dan panggil ia negatif. Latih lima atau enam contoh cara ini dan topik akan duduk pada tempatnya. Jika peraturan penyahcasan terpilih masih terasa licin, pelajaran dalam talian satu-ke-satu yang fokus boleh membimbing anda dengan kes terkerja, guru kami mengajar dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam, dengan percubaan satu jam berbayar untuk bermula.