AP 化学/电化学

寻找氧化数

氧化数只是每个化合物中单个元素的电荷。要找到某个东西的氧化数，需要记住一些规则

任何纯净的、电荷为 0 的物种，其氧化数为 0

还原和氧化

示例方程

${\ce {Cu (aq)^2+ + Zn (s) -> Cu (s) + Zn (aq)^2+}}$

还原：当离子/元素获得电子时（ ${\ce {Cu^2+}}$ 被还原为 ${\ce {Cu}}$ ）

氧化：当离子/元素失去电子时（ ${\ce {Zn}}$ 被氧化为 ${\ce {Zn^2+}}$ ）

还原剂：将电子传递给另一个离子/元素的离子/元素（ ${\ce {Zn}}$ 是对 ${\ce {Cu^2+}}$ 的还原剂）

氧化剂：从另一个离子/元素中获取电子的离子/元素（ ${\ce {Cu^2+}}$ 是对 ${\ce {Zn}}$ 的氧化剂）

标准电池电势

在氧化还原反应中，电子会发生转移。这些转移会导致两种金属之间产生标准电池电势（以伏特为单位测量）。作为 AP 化学学生，你应该能够使用标准还原电势表来计算标准电池电势。该表格提供了每个元素/化合物的标准还原电势，即将 1 摩尔离子还原为还原态（它可以变成另一种离子或金属的纯形式）所需的电势伏特数。要找到标准电池电势，你需要找到被还原元素的还原电势和被氧化元素的氧化电势。氧化电势可以通过改变表格中找到的还原电势的符号来确定（ ${\ce {Sr+}}$ 的还原电势为 -4.10， ${\ce {Sr}}$ 的氧化电势为 4.10）。找到被还原元素的还原电势和被氧化元素的氧化电势后，只需将这两个值加在一起即可得到标准电池电势。

安培、法拉第和库仑

在观察原电池时，你需要能够计算在给定时间内沉积的特定金属的质量。为此，你需要了解一些新的单位。

库仑：库仑是 6.241×10¹⁸ 个电子的电荷。

法拉第：法拉第是表示电子摩尔的过时说法。

安培：安培表示每秒库仑。它测量流过导线的电流。

法拉第常数：它表示每摩尔电子有 96,500 库仑。

原电池

这是一个原电池

电池的组成部分

原电池包含几个不同的组件

阳极：金属被氧化的地方，电子被释放到导线中，导致固态金属阳极变成离子。
阴极：来自导线的电子被离子浴中的离子接收的地方，导致还原，将离子转化为固态金属。
盐桥：盐溶解在水中的地方，每个离子移动到阳极或阴极，平衡需要平衡的任何电荷。阴离子移动到阳极，阳离子移动到阴极。盐桥中的盐必须是一种盐，如果阴离子与两种金属的离子结合，该化合物仍将保持溶解状态，不会固化。
金属离子浴：金属被氧化时变成离子后所在的溶液。也是还原后的离子固化并变成固态金属的地方。
导线：电子从阳极流向阴极的路径。

工作原理

根据标准还原电势表，还原电势较高（或氧化电势较低）的原电池将是阴极，另一种金属将是阳极。阳极中的电子被氧化，通过导线传递到阴极。这就是电压的确定方式，通过测量导线中电子的电流。

确定金属的生成质量

有了这些信息，我们需要弄清楚在给定安培数和时间的情况下，原电池中沉积了多少质量。让我们来看一个示例问题。

电解 $1.0{\text{ M}}$ ${\ce {Hg(NO3)2}}$ 溶液，电流为 $2.00{\text{ A}}$ ，持续时间为 $3.00{\text{ h}}$ ，可以生成多少克汞？

这里，我们给出了三个重要的信息。

$1.0{\text{ M}}$ ${\ce {Hg(NO3)2}}$
电流为 $2.00{\text{ A}}$
持续时间为 $3.00{\text{ h}}$

第一条信息告诉我们如何建立净离子半反应。在这些类型的反应中，将有两种金属发生反应，一种氧化，一种还原。在本例中，我们实际上只需要关心还原反应，因为我们正在寻找汞的固体克数，而还原是产生固体汞的地方。

(注意：你可能遇到一个问题说“镀出”。这与“产生”的意思相同。)

为了建立我们的还原半反应，我们需要知道被还原金属的氧化值（基本上是指金属变成离子时，它的电荷是多少）。过渡金属具有两种或多种氧化态，但通常可以安全地使用最常见的一种（通常是 2+）。对于汞，本例中的氧化态是 2+。因此，我们的反应如下

${\ce {Hg^2+ (aq) + 2e- -> Hg (s)}}$

有了这个方程式，我们现在知道了所有需要的摩尔比。让我们开始通过使用其他两条信息来设置转换因子。

${\frac {3{\text{ hr}}}{1}}\times {\frac {60{\text{ mins}}}{1{\text{ hr}}}}\times {\frac {60{\text{ s}}}{1{\text{ min}}}}\times {\frac {2{\text{ C}}}{1{\text{ s}}}}\times {\frac {1{\text{ mol e}}^{-}}{96,500{\text{ C}}}}\times {\frac {1{\text{ mol Hg}}}{2{\text{ mol e}}^{-}}}\times {\frac {200.59{\text{ g}}}{1{\text{ mol Hg}}}}\approx 22.4{\text{ g}}$

由于安培是 ${\text{C mol}}^{-1},$ 所以需要将小时转换为秒，以便单位能够抵消。然后，使用法拉第常数得到电子摩尔数，然后将其乘以摩尔比，再乘以摩尔质量。

了解如何做这类问题，也了解如何从镀出的克数转换为时间等等。

电解池

这与原电池相反。在这种类型的电池中，将一定的电压施加到一池液体上，可以是盐的熔融形式，也可以是溶解在水中的盐。这一次，人们是在向系统中添加能量，这意味着标准电池电位将为负。这种电流进入离子/熔融盐，基本上将它们分离出来，为你提供你正在使用的任何物质的纯净形式。“阳极”是具有较低氧化电位的金属，“阴极”具有较低的还原电位。这主要用于提纯金属和从盐中提取纯净物质。

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附录

常数和方程式 · 关于 AP 化学考试