AP 化學/電化學

尋找氧化數

氧化數只是每個化合物中單個元素的電荷。要找到某個東西的氧化數，需要記住一些規則

任何純淨的、電荷為 0 的物種，其氧化數為 0

還原和氧化

示例方程

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

還原：當離子/元素獲得電子時（ ${\ce {Cu^2+}}$ 被還原為 ${\ce {Cu}}$ ）

氧化：當離子/元素失去電子時（ ${\ce {Zn}}$ 被氧化為 ${\ce {Zn^2+}}$ ）

還原劑：將電子傳遞給另一個離子/元素的離子/元素（ ${\ce {Zn}}$ 是對 ${\ce {Cu^2+}}$ 的還原劑）

氧化劑：從另一個離子/元素中獲取電子的離子/元素（ ${\ce {Cu^2+}}$ 是對 ${\ce {Zn}}$ 的氧化劑）

標準電池電勢

在氧化還原反應中，電子會發生轉移。這些轉移會導致兩種金屬之間產生標準電池電勢（以伏特為單位測量）。作為 AP 化學學生，你應該能夠使用標準還原電勢表來計算標準電池電勢。該表格提供了每個元素/化合物的標準還原電勢，即將 1 摩爾離子還原為還原態（它可以變成另一種離子或金屬的純形式）所需的電勢伏特數。要找到標準電池電勢，你需要找到被還原元素的還原電勢和被氧化元素的氧化電勢。氧化電勢可以透過改變表格中找到的還原電勢的符號來確定（ ${\ce {Sr+}}$ 的還原電勢為 -4.10， ${\ce {Sr}}$ 的氧化電勢為 4.10）。找到被還原元素的還原電勢和被氧化元素的氧化電勢後，只需將這兩個值加在一起即可得到標準電池電勢。

安培、法拉第和庫侖

在觀察原電池時，你需要能夠計算在給定時間內沉積的特定金屬的質量。為此，你需要了解一些新的單位。

庫侖：庫侖是 6.241×10¹⁸ 個電子的電荷。

法拉第：法拉第是表示電子摩爾的過時說法。

安培：安培表示每秒庫侖。它測量流過導線的電流。

法拉第常數：它表示每摩爾電子有 96,500 庫侖。

原電池

這是一個原電池

電池的組成部分

原電池包含幾個不同的元件

陽極：金屬被氧化的地方，電子被釋放到導線中，導致固態金屬陽極變成離子。
陰極：來自導線的電子被離子浴中的離子接收的地方，導致還原，將離子轉化為固態金屬。
鹽橋：鹽溶解在水中的地方，每個離子移動到陽極或陰極，平衡需要平衡的任何電荷。陰離子移動到陽極，陽離子移動到陰極。鹽橋中的鹽必須是一種鹽，如果陰離子與兩種金屬的離子結合，該化合物仍將保持溶解狀態，不會固化。
金屬離子浴：金屬被氧化時變成離子後所在的溶液。也是還原後的離子固化並變成固態金屬的地方。
導線：電子從陽極流向陰極的路徑。

工作原理

根據標準還原電勢表，還原電勢較高（或氧化電勢較低）的原電池將是陰極，另一種金屬將是陽極。陽極中的電子被氧化，透過導線傳遞到陰極。這就是電壓的確定方式，透過測量導線中電子的電流。

確定金屬的生成質量

有了這些資訊，我們需要弄清楚在給定安培數和時間的情況下，原電池中沉積了多少質量。讓我們來看一個示例問題。

電解 $1.0{\text{ M}}$ ${\ce {Hg(NO3)2}}$ 溶液，電流為 $2.00{\text{ A}}$ ，持續時間為 $3.00{\text{ h}}$ ，可以生成多少克汞？

這裡，我們給出了三個重要的資訊。

$1.0{\text{ M}}$ ${\ce {Hg(NO3)2}}$
電流為 $2.00{\text{ A}}$
持續時間為 $3.00{\text{ h}}$

第一條資訊告訴我們如何建立淨離子半反應。在這些型別的反應中，將有兩種金屬發生反應，一種氧化，一種還原。在本例中，我們實際上只需要關心還原反應，因為我們正在尋找汞的固體克數，而還原是產生固體汞的地方。

(注意：你可能遇到一個問題說“鍍出”。這與“產生”的意思相同。)

為了建立我們的還原半反應，我們需要知道被還原金屬的氧化值（基本上是指金屬變成離子時，它的電荷是多少）。過渡金屬具有兩種或多種氧化態，但通常可以安全地使用最常見的一種（通常是 2+）。對於汞，本例中的氧化態是 2+。因此，我們的反應如下

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

有了這個方程式，我們現在知道了所有需要的摩爾比。讓我們開始透過使用其他兩條資訊來設定轉換因子。

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

由於安培是 ${\text{C mol}}^{-1},$ 所以需要將小時轉換為秒，以便單位能夠抵消。然後，使用法拉第常數得到電子摩爾數，然後將其乘以摩爾比，再乘以摩爾質量。

瞭解如何做這類問題，也瞭解如何從鍍出的克數轉換為時間等等。

電解池

這與原電池相反。在這種型別的電池中，將一定的電壓施加到一池液體上，可以是鹽的熔融形式，也可以是溶解在水中的鹽。這一次，人們是在向系統中新增能量，這意味著標準電池電位將為負。這種電流進入離子/熔融鹽，基本上將它們分離出來，為你提供你正在使用的任何物質的純淨形式。“陽極”是具有較低氧化電位的金屬，“陰極”具有較低的還原電位。這主要用於提純金屬和從鹽中提取純淨物質。

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附錄

常數和方程式 · 關於 AP 化學考試