电化学是AP化学中非常重要且难度较高的章节,也是考试的必考内容,尤其在选择题(MCQ)和自由问答题(FRQ)中频繁出现,甚至可能单独占据一个大题。然而,很多同学在冲刺阶段往往因为时间紧张,无法深入理解电化学的原理,导致在这一部分失分较多。
原电池(voltaic cell),电解池(electrolytic cell)是考试大纲要求掌握的两类电池。
原电池是利用自发的氧化还原反应,使得失电子分别发生在正负极,从而在产生电流,把化学能转化为电能的装置。往往由电极(electrode),电解质溶液,盐桥或半透膜,金属导线构成。电极分为正极(cathode),负极(anode)。
如同2023-FRQ-1,虽然不是我们熟悉的双池模式,但是正负电极之间填充了电解质,并且存在自发的redox反应。
电解池是利用外加电源驱动一个原本不自发的反应自发的过程。从而实现电能向化学能的转化。其构造要求与原电池一致,往往不需要盐桥。
比如2021-FRQ-4,就是典型的在外加电源的驱动下两极分别发生得失电子的过程。
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Cathode得电子发生还原反应,anode失电子发生氧化反应;
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在金属导线中电子由anode流向cathode,在溶液中cation流向cathode,anion流向anode;
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电路中永远cathode连接anode,anode连接cathode(有得有失,得失守恒)
以上三点一刻作为帮助电化学其他信息判断的结论,也是直接考察的结论。
比如2014-FRQ-3,根据题目信息分析得知右侧电极变轻,可见右侧金属电机失电子变成阳离子溶解,因此右侧失电子-发生氧化反应。右侧是anode,那么盐桥中的nitrate流向右侧电池。
👉Ecell=Ecathode-Eanode
用标准电极电势计算cell potential时不管系数,只做减法。Cell potential大于0的电池是自发的氧化还原反应;
吉布斯自由能=每mol反应转移电子mol数*法拉第常量*cell potential,易错点是-nFE的计算出来的单位是J/mol,而ΔG常用单位是kJ/mol。且ΔG<0代表反应自发,正也可推出E>0反应自发进行。
电量(charge,C)=电流(current,A)*时间(time,s)。该公式的常见联用公式为q=n*F,即转移电子mol数*时间等于电量,这是一个公式表没有却因为可以从单位推出要求大家掌握的公式。因此两个公式联用可以得到I*t=n*F,这个等式构建了宏观电流到微观电子的mol之间的关系,有了电子的数量就可以根据系数比例计算各组分的量了。
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请注意该公式在之前的公示表中没有,是近些年新增的。该公式主要用于判断浓度变化如何影响电池总电势。
Q=[产物]/[反应物]基本原则是:反应物浓度增大,Q减小,E增大,从平衡的角度解释,加入反应物,正向进行的趋势增强,所以E增大;如果产物浓度增大,Q减小,E增大,从平衡的角度解释,加入产物,平衡逆向进行趋势增强,因此E变小。
这也能够理解一个正常的干电池随着使用,Q越来越大,E越来越小。符合我们的生活常识。
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