18.10
갈바니 전지에서는 자발적인 산화환원 반응에 의해 생성된 전자가 외부 회로를 통해 전달됨에 따라 주변의 산화환원 시스템에 의해 전기적 작업이 수행됩니다. 대안적으로, 외부 회로는 전기분해로 알려진 과정에서 비자발적 반응을 유도하기에 충분한 전압을 부과함으로써 산화환원 시…
볼타 전지에서 자발적인 산화환원 반응은 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시킵니다. 또는 외부 전기 에너지로 전해조에서 일어나는 전기분해라고 불리는 과정에서 자발적인 산화반응을 유도합니다. 전해조에는 산화용 양극과 환원용 음극이 있습니다.
하지만, 음전하의 양극이 전자의 원천인 볼타 전지와는 달리, 전해조는 배터리처럼 외부 전자의 원천을 가지고 있습니다. 배터리는 양극 단자에 연결된 양극에서 전자를 끌어와 음극 단자에 연결된 음극으로 보냅니다. 따라서 전자는 양극 단자에서 외부 동력원의 음극 단자로 흐릅니다.
전기분해는 이온 화합물을 구성 요소로 분리하는 데 사용됩니다. 용해 또는 수성 상태에서 요소 이온들은 자유롭게 전기를 전도합니다. 섭씨734 도 의 온도에서 녹는 브롬화칼륨을 생각해 보세요.
여기서 브롬화 이온과 칼륨 이온은 각각 산화 상태가 가장 낮거나 가장 높은 상태에 있습니다. 전원이 흐를 때 브롬 이온은 양극에서 브롬 기체로 산화되고 칼륨 이온은 음극에서 고체 칼륨으로 환원합니다. 요오드화나트륨과 브롬화 칼륨과 같은 용융된 이온 혼합물에서는 표준 전극 전위를 사용하여 어떤 물질이 반응할지 예측할 수 있습니다.
일반적으로 전극 전위가 낮은 음이온이 산화되고 전극 전위가 높은 양이온이 환원합니다. 흥미롭게도 수용성 브롬화 칼륨의 전기분해에서는 물의 전기분해 가능성 때문에 녹은 소금과는 다른 생성물을 생성합니다. 따라서 각 전극에서 두 가지 반응이 일어날 수 있습니다.
즉, 양극에서 브롬화 이온 또는 물의 산화 반응 및 음극에서 칼륨 이온 또는 물의 환원 반응입니다. 전극 전위가 낮을 경우 브롬화 이온이 브롬으로 산화되는 과정이 바람직하며 물의 양의 전극 전위가 많을수록 수소 기체로의 환원을 유도합니다. 반반응의 화학양론 측정법을 사용하여 전기분해 중에 생성되거나 소비되는 물질의 양을 계산할 수 있습니다.
예를 들어 용융된 브롬화 칼륨의 전기분해에서는 하나의 전자를 사용하여 칼륨 원자를 생성합니다. 따라서 통과하는 전자 일 몰이나 96, 485 쿨롱에 대해 전지는 일 몰 또는 거의 39그램의 고체 칼륨을 생성합니다.
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Q1: How does electrolysis differ from a voltaic cell?
Electrolysis uses external electrical energy to drive nonspontaneous redox reactions, while voltaic cells convert spontaneous chemical reactions into electrical energy. In electrolysis, an external power source like a battery supplies electrons to the cathode and draws them from the anode. This reverses the natural electron flow, enabling separation of ionic compounds into their constituent elements.
Q2: What determines which ions are oxidized or reduced during electrolysis?
Standard electrode potentials predict which substance reacts during electrolysis. Anions with lower electrode potentials are oxidized at the anode, while cations with more positive electrode potentials are reduced at the cathode. In aqueous solutions, water may also participate, competing with dissolved ions based on their relative electrode potentials.
Q3: Why does electrolysis of aqueous potassium bromide produce different products than molten potassium bromide?
In molten potassium bromide, only bromide and potassium ions are present. In aqueous solution, water molecules can also be oxidized or reduced. Bromide oxidation to bromine is favored at the anode due to lower electrode potential, while water reduction to hydrogen gas is favored at the cathode, producing different products than the molten salt.
Q4: How is electrical current related to the amount of substance produced in electrolysis?
Electrical current measures the rate of electron flow in amperes (coulombs per second). The total charge transferred equals current multiplied by time. Using stoichiometry of half-reactions and Faraday's constant (96,485 coulombs per mole of electrons), you can calculate the moles of substance produced or consumed during electrolysis.
Q5: What is the role of the anode and cathode in an electrolytic cell?
The anode is connected to the positive terminal of the battery and is where oxidation occurs. The cathode is connected to the negative terminal and is where reduction occurs. The external power source draws electrons from the anode and drives them toward the cathode, forcing nonspontaneous redox reactions to proceed.
Q6: How much potassium metal is produced from electrolysis of molten potassium bromide?
One mole of electrons produces one mole of potassium atoms through reduction at the cathode. Since one mole of electrons equals 96,485 coulombs of charge, passing this amount of charge through the cell produces approximately 39 grams of solid potassium metal.
Q7: What are practical applications of electrolysis?
Electrolysis is used to separate ionic compounds into constituent elements, refine metallic ores, manufacture commodity chemicals, and electroplate metallic coatings onto objects like jewelry and utensils. Battery recharging also uses electrolysis, driving the discharge reaction in reverse to restore the battery's composition and voltage.