Chemistry Chapter 6 Form 4（Part I）

第六课：Electrochemistry >3< （老早就想画这一课了，因为可以看到 Atom 欺负 Atom 的精彩画面。）

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和之前的一样，这些资料都是来自课本和网络，然而我对这一课的理解完全归功于 Anthony 老师的讲解。仅此向我最好的补习老师致谢。 

 我担心自己对这一课的理解并不够全面，如果发现任何理解错误或者写错的东西，请告诉我，让我及时改正！如果有解释的不清楚/太快的地方，也请让我知道 >_< 谢谢 ^^ 

P/S 学校老师开始教了。^^ 

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^ 考试时请不要这么画，不然老师会杀了可爱的 Sodium！正确画法在下面。

> Electrolytes

- 就是可以在 Molten state & in aqueous solution 导电的东西，但它们在 solid state 并不能导电。

- They conduct electricity + undergo chemical changes

- 他们能在这两个形态下导电是因为有 Free-moving electrons。

- 解释：In solid state, the ions are arranged in a crystal lattice structure and cannot move freely. However, in aqueous / molten state, the ions are free to move, thus it can conduct electricity。

- 4 种：Acids, Alkalis, Salt solutions & Molten salts。

- 我们第五课学的 Ionic Compound 都是 Electrolyte，比如盐 > Sodium Chloride。

- Dilute acids/alkaline 也是 Electrolytes，因为只要有水，它们也可以通电。

- 上一课呢，我们说 HCl & NH3 是 Covalent compound，所以他们在 Organic solvents 里面是 Molecules，不是 Ions，不能通电。不过他们比较特别，融化在水里后，就会 exist as free moving ions。

图中的两个情况下，灯泡都会发亮，因为他们都有 Free moving electrons 可以导电。

不同的是第一个 Aqueous solution 有加水，而 Molten state 只是把它烧到溶化。而水本身就有两个 Ions > H+ OH-，所以 Aqueous Solution 里面有 4 种 Ion，而在 Molten state 只有两种。

提一提第五课的东西， Ionic compound 的 Atom 之间被 Strong electrostatic forces 拉住，但是他们溶化后，变成 molten state，这个 electrostatic force 也被破坏了。所以他们的 Ions 不再保持在同一个位置，可以到处乱跑。 

（^ 不用背，大概知道就可以了。）

> Non-Electrolytes

- 和 Electrolytes 相反，不能在 Molten state & in aqueous solution 导电的东西。

- Covalent compounds 并不能在任何形态下导电。（比如Tetrachloromethane、Naphthalene）  

除此之外，没有放水的 ionic compound（比如 solid sodium chloride）、丢进 organic solvent 的任何东西都不能导电。

P/S Copper metal 等等在 Solid state 就可以导电的金属并不算是 Electrolyte。这是因为他们虽然能让 Electricity pass through，但是并没有发生任何 Chemical changes，所以它只是一个 conductor of electricity 而已。

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Electrolysis

Definition: A process whereby a compound is decomposed into its constituent elements when an electric current passes through an electrolyte.

我们的 Ion 分为 + 和 -。当电流通过时，Negatively charged ion（也叫做 Anion），会被 Anode （Positive terminal）拐带；反之 Positively charged ion/ Cation 被 Cathode （Negative terminal）拐带……哦不，我是指吸引。xD

比如说……

 

Hydroxide Ion （OH-）和 Sulphate Ion （SO4 [2-]）被吸引到 Anode 那里去，而这两个之间，只有一个人会被抓走。在 Anode，OH- 被抓走了……被抓走的 Ion 会被 Discharge，就是通过得到或者失去 Electron 来拿掉 Ion 身上的 Charge。

现在 OH- 被抓去 Discharge……我们知道 OH- 的 -'ve charged electron 比 +'ve charged proton  数多了一个，所以它要失去 Electron 才能变成 Neutral atom。（大概是这个意思）

Half Equation

[ at Anode]

Hydroxide Ion 被 Discharged 以后一定会变成水跟 Oxygen gas，这个是要背的。Hydroxide Ion 失去原本不属于他的那个 Electron 后，就变成 Neutral 了。不过我们考试时不能写“OH- 减 Electron”，所以只好搬到右边变成 + e。

P/S 课本中教写 Half Equation 的步骤有点不一样，虽然写出来的 Half Equation 都是一样的。课本的写法是先写什么变成什么，比如 OH- 变成 H2O 和 O2。然后才在适当的地方放“+e” 来 Balance the charge。选择一个比较能理解的方法来写就行了！

[ at Cathode ]

这个比较简单，Copper 当初 donate 了两个 Electron，变成 Copper (II) ion。现在他把捐出去的两个 Electrons 收回来，Tadaa！

左边 Copper(II) ion 的 2+ charge 和两个 Electron 的 - charge balance 了，就变成一个 Neutral 的 Copper atom。

简单地说，在 Discharge 的时候，-ve ion 就会失去 Electron；+ve ion 会 gain electron。

Observations:

Anode: A colourless gas/gas bubble is released. < Oxygen gas 跑出来

Cathode: A brown solid is deposited. < Cu2+ 在水里是蓝色的，变成 Copper metal 就是褐色的。

现在，我们有两个 Half Equations 了……

我们可以把它 Combine 起来，变成一个 Overall Equation！

（这个例子好像比较复杂 > <）

首先，在 Overall equation 里面，我们不会看到 +e，我们的 Charges 已经 Balance 了。所以如果左边有 2 个 e，右边也要有 2 个！

现在这个 Case 里面，我们 Anode 的 Half Equation（OH- 那个）右边有 4 个 e, 而 Cathode（Cu2+）的左边只有 2 个 e。所以，我们把 Cathode 的 half equation 乘以二……

现在……好戏来了！因为我们知道，如果做 Linear Equation 的时候，左边和右边都有 +4，我们就可以把两个“4”删掉。现在把两个 Half Equation 里面的 4e 砍了 删掉，然后左边加左边，右边加右边，Tadaa！

和一般的 Chemical Equation 有点像，只是我们并不是要 Balance reactant & product 的数量，而是要想办法让 Electrons cancel out each other。

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为什么四个 Ions 里面， OH- Cu2+ 会被选呢？这是因为他们在 Electrochemical Series 的位置的关系。越下面的人越容易被拐带。

Electrochemical Series 

越上面的人越厉害（难被 discharge），所以可以说，就是上面的人欺负下面的人，需要有人被拐带的时候就让下面的人去。

其实，大多数情况下被抓走的 Cation 都是 H+，因为他的位置算非常低了。除非那个 Electrolyte 里面有比他更低的 Cu2+ 或者 Ag+。

正解：

The position of ion in electrochemical series influences the choice of ions to be selectively discharged.

Ions that are lower in the electrochemical series will be selectively discharged.

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在 Molten 的情况下，Electrolyte 里面只有 2 Ion，因为我们没有加水。由于只有一个 Cation 跟一个 Anion，所以这个比较简单~ Anion 去 Anode，Cation 去 Cathode discharge 就可以了。

Observations:

Anode: Reddish-brown gas bubble is released.

Cathode: A silvery grey gobule is formed at the bottom of the crucible.（Lead 比较特别，它不会粘在 Electrode 上面，反之会沉到 Crucible 的下面。如果做这个实验，实验完后我们要把 Electrolyte 倒掉，看下 Crucible 下面有没有东西！）

（如果是其他金属，就写：A (insert your colour) solid is deposited.
其实，大多数金属都是 Grey 的，如果你考试中忘了那个被 Discharge 的金属是什么颜色，写 Grey！）

Overall Equation:

这个比刚才的简单，因为 Anode 右边 +2e，Cathode 左边 +2e，那个 Charge 马上就平衡了，所以不必 Balance，直接 combine 把本来的两个 Equation 就可以了。

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除了 Position in Electrochemical Series，还有 2 个会影响被 Selectively discharged 的 Ion 的因素。现在这个是—— Concentration of Ions。

 

左右两个情况，左边的浓度很低（Dilute），右边浓度很高（Concentrated）。

Dilute 的时候，我们就跟着 Electrochemical series 办事，抓下面的。

但是！如果遇到 Concentrated ZnBr2 solution，虽然说 OH- 在比较下面，比较好抓，可是现在 Concentration of Br- Ion 比较高， Electrode 抓来抓去都会抓到 Bromide ion。算了，抓 Bromide Ion 好了。

所以……

当两个 Ion 在 Electrochemical Series 里面很靠近彼此，而稍微高一点的那个非常 Concentrated，比如说 Br- 和 OH-里面， Br- 比较多，那么 Electrode 抓来抓去都是 Br，就会选择抓 Br 了。

当 Electrode 必须在 OH- 和 Cl-/ Br-/ I- 之间做出选择的时候， Cl-/Br-/I- 就会被 Selectively discharged。

然而，那些在 Electrochemical Series 距离太远的 Ion 并不会因为浓度较高就被 Discharged。比如 Nitrate/Sulphate Ion 在 concentrated solution 里面也绝对不会被 Discharged ，因为他们虽然多，但是还是太难抓了！

Cations 也是一样，如果是 Concentrated Pb2+ 和 H+，Pb2+ 会被抓去 Selectively discharged。其余的 Reactive ions，比如 K+ Na+ Mg2+ Al3+ 等等，不管多 Concentrated 都不会被 discharged。

这个实验中，Zinc 在 Electrochemical Series 比 Hydrogen 高比较多，所以没有被影响，虽然 Zinc ion is concentrated，不过Electrode 还是抓 H+。

P/S 真正 Electrolysis 背后的原理应该不是这样的，抓来抓去的只是 Figurative 而已 xD 然而，考试应该还不至于要我们解释，我们只要知道 Factors influencing the ion chosen to be discharged 就可以了。（我希望我会学到真正的原理 xD

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现在……

发现什么不同吗？没错，刚才我们用的都是 Carbon Electrodes，现在却换成  Copper Electrodes。

我们的 Electrodes 分成 2 种：

Inert Electrodes:

- Carbon/Graphite & Platinum electrode（通常我们会用Carbon，因为 Platinum 太贵了！）

- 它们不会参与 Electrolysis 的过程，只会帮你 discharge ion 罢了。[ Do not take part in chemical reactions during electrolysis ]

Active Electrodes:

- Copper, Silver, Mercury 

- 我们用的 Copper Electrode 属于 Active electrode，而且我们的 Electrolyte 里面又有和他一样的 Metal Ions，他们绝对不甘寂寞……我是说，不肯乖乖地 Discharge ions，因为他们也要参与 Electrolysis！因此，Cathode 还是一样，Copper(II) ion 被 Discharged，变成 Copper atom，粘在 Copper electrode 上面。而 Anode 的情况就不一样了， Copper atom 会 Ionize 变成 Cu2+ ions，溶化在水里。

所以可以说，当你看到 Electrode 是 Copper，Electrolyte 也是 Copper，你就知道 Anode 和 Cathode 都有 involve copper 了。

由于 Anode 的 Copper 不停地溶化（ionize），所以会越来越小；Cathode 一直在收，所以会越来越粗。

Observations:

Anode: The anode becomes thinner/its mass decreases

Cathode: A brown solid is deposited // The cathode becomes thicker/its mass increases

在这个实验中，我们的 Electrolyte 会是蓝色的，因为 Cu2+ 是蓝色的。因为 Anode 放 Cu2+，Cathode 收 Cu2+，所以 Cu2+ 的颜色深度保持不变。如果他要你解释为什么……（看题目给多少分来决定写多少，如果分数比较高，要解释多一点才有满分。写多不要紧 xD）

- The intensity of blue colour of the solution remains unchanged because the concentration of copper(II) ions in the solution remains the same. 

- The rate of copper metal ionizes to form Cu2+ in the solution at the anode is same as the rate of Cu2+ ions discharges to form copper metal at the cathode.

P/S 这个想要补充以下，我们的 Active Electrode 用的金属一定要和 Electrolyte 里面的 Ion 一样，它才会 Ionise！比如说， Copper electrode 会融化在 Copper (II) sulphate solution 里面，却不会融化在 Silver nitrate solution 里。

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Electrode & Electrolyte 都换作 Silver 也是一样。

Observations:

Anode: The anode becomes thinner/its mass decreases

Cathode: A shiny grey metal is deposited // The cathode becomes thicker/its mass increases

P/S 如果考试 Set up 了一个实验，问你应该用什么 Electrolyte 才好，我们知道要写 Silver。不过，请不要随便把 Silver Nitrate 改成别的东西，比如 Silver Sulphate，因为有一些金属的 Sulphate 是 insoluble in water 的。（Silver sulphate is only sparingly soluble）

如果不肯定，全部东西写 Nitrate 都可以，因为十个 Nitrate 里面十个都能 soluble in water！（比如刚才的 Copper(II) sulphate 写成 > Copper(II) nitrate 也是对的）

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上面几个例子中，我们用的是 Electrolytic cell。有 Battery 的就是 Electrolytic cell，没有的是别的东西（叫做 Voltaic cell），请不要混乱！ ^^

Electrolytic cell 要有 3 个东西：

- Battery

- Electrolyte that contains Cations & Anions

- 2 Electrodes

 

External circuit 指的是上面有连接 Wire 的部分，而不是 Electrolyte（>__<）。在 External circuit 里面， Electron flow from Anode > Cathode。
其实， Electron 应该不会进到 Electrolyte 里面的，因为当 Anion 在 Anode 被 discharge 的时候丢掉的 Electron 来到 Cathode 就会被某个不幸的 Cation 拿走了。

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来个小结…… 

某些 Ions 的 Half Equation xD

P/S O2- 这个 Ion 只有当题目给你 Molten ______ Oxide 的时候才会出现。刚才的 Example 忘了提到 =x

某些比较特别的 Observation：
Sulphate ions 很少会被抓去 Discharge，因为他很高！可是万一他还是被抓走了（当 Molten ____ Sulphate 被用作 Electrolyte），Product 会是 a mixture of sulphur & oxygen gas！
Observation: Greenish yellow gas bubble is released.

Lead, when discharged, the observation is > A silvery grey gobule is formed at the bottom of the crucible. (It does not stick onto the cathode, but it form small small balls at the bottom of crucible =D)

两个 Half Equation 可以加起来变成一个 Overall Equation，Overall Equation 里面不会出现 +/- Electron。

影响 Ion selected to discharge 的因素有三个：

- Position of the ion in Electrochemical Series

- Concentration of the ion in electrolyte

- Type of electrode used

Extra

 Oxidation = 失去 Electron。不管他是 Metal 还是 Non-metal，只要那个过程让他的 Electron 被偷走，就是 Oxidation process！比如说，某个 Metal ionise 就是 Oxidation，而 Anion 通过丢掉 Electron 来 discharge 也是。

 Reduction = 得到 Electron。同样可以指 Metal/Non-metal，例子就是和上面的相反的东西。=P

（其实不一定要背^^ 不过如果想记得的话，建议选一个去记，倒反过来就是另外一个了。）

对了，有没有好奇一部分的 Ion 被 discharge 以后，剩下的 Ion 怎么样啦？它们就只能相依为命了。比如说在 Concentrated NaCl solution 里面，有 H+ Na+ OH- Cl- Ions，而 H+ 与 Cl- 会被抓去 Discharge。剩下的两个 Ions，Na+ 和 OH- 就会合起来变成 NaOH  compound~

Continue > （下集预告：Uses of electrolysis in Industry！）