CIE A2 · 电化学与化学平衡

导读 MAP

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A2化学
第一站

🔋 电化学

电解、电极电势

E⦵值判断反应方向

⚖️ 酸碱平衡

Ka、pKa、缓冲溶液

pH计算

🧊 晶格能

Born-Haber循环

离子化合物的稳定性

💡 A2核心：从AS的定性理解深入到定量计算——电极电势、平衡常数、热力学函数。

1 · 晶格能 LATTICE ENERGY

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离子晶体的
稳定性

🧊 Born-Haber 循环

晶格能（lattice energy）：气态离子形成1mol离子晶体的焓变

越负→晶体越稳定

用Hess定律分步计算

需知：原子化能、电离能、电子亲和能、键能、升华能

📊 影响因素

离子电荷↑→晶格能更负（MgO>NaCl）

离子半径↓→晶格能更负（LiF>CsI）

库仑力 F ∝ q₁q₂/r²

电荷影响>半径影响

💡 Born-Haber循环是Hess定律的应用：ΔHf = ΔHat + IE + ΔHEA + ΔHlattice。CIE要求画能量循环图并计算。

2 · 电解 ELECTROLYSIS

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电流
驱动反应

⚡ 电解原理

阳极（正极）：氧化（失电子）

阴极（负极）：还原（得电子）

阳离子→阴极；阴离子/中性→阳极

法拉第定律：m = (I × t × Mr)/(F × z)

📊 电解规则

熔融盐：金属在阴极，非金属在阳极

水溶液：看放电顺序（标准电极电势）

例：电解NaCl水溶液→阴极得H₂（不是Na）

阳极得Cl₂（浓度高时）或O₂

💡 法拉第常数 F = 96500 C/mol。电量 Q = I×t。1mol电子 = 96500库仑。这是CIE A2必考计算。

3 · 电极电势 ELECTRODE POTENTIALS

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E⦵值
判断反应方向

📊 标准电极电势

标准氢电极（SHE）：E⦵ = 0.00V（参比）

E⦵越正→氧化性越强（易还原）

E⦵越负→还原性越强（易氧化）

将两个半电池组合→得到电池电动势 EMF

⚡ 电池EMF

EMF = E⦵(正极) - E⦵(负极)

EMF > 0 → 反应自发

例：Cu²⁺/Cu(+) + Zn/Zn²⁺(-)

EMF = 0.34 - (-0.76) = +1.10V

💡 判断反应：EMF>0→反应能发生。E⦵值高的半反应做正极（被还原），低的做负极（被氧化）。

4 · 共轭酸碱 CONJUGATE ACID-BASE

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Brønsted-Lowry
酸碱理论

⚗️ 共轭对

酸：给质子（H⁺）

碱：受质子

共轭酸碱对：相差一个H⁺

HA ⇌ H⁺ + A⁻（HA/A⁻ 是共轭对）

强酸→弱共轭碱；弱酸→强共轭碱

📐 pH计算

pH = -log[H⁺]

强酸：[H⁺] = [酸]浓度

弱酸：用Ka → [H⁺] = √(Ka×C)

pKa = -log(Ka)

💡 Kw = [H⁺][OH⁻] = 10⁻¹⁴（25°C）。pH + pOH = 14。缓冲溶液：弱酸+其盐（如CH₃COOH/CH₃COONa），pH = pKa + log([盐]/[酸])——这是Henderson方程。

5 · 缓冲溶液 BUFFERS

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抵抗pH变化
的溶液

📊 缓冲原理

组成：弱酸+其共轭碱（或弱碱+其共轭酸）

加酸：A⁻ + H⁺ → HA（消耗H⁺）

加碱：HA + OH⁻ → A⁻ + H₂O（消耗OH⁻）

→ pH几乎不变

📐 Henderson方程

pH = pKa + log([A⁻]/[HA])

例：CH₃COOH(0.1M) + CH₃COONa(0.2M)

pKa=4.76 → pH = 4.76 + log(0.2/0.1) = 5.06

缓冲范围：pKa ± 1

💡 血液缓冲：H₂CO₃/HCO₃⁻ 维持血液pH≈7.4。这是A2常考的应用题——理解缓冲=理解生命维持。

缓冲溶液抗酸抗碱原理示意

6 · 溶解焓 SOLUTION ENTHALPY

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溶解为何吸/放热

💧 溶解两步

① 拆晶格：晶格能 ΔH_lattice（吸热+）

② 水合：水合焓 ΔH_hyd（放热−）

ΔH_soln = ΔH_lattice + ΔH_hyd

两步大小相近→净焓变可正可负

📊 典型例子

NH₄NO₃溶解吸热→🧊 即时冰袋

NaOH溶解放热→⚠️溶于水会烫

CaCl₂溶解放热→暖手宝

💡 ΔH_soln 正负取决于 ΔH_lattice 与 ΔH_hyd 的竞争——这是 CIE 解释溶解吸/放热的因果链。

7 · 分配系数 PARTITION COEFFICIENT

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溶质在两相间分配

📐 分配定律

溶质在两个互不相溶液体间分配，达到平衡时：

K_pc = [溶质]有机相 / [溶质]水相

只随温度变化

例：碘在有机溶剂中更易溶

⚗️ 萃取应用

用有机溶剂从水中萃取碘

分液漏斗分层→两相

多次萃取比一次更彻底

💡 K_pc>1 说明溶质更"喜欢"有机相——这是萃取分离的理论基础。

8 · 溶度积 Ksp SOLUBILITY

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沉淀与溶解平衡

🧪 溶度积 K_sp

难溶盐的沉淀-溶解平衡常数

例：AgCl(s)⇌Ag⁺(aq)+Cl⁻(aq)

K_sp = [Ag⁺][Cl⁻]

K_sp 越小→越难溶

⚖️ 沉淀判据

离子积 Q 与 K_sp 比较：

Q<K_sp 不饱和，可继续溶解

Q=K_sp 平衡

Q>K_sp 产生沉淀

💡 用 K_sp 可由溶解度求离子浓度，或判断混合两种溶液时是否产生沉淀——CIE Ch21 高频计算。

LIFE FUN

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电化学驱动生活

手机电池

Li+在正负极间移动

放电Li+负->正产生电流

充电推回负极

柠檬电池

柠檬酸提供H+

铜锌电极->1V

可点亮LED

燃料电池:H2+O2->H2O效率60%零排放

原电池结构：两极与电解质构成回路

pH CALC

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pH计算实战

强酸

0.01M HCl->pH=2

弱酸

0.1M CH3COOH Ka=1.8x10^-5

pH=2.87

pH标度：酸性、中性、碱性对照

BUFFER BLOOD

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缓冲液维持生命

血液pH

7.35–7.45；H₂CO₃/HCO₃⁻

pH=6.1+log(20/1)=7.4

注：pKa取CO₂(aq)/HCO₃⁻表观值≈6.1(生理)

实验室与生活

弱酸+盐(CH3COOH/CH3COONa)，范围pKa±1

🏃 运动乳酸堆积却不致死

💧 护肤品氨基酸缓冲

INDUSTRY ELEC

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电解工业

铝冶炼(Hall-Héroult)

Al₂O₃溶于熔融冰晶石(Na₃AlF₆)约950°C电解

阴极：Al³⁺→Al

曾比黄金贵

氯碱

NaCl水溶液

阴极H2阳极Cl2

NaOH用于肥皂

电解池：电流驱动氧化还原反应

CORROSION RUST

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铁为什么生锈

电化学

Fe负极失电子

O2正极得电子

需水+O2

防护

镀层/阴极保护/合金

不锈钢含Cr→Cr₂O₃保护膜

⚓ 牺牲阳极(锌块)护船

⚠️ 镀锌铁比镀锡铁耐用

电化学序：金属活动性决定牺牲阳极选择

CONC EQUIL

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浓度对平衡影响

Cr₂O₇²⁻/CrO₄²⁻

2CrO₄²⁻(黄)+2H⁺⇌Cr₂O₇²⁻(橙)+H₂O

加酸→右移→橙色

加碱→左移→黄色

Haber法

移走NH3->右移->产率提高

循环未反应气体

FARADAY CALC

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法拉第计算

公式

Q=It; m=QMr/(Fz)

F=96500 C/mol

💍 电镀首饰🔋 快充=大I缩短t

例题

电解CuSO4 2A 30min

Q=2x1800=3600C

m=3600x64/(96500x2)=1.19g Cu

EMF CALC

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电极电势

EMF=E(+)-E(-)

EMF>0自发

Cu/Zn: 0.34-(-0.76)=1.10V

影响实际EMF

浓度(非标准态偏离E⦵)

温度

气体分压

标准电池装置图：半电池与盐桥

ACID BASE

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Brønsted酸碱

共轭对

酸=给H+;碱=受H+

强酸->弱共轭碱

[H+][OH-]=10^-14

pH+pOH=14

TITRATION CURVE

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滴定曲线

强酸强碱

S形曲线

等当点pH=7

指示剂

甲基橙:3.1-4.4

酚酞:8.3-10

滴定曲线：等当点突跃与指示剂变色范围

考点+自测 REVIEW

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A2电化学
要点

📋 考点

Born-Haber循环计算

法拉第电解计算 Q=It/F

EMF=E⦵(+)−E⦵(−)

缓冲pH计算(Henderson)

Ka→[H⁺]→pH计算

✏️ 自测

画NaCl的Born-Haber循环

电解CuSO₄水溶液各极产物

Zn+Cu²⁺电池EMF=? (已知E⦵值)

0.1M CH₃COOH (Ka=1.8×10⁻⁵) 的pH=?

💡 答题：① Born-Haber必须画完整循环图；② 电极电势注意正负号；③ 缓冲pH用Henderson公式。

NaCl的Born-Haber能量循环图

EXAM PRACTICE

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真题范例

真题

Calculate the volume of Cl2 produced at the anode when molten NaCl is electrolysed for 30 min at 5A.

Q=It=5x1800=9000C
moles e-=9000/96500=0.0933
2Cl- -> Cl2+2e- -> 0.0467 mol Cl2
V=0.0467x24=1.12 dm3

法拉第计算:Q=It->mol e-=Q/F->mol产物=Q/(Fz)->V=nx24

TIPS STUDY

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怎么学电化学

策略

画Born-Haber循环图

背标准电极电势表

缓冲pH用Henderson

答题

法拉第:注意z值

电极电势:正负号

滴定:标等当点和指示剂

FUN2 TRIVIA

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电学趣闻

电池历史

1791伏打用锌/铜/盐水

第一个真正的电池

拿破仑授予金质奖章

铝的故事

铝曾比黄金贵(电解发明前)

华盛顿纪念碑顶端铝制(当时最贵)

Hall-Heroult法后->铝罐饮料