Matematička notacija Faradayeva jedinstvenog zakona za elektrolizu. Faradayevi zakoni u kemiji i fizici - kratko objašnjenje jednostavnim riječima
Zakoni elektrolize (Faradayevi zakoni)
Jer prolaz električna struja Ako je kroz elektrokemijske sustave povezan s kemijskim transformacijama, mora postojati određeni odnos između količine struje koja teče i količine izreagiranih tvari. Otkrio ju je Faraday i izražena je u prvim kvantitativnim zakonima elektrokemije, kasnije nazvanim Faradayevi zakoni.
Faradayev prvi zakon . Količine tvari koje se pretvaraju tijekom elektrolize proporcionalne su količini električne energije koja je prošla kroz elektrolit:
Dm = k e q = k e Ono ,
Dm je količina izreagirane tvari; k e - neki koeficijent proporcionalnosti; q je količina elektriciteta jednaka umnošku jakosti struje I i vremena t. Ako je q = It = 1, tadaDm = k er, odnosno koeficijent k e je količina tvari koja je reagirala kao rezultat protoka jedinične količine elektriciteta. Koeficijent k uhnazvao elektrokemijski ekvivalent .
Faradayev drugi zakon odražava odnos koji postoji između količine izreagirane tvari i njezine prirode: s konstantnom količinom protekle mase elektriciteta razne tvari, doživljava transformaciju na elektrodama (izolacija iz otopine, promjena valencije), proporcionalan kemijskim ekvivalentima tih tvari:
Dm i/A i= konst .
Moguće je kombinirati oba Faradayeva zakona u obliku jednog općeg zakona: za izlučivanje ili transformaciju strujom 1 g-ekv bilo koja tvar (1/zmol tvari) treba uvijek istu količinu elektriciteta, tzv Faradayev broj (ili faraday ):
Dm = Ono=To .
Precizno izmjerena vrijednost Faradayeva broja
F = 96484,52 ± 0,038 C/g-ekv.
Takav je naboj koji nosi jedan gram-ekvivalent iona bilo koje vrste. Množenje ovog broja saz (broj elementarnih naboja iona), dobivamo količinu elektriciteta koji nosi 1 g-ion . Podijelimo Faradayev broj s Avogadrovim brojem, dobivamo naboj jednog jednovalentnog iona, jednak naboju elektrona:
e = 96484,52 / (6,022035 × 10 23) = 1,6021913 × 10-19 C.
Za vodiče druge vrste strogo se poštuju zakoni koje je otkrio Faraday 1833. godine. Uočena odstupanja od Faradayevih zakona su očita. Često su povezani s prisutnošću neobjašnjenih paralelnih elektrokemijskih reakcija. Odstupanja od Faradayeva zakona industrijska postrojenja povezano s curenjem struje, gubitkom tvari prilikom raspršivanja otopine itd. U tehničkim postavkama omjer količine produkta dobivenog elektrolizom i količine izračunate na temelju Faradayeva zakona manji je od jedinice i naziva se strujni izlaz :
B T = = .
S oprezom laboratorijska mjerenja za jednoznačne elektrokemijske reakcije strujni učinak jednako jedan(unutar eksperimentalne pogreške). Faradayev zakon se strogo poštuje, pa je temelj najtočnije metode mjerenja količine elektriciteta koja je prošla kroz strujni krug, količinom tvari oslobođene na elektrodi. Za ova mjerenja koristite kulometri . Kao kulometri koriste se elektrokemijski sustavi u kojima nema paralelnih elektrokemijskih i popratnih kemijskih reakcija. Prema metodama određivanja količine nastalih tvari kulometri se dijele na elektrogravimetrijske, plinske i titracijske. Primjeri elektrogravimetrijskih kulometara su srebrni i bakreni kulometri. Djelovanje Richardsonovog srebrnog kulometra, koji je elektrolizator
(–) Agï AgNO3× aqï Ag (+) ,
temelji se na vaganju mase srebra taloženog na katodi tijekom elektrolize. Kada prođe 96500 C (1 faraday) elektriciteta, 1 g-eq srebra (107 g) će se osloboditi na katodi. Prilikom prolaskan F elektriciteta, na katodi se oslobađa eksperimentalno određena masa (Dm do). Broj proteklih faradaya električne energije određuje se iz omjera
n = Dm /107 .
Sličan je princip rada bakrenog kulometra.
U plinskim kulometrima produkti elektrolize su plinovi, a količine tvari koje se oslobađaju na elektrodama određuju se mjerenjem njihovih volumena. Primjer ove vrste uređaja je plinski kulometar koji se temelji na elektrolizi vode. Tijekom elektrolize na katodi se oslobađa vodik:
2H20+2 e- \u003d 2OH - + H 2,
i kisik na anodi:
H 2 O \u003d 2H + +½ O 2 +2 e – Vje ukupni volumen ispuštenog plina, m3.
U titracijskim kulometrima količina tvari koja nastaje tijekom elektrolize određuje se titrimetrijski. Ova vrsta kulometra uključuje titracijski kulometar Kistyakovsky, koji je elektrokemijski sustav
(–) Ptï KNO3, HNO3ï Ag (+) .
Tijekom elektrolize, srebrna anoda se otapa, stvarajući ione srebra, koji se titriraju. Broj faradaya elektriciteta određuje se formulom
n = mVc ,
gdje m je masa otopine, g; V je volumen titranta koji se koristi za titraciju 1 g anodne tekućine; c – koncentracija titranta, g-eq/cm3.
Osnove > Zadaci i odgovori
Elektroliza. Faradayevi zakoni
1
Pronađite elektrokemijski ekvivalent natrija. Molarna masa natrija m \u003d 0,023 kg / mol, njegova valencija z \u003d 1. Faradayeva konstanta
Riješenje:
2
Cinkova anodna masa m \u003d 5 g stavi se u elektrolitsku kupelj kroz koju prolazi struja ja \u003d 2 A. Nakon kojeg vremena t hoće li se anoda u potpunosti potrošiti za premazivanje metalnih proizvoda? Elektrokemijski ekvivalent cinka
Riješenje: 
3 Nađite Faradayevu konstantu if, pri prolasku kroz elektrolitičku kupku naboja q = 7348 C na katodi se oslobodila masa zlata m \u003d 5 g. Kemijski ekvivalent zlata A \u003d 0,066 kg / mol.
Riješenje:
Prema Faradayevom kombiniranom zakonu
odavde
4 Pronađite elementarno električno punjenje e, ako masa tvari, brojčano jednaka kemijskom ekvivalentu, sadrži N o = N A /z atoma ili molekula.
Riješenje:
Ioni u otopini elektrolita nose određeni broj elementarnih naboja jednak valenciji z. Kada se oslobodi masa tvari koja je brojčano jednaka njezinom kemijskom ekvivalentu, kroz otopinu prolazi naboj koji je brojčano jednak Faradayevoj konstanti, tj. 
Prema tome, elementarni naboj
5
Molarna masa srebra m 1 \u003d 0,108 kg / mol, njegova valencija z 1
= 1 i elektrokemijski ekvivalent
. Nađite elektrokemijski ekvivalent zlata k2 ako molekulska masa zlato m2 \u003d 0,197 kg / mol, njegova valencija z2 = 3.
Riješenje:
Prema drugom Faradayevom zakonu imamo
dakle elektrokemijski ekvivalent zlata
6 Nađite mase tvari koje se oslobađaju tijekom vremena t \u003d 10 h na katodama triju elektrolitičkih kupki spojenih u seriju na mrežu istosmjerna struja. Anode u kupkama - bakar, nikal i srebro - spuštaju se redom u otopine CuS O 4, NiS0 4 i AgNO 3 . Gustoća struje elektrolize j =40 A/m2, površina katode u svakoj kupki S = 500 cm Elektrokemijski ekvivalenti bakra, nikla i srebra
Riješenje:
Struja u kupkama I=jS. Prema prvom Faradayevom zakonu, mase tvari koje se oslobađaju tijekom elektrolize
7
Prilikom poniklavanja proizvoda tijekom vremena t = 2 h debljina sloja nataloženog nikla l =0,03 mm.
Odredite gustoću struje tijekom elektrolize. Elektrokemijski ekvivalent nikla, njegova gustoća 
Riješenje: 
8
Ampermetar u seriji s elektrolitičkom ćelijom pokazuje struju io \u003d 1,5 A. Koju korekciju treba napraviti na očitanju ampermetra, ako tijekom vremena t \u003d 10 min masa bakra taložila se na katodi m = 0,316 g? Elektrokemijski ekvivalent bakra
.
Riješenje:
Prema prvom Faradayevom zakonu m = kI t , gdje je I struja u krugu; odavde I = m/kt \u003d 1,6 A, tj. Treba ispraviti očitanje ampermetra.
9
Želeći provjeriti ispravnost očitanja voltmetra, spojen je paralelno s otpornikom s poznatim otporom R=30 Ohm. U seriju je u zajednički krug uključena elektrolitička kupka u kojoj se srebro elektrolizira. Tijekom t \u003d 5 min u ovoj kupelji isticala se masa srebra m = 55,6 mg. Voltmetar je pokazao napon Vo \u003d 6 V. Pronađite razliku između očitanja voltmetra i točna vrijednost pad napona na otporniku. Elektrokemijski ekvivalent srebra
.
Riješenje:
Prema prvom Faradayevom zakonu m = kl t , gdje je I struja u krugu. Točna vrijednost pada napona na otporu V=IR = mR/k t \u003d 4,91 V. Razlika između očitanja voltmetra i točne vrijednosti pada napona
10
Za posrebrivanje žlica kroz otopinu soli srebra tijekom vremena t \u003d Prošlo je 5 h struje ja \u003d 1,8 A. Katoda je n \u003d 12 žlica, od kojih svaka ima površinu S =50 cm2. Koliko je debeo sloj srebra nataložen na žlicama? Molarna masa srebra m \u003d 0,108 kg / mol, njegova valencija z \u003d 1 i gustoća 
.
Riješenje:
Debljina sloja
11 Dvije elektrolitičke kupke spojene su u seriju. Prva kupka sadrži otopinu željeznog klorida (FeCl 2 ), u drugom - otopina željeznog klorida (FeCl 3 ). Nađite mase oslobođenog željeza na katodama i klora na anodama u svakoj kupki dok naboj prolazi kroz kupelj. Molarne mase željeza i klora.
Riješenje:
U prvoj kupki željezo je dvovalentno (z1=2), u drugoj kupki trovalentno (z2=3). Stoga se pri prolasku kroz otopine identičnog naboja na katodama oslobađaju različite mase željeza: u prvoj kupelji
u drugoj kupki
Budući da je valencija atoma klora z = 1, tada se na anodi svake kupke oslobađa masa klora
12 Tijekom elektrolize otopine sumporne kiseline (CuS O 4 ) potrošnja energije N=37 W. Nađite otpor elektrolita, ako na vrijeme t = 50 min oslobađa se masa vodika m = 0,3 g. Molarna masa vodika m \u003d 0,001 kg / mol, njegova valencija z \u003d 1 .
Riješenje: 
13
Kod elektrolitičke metode proizvodnje nikla, W se troši po jedinici mase m = 10 kWh h/kg električne energije. Elektrokemijski ekvivalent nikla
. Na kojem se naponu provodi elektroliza?
Riješenje:
14
Odredite masu oslobođenog bakra ako je za njegovo dobivanje elektrolitičkom metodom utrošeno W = 5 kW H h električne energije. Elektroliza se provodi na naponu V =10 V, učinkovitost instalacije h =75%. Elektrokemijski ekvivalent bakra
.
Riješenje:
učinkovitost instalacije
gdje je q naboj koji prolazi kroz kadu. Masa oslobođenog bakra m=kq; odavde
15
Koji naboj prolazi kroz otopinu sumporne kiseline (CuS O 4 ) u vremenu t \u003d 10 s, ako struja tijekom tog vremena ravnomjerno raste od I 1 =0 do I 2 = 4A? Kolika se masa bakra u tom slučaju oslobađa na katodi? Elektrokemijski ekvivalent bakra
.
Riješenje: 
Prosječna struja
Naboj koji teče kroz otopinu
Grafički pronalazak naboja prikazan je na sl. 369. Na grafu ovisnosti struje o vremenu, osjenčana površina je brojčano jednaka naboju. Masa bakra nataložena na katodi,
16
Pri pročišćavanju bakra elektrolizom na serijski spojene elektrolitičke kupke s ukupnim otporom R = 0,5 Ohma dovodi se napon V=10 V. Odredite masu čistog bakra koja se oslobodila na katodama kupelji tijekom vremena t =10h emf polarizacija e = 6 V. Elektrokemijski ekvivalent bakra
.
Riješenje:
17
Tijekom elektrolize vode kroz elektrolitičku kupelj neko vrijeme t = 25 min struje I \u003d 20 A. Kolika je temperatura t oslobođeni kisik, ako je u volumenu V = 1 l pod tlakom p = 0,2 MPa? Molarna masa vode m \u003d 0,018 kg / mol. Elektrokemijski ekvivalent kisika
.
Riješenje:
gdje je R \u003d 8,31 J / (mol K) plinska konstanta.
18
Kod elektrolitičke metode proizvodnje aluminija, W se troši po jedinici mase 1 m = 50 kWh h/kg električne energije. Elektroliza se provodi pri naponu V1 = 1
6,2 V. Kolika će biti potrošnja struje W 2m po jedinici mase pri naponu V2 = 8, 1 V?
Riješenje: 
redoks proces, prisilno koja teče pod utjecajem električne struje naziva se elektroliza.
Elektroliza se provodi u elektrolitičkoj ćeliji ispunjenoj elektrolitom u koju su uronjene elektrode spojene na vanjski izvor struje.
Elektroda spojena na negativni pol vanjski izvor struja se zove katoda. Na katodi se odvijaju procesi redukcije čestica elektrolita. Elektroda spojena na pozitivni pol izvora struje naziva se anoda. Na anodi se odvijaju procesi oksidacije čestica elektrolita ili elektrodnog materijala.
Anodni procesi ovise o prirodi elektrolita i anodnog materijala. U tom smislu, elektroliza se razlikuje s inertnom i topljivom anodom.
Anoda se naziva inertnom, čiji materijal nije oksidiran tijekom elektrolize. Inertne elektrode uključuju, na primjer, grafit (ugljik) i platinu.
Anoda se naziva topljiva, čiji se materijal može oksidirati tijekom elektrolize. Većina metalnih elektroda je topiva.
Kao elektrolit se mogu koristiti otopine ili taline. U otopini ili talini elektrolita ioni su u kaotičnom gibanju. Pod djelovanjem električne struje ioni poprimaju usmjereno gibanje: kationi se kreću prema katodi, a anioni - prema anodi i, prema tome, mogu se isprazniti na elektrodama.
S elektrolizom topi inertnim elektrodama samo se metalni kationi mogu reducirati na katodi, a anioni se mogu oksidirati na anodi.
Tijekom elektrolize vode rješenja na katodi se osim metalnih kationa mogu reducirati i molekule vode, a u kiselim otopinama vodikovi ioni H+. Stoga su na katodi moguće sljedeće kompetitivne reakcije:
(-) K: Ja n + + ne→ Ja
2H20+2 ē → H 2 + 2OH -
2H + + 2 ē
→ H 2 
Katoda prva reagira sa najveća vrijednost potencijal elektrode.
Tijekom elektrolize vode otopine s topljivom anodom, osim oksidacije aniona, moguće su oksidacijske reakcije same elektrode, molekula vode i u alkalnim otopinama hidroksidnih iona (OH -):
(+) A: Ja - n ē→ Ja n +
anionska oksidacija E 0
2H2O-4 ē
O2+4H+ 
4OH - - 4 ē
\u003d O 2 + 2H 2 O 
Na anodi je prva reakcija sa najmanja vrijednost potencijal elektrode.
Za elektrodne reakcije dani su ravnotežni potencijali u odsutnosti električne struje.
Elektroliza je neravnotežni proces, stoga se potencijali elektrodnih reakcija pod strujom razlikuju od njihovih ravnotežnih vrijednosti. Pomicanje potencijala elektrode od njegove ravnotežne vrijednosti pod utjecajem vanjske struje naziva se polarizacija elektrode. Količina polarizacije naziva se prenapon. Na veličinu prenapona utječu mnogi čimbenici: priroda materijala elektrode, gustoća struje, temperatura, pH okolina itd.
Prenaponi katodnog taloženja metala su relativno mali.
S visokim prenaponom, u pravilu, nastavlja se proces stvaranja plinova, poput vodika i kisika. Minimalni vodikov prenapon na katodi u kiselim otopinama uočen je za Pt (h=0,1 V), a maksimalni za olovo, cink, kadmij i živu. Prenapon se mijenja kada se kisele otopine zamijene alkalnim. Na primjer, na platini u alkalnom okruženju vodikov prenapon je h = 0,31 V (vidi Dodatak).
Oslobađanje kisika na anodi također je povezano s prenaponom. Minimalni prenapon oslobađanja kisika uočen je na Pt elektrodama (h=0,7 V), a maksimalni na cinku, živi i olovu (vidi Dodatak).
Iz navedenog proizlazi da tijekom elektrolize vodenih otopina:
1) metalni ioni reduciraju se na katodi, čiji su elektrodni potencijali veći od redukcijskog potencijala vode (-0,82 V). Metalni ioni koji imaju potencijal negativne elektrode veći od -0,82 V se ne smanjuju. To uključuje alkalije i zemnoalkalijski metali i aluminija.
2) na inertnoj anodi, uzimajući u obzir prenapon kisika, dolazi do oksidacije onih aniona čiji je potencijal manji od potencijala oksidacije vode (+1,23V). Takvi anioni uključuju, na primjer, I - , Br - , Cl - , NO 2 - , OH - . Anioni CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - - nisu oksidirani.
3) tijekom elektrolize s topljivom anodom, elektrode od tih metala otapaju se u neutralnim i kiselim medijima, čiji je elektrodni potencijal manji od + 1,23 V, au alkalnom - manji od + 0,413 V.
Ukupni produkti procesa na katodi i anodi su električki neutralne tvari.
Da bi se proveo proces elektrolize, na elektrode se mora dovesti napon. Napon elektrolize U el-za je potencijalna razlika neophodna da bi se odvijale reakcije na katodi i anodi. Teoretski napon elektrolize ( U el-za, theor) bez uzimanja u obzir prenapona, omskog pada napona u vodičima prve vrste i u elektrolitu
U el-za, teor = E a - E k, (7)
gdje E a, E k - potencijali anodnih i katodnih reakcija.
Odnos između količine tvari koja se oslobađa tijekom elektrolize i količine struje koja prolazi kroz elektrolit izražavaju dva Faradayeva zakona.
I Faradayev zakon. Količina tvari koja se formira na elektrodi tijekom elektrolize izravno je proporcionalna količini elektriciteta koji je prošao kroz otopinu elektrolita (talinu):
gdje k je elektrokemijski ekvivalent, g/C ili g/A h; Q je količina elektriciteta, Coulomb, Q=To; t- vrijeme, s; ja- struja, A; F\u003d 96500 C / mol (A s / mol) \u003d 26,8 A h / mol - Faradayeva konstanta; E je ekvivalentna masa tvari, g / mol.
U elektrokemijskim reakcijama, ekvivalentna masa tvari određena je prema:
n je broj elektrona uključenih u elektrodnu reakciju stvaranja ove tvari.
II Faradayev zakon. Kada ista količina elektriciteta prolazi kroz različite elektrolite, mase tvari koje se oslobađaju na elektrodama proporcionalne su njihovim ekvivalentnim masama:
gdje m 1 i m 2 – mase tvari 1 i 2, E 1 i E 2, g/mol – ekvivalentne mase tvari 1 i 2.
U praksi se često zbog pojave konkurentnih redoks procesa na elektrodama stvara manje tvari nego što odgovara elektricitetu koji je prošao kroz otopinu.
Kako bi se okarakterizirao gubitak električne energije tijekom elektrolize, uvodi se koncept "strujnog izlaza". strujni izlaz U t je omjer izražen kao postotak količine stvarno dobivenog produkta elektrolize mčinjenica. do teoretski izračunatog m teorija: 
Primjer 10. Koji će se procesi odvijati tijekom elektrolize vodene otopine natrijevog sulfata s ugljičnom anodom? Koje će se tvari osloboditi na elektrodama ako se ugljena elektroda zamijeni bakrenom?
Riješenje: U otopini natrijevog sulfata, natrijevi ioni Na +, SO 4 2- i molekule vode mogu sudjelovati u elektrodnim procesima. Ugljične elektrode su inertne elektrode.
Na katodi su mogući sljedeći procesi obnavljanja:
(-) K: Na + + ē
→ Ne 
2H20+2 ē
→ H 2 + 2OH - 
Na katodi se prvo odvija reakcija s najvećom vrijednošću elektrodnog potencijala. Stoga će se na katodi dogoditi redukcija molekula vode, popraćena oslobađanjem vodika i stvaranjem hidroksidnih iona OH - u prikatodnom prostoru. Natrijevi ioni Na + prisutni na katodi zajedno s OH ionima formirat će alkalnu otopinu NaOH.
(+)A: 2 SO 4 2- - 2 ē
→ S 2 O 8 2- 
2 H20 - 4 ē
→ 4H + + O 2 
.
Na anodi se prvo odvija reakcija s najnižom vrijednošću elektrodnog potencijala. Stoga će se na anodi odvijati oksidacija molekula vode uz oslobađanje kisika, a H + ioni se nakupljaju u anodnom prostoru. SO 4 2- ioni prisutni na anodi s H + ionima će tvoriti otopinu sumporne kiseline H 2 SO 4 .
Ukupna reakcija elektrolize izražena je jednadžbom:
2 Na 2 SO 4 + 6 H 2 O \u003d 2 H 2 + 4 NaOH + O 2 + 2 H 2 SO 4.
katodni proizvodi anode products
Prilikom zamjene ugljične (inertne) anode bakrenom, na anodi je moguća još jedna reakcija oksidacije - otapanje bakra:
Cu-2 ē
→ Cu2+ 
Ovaj proces karakterizira niža vrijednost potencijala od ostalih mogućih anodnih procesa. Stoga će tijekom elektrolize Na 2 SO 4 s bakrenom anodom doći do oksidacije bakra na anodi, au anodnom prostoru će se nakupljati bakreni sulfat CuSO 4 . Ukupna reakcija elektrolize izražava se jednadžbom:
Na 2 SO 4 + 2H 2 O + Cu \u003d H 2 + 2 NaOH + CuSO 4.
katodni proizvodi anode product
Primjer 11. Napravite jednadžbu procesa koji se odvijaju tijekom elektrolize vodene otopine nikal klorida NiCl 2 s inertnom anodom.
Riješenje: Ioni nikla Ni 2+ , Cl - i molekule vode mogu sudjelovati u elektrodnim procesima u otopini nikal klorida. Kao inertna anoda može se koristiti grafitna elektroda.
Na katodi su moguće sljedeće reakcije:
(-) K: Ni 2+ + 2 ē
→ Ni 
2H20+2 ē
→ H 2 + 2OH - 
Potencijal prve reakcije je veći, stoga se ioni nikla reduciraju na katodi.
Na anodi su moguće sljedeće reakcije:
(+) A: 2 Cl - - 2 ē
→Cl2 
2H2O-4 ē
O2+4H+ 
.
Prema standardnim elektrodnim potencijalima na anodi
mora se osloboditi kisik. Zapravo, zbog visokog prenapona kisika na elektrodi, oslobađa se klor. Veličina prenapona ovisi o materijalu od kojeg je izrađena elektroda. Za grafit, prenapon kisika je 1,17 V pri gustoći struje od 1 A / cm 2, što povećava potencijal oksidacije vode na 2,4 V.
Stoga se elektroliza otopine nikal klorida nastavlja s stvaranjem nikla i klora:
Ni 2+ + 2Cl - \u003d Ni + Cl 2.
na katodi na anodi
Primjer 12. Izračunajte masu tvari i volumen plina koji se oslobodi na inertnim elektrodama tijekom elektrolize vodene otopine srebrovog nitrata AgNO 3 ako je vrijeme elektrolize 25 minuta, a jakost struje 3 A.
Riješenje. Tijekom elektrolize vodene otopine AgNO 3 u slučaju netopljive anode (na primjer, grafita), na elektrodama se događaju sljedeći procesi:
(-) K: Ag + + ē
→ Ag 
,
2H20+2 ē → H 2 + 2OH -.
Potencijal prve reakcije je veći, stoga se redukcija iona srebra događa na katodi.
(+) A: 2H20 - 4 ē
O2+4H+ 
,
anion NO 3 – nije oksidiran.
g ili litara 
l.
Zadaci
5. Zapišite reakcije elektrolize na inertnim elektrodama i izračunajte masu dobivene tvari na katodi i volumen plina koji se oslobađa na anodi tijekom elektrolize otopina elektrolita, ako je vrijeme elektrolize 20 minuta, jakost struje ja\u003d 2A ako je strujni izlaz V t \u003d 100%. Koje će se tvari osloboditi na elektrodama prilikom zamjene inertne anode metalnom anodom navedenom u zadatku?
| №№ | elektrolit | metalna elektroda |
| CuSO4 | Cu | |
| MgCl 2 | Ni | |
| Zn(NO 3) 2 | Zn | |
| snf 2 | s n | |
| CdSO4 | CD | |
| FeCl2 | Fe | |
| AgNO3 | Ag | |
| HCl | co | |
| CoSO4 | co | |
| NiCl2 | Ni |
Kraj stola
Za opis procesa u fizici i kemiji postoji niz zakona i odnosa dobivenih eksperimentalnim i računskim putem. Ni jedno istraživanje ne može se provesti bez prethodne ocjene procesa prema teoretskim odnosima. Faradayevi zakoni primjenjuju se kako u fizici tako iu kemiji, au ovom ćemo članku pokušati kratko i jasno govoriti o svim poznatim otkrićima ovog velikog znanstvenika.
Povijest otkrića
Faradayev zakon u elektrodinamici otkrila su dva znanstvenika: Michael Faraday i Joseph Henry, no Faraday je rezultate svog rada objavio ranije – 1831. godine.
U svojim demonstracijskim pokusima u kolovozu 1831. koristio je željezni torus na čijim je suprotnim krajevima bila namotana žica (jedna žica po strani). Na krajevima jedne prve žice napajao je iz galvanske baterije, a na zaključke druge spojio galvanometar. Dizajn je bio sličan modernom transformatoru. Povremeno uključuje i isključuje napon na prvoj žici, promatrao je praske na galvanometru.
Galvanometar je vrlo osjetljiv instrument za mjerenje malih struja.
Tako se pokazao utjecaj magnetsko polje, formiran kao rezultat protoka struje u prvoj žici, na stanje drugog vodiča. Taj udar prenosio se s prvog na drugi kroz jezgru - metalni torus. Kao rezultat istraživanja otkriven je i utjecaj trajnog magneta koji se kreće u svitku na njegov namot.
Zatim je Faraday objasnio fenomen elektromagnetska indukcija u smislu linija sile. Druga je bila instalacija za generiranje istosmjerne struje: bakreni disk rotirao je u blizini magneta, a žica koja je klizila duž njega bila je kolektor struje. Ovaj izum je nazvan Faradayev disk.
Znanstvenici tog razdoblja nisu prihvatili Faradayeve ideje, ali je Maxwell uzeo istraživanje kao temelj svoje magnetske teorije. Godine 1836. Michael Faraday je uspostavio odnose za elektrokemijske procese, koje su nazvali Faradayevi zakoni elektrolize. Prvi opisuje omjer mase tvari koja se oslobađa na elektrodi i struje koja teče, a drugi opisuje omjer mase tvari u otopini i mase tvari koja se oslobađa na elektrodi, za određenu količinu struja.
Elektrodinamika
Prvi radovi primjenjuju se u fizici, točnije u opisu rada električnih strojeva i aparata (transformatora, motora i dr.). Faradayev zakon kaže:
Za krug, inducirana emf izravno je proporcionalna veličini brzine magnetski tok, koji se kreće kroz ovu konturu s predznakom minus.
Može se reći jednostavnim riječima: što se magnetski tok brže kreće kroz krug, to se više EMF-a stvara na njegovim terminalima.
Formula izgleda ovako:
Ovdje je dF magnetski tok, a dt jedinica vremena. Poznato je da je prva derivacija po vremenu brzina. Odnosno, brzina kretanja magnetskog toka u ovom konkretnom slučaju. Usput, može se kretati, poput izvora magnetskog polja (zavojnica s strujom - elektromagnet, ili trajni magnet) i kontura.
Ovdje se protok može izraziti sljedećom formulom:
B je magnetsko polje, a dS je površina.
Ako uzmemo u obzir zavojnicu s gusto namotanim zavojima, a broj zavoja je N, tada Faradayev zakon izgleda ovako:
Magnetski tok u formuli za jedan zavoj mjeri se u Weberima. Struja koja teče u krugu naziva se induktivna.
Elektromagnetska indukcija je pojava protjecanja struje u zatvorenom krugu pod utjecajem vanjskog magnetskog polja.
U gornjim formulama možda ste primijetili znakove modula, bez njih ima nešto drugačiji oblik, kao što je rečeno u prvoj formulaciji, sa znakom minus.
Znak minus objašnjava Lenzovo pravilo. Struja koja se javlja u krugu stvara magnetsko polje, usmjereno je u suprotnom smjeru. To je posljedica zakona održanja energije.
Smjer indukcijska struja može se odrediti pravilom desna ruka ili smo to detaljno razmotrili na našoj web stranici.
Kao što je već spomenuto, zahvaljujući fenomenu elektromagnetske indukcije rade električni strojevi, transformatori, generatori i motori. Na slici je prikazan tok struje u namotu armature pod utjecajem magnetskog polja statora. U slučaju generatora, kada se njegov rotor okreće vanjskim silama, u namotima rotora nastaje EMF, struja stvara magnetsko polje usmjereno suprotno (isti znak minus u formuli). Što je veća struja koju troši generator, to je magnetsko polje veće i teže ga je okretati.
I obrnuto - kada struja teče u rotoru, nastaje polje koje interagira s poljem statora i rotor se počinje okretati. Kada je osovina opterećena, struja u statoru iu rotoru raste, te je potrebno osigurati preklapanje namota, ali to je druga tema vezana uz projektiranje električnih strojeva.
U srcu rada transformatora, izvor pokretnog magnetskog toka je izmjenično magnetsko polje koje nastaje kao rezultat protoka izmjenične struje u primarnom namotu.
Ako želite detaljnije proučiti problem, preporučujemo da pogledate video koji jednostavno i jasno objašnjava Faradayev zakon za elektromagnetsku indukciju:
Elektroliza
Osim istraživanja EMF-a i elektromagnetske indukcije, znanstvenik je napravio velika otkrića u drugim disciplinama, uključujući kemiju.
Kada struja teče kroz elektrolit, ioni (pozitivni i negativni) počinju juriti prema elektrodama. Negativi se kreću prema anodi, a pozitivi prema katodi. Istodobno se na jednoj od elektroda oslobađa određena masa tvari koja se nalazi u elektrolitu.
Faraday je provodio pokuse, propuštajući različite struje kroz elektrolit i mjereći masu tvari nataložene na elektrodama, zaključivši uzorke.
m je masa tvari, q je naboj, a k ovisi o sastavu elektrolita.
A naboj se može izraziti kao struja tijekom određenog vremenskog razdoblja:
I=q/t, onda q = i*t
Sada možete odrediti masu tvari koja će se osloboditi, znajući struju i vrijeme koje je tekla. To se zove prvi Faradayev zakon elektrolize.
Drugi zakon:
Težina kemijski element, koji će se taložiti na elektrodi, izravno je proporcionalan ekvivalentnoj masi elementa (molarna masa podijeljena s brojem koji ovisi o kemijska reakcija u koje je uključena tvar).
S obzirom na prethodno navedeno, ovi zakoni su spojeni u formulu:
m je masa tvari koja je otpuštena u gramima, n je broj elektrona prenesenih u procesu elektrode, F=986485 C/mol je Faradayev broj, t je vrijeme u sekundama, M je molarna masa tvar g/mol.
U stvarnosti, zbog različiti razlozi, masa otpuštene tvari manja je od izračunate (pri izračunavanju uzimajući u obzir struju koja teče). Omjer teorijske i stvarne mase naziva se trenutni učinak:
B t \u003d 100% * m kalc / m teor
Faradayevi zakoni dali su značajan doprinos razvoju moderna znanost, zahvaljujući njegovom radu imamo elektromotore i generatore električne energije (kao i radovima njegovih sljedbenika). Rad EMF-a i fenomen elektromagnetske indukcije dali su nam većinu suvremene električne opreme, uključujući zvučnike i mikrofone, bez kojih je nemoguće slušati snimke i govornu komunikaciju. Postupci elektrolize koriste se u galvanskoj metodi presvlačenja materijala, koja ima i dekorativnu i praktičnu vrijednost.
Povezani sadržaj:
Kao( 0 ) Ne sviđa mi se( 0 )
Također preporučujemo
Učitavam...