Faraday egységes elektrolízistörvényének matematikai jelölése. Faraday törvényei a kémiában és a fizikában – rövid magyarázat egyszerű szavakkal

Az elektrolízis törvényei (Faraday törvényei)

Mert az átjáró elektromos áram Az elektrokémiai rendszereken keresztül kémiai átalakulásokhoz kapcsolódik, bizonyos kapcsolatnak kell lennie az átfolyó elektromosság mennyisége és a reagált anyagok mennyisége között. Faraday fedezte fel, és az elektrokémia első kvantitatív törvényeiben fejeződött ki, amelyeket később Faraday törvényeinek neveztek.

Faraday első törvénye . Az elektrolízis során átalakuló anyagok mennyisége arányos az elektroliton áthaladó elektromosság mennyiségével:

Dm = k e q = k e It ,

Dm a reagált anyag mennyisége; k e - néhány arányossági együttható; q az elektromosság mennyisége, amely egyenlő az I áramerősség és a t idő szorzatával. Ha q = It = 1, akkorDm = kööö, vagyis az együttható k e az az anyagmennyiség, amely egységnyi villamos energia áramlása következtében reagált. Együttható k uhhívott elektrokémiai ekvivalens .

Faraday második törvénye tükrözi azt a kapcsolatot, amely a reagált anyag mennyisége és természete között fennáll: állandó mennyiségű áthaladó tömeg elektromosság mellett különféle anyagok, átalakulást tapasztal az elektródáknál (elválasztás az oldattól, vegyérték változás), arányos ezen anyagok kémiai egyenértékeivel:

Dm én/A én= konst .

Lehetséges mindkét Faraday törvényt egyetlen általános törvény formájában egyesíteni: az 1-es árammal történő kiválasztáshoz vagy átalakuláshoz g-eq bármilyen anyag (1/zmól anyag) mindig ugyanannyi elektromos áramra van szüksége, ún Faraday szám (vagy faraday ):

Dm =Ez=Azt .

A Faraday-szám pontosan mért értéke

F = 96484,52 ± 0,038 C/g-ekv.

Ilyen az a töltés, amelyet bármilyen típusú ion egy grammegyenértéke hordoz. Ezt a számot megszorozva ezzelz (az ion elemi töltéseinek száma), megkapjuk az 1-et szállító villamos energia mennyiségét g-ion . A Faraday-számot elosztva az Avogadro-számmal, egy egyértékű ion töltését kapjuk, amely megegyezik az elektron töltésével:

e = 96484,52 / (6,022035 × 10 23) = 1,6021913 × 10-19 C.

A Faraday által 1833-ban felfedezett törvényeket szigorúan betartják a második típusú karmestereknél. Láthatóak a Faraday-törvényektől való eltérések. Gyakran összefüggésbe hozhatók fel nem számolt párhuzamos elektrokémiai reakciók jelenlétével. Eltérés Faraday törvényétől ipari üzemekáramszivárgással, anyagveszteséggel az oldat permetezése során stb. Technikai körülmények között az elektrolízissel nyert termék mennyiségének a Faraday törvénye alapján számított mennyiséghez viszonyított aránya kisebb, mint egység, és ún. áramkimenet :

B T = = .

Óvatosan laboratóriumi mérések egyértelmű elektrokémiai reakciókhoz áramhatékonyság egyenlő eggyel(a kísérleti hibán belül). Faraday törvényét szigorúan betartják, így ez az alapja a legpontosabb módszernek az áramkörön áthaladó elektromosság mennyiségének mérésére az elektródán felszabaduló anyag mennyiségével. Ezekhez a mérésekhez használja coulométerek . Kulométerként elektrokémiai rendszereket használnak, amelyekben nincsenek párhuzamos elektrokémiai és mellékkémiai reakciók. A képződött anyagok mennyiségének meghatározására szolgáló módszerek szerint A coulométerek elektrogravimetriás, gáz- és titrálási eszközökre oszthatók. Az elektrogravimetriás coulométerek példái az ezüst és a réz coulométerek. Richardson ezüst coulométerének működése, amely egy elektrolizátor

(–) Agï AgNO3× aqï Ag (+) ,

Az elektrolízis során a katódra lerakódott ezüst tömegének mérésén alapul. 96500 C (1 faraday) elektromos áram áthaladásakor 1 g-ekvivalens ezüst (107 g) szabadul fel a katódon. Elhaladáskorn F elektromosság, kísérletileg meghatározott tömeg szabadul fel a katódon (Dm nak nek). Az eltelt villamosenergia-faradok számát az arány határozza meg

n = Dm /107 .

A réz kulométer működési elve hasonló.

A gázkulométerekben az elektrolízis termékei gázok, amelyek térfogatmérésével határozzák meg az elektródákra felszabaduló anyagok mennyiségét. Az ilyen típusú készülékre példa a víz elektrolízisének reakcióján alapuló gázkulométer. Az elektrolízis során hidrogén szabadul fel a katódon:

2H 2O+2 e- \u003d 2OH - + H 2,

és oxigén az anódon:

H 2O = 2H + +½ O 2 +2 e – Va teljes kibocsátott gáz térfogata, m3.

A titráló coulométerekben az elektrolízis során képződő anyag mennyiségét titrimetrikusan határozzák meg. Ez a fajta coulométer magában foglalja a Kistyakovsky titráló coulométert, amely egy elektrokémiai rendszer

(–) Ptï KNO3, HNO3ï Ag (+) .

Az elektrolízis során az ezüst anód feloldódik, ezüstionokat képezve, amelyeket titrálnak. Az elektromosság faradayjainak számát a képlet határozza meg

n = mVc ,

ahol m az oldat tömege, g; V az 1 g anódfolyadék titrálásához használt titrálószer térfogata; c – titrálószer koncentráció, g-eq/cm3.

Alapok > Feladatok és válaszok

Elektrolízis. Faraday törvényei

1 Keresse meg a nátrium elektrokémiai megfelelőjét! A nátrium moláris tömege m \u003d 0,023 kg/mol, vegyértéke z \u003d 1. Faraday állandó

Megoldás:

2 Cink anód tömeg m \u003d 5 g-ot elektrolitfürdőbe helyezünk, amelyen áram halad átén \u003d 2 A. Mennyi idő múlva t teljesen elhasználódik az anód a fémtermékek bevonására? A cink elektrokémiai megfelelője

Megoldás:

3 Határozza meg a Faraday-állandót, amikor áthalad az elektrolit töltésfürdőn q = 7348 C a katódon aranytömeg szabadult fel m \u003d 5 g Arany A kémiai egyenértéke \u003d 0,066 kg/mol.

Megoldás:
Faraday kombinált törvénye szerint

innen

4 Találd meg az elemi elektromos töltés e, ha az anyag tömege, amely számszerűen megegyezik a kémiai ekvivalenssel, N-t tartalmaz o = N A /z atomok vagy molekulák.

Megoldás:
Az elektrolit oldatban lévő ionok a z vegyértékkel egyenlő számú elemi töltést hordoznak. Ha egy anyag tömege szabadul fel, amely számszerűen megegyezik a kémiai egyenértékével, akkor az oldaton olyan töltés halad át, amely számszerűen megegyezik a Faraday-állandóval, azaz.

Ezért az elemi töltés

5 Ezüst moláris tömege m 1 \u003d 0,108 kg/mol, vegyértéke z 1 = 1 és elektrokémiai ekvivalens. Keresse meg az arany k2 elektrokémiai megfelelőjét, ha moláris tömeg Arany m2 \u003d 0,197 kg / mol, vegyértéke z2 = 3.

Megoldás:
Faraday második törvénye szerint megvan

innen ered az arany elektrokémiai megfelelője

6 Keresse meg az idő múlásával felszabaduló anyagok tömegét! t \u003d 10 óra három, a hálózatra sorba kapcsolt elektrolitfürdő katódján egyenáram. A fürdők anódjait - réz, nikkel és ezüst - CuS oldatokká süllyesztik. O 4, NiS0 4 és AgN0 3 . Elektrolízis áramsűrűség j =40 A/m2, katódfelület minden fürdőben S = 500 cm Réz, nikkel és ezüst elektrokémiai megfelelője

Megoldás:
Az áram a fürdőkben I=jS. Faraday első törvénye szerint az elektrolízis során felszabaduló anyagok tömegei

7 Amikor a termékek nikkelezését idővel t = 2 óra lerakódott nikkelréteg vastagság l =0,03 mm.
Határozza meg az áramsűrűséget az elektrolízis során. A nikkel elektrokémiai megfelelője, sűrűsége

Megoldás:

8 Az elektrolitikus cellával sorba kapcsolt ampermérő jelzi az áramerősséget io \u003d 1,5A. Milyen korrekciót kell végezni az ampermérő leolvasásán, ha az idő alatt t \u003d 10 perc elteltével egy tömeg réz került a katódra m = 0,316 g? A réz elektrokémiai megfelelője.

Megoldás:
Faraday első törvénye szerint m = kI t , ahol I az áramkör árama; innen I = m/kt \u003d 1,6 A, azaz Az ampermérő leolvasást korrigálni kell.

9 A voltmérő leolvasásának helyességét ellenőrizni akarta, hogy párhuzamosan kapcsolták egy ismert ellenállású ellenállással R=30 Ohm. Sorozatban egy elektrolitikus fürdő került a közös körbe, amelyben az ezüst elektrolizálódik. Alatt t \u003d 5 perc ebben a fürdőben ezüsttömeg emelkedett ki m = 55,6 mg. A voltmérő feszültséget mutatott Vo \u003d 6 V. Keresse meg a különbséget a voltmérő és a voltmérő leolvasása között pontos érték feszültségesés az ellenálláson. Az ezüst elektrokémiai megfelelője.

Megoldás:
Faraday első törvénye szerint m = kl t , ahol I az áramkörben lévő áram. A feszültségesés pontos értéke az ellenálláson V=IR = mR/k t \u003d 4,91 V. A voltmérő leolvasása és a feszültségesés pontos értéke közötti különbség

10 A kanalak ezüstösítéséhez idővel ezüstsóoldattal t \u003d 5 órás áram áthaladtén \u003d 1,8 A. A katód az n \u003d 12 kanál, amelyek mindegyikének van egy felülete S =50 cm2. Milyen vastag ezüstréteg rakódik le a kanalakon? Ezüst moláris tömege m \u003d 0,108 kg/mol, vegyértéke z \u003d 1 és sűrűség .

Megoldás:
Rétegvastagság

11 Két elektrolit fürdő sorba van kötve. Az első fürdő vas-klorid (FeCl) oldatot tartalmaz 2 ), a másodikban vas(III)-klorid (FeCl 3 ). Határozza meg a felszabaduló vas tömegét a katódon és a klór tömegét az anódokon minden egyes fürdőben, amikor a töltés áthalad a fürdőn. A vas és a klór moláris tömege.

Megoldás:
Az első fürdőben a vas kétértékű (z1=2), a második fürdőben háromértékű (z2 = 3). Ezért az azonos töltésű oldatokon való áthaladáskor különböző tömegű vas szabadul fel a katódon: az első fürdőben

a második fürdőben

Mivel a klóratomok vegyértéke z = 1, akkor minden egyes fürdő anódján egy tömeg klór szabadul fel

12 Kénsav oldat elektrolízise során (CuS O 4 ) teljesítményfelvétel N=37 W. Keresse meg az elektrolit ellenállását, ha időben t = 50 perc tömegű hidrogén szabadul fel m = 0,3 g A hidrogén moláris tömege m \u003d 0,001 kg/mol, vegyértéke z \u003d 1 .

Megoldás:

13 A nikkel előállításának elektrolitikus módszerében a W-t tömegegységenként fogyasztják el m = 10 kWh h/kg villamos energia. A nikkel elektrokémiai megfelelője. Milyen feszültség mellett történik az elektrolízis?

Megoldás:

14 Határozza meg a felszabaduló réz tömegét, ha W = 5 kW-ot költöttünk el elektrolitikus módszerrel H h villany. Az elektrolízist feszültségen végezzük V =10 V, hatásfok installációk h =75%. A réz elektrokémiai megfelelője.

Megoldás:
hatékonyság installációk

ahol q a fürdőn áthaladó töltés. A felszabaduló réz tömege m=kq; innen

15 Milyen töltés megy át a kénsav oldatán (CuS O 4 ) t időben \u003d 10 s, ha ez idő alatt az áram egyenletesen növekszik I-től 1 = 0 az I-hez 2 = 4A? Mekkora tömegű réz szabadul fel ebben az esetben a katódon? A réz elektrokémiai megfelelője.

Megoldás:
Átlagos áram

Az oldaton átáramló töltés

A töltés grafikus megtalálása az ábrán látható. 369. Az áram-idő grafikonon az árnyékolt terület numerikusan egyenlő a töltéssel. A katódon lerakódott réz tömege,

16 A réz elektrolízissel történő finomítása során a sorba kapcsolt, R = 0,5 Ohm összellenállású elektrolitfürdőkre V=10 V feszültséget kapcsolunk. Határozza meg a fürdő katódjain az idő alatt felszabaduló tiszta réz tömegét. t =10 óra emf polarizáció e = 6 V. A réz elektrokémiai egyenértéke.

Megoldás:

17 A víz elektrolízise során elektrolitikus fürdőn keresztül egy ideig t = 25 perc I áram \u003d 20 A. Mi a hőmérséklet t felszabaduló oxigén, ha V = 1 l térfogatban p = 0,2 MPa nyomás alatt van? A víz moláris tömege m \u003d 0,018 kg/mol. Az oxigén elektrokémiai egyenértéke.

Megoldás:

ahol R \u003d 8,31 J / (mol K) a gázállandó.

18 Az alumínium előállításának elektrolitikus módszerében tömegegységenként W-t fogyasztanak 1 m = 50 kWh h/kg villamos energia. Az elektrolízist V1 = feszültségen végezzük 1 6,2 V. Mekkora lesz a teljesítményfelvétel W? 2 m egységnyi tömegre V2 = 8 feszültségnél, 1 V?
Megoldás:

redox folyamat, erővel az elektromos áram hatására folyót elektrolízisnek nevezzük.

Az elektrolízist elektrolittal töltött elektrolitikus cellában végzik, amelybe külső áramforráshoz csatlakoztatott elektródákat merítenek.

A negatív pólushoz csatlakoztatott elektróda külső forrásáramot hívják katód-. A katódon az elektrolitrészecskék redukciós folyamatai játszódnak le. Az áramforrás pozitív pólusára csatlakoztatott elektródát nevezzük anód. Az elektrolit részecskék vagy az elektródaanyag oxidációs folyamatai az anódon mennek végbe.

Az anódfolyamatok az elektrolit természetétől és az anód anyagától függenek. Ebben a tekintetben az elektrolízist inert és oldható anóddal különböztetjük meg.

Inertnek nevezzük azt az anódot, amelynek anyaga nem oxidálódik az elektrolízis során. Az inert elektródák közé tartozik például a grafit (szén) és a platina.

Oldhatónak nevezzük az anódot, amelynek anyaga az elektrolízis során oxidálódhat. A legtöbb fémelektróda oldható.

Elektrolitként oldatok vagy olvadékok használhatók. Egy elektrolit oldatban vagy olvadékban az ionok kaotikus mozgásban vannak. Elektromos áram hatására az ionok irányított mozgást kapnak: a kationok a katód felé, az anionok pedig az anód felé mozognak, és ennek megfelelően az elektródákon kisüthetők.

Elektrolízissel inert elektródákkal megolvad a katódon csak a fémkationok redukálhatók, az anódon pedig az anionok oxidálhatók.

A víz elektrolízise során megoldásokat a katódon a fémkationok mellett a vízmolekulák, savas oldatokban a H + hidrogénionok redukálhatók. Így a következő versengő reakciók lehetségesek a katódon:

(-) K: Én n + + ne→ Én

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

2H + + 2 ē → H 2

A katód először azzal reagál legmagasabb érték elektródpotenciál.

A víz elektrolízise során oldható anóddal ellátott oldatok, az anionok oxidációja mellett lehetséges az elektróda, a vízmolekulák és a hidroxidionok (OH -) lúgos oldatában bekövetkező oxidációs reakciók:

(+) V: Én - n ē→ Én n +

anion oxidáció E 0

2H2O-4 ē O2+4H+

4OH - - 4 ē \u003d O 2 + 2H 2 O

Az anódnál az első reakció a a legkisebb érték elektródpotenciál.

Az elektródreakcióknál az egyensúlyi potenciálokat elektromos áram hiányában adjuk meg.

Az elektrolízis nem egyensúlyi folyamat, ezért az elektródák áram alatti reakcióinak potenciáljai eltérnek az egyensúlyi értékektől. Az elektródpotenciál egyensúlyi értékétől való elmozdulását külső áram hatására elektródapolarizációnak nevezzük. A polarizáció mértékét túlfeszültségnek nevezzük. A túlfeszültség nagyságát számos tényező befolyásolja: az elektróda anyagának jellege, az áramsűrűség, a hőmérséklet, a pH-környezet stb.

A fémek katódos kiválásának túlfeszültségei viszonylag kicsik.

Magas túlfeszültség esetén általában a gázok, például a hidrogén és az oxigén képződése megy végbe. A minimális hidrogén túlfeszültséget a katódon savas oldatokban a Pt (h=0,1 V), a maximumot az ólom, cink, kadmium és higany esetében figyeljük meg. A túlfeszültség megváltozik, ha a savas oldatokat lúgosra cserélik. Például platinán lúgos környezetben a hidrogén túlfeszültség h = 0,31 V (lásd a függeléket).

Az anód oxigénfejlődése szintén túlfeszültséggel jár. Az oxigénfejlődés minimális túlfeszültsége a Pt elektródákon figyelhető meg (h=0,7 V), a maximum pedig a cink, a higany és az ólom esetében (lásd a függeléket).

A fentiekből az következik, hogy a vizes oldatok elektrolízise során:

1) a fémionok redukálódnak a katódon, amelyek elektródpotenciálja nagyobb, mint a vízredukciós potenciál (-0,82V). A -0,82 V-nál nagyobb negatív elektródpotenciálú fémionok nem csökkennek. Ide tartozik az alkáli és alkáliföldfémekés alumínium.

2) inert anódon, az oxigén túlfeszültségét figyelembe véve, azon anionok oxidációja megy végbe, amelyek potenciálja kisebb, mint a víz oxidációs potenciálja (+1,23 V). Ilyen anionok például az I-, Br-, Cl-, NO2-, OH-. A CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - - anionok nem oxidálódnak.

3) az oldható anóddal végzett elektrolízis során az ilyen fémekből származó elektródákat semleges és savas közegben oldják fel, amelyek elektródpotenciálja kisebb, mint + 1,23 V, és lúgosban - kevesebb, mint + 0,413 V.

A katódon és az anódon végbemenő folyamatok összes terméke elektromosan semleges anyag.

Az elektrolízis folyamatához feszültséget kell adni az elektródákra. Elektrolízis feszültség U el-za az a potenciálkülönbség, amely a katódon és az anódon végbemenő reakciókhoz szükséges. Elméleti elektrolízis feszültség ( U el-za, theor) anélkül, hogy figyelembe vennénk a túlfeszültséget, az ohmos feszültségesést az első típusú vezetőkben és az elektrolitban

U el-za, theor = E de - E k, (7)

ahol E de, E k - anódos és katódos reakciók potenciálja.

Az elektrolízis során felszabaduló anyag mennyisége és az elektroliton áthaladó áram mennyisége közötti összefüggést két Faraday-törvény fejezi ki.

Faraday törvénye. Az elektrolízis során az elektródán képződő anyag mennyisége egyenesen arányos az elektrolit oldatán (olvadékán) áthaladó elektromosság mennyiségével:

ahol k az elektrokémiai ekvivalens, g/C vagy g/A h; K az elektromosság mennyisége, Coulomb, K=Azt; t-idő, s; én- áram, A; F\u003d 96500 C / mol (A s / mol) \u003d 26,8 A h / mol - Faraday-állandó; E az anyag egyenértékű tömege, g / mol.

Az elektrokémiai reakciókban az anyag egyenértékű tömegét a következők határozzák meg:

n az anyag képződésének elektródreakciójában részt vevő elektronok száma.

II Faraday törvénye. Amikor azonos mennyiségű elektromosság halad át különböző elektrolitokon, az elektródákon felszabaduló anyagok tömege arányos az egyenértékű tömegükkel:

ahol m 1 és m 2 – az 1. és 2. anyagok tömege, E 1 és E 2, g/mol – az 1. és 2. anyagok egyenértékű tömege.

A gyakorlatban gyakran az egymással versengő redox folyamatok miatt kevesebb anyag képződik az elektródákon, mint amennyi az oldaton áthaladó elektromosságnak felel meg.

Az elektrolízis során fellépő villamosenergia-veszteség jellemzésére bevezetik az "áramkimenet" fogalmát. áramkimenet A t a ténylegesen kapott elektrolízistermék mennyiségének százalékában kifejezett arány m tény. az elméletileg számítotthoz m elmélet:

10. példa. Milyen folyamatok játszódnak le a nátrium-szulfát vizes oldatának szénanóddal történő elektrolízise során? Milyen anyagok szabadulnak fel az elektródákon, ha a szénelektródát rézre cseréljük?

Megoldás: Nátrium-szulfát oldatban nátriumionok Na +, SO 4 2- és vízmolekulák vehetnek részt az elektródfolyamatokban. A szénelektródák inert elektródák.

A következő helyreállítási folyamatok lehetségesek a katódon:

(-) K: Na + + ē → Na

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

A katódon először a legnagyobb elektródpotenciál értékű reakció megy végbe. Ezért a vízmolekulák redukciója a katódon történik, hidrogén felszabadulásával és OH hidroxidionok képződésével a katódközeli térben. A katódon jelenlévő Na + nátriumionok az OH ionokkal együtt - lúgos NaOH oldatot alkotnak.

(+)A: 2 SO 4 2- - 2 ē → S 2 O 8 2-

2 H 2 O - 4 ē → 4H + + O 2 .

Az anódnál először a legkisebb elektródpotenciál értékű reakció megy végbe. Ezért a vízmolekulák oxidációja oxigén felszabadulásával az anódon megy végbe, és a H + ionok felhalmozódnak az anódtérben. Az anódon jelen lévő SO 4 2- ionok H + ionokkal kénsav H 2 SO 4 oldatát képezik.

Az elektrolízis teljes reakcióját a következő egyenlet fejezi ki:

2 Na 2 SO 4 + 6H 2 O \u003d 2H 2 + 4 NaOH + O 2 + 2H 2 SO 4.

katód termékek anód termékek

Ha egy szén (inert) anódot rézre cserélünk, egy másik oxidációs reakció válik lehetővé az anódon - a réz feloldódása:

Cu-2 ē → Cu2+

Ezt a folyamatot alacsonyabb potenciálérték jellemzi, mint a többi lehetséges anódos folyamatot. Ezért a Na 2 SO 4 réz anóddal történő elektrolízise során a réz az anódon oxidálódik, és réz-szulfát CuSO 4 halmozódik fel az anódtérben. Az elektrolízis teljes reakcióját a következő egyenlet fejezi ki:

Na 2 SO 4 + 2H 2 O + Cu \u003d H 2 + 2 NaOH + CuSO 4.

katód termékek anód termék

11. példa. Készítsen egyenletet a nikkel-klorid NiCl 2 vizes oldatának inert anóddal végzett elektrolízise során lezajló folyamatokra!

Megoldás: A nikkel-klorid-oldatban a nikkelionok Ni 2+, Cl - és vízmolekulák vehetnek részt az elektródfolyamatokban. Inert anódként grafitelektróda használható.

A következő reakciók lehetségesek a katódon:

(-) K: Ni 2+ + 2 ē → Ni

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

Az első reakció potenciálja nagyobb, ezért a nikkelionok a katódon csökkennek.

A következő reakciók lehetségesek az anódon:

(+) A: 2 Cl - - 2 ē →Cl2

2H2O-4 ē O2+4H+ .

Az anódon lévő szabványos elektródpotenciálok szerint

oxigént kell felszabadítani. Valójában az elektróda magas oxigéntúlfeszültsége miatt klór szabadul fel. A túlfeszültség nagysága az elektróda anyagától függ. A grafit esetében az oxigén túlfeszültség 1,17 V 1 A / cm 2 áramsűrűség mellett, ami 2,4 V-ra növeli a víz oxidációjának lehetőségét.

Ezért a nikkel-klorid oldat elektrolízise nikkel és klór képződésével megy végbe:

Ni 2+ + 2Cl - \u003d Ni + Cl 2.

a katódnál az anódnál

12. példa. Számítsa ki az anyag tömegét és az inert elektródákon felszabaduló gáz térfogatát ezüst-nitrát AgNO 3 vizes oldatának elektrolízise során, ha az elektrolízis ideje 25 perc és az áramerősség 3 A!

Megoldás. AgNO 3 vizes oldatának elektrolízise során oldhatatlan anód (például grafit) esetén az elektródákon a következő folyamatok mennek végbe:

(-) K: Ag + + ē → Ag ,

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -.

Az első reakció potenciálja nagyobb, ezért az ezüstionok redukciója a katódon történik.

(+) A: 2H20-4 ē O2+4H+ ,

anion NO 3 - nem oxidált.

g vagy liter l.

Feladatok

5. Írja fel az elektrolízis reakcióit inert elektródákra, és számítsa ki az elektrolitoldatok elektrolízise során a katódon kapott anyag tömegét és az anódon felszabaduló gáz térfogatát, ha az elektrolízis ideje 20 perc, akkor az áramerősséget én\u003d 2A, ha az áramkimenet V t \u003d 100%. Milyen anyagok szabadulnak fel az elektródákon, ha egy inert anódot a feladatban meghatározott fém anódra cserélünk?

№№	Elektrolit	fém elektróda
	CuSO4	Cu
	MgCl 2	Ni
	Zn(NO 3) 2	Zn
	snf 2	sn
	CdSO4	CD
	FeCl2	Fe
	AgNO3	Ag
	HCl	co
	CoSO4	co
	NiCl2	Ni

A táblázat vége

A fizika és kémia folyamatainak leírására számos kísérleti és számítási törvény és összefüggés létezik. A folyamatok elméleti összefüggések szerinti előzetes felmérése nélkül egyetlen vizsgálat sem végezhető el. Faraday törvényeit mind a fizikában, mind a kémiában alkalmazzák, és ebben a cikkben megpróbálunk röviden és egyértelműen beszélni ennek a nagyszerű tudósnak az összes híres felfedezéséről.

A felfedezés története

Faraday elektrodinamikai törvényét két tudós fedezte fel: Michael Faraday és Joseph Henry, de Faraday korábban - 1831-ben - publikálta munkája eredményeit.

1831 augusztusában végzett demonstrációs kísérletei során egy vas tóruszt használt, amelynek ellentétes végeire egy huzalt tekercseltek (oldalanként egy vezetéket). Az egyik első vezeték végén galvanikus akkumulátorról táplált, és galvanométert csatlakoztatott a második végére. A kialakítás hasonló volt egy modern transzformátorhoz. Időnként be- és kikapcsolta a feszültséget az első vezetéken, és kitöréseket észlelt a galvanométeren.

A galvanométer rendkívül érzékeny eszköz kis áramok mérésére.

Így a hatás megmutatkozott mágneses mező, amely az első vezetékben folyó áram eredményeként jön létre, a második vezető állapotán. Ezt a becsapódást az elsőről a másodikra ​​a magon keresztül - egy fém tóruszon - továbbították. A kutatás eredményeként a tekercsben mozgó állandó mágnes hatását is felfedezték annak tekercselésére.

Aztán Faraday elmagyarázta a jelenséget elektromágneses indukció az erővonalak tekintetében. Egy másik egyenáram-előállító berendezés volt: egy mágnes közelében forgó rézkorong, a rajta csúszó huzal pedig áramgyűjtő volt. Ezt a találmányt Faraday-lemeznek hívják.

Az akkori tudósok nem fogadták el Faraday elképzeléseit, de Maxwell a kutatást vette alapul mágneses elméletének alapjául. 1836-ban Michael Faraday kapcsolatokat hozott létre az elektrokémiai folyamatokkal kapcsolatban, amelyeket Faraday elektrolízis törvényeinek neveztek el. Az első az elektródán felszabaduló anyag tömegének és az átfolyó áramnak az arányát írja le, a második pedig az oldatban lévő anyag tömegének és az elektródán felszabaduló anyag tömegének arányát írja le, bizonyos mennyiségű elektromosság.

Elektrodinamika

Az első munkákat a fizikában alkalmazzák, konkrétan az elektromos gépek és berendezések (transzformátorok, motorok stb.) működésének leírására. Faraday törvénye ezt mondja:

Egy áramkör esetében az indukált emf egyenesen arányos a sebesség nagyságával mágneses fluxus, amely mínuszjellel halad ezen a kontúron.

Mondhtjuk így is egyszerűen: minél gyorsabban halad át a mágneses fluxus az áramkörön, annál több EMF keletkezik a kapcsain.

A képlet így néz ki:

Itt dФ a mágneses fluxus, dt pedig az idő mértékegysége. Ismeretes, hogy az első derivált az idő tekintetében a sebesség. Vagyis a mágneses fluxus mozgási sebessége ebben a konkrét esetben. Egyébként tud mozogni, mint egy mágneses mező forrása (tekercs árammal - elektromágnes, ill. állandómágnes) és a kontúr.

Itt az áramlás a következő képlettel fejezhető ki:

B a mágneses tér és dS a felület.

Ha egy tekercset tekintünk sűrűn tekercselt menetekkel, miközben a menetek száma N, akkor Faraday törvénye így néz ki:

Az egy fordulatra vonatkozó képlet mágneses fluxusát Webersben mérik. Az áramkörben folyó áramot induktívnak nevezzük.

Az elektromágneses indukció az a jelenség, amikor egy zárt áramkörben áram folyik külső mágneses tér hatására.

A fenti képletekben észrevehetőek voltak a modulusjelek, ezek nélkül kicsit más formája van, mint az első megfogalmazásban, mínuszjellel.

A mínusz jel magyarázza Lenz szabályát. Az áramkörben fellépő áram mágneses teret hoz létre, az ellenkező irányba irányul. Ez az energiamegmaradás törvényének következménye.

Irány indukciós áram szabállyal határozható meg jobb kéz vagy honlapunkon részletesen megvizsgáltuk.

Mint már említettük, az elektromágneses indukció jelensége miatt elektromos gépek, transzformátorok, generátorok és motorok működnek. Az ábrán az armatúra tekercsben az állórész mágneses tere hatására áramló áram látható. Generátor esetén, amikor a forgórésze külső erők hatására forog, a forgórész tekercseiben EMF keletkezik, az áram ellentétes irányú mágneses teret hoz létre (a képletben ugyanaz a mínusz előjel). Minél nagyobb a generátor terhelése által felvett áram, annál nagyobb ez a mágneses tér, és annál nehezebb forgatni.

És fordítva - amikor áram folyik a rotorban, egy mező keletkezik, amely kölcsönhatásba lép az állórész mezőjével, és a forgórész forogni kezd. A tengely terhelése esetén az állórészben és a forgórészben megnő az áramerősség, és gondoskodni kell a tekercsek átkapcsolásáról, de ez egy másik téma, ami a villamos gépek tervezésével kapcsolatos.

A transzformátor működésének középpontjában a mozgó mágneses fluxus forrása egy váltakozó mágneses tér, amely a primer tekercsben lévő váltakozó áram áramlása következtében jön létre.

Ha részletesebben szeretné tanulmányozni a kérdést, javasoljuk, hogy nézzen meg egy videót, amely könnyen és egyértelműen elmagyarázza Faraday elektromágneses indukciós törvényét:

Elektrolízis

Az EMF és az elektromágneses indukció kutatása mellett a tudós más tudományágakban is nagy felfedezéseket tett, beleértve a kémiát is.

Amikor áram folyik át az elektroliton, az ionok (pozitív és negatív) elkezdenek rohanni az elektródákhoz. A negatívok az anód felé, a pozitívok a katód felé mozognak. Ugyanakkor egy bizonyos tömegű anyag szabadul fel az egyik elektródán, amelyet az elektrolit tartalmaz.

Faraday kísérleteket végzett, különböző áramokat vezetett át az elektroliton, és megmérte az elektródákon lerakódott anyag tömegét, és mintázatokat vont le.

m az anyag tömege, q a töltés, k pedig az elektrolit összetételétől függ.

És a töltés egy adott időszakra érvényes áramban fejezhető ki:

I=q/t, azután q = i*t

Most meghatározhatja a felszabaduló anyag tömegét, ismerve az áramot és az áramlási időt. Ezt Faraday első elektrolízis törvényének hívják.

Második törvény:

Súly kémiai elem, amely az elektródán leülepszik, egyenesen arányos az elem ekvivalens tömegével (a moláris tömeg osztva egy számmal, amely kémiai reakció amelyben az anyag részt vesz).

A fentiekre tekintettel ezeket a törvényeket a következő képletben egyesítjük:

m a felszabaduló anyag tömege grammban, n az elektródfolyamat során átvitt elektronok száma, F=986485 C/mol a Faraday-szám, t az idő másodpercben, M az anyag moláris tömege g /mol.

A valóságban ennek köszönhető különböző okok miatt, a felszabaduló anyag tömege kisebb, mint a számított (az átfolyó áram figyelembevételével). Az elméleti és a valós tömeg arányát áramkimenetnek nevezzük:

B t \u003d 100% * m számolt / m elmélet

Faraday törvényei jelentősen hozzájárultak a fejlődéshez modern tudomány, az ő munkájának köszönhetően vannak villanymotorjaink és elektromos generátoraink (valamint követőinek munkája). Az EMF munkája és az elektromágneses indukció jelenségei adták nekünk a legtöbb modern elektromos berendezést, beleértve a hangszórókat és a mikrofonokat is, amelyek nélkül a felvételek meghallgatása és a hangkommunikáció lehetetlen. A bevonóanyagok galvanikus módszerében elektrolízises eljárásokat alkalmaznak, melynek dekoratív és gyakorlati értéke is van.

Kapcsolodo tartalom:

Tetszik( 0 ) Nem tetszik( 0 )