Ֆարադեյի միասնական օրենքի մաթեմատիկական նշում էլեկտրոլիզի համար: Ֆարադայի օրենքները քիմիայի և ֆիզիկայի մեջ՝ պարզ բառերով հակիրճ բացատրություն

Էլեկտրոլիզի օրենքներ (Ֆարադեյի օրենքներ)

Քանի որ հատվածը էլեկտրական հոսանքէլեկտրաքիմիական համակարգերի միջոցով կապված է քիմիական փոխակերպումների հետ, պետք է որոշակի կապ լինի հոսող էլեկտրաէներգիայի քանակի և արձագանքող նյութերի քանակի միջև: Այն հայտնաբերել է Ֆարադեյը և արտահայտվել էլեկտրաքիմիայի առաջին քանակական օրենքներով, որոնք հետագայում կոչվել են Ֆարադեյի օրենքներ։

Ֆարադայի առաջին օրենքը . Էլեկտրոլիզի ընթացքում փոխարկվող նյութերի քանակները համաչափ են էլեկտրոլիտի միջով անցած էլեկտրաէներգիայի քանակին.

Դմ = կ e q = կե Դա ,

Դm-ը արձագանքող նյութի քանակն է. կե - համաչափության որոշ գործակից; q-ը էլեկտրաէներգիայի քանակն է, որը հավասար է ընթացիկ հզորության I-ի և t ժամանակի արտադրյալին: Եթե ​​q = Դա = 1, ապաԴմ = կ er, այսինքն՝ գործակիցը կ e-ն այն նյութի քանակն է, որը արձագանքել է էլեկտրաէներգիայի միավոր քանակի հոսքի արդյունքում։ Գործակից կհականչեց էլեկտրաքիմիական համարժեք .

Ֆարադայի երկրորդ օրենքը արտացոլում է փոխազդեցության նյութի քանակի և դրա բնույթի միջև գոյություն ունեցող փոխհարաբերությունը. անցած զանգվածային էլեկտրաէներգիայի մշտական ​​քանակով տարբեր նյութերէլեկտրոդների մոտ փոխակերպում (լուծույթից մեկուսացում, վալենտության փոփոխություն), համաչափ այս նյութերի քիմիական համարժեքներին:

Դմ ես/Ա ես= կոնստ .

Հնարավոր է համատեղել Ֆարադայի երկու օրենքները մեկ ընդհանուր օրենքի տեսքով1 հոսանքով արտազատման կամ փոխակերպման համար g-eq ցանկացած նյութ (1/zնյութի մոլ) միշտ անհրաժեշտ է նույն քանակությամբ էլեկտրաէներգիա, որը կոչվում է Ֆարադայի համարը (կամ Ֆարադեյ ):

Դm = Դա=Այն .

Ֆարադայի թվի ճշգրիտ չափված արժեքը

Ֆ = 96484,52 ± 0,038 C/g-eq.

Այդպիսի լիցք է կրում ցանկացած տեսակի իոնների մեկ գրամ-համարժեքը: Այս թիվը բազմապատկելովզ (իոնի տարրական լիցքերի թիվը), ստանում ենք էլեկտրաէներգիայի քանակությունը, որը կրում է 1 g-ion . Ֆարադայի թիվը բաժանելով Ավոգադրոյի թվի վրա՝ ստանում ենք մեկ միարժեք իոնի լիցք, որը հավասար է էլեկտրոնի լիցքին.

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

1833 թվականին Ֆարադեյի կողմից հայտնաբերված օրենքները խստորեն պահպանվում են երկրորդ տեսակի դիրիժորների համար: Դիտարկված շեղումները Ֆարադեյի օրենքներից ակնհայտ են. Դրանք հաճախ կապված են չհաշվառված զուգահեռ էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների առկայության հետ: Ֆարադեի օրենքից շեղումներ արդյունաբերական ձեռնարկություններկապված ընթացիկ արտահոսքի, լուծույթը ցողելիս նյութի կորստի հետ և այլն: Տեխնիկական պարամետրերում էլեկտրոլիզով ստացված արտադրանքի քանակի հարաբերակցությունը Ֆարադեյի օրենքի հիման վրա հաշվարկված քանակին փոքր է միասնությունից և կոչվում է. ընթացիկ ելք :

B T = = .

Զգուշությամբ լաբորատոր չափումներմիանշանակ էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների ընթացիկ արդյունավետությունը մեկին հավասար(փորձարարական սխալի շրջանակներում): Ֆարադեյի օրենքը խստորեն պահպանվում է, ուստի այն հանդիսանում է շղթայով անցած էլեկտրաէներգիայի քանակի չափման ամենաճշգրիտ մեթոդի հիմքը՝ էլեկտրոդում արձակված նյութի քանակով։ Այս չափումների համար օգտագործեք կուլոմետրեր . Որպես կուլոմետրեր օգտագործվում են էլեկտրաքիմիական համակարգեր, որոնցում զուգահեռ էլեկտրաքիմիական և կողմնակի քիմիական ռեակցիաներ չկան։ Ըստ գոյացած նյութերի քանակի որոշման մեթոդների Կուլոմետրերը բաժանվում են էլեկտրագրավիմետրիկ, գազային և տիտրման. Էլեկտրագրավիմետրիկ կուլոմետրերի օրինակներ են արծաթե և պղնձե կոուլոմետրերը: Ռիչարդսոնի արծաթե կուլոմետրի գործողությունը, որը էլեկտրոլիզատոր է

(–) Ագï AgNO3× ակï Ագ (+) ,

հիմնված է էլեկտրոլիզի ընթացքում կաթոդի վրա կուտակված արծաթի զանգվածի կշռման վրա: 96500 C (1 ֆարադայ) էլեկտրաէներգիա անցնելիս կաթոդում կթողարկվի 1 գ-էկ արծաթ (107 գ): ԱնցնելիսnԷլեկտրականության F, կաթոդում ազատվում է փորձնականորեն որոշված ​​զանգված (Դմդեպի): Էլեկտրաէներգիայի անցած ֆարադայի քանակը որոշվում է հարաբերակցությունից

n = Դմ /107 .

Պղնձի կուլոմետրի շահագործման սկզբունքը նման է.

Գազի կուլոմետրերում էլեկտրոլիզի արգասիքները գազերն են, իսկ էլեկտրոդների վրա թողարկվող նյութերի քանակությունը որոշվում է դրանց ծավալները չափելով։ Այս տեսակի սարքի օրինակ է գազի կուլոմետրը, որը հիմնված է ջրի էլեկտրոլիզի ռեակցիայի վրա: Էլեկտրոլիզի ընթացքում ջրածինը ազատվում է կաթոդում.

2H 2 O + 2 ե- \u003d 2OH - + H 2,

և թթվածինը անոդում.

H 2 O \u003d 2H + +½ O 2 +2 ե – Վբաց թողնված գազի ընդհանուր ծավալն է՝ մ3։

Տիտրացիոն կուլոմետրերում էլեկտրոլիզի ընթացքում առաջացած նյութի քանակը որոշվում է տիտրաչափական եղանակով։ Այս տեսակի կուլոմետրը ներառում է Կիստյակովսկու տիտրման կուլոմետրը, որը էլեկտրաքիմիական համակարգ է

(–) Պտï KNO3, HNO3ï Ագ (+) .

Էլեկտրոլիզի ժամանակ արծաթի անոդը լուծվում է՝ առաջացնելով արծաթի իոններ, որոնք տիտրվում են։ Էլեկտրաէներգիայի ֆարադայի քանակը որոշվում է բանաձևով

n = mVc ,

որտեղ մլուծույթի զանգվածն է, g; Վ 1 գ անոդ հեղուկի տիտրման համար օգտագործվող տիտրանի ծավալն է. գ – տիտրման կոնցենտրացիան, գ-էկ/սմ3:

Հիմունքներ > Առաջադրանքներ և պատասխաններ

Էլեկտրոլիզ. Ֆարադայի օրենքները

1 Գտե՛ք նատրիումի էլեկտրաքիմիական համարժեքը: Նատրիումի մոլային զանգվածմ \u003d 0,023 կգ / մոլ, դրա վալենտությունը z \u003d 1: Ֆարադայի հաստատուն

Լուծում:

2 Ցինկի անոդի զանգվածմ \u003d 5 գ տեղադրվում է էլեկտրոլիտիկ բաղնիքում, որի միջով անցնում է հոսանքԻ \u003d 2 A. Քանի՞ ժամից հետոտ արդյո՞ք անոդն ամբողջությամբ կսպառվի մետաղական արտադրանքները ծածկելու համար: Ցինկի էլեկտրաքիմիական համարժեքը

Լուծում:

3 Գտե՛ք Ֆարադեյի հաստատունը, եթե լիցքի էլեկտրոլիտիկ բաղնիքով անցնելիսք = 7348 C կաթոդում ոսկու զանգված է բաց թողնվելմ \u003d 5 գ Ոսկու քիմիական համարժեք A \u003d 0,066 կգ / մոլ:

Լուծում:
Ֆարադեյի համակցված օրենքի համաձայն

այստեղից

4 Գտեք տարրական էլեկտրական լիցքե, եթե նյութի զանգվածը, որը թվայինորեն հավասար է քիմիական համարժեքին, պարունակում է N o = N Ա /z ատոմներ կամ մոլեկուլներ.

Լուծում:
Էլեկտրոլիտային լուծույթում իոնները կրում են մի շարք տարրական լիցքեր, որոնք հավասար են z վալենտությանը: Երբ նյութի զանգվածն ազատվում է, որը թվայինորեն հավասար է իր քիմիական համարժեքին, լուծույթի միջով անցնում է լիցք, որը թվայինորեն հավասար է Ֆարադեյի հաստատունին, այսինքն.

Հետեւաբար, տարրական մեղադրանքը

5 Արծաթի մոլային զանգվածմ 1 \u003d 0,108 կգ / մոլ, դրա վալենտությունը z 1 = 1 և էլեկտրաքիմիական համարժեք. Գտե՛ք k2 ոսկու էլեկտրաքիմիական համարժեքը, եթե մոլային զանգվածոսկիմ2 \u003d 0,197 կգ / մոլ, դրա վալենտությունը z2 = 3.

Լուծում:
Ֆարադայի երկրորդ օրենքի համաձայն՝ ունենք

այստեղից էլ՝ ոսկու էլեկտրաքիմիական համարժեքը

6 Գտեք ժամանակի ընթացքում արձակված նյութերի զանգվածներըտ \u003d 10 ժ ցանցին հաջորդաբար միացված երեք էլեկտրոլիտիկ բաղնիքների կաթոդների վրա ուղղակի հոսանք. Լոգանքների անոդները՝ պղինձը, նիկելը և արծաթը, համապատասխանաբար իջեցվում են CuS լուծույթների մեջ։ O 4, NiS0 4 և AgN0 3 . Էլեկտրոլիզի հոսանքի խտությունըժ =40 A/m2, կաթոդի տարածք յուրաքանչյուր լոգարանումՍ = 500 սմ պղնձի, նիկելի և արծաթի էլեկտրաքիմիական համարժեքներ

Լուծում:
Հոսանքը բաղնիքներում I=jS. Ֆարադեյի առաջին օրենքի համաձայն՝ էլեկտրոլիզի ընթացքում արտանետվող նյութերի զանգվածները

7 Երբ նիկելապատման արտադրանքը ժամանակի ընթացքումտ = 2 ժ ավանդադրված նիկելի շերտի հաստությունըլ =0,03 մմ:
Գտե՛ք հոսանքի խտությունը էլեկտրոլիզի ժամանակ։ Նիկելի էլեկտրաքիմիական համարժեքը, դրա խտությունը

Լուծում:

8 Էլեկտրոլիտիկ բջիջի հետ սերիայի ամպաչափը ցույց է տալիս հոսանքը io \u003d 1,5 Ա. Ինչ ուղղում պետք է արվի ամպաչափի ցուցմունքում, եթե ժամանակի ընթացքումտ \u003d 10 րոպե պղնձի զանգված նստեցվեց կաթոդի վրամ = 0,316 գ? Պղնձի էլեկտրաքիմիական համարժեք.

Լուծում:
Ֆարադեյի առաջին օրենքի համաձայն m = kIտ , որտեղ ես հոսանքն է միացումում; այստեղից I = m/kt \u003d 1,6 Ա, այսինքն. Ամպերաչափի ընթերցումը պետք է շտկվի:

9 Ցանկանալով ստուգել վոլտմետրերի ցուցումների ճիշտությունը, այն զուգահեռաբար միացվել է հայտնի դիմադրությամբ ռեզիստորի հետ։ R=30 Օմ. Սերիայի մեջ էլեկտրոլիտիկ բաղնիք է ներառվել ընդհանուր սխեմայի մեջ, որում էլեկտրոլիզվում է արծաթը։ ընթացքումտ \u003d 5 րոպե այս լոգարանում առանձնացավ արծաթի զանգվածմ = 55,6 մգ: Վոլտմետրը ցույց տվեց լարումըՎո \u003d 6 V. Գտեք վոլտմետրի ընթերցման և ճշգրիտ արժեքլարման անկում ռեզիստորի վրա: Արծաթի էլեկտրաքիմիական համարժեք.

Լուծում:
Ֆարադեյի առաջին օրենքի համաձայն m = klտ , որտեղ ես հոսանքն է շղթայում: Դիմադրության վրա լարման անկման ճշգրիտ արժեքը V=IR = mR/kտ \u003d 4.91 V. Վոլտմետրի ընթերցման և լարման անկման ճշգրիտ արժեքի տարբերությունը

10 Արծաթե աղի լուծույթի միջոցով ժամանակի ընթացքում գդալները արծաթացնելու համարտ \u003d 5 ժամ հոսանք է անցելԻ \u003d 1.8 A. Կաթոդն է n \u003d 12 գդալ, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի մակերեսՍ =50 սմ2. Որքա՞ն հաստ է արծաթի շերտը նստած գդալների վրա: Արծաթի մոլային զանգվածմ \u003d 0,108 կգ / մոլ, դրա վալենտությունը z \u003d 1 և խտությունը .

Լուծում:
Շերտի հաստությունը

11 Երկու էլեկտրոլիտիկ վաննաներ միացված են հաջորդաբար։ Առաջին լոգանքը պարունակում է երկաթի քլորիդի լուծույթ (FeCl 2 ), երկրորդում՝ երկաթի քլորիդի լուծույթ (FeCl 3 ): Գտեք ազատված երկաթի զանգվածները կաթոդների վրա և քլորի զանգվածները անոդների վրա յուրաքանչյուր բաղնիքում, երբ լիցքը անցնում է լոգանքի միջով. Երկաթի և քլորի մոլային զանգվածներ.

Լուծում:
Առաջին բաղնիքում երկաթը երկվալենտ է (z1=2), երկրորդ բաղնիքում՝ եռավալենտ (z2 = 3)։ Հետևաբար, նույն լիցքերի լուծույթների միջով անցնելիս կաթոդների վրա երկաթի տարբեր զանգվածներ են արտազատվում՝ առաջին լոգանքում.

երկրորդ լոգարանում

Քանի որ քլորի ատոմների վալենտությունը z=1 է, ապա յուրաքանչյուր բաղնիքի անոդում քլորի զանգված է արտազատվում.

12 Ծծմբաթթվի լուծույթի էլեկտրոլիզի ժամանակ (CuS O 4 ) էներգիայի սպառում N=37 Վտ. Գտեք էլեկտրոլիտի դիմադրությունը, եթե ժամանակին էտ = 50 րոպե ջրածնի զանգված է արձակվումմ = 0,3 գ Ջրածնի մոլային զանգվածմ \u003d 0,001 կգ / մոլ, դրա վալենտությունը z \u003d 1 .

Լուծում:

13 Նիկելի արտադրության էլեկտրոլիտիկ մեթոդում W-ն սպառվում է մեկ միավոր զանգվածի վրամ = 10 կՎտժ հ/կգ էլեկտրաէներգիա. Նիկելի էլեկտրաքիմիական համարժեքը. Ի՞նչ լարման դեպքում է կատարվում էլեկտրոլիզը.

Լուծում:

14 Գտե՛ք արձակված պղնձի զանգվածը, եթե այն էլեկտրոլիտիկ մեթոդով ստանալու համար ծախսվել է W=5 կՎտՀ ժ էլեկտրաէներգիա. Էլեկտրոլիզը կատարվում է լարման տակՎ =10 Վ, արդյունավետություն տեղադրումներհ =75%. Պղնձի էլեկտրաքիմիական համարժեք.

Լուծում:
արդյունավետությունը տեղադրումներ

որտեղ q-ը լոգանքի միջով անցնող լիցքն է։ Ազատված պղնձի զանգվածը m=kq; այստեղից

15 Ինչ լիցք է անցնում ծծմբաթթվի լուծույթով (CuS O 4) ժամանակի t \u003d 10 վ, եթե այս ընթացքում հոսանքը հավասարաչափ աճում է I-ից 1 =0 դեպի I 2 = 4 Ա Պղնձի ի՞նչ զանգված է արտազատվում այս դեպքում կաթոդում: Պղնձի էլեկտրաքիմիական համարժեք.

Լուծում:
Միջին ընթացիկ

Լուծույթով հոսող լիցքը

Լիցքը գրաֆիկորեն գտնելը ներկայացված է նկ. 369. Ընթացքի համեմատ ժամանակի գրաֆիկի վրա ստվերված տարածքը թվայինորեն հավասար է լիցքին: Կաթոդում նստած պղնձի զանգվածը,

16 Պղինձը էլեկտրոլիզի միջոցով զտելիս էլեկտրոլիտիկ բաղնիքների վրա կիրառվում է V=10 V լարում, որն ունի R = 0,5 Օմ ընդհանուր դիմադրություն:Գտե՛ք այդ ընթացքում բաղնիքի կաթոդների վրա արձակված մաքուր պղնձի զանգվածը:տ = 10 ժ emf բևեռացումե = 6 V. Պղնձի էլեկտրաքիմիական համարժեք.

Լուծում:

17 Էլեկտրոլիտիկ բաղնիքի միջոցով ջրի էլեկտրոլիզի ժամանակ որոշ ժամանակով t = 25 րոպե հոսանք I \u003d 20 A. Որքա՞ն է ջերմաստիճանըտ թողարկված թթվածին, եթե այն գտնվում է V ծավալի մեջ = 1 լ ճնշման տակ p = 0,2 ՄՊա: Ջրի մոլային զանգվածմ \u003d 0,018 կգ / մոլ: Թթվածնի էլեկտրաքիմիական համարժեքը.

Լուծում:

որտեղ R \u003d 8.31 J / (մոլ K) գազի հաստատունն է:

18 Ալյումինի արտադրության էլեկտրոլիտիկ մեթոդում W-ն սպառվում է միավոր զանգվածի վրա 1 մ = 50 կՎտժ հ/կգ էլեկտրաէներգիա. Էլեկտրոլիզը կատարվում է V1 = լարման դեպքում 1 6.2 V. Որքա՞ն է լինելու էներգիայի սպառումը Վ 2 մ միավոր զանգվածի վրա V2 = 8 լարման դեպքում, 1 Վ.
Լուծում:

ռեդոքս գործընթաց, բռնի ուժովԷլեկտրական հոսանքի ազդեցության տակ հոսելը կոչվում է էլեկտրոլիզ։

Էլեկտրոլիզն իրականացվում է էլեկտրոլիտով լցված էլեկտրոլիտային խցում, որի մեջ ընկղմված են արտաքին հոսանքի աղբյուրին միացված էլեկտրոդներ։

Էլեկտրոդ միացված բացասական բևեռին արտաքին աղբյուրհոսանքը կոչվում է կաթոդ. Կաթոդում տեղի են ունենում էլեկտրոլիտային մասնիկների կրճատման գործընթացները։ Էլեկտրոդը, որը միացված է հոսանքի աղբյուրի դրական բևեռին, կոչվում է անոդ. Անոդում տեղի են ունենում էլեկտրոլիտի մասնիկների կամ էլեկտրոդի նյութի օքսիդացման պրոցեսները։

Անոդային պրոցեսները կախված են էլեկտրոլիտի և անոդի նյութի բնույթից: Այս առումով էլեկտրոլիզը առանձնանում է իներտ և լուծվող անոդով։

Անոդը կոչվում է իներտ, որի նյութը էլեկտրոլիզի ժամանակ չի օքսիդանում։ Իներտ էլեկտրոդները ներառում են, օրինակ, գրաֆիտ (ածխածին) և պլատին:

Անոդը կոչվում է լուծելի, որի նյութը կարող է օքսիդանալ էլեկտրոլիզի ժամանակ։ Մետաղական էլեկտրոդների մեծ մասը լուծելի է:

Որպես էլեկտրոլիտ կարող են օգտագործվել լուծույթներ կամ հալվածքներ: Էլեկտրոլիտային լուծույթում կամ հալում իոնները քաոսային շարժման մեջ են: Էլեկտրական հոսանքի ազդեցությամբ իոնները ձեռք են բերում ուղղորդված շարժում՝ կատիոնները շարժվում են դեպի կաթոդ, իսկ անիոնները՝ դեպի անոդ և, համապատասխանաբար, դրանք կարող են լիցքաթափվել էլեկտրոդների մոտ։

Էլեկտրոլիզով հալվում է իներտ էլեկտրոդներովմիայն մետաղական կատիոնները կարող են կրճատվել կաթոդում, իսկ անիոնները կարող են օքսիդանալ անոդում:

Ջրի էլեկտրոլիզի ժամանակ լուծումներկաթոդի վրա, բացի մետաղական կատիոններից, ջրի մոլեկուլները կարող են կրճատվել, իսկ թթվային լուծույթներում՝ ջրածնի իոնները H +: Այսպիսով, կաթոդում հնարավոր են հետևյալ մրցակցային ռեակցիաները.

(-) K: Ես n + + ne→ Ես

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

2H + + 2 ē → Հ 2

Կաթոդն առաջին հերթին արձագանքում է ամենաբարձր արժեքըէլեկտրոդի ներուժը.

Ջրի էլեկտրոլիզի ժամանակ լուծումներ լուծելի անոդովԲացի անիոնների օքսիդացումից, հնարավոր են բուն էլեկտրոդի, ջրի մոլեկուլների և հիդրօքսիդի իոնների ալկալային լուծույթներում (OH -) օքսիդացման ռեակցիաները.

(+) A: Ես - n ē→ Ես n +

անիոնային օքսիդացում Ե 0

2H2O-4 ē O2+4H+

4OH - - 4 ē \u003d O 2 + 2H 2 O

Անոդում առաջին ռեակցիան հետ է ամենափոքր արժեքըէլեկտրոդի ներուժը.

Էլեկտրոդային ռեակցիաների համար հավասարակշռության պոտենցիալները տրվում են էլեկտրական հոսանքի բացակայության դեպքում:

Էլեկտրոլիզը ոչ հավասարակշռության գործընթաց է, հետևաբար էլեկտրոդների ռեակցիաների պոտենցիալները հոսանքի տակ տարբերվում են դրանց հավասարակշռության արժեքներից: Արտաքին հոսանքի ազդեցության տակ էլեկտրոդի պոտենցիալի տեղաշարժը հավասարակշռության արժեքից կոչվում է էլեկտրոդի բևեռացում: Բևեռացման չափը կոչվում է գերլարում: Գերլարման մեծության վրա ազդում են բազմաթիվ գործոններ՝ էլեկտրոդի նյութի բնույթը, հոսանքի խտությունը, ջերմաստիճանը, pH միջավայրը և այլն։

Մետաղների կաթոդային տեղումների գերլարումները համեմատաբար փոքր են։

Բարձր գերլարման դեպքում, որպես կանոն, ընթանում է գազերի՝ ջրածնի և թթվածնի ձևավորման գործընթացը։ Ջրածնի նվազագույն գերլարումը կաթոդում թթվային լուծույթներում դիտվում է Pt-ի համար (h=0,1 Վ), իսկ առավելագույնը՝ կապարի, ցինկի, կադմիումի և սնդիկի համար։ Գերլարումը փոխվում է, երբ թթվային լուծույթները փոխարինվում են ալկալայինով։ Օրինակ, ալկալային միջավայրում պլատինի վրա ջրածնի գերլարումը h = 0,31 Վ է (տես Հավելված):

Անոդի թթվածնի էվոլյուցիան նույնպես կապված է գերլարման հետ: Թթվածնի էվոլյուցիայի նվազագույն գերլարումը դիտվում է Pt էլեկտրոդների վրա (h=0,7 Վ), իսկ առավելագույնը՝ ցինկի, սնդիկի և կապարի վրա (տես Հավելված):

Վերոնշյալից հետևում է, որ ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզի ժամանակ.

1) կաթոդում կրճատվում են մետաղական իոնները, որոնց էլեկտրոդային պոտենցիալները ավելի մեծ են, քան ջրի կրճատման պոտենցիալը (-0,82 Վ): -0,82 Վ-ից ավելի բացասական էլեկտրոդների պոտենցիալ ունեցող մետաղական իոնները չեն կրճատվում: Դրանք ներառում են ալկալիներ և հողալկալային մետաղներև ալյումին:

2) իներտ անոդի վրա, հաշվի առնելով թթվածնի գերլարումը, տեղի է ունենում այն ​​անիոնների օքսիդացում, որոնց պոտենցիալը փոքր է ջրի օքսիդացման պոտենցիալից (+1,23 Վ). Նման անիոնները ներառում են, օրինակ, I-, Br-, Cl-, NO 2-, OH-: Անիոնները CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - - չեն օքսիդացված:

3) լուծելի անոդով էլեկտրոլիզի ժամանակ այդ մետաղներից էլեկտրոդները լուծվում են չեզոք և թթվային միջավայրերում, որոնց էլեկտրոդային պոտենցիալը + 1,23 Վ-ից պակաս է, իսկ ալկալայինում` + 0,413 Վ-ից պակաս.

Կաթոդի և անոդի պրոցեսների ընդհանուր արտադրանքը էլեկտրականորեն չեզոք նյութեր են:

Էլեկտրոլիզի գործընթացն իրականացնելու համար էլեկտրոդներին պետք է լարել: Էլեկտրոլիզի լարումը U el-za-ն պոտենցիալ տարբերությունն է, որն անհրաժեշտ է, որպեսզի ռեակցիաները տեղի ունենան կաթոդում և անոդում: Տեսական էլեկտրոլիզի լարումը ( U el-za, theor) առանց հաշվի առնելու գերլարումը, օհմական լարման անկումը առաջին տեսակի հաղորդիչներում և էլեկտրոլիտում

Uէլ-զա, թեոր = Եբայց - Ե k, (7)

որտեղ Եբայց, Ե k - անոդային և կաթոդիկ ռեակցիաների պոտենցիալները:

Էլեկտրոլիզի ընթացքում արձակված նյութի քանակի և էլեկտրոլիտով անցնող հոսանքի քանակի միջև կապն արտահայտվում է Ֆարադեյի երկու օրենքներով։

Ես Ֆարադայի օրենքը.Էլեկտրոլիզի ընթացքում էլեկտրոդի վրա ձևավորված նյութի քանակն ուղիղ համեմատական ​​է էլեկտրոլիտի լուծույթով անցած էլեկտրաէներգիայի քանակին (հալվածք).

որտեղ կէլեկտրաքիմիական համարժեքն է՝ g/C կամ g/A h; Քէլեկտրաէներգիայի քանակն է, Կուլոն, Ք=Այն; տ-ժամանակ, s; Ի- ընթացիկ, A; Ֆ\u003d 96500 C / մոլ (A s / mol) \u003d 26,8 A h / mol - Ֆարադեյի հաստատուն; E-ն նյութի համարժեք զանգվածն է՝ գ/մոլ։

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիաներում նյութի համարժեք զանգվածը որոշվում է հետևյալով.

nայս նյութի առաջացման էլեկտրոդների ռեակցիայի մեջ ներգրավված էլեկտրոնների թիվն է:

II Ֆարադայի օրենքը.Երբ նույն քանակությամբ էլեկտրաէներգիա անցնում է տարբեր էլեկտրոլիտներով, էլեկտրոդների վրա թողարկված նյութերի զանգվածները համաչափ են դրանց համարժեք զանգվածներին.

որտեղ մ 1 և մ 2 – 1 և 2 նյութերի զանգվածներ, E 1 և E 2, գ/մոլ – 1 և 2 նյութերի համարժեք զանգվածներ:

Գործնականում, հաճախ մրցակցող ռեդոքս պրոցեսների առաջացման պատճառով, էլեկտրոդների վրա ավելի քիչ նյութ է ձևավորվում, քան համապատասխանում է լուծույթով անցած էլեկտրականությանը:

Էլեկտրոլիզի ժամանակ էլեկտրաէներգիայի կորուստը բնութագրելու համար ներկայացվում է «Ընթացիկ ելք» հասկացությունը։ ընթացիկ ելք Ի թայն հարաբերակցությունն է, որն արտահայտվում է որպես փաստացի ստացված էլեկտրոլիզի արտադրանքի քանակի տոկոս մփաստ. տեսականորեն հաշվարկվածին մտեսություն:

Օրինակ 10. Ի՞նչ գործընթացներ են տեղի ունենալու նատրիումի սուլֆատի ջրային լուծույթի ածխածնի անոդով էլեկտրոլիզի ժամանակ. Ի՞նչ նյութեր կարձակվեն էլեկտրոդների վրա, եթե ածխածնային էլեկտրոդը փոխարինվի պղնձով:

Լուծում:Նատրիումի սուլֆատի լուծույթում նատրիումի իոնները Na +, SO 4 2- և ջրի մոլեկուլները կարող են մասնակցել էլեկտրոդների գործընթացներին: Ածխածնային էլեկտրոդները իներտ էլեկտրոդներ են:

Կաթոդի վրա հնարավոր են վերականգնման հետևյալ գործընթացները.

(-) K: Na + + ē → Նա

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

Կաթոդում առաջին հերթին ընթանում է էլեկտրոդի ներուժի ամենաբարձր արժեք ունեցող ռեակցիան: Հետևաբար, ջրի մոլեկուլների կրճատումը տեղի կունենա կաթոդում, որն ուղեկցվում է ջրածնի արտազատմամբ և OH հիդրօքսիդի իոնների ձևավորմամբ՝ մոտ կաթոդային տարածության մեջ: Նատրիումի Na + իոնները, որոնք առկա են կաթոդում OH իոնների հետ միասին, կստեղծեն NaOH ալկալային լուծույթ:

(+)A: 2 SO 4 2- - 2 ē → S 2 O 8 2-

2 H 2 O - 4 ē → 4H + + O 2 .

Անոդում առաջին հերթին ընթանում է էլեկտրոդի ներուժի ամենացածր արժեք ունեցող ռեակցիան: Հետևաբար, ջրի մոլեկուլների օքսիդացումը թթվածնի արտազատմամբ կշարունակվի անոդում, և H + իոնները կուտակվում են անոդային տարածության մեջ: H + իոններով անոդում առկա SO 4 2- իոնները կառաջացնեն ծծմբաթթվի H 2 SO 4 լուծույթ:

Էլեկտրոլիզի ընդհանուր ռեակցիան արտահայտվում է հավասարմամբ.

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

կաթոդային արտադրանք անոդային արտադրանք

Ածխածնի (իներտ) անոդը պղնձով փոխարինելիս անոդի վրա հնարավոր է դառնում մեկ այլ օքսիդացման ռեակցիա՝ պղնձի տարրալուծում.

Cu-2 ē → Cu2+

Այս գործընթացը բնութագրվում է ավելի ցածր պոտենցիալ արժեքով, քան մյուս հնարավոր անոդային գործընթացները: Հետևաբար, Na 2 SO 4-ի պղնձի անոդով էլեկտրոլիզի ժամանակ պղինձը կօքսիդանա անոդում, իսկ պղնձի սուլֆատը CuSO 4-ը կկուտակվի անոդի տարածության մեջ։ Էլեկտրոլիզի ընդհանուր ռեակցիան արտահայտվում է հավասարմամբ.

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

կաթոդային արտադրանք անոդ արտադրանք

Օրինակ 11. Կազմե՛ք իներտ անոդով նիկելի քլորիդի NiCl 2 ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզի ժամանակ տեղի ունեցող գործընթացների հավասարումը:

Լուծում:Նիկելի իոնները Ni 2+, Cl- և ջրի մոլեկուլները կարող են մասնակցել նիկելի քլորիդի լուծույթում էլեկտրոդների գործընթացներին: Գրաֆիտի էլեկտրոդը կարող է օգտագործվել որպես իներտ անոդ:

Կաթոդում հնարավոր են հետևյալ ռեակցիաները.

(-) K: Ni 2+ + 2 ē → Նի

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

Առաջին ռեակցիայի ներուժն ավելի մեծ է, հետևաբար, կաթոդում նիկելի իոնները կրճատվում են:

Անոդում հնարավոր են հետևյալ ռեակցիաները.

(+) A: 2 Cl - - 2 ē →Cl2

2H2O-4 ē O2+4H+ .

Ըստ ստանդարտ էլեկտրոդների պոտենցիալների անոդում

թթվածինը պետք է ազատվի. Փաստորեն, էլեկտրոդում թթվածնի բարձր գերլարման պատճառով քլորն ազատվում է: Գերլարման մեծությունը կախված է այն նյութից, որից պատրաստված է էլեկտրոդը: Գրաֆիտի համար թթվածնի գերլարումը 1,17 Վ է 1 Ա / սմ 2 հոսանքի խտության դեպքում, ինչը մեծացնում է ջրի օքսիդացման ներուժը մինչև 2,4 Վ:

Հետևաբար, նիկելի քլորիդի լուծույթի էլեկտրոլիզը ընթանում է նիկելի և քլորի ձևավորմամբ.

Ni 2+ + 2Cl - \u003d Ni + Cl 2:

կաթոդում անոդում

Օրինակ 12. Հաշվե՛ք նյութի զանգվածը և իներտ էլեկտրոդների վրա արձակված գազի ծավալը արծաթի նիտրատի AgNO 3 ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզի ժամանակ, եթե էլեկտրոլիզի ժամանակը 25 րոպե է, իսկ ընթացիկ ուժը՝ 3 Ա։

Լուծում. AgNO 3-ի ջրային լուծույթի էլեկտրոլիզի ժամանակ չլուծվող անոդի (օրինակ՝ գրաֆիտի) դեպքում էլեկտրոդների վրա տեղի են ունենում հետևյալ պրոցեսները.

(-) K: Ag + + ē → Ագ ,

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -.

Առաջին ռեակցիայի ներուժն ավելի մեծ է, հետևաբար, արծաթի իոնների կրճատումը տեղի է ունենում կաթոդում:

(+) A: 2H 2 O - 4 ē O2+4H+ ,

անիոն NO 3 - չօքսիդացված:

գ կամ լիտր լ.

Առաջադրանքներ

5. Գրեք էլեկտրոլիզի ռեակցիաները իներտ էլեկտրոդների վրա և հաշվարկեք կաթոդում ստացված նյութի զանգվածը և էլեկտրոլիտային լուծույթների էլեկտրոլիզի ժամանակ անոդում բաց թողնված գազի ծավալը, եթե էլեկտրոլիզի ժամանակը 20 րոպե է, ապա ընթացիկ ուժը։ Ի\u003d 2A, եթե ընթացիկ ելքը V t \u003d 100% է: Ի՞նչ նյութեր կթողարկվեն էլեկտրոդների վրա՝ առաջադրանքում նշված իներտ անոդը մետաղական անոդով փոխարինելիս:

№№	Էլեկտրոլիտ	մետաղական էլեկտրոդ
	CuSO4	Cu
	MgCl 2	Նի
	Zn(NO 3) 2	Zn
	snf 2	sn
	CdSO4	CD
	FeCl2	Ֆե
	AgNO3	Ագ
	HCl	ընկ
	CoSO4	ընկ
	NiCl2	Նի

Սեղանի վերջը

Ֆիզիկայի և քիմիայի գործընթացները նկարագրելու համար կան մի շարք օրենքներ և հարաբերություններ, որոնք ստացվել են փորձարարական և հաշվարկով: Ոչ մի ուսումնասիրություն չի կարող իրականացվել առանց գործընթացների նախնական գնահատման՝ ըստ տեսական հարաբերությունների։ Ֆարադեյի օրենքները կիրառվում են ինչպես ֆիզիկայում, այնպես էլ քիմիայում, և այս հոդվածում մենք կփորձենք հակիրճ և հստակ խոսել այս մեծ գիտնականի բոլոր հայտնի հայտնագործությունների մասին։

Հայտնաբերման պատմություն

Ֆարադեյի օրենքը էլեկտրադինամիկայի մեջ հայտնաբերել են երկու գիտնականներ՝ Մայքլ Ֆարադեյը և Ջոզեֆ Հենրին, բայց Ֆարադեյը հրապարակել է իր աշխատանքի արդյունքները ավելի վաղ՝ 1831 թվականին։

1831 թվականի օգոստոսին իր ցուցադրական փորձերի ժամանակ նա օգտագործել է երկաթե տորուս, որի հակառակ ծայրերին լարվել է (յուրաքանչյուր կողմից մեկ լար): Առաջին լարերի ծայրերում նա էլեկտրաէներգիա մատակարարեց գալվանական մարտկոցից և միացրեց գալվանոմետրը երկրորդի եզրակացություններին: Դիզայնը նման էր ժամանակակից տրանսֆորմատորի: Պարբերաբար միացնելով և անջատելով լարումը առաջին լարերի վրա, նա նկատեց գալվանոմետրի վրա պայթյուններ:

Գալվանոմետրը չափազանց զգայուն գործիք է փոքր հոսանքները չափելու համար:

Այսպիսով, ազդեցությունը դրսևորվեց մագնիսական դաշտը, որը ձևավորվել է առաջին մետաղալարում ընթացիկ հոսքի արդյունքում, երկրորդ հաղորդիչի վիճակի վրա: Այս ազդեցությունը փոխանցվել է առաջինից երկրորդ միջուկի միջով՝ մետաղական տորուսով: Հետազոտության արդյունքում հայտնաբերվել է նաև կծիկի մեջ շարժվող մշտական ​​մագնիսի ազդեցությունը դրա ոլորման վրա։

Հետո Ֆարադեյը բացատրեց երեւույթը էլեկտրամագնիսական ինդուկցիաուժի գծերի առումով։ Մյուսը ուղղակի հոսանք ստեղծող սարքավորում էր. պղնձե սկավառակը պտտվում էր մագնիսի մոտ, և դրա երկայնքով սահող մետաղալարը հոսանքի կոլեկցիոներ էր: Այս գյուտը կոչվում է Ֆարադայի սկավառակ:

Այդ ժամանակաշրջանի գիտնականները չընդունեցին Ֆարադեյի գաղափարները, սակայն Մաքսվելն այդ հետազոտությունը վերցրեց իր մագնիսական տեսության հիմքում։ 1836 թվականին Մայքլ Ֆարադեյը հարաբերություններ հաստատեց էլեկտրաքիմիական գործընթացների համար, որոնք նրանք անվանեցին Ֆարադեյի էլեկտրոլիզի օրենքներ։ Առաջինը նկարագրում է էլեկտրոդի վրա արձակված նյութի զանգվածի և հոսող հոսանքի հարաբերակցությունը, իսկ երկրորդը նկարագրում է լուծույթում գտնվող նյութի զանգվածի և էլեկտրոդի վրա արձակված նյութի զանգվածի հարաբերակցությունը որոշակի քանակությամբ էլեկտրաէներգիա։

Էլեկտրադինամիկա

Առաջին աշխատանքները կիրառվում են ֆիզիկայում, մասնավորապես, էլեկտրական մեքենաների և ապարատների (տրանսֆորմատորներ, շարժիչներ և այլն) աշխատանքի նկարագրության մեջ։ Ֆարադայի օրենքն ասում է.

Շրջանակի համար ինդուկցված emf-ն ուղիղ համեմատական ​​է արագության մեծությանը մագնիսական հոսք, որը շարժվում է այս եզրագծով մինուս նշանով։

Կարելի է ասել պարզ բառերովՈրքան արագ է մագնիսական հոսքը շարժվում շղթայի միջով, այնքան ավելի շատ EMF է առաջանում նրա տերմինալներում:

Բանաձևն այսպիսի տեսք ունի.

Այստեղ dФ-ն մագնիսական հոսքն է, իսկ dt-ը ժամանակի միավորն է։ Հայտնի է, որ ժամանակի նկատմամբ առաջին ածանցյալը արագությունն է։ Այսինքն՝ կոնկրետ այս դեպքում մագնիսական հոսքի շարժման արագությունը։ Ի դեպ, այն կարող է շարժվել, ինչպես մագնիսական դաշտի աղբյուրը (հոսանք ունեցող կծիկ՝ էլեկտրամագնիս, կամ մշտական ​​մագնիս) և ուրվագիծը:

Այստեղ հոսքը կարող է արտահայտվել հետևյալ բանաձևով.

B-ն մագնիսական դաշտն է, իսկ dS-ը մակերեսի մակերեսն է:

Եթե ​​դիտարկենք խիտ շրջադարձերով կծիկ, մինչդեռ պտույտների թիվը N է, ապա Ֆարադեյի օրենքը այսպիսի տեսք ունի.

Մեկ պտույտի բանաձևում մագնիսական հոսքը չափվում է Վեբերսով: Շղթայում հոսող հոսանքը կոչվում է ինդուկտիվ:

Էլեկտրամագնիսական ինդուկցիան փակ շղթայում հոսանքի երևույթն է արտաքին մագնիսական դաշտի ազդեցության տակ։

Վերևի բանաձևերում կարելի էր նկատել մոդուլի նշանները, առանց դրանց այն մի փոքր այլ ձև ունի, ինչպես ասված էր առաջին ձևակերպման մեջ՝ մինուս նշանով։

Մինուս նշանը բացատրում է Լենցի կանոնը։ Հոսանքը, որը տեղի է ունենում միացումում, ստեղծում է մագնիսական դաշտ, այն ուղղված է հակառակ ուղղությամբ: Սա էներգիայի պահպանման օրենքի հետեւանք է։

Ուղղություն ինդուկցիոն հոսանքկարող է որոշվել կանոնով աջ ձեռքկամ, մենք դա մանրամասն դիտարկել ենք մեր կայքում:

Ինչպես արդեն նշվեց, էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի երևույթի շնորհիվ աշխատում են էլեկտրական մեքենաներ, տրանսֆորմատորներ, գեներատորներ և շարժիչներ։ Նկարը ցույց է տալիս հոսանքի հոսքը խարիսխի ոլորուն մեջ ստատորի մագնիսական դաշտի ազդեցության տակ: Գեներատորի դեպքում, երբ նրա ռոտորը պտտվում է արտաքին ուժերով, ռոտորի ոլորուններում առաջանում է EMF, հոսանքը առաջացնում է հակառակ ուղղությամբ ուղղված մագնիսական դաշտ (բանաձևի նույն մինուս նշանը): Որքան մեծ է գեներատորի բեռնվածքի գծած հոսանքը, այնքան մեծ է այս մագնիսական դաշտը և այնքան դժվար է պտտվել:

Եվ հակառակը, երբ հոսանք է հոսում ռոտորում, առաջանում է դաշտ, որը փոխազդում է ստատորի դաշտի հետ, և ռոտորը սկսում է պտտվել: Երբ լիսեռը բեռնված է, հոսանքը ստատորում և ռոտորում մեծանում է, և անհրաժեշտ է ապահովել ոլորունների միացումը, բայց սա էլեկտրական մեքենաների նախագծման հետ կապված մեկ այլ թեմա է:

Տրանսֆորմատորի աշխատանքի հիմքում շարժվող մագնիսական հոսքի աղբյուրը փոփոխական մագնիսական դաշտն է, որը առաջանում է առաջնային ոլորուն փոփոխական հոսանքի հոսքի արդյունքում:

Եթե ​​ցանկանում եք ավելի մանրամասն ուսումնասիրել խնդիրը, խորհուրդ ենք տալիս դիտել տեսանյութ, որը հեշտությամբ և հստակ բացատրում է Ֆարադայի օրենքը էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի համար.

Էլեկտրոլիզ

Ի լրումն EMF-ի և էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի հետազոտությունների, գիտնականը մեծ բացահայտումներ արեց այլ առարկաների, այդ թվում՝ քիմիայի ոլորտում:

Երբ հոսանքը հոսում է էլեկտրոլիտով, իոնները (դրական և բացասական) սկսում են շտապել դեպի էլեկտրոդներ: Բացասականները շարժվում են դեպի անոդ, դրականները՝ դեպի կաթոդ։ Միաժամանակ էլեկտրոդներից մեկի վրա արձակվում է նյութի որոշակի զանգված, որը պարունակվում է էլեկտրոլիտում։

Ֆարադեյը փորձեր է անցկացրել՝ անցնելով տարբեր հոսանքներ էլեկտրոլիտի միջով և չափելով էլեկտրոդների վրա կուտակված նյութի զանգվածը և հանգեցրել օրինաչափությունների:

m-ը նյութի զանգվածն է, q-ը լիցքն է, իսկ k-ն կախված է էլեկտրոլիտի բաղադրությունից։

Իսկ գանձումը կարող է արտահայտվել որոշակի ժամանակահատվածում ընթացիկի տեսքով.

I=ք/տ, ապա q = i*t

Այժմ դուք կարող եք որոշել այն նյութի զանգվածը, որը կթողարկվի՝ իմանալով հոսանքի հոսանքը և ժամանակը: Սա կոչվում է Ֆարադայի առաջին էլեկտրոլիզի օրենքը:

Երկրորդ օրենք.

Քաշը քիմիական տարր, որը նստելու է էլեկտրոդի վրա, ուղիղ համեմատական ​​է տարրի համարժեք զանգվածին (մոլային զանգվածը բաժանված է մի թվի, որը կախված է. քիմիական ռեակցիաորի մեջ ներգրավված է նյութը):

Հաշվի առնելով վերը նշվածը, այս օրենքները միավորվում են բանաձևով.

m-ը արձակված նյութի զանգվածն է գրամներով, n-ը էլեկտրոնների քանակն է, որոնք փոխանցվում են էլեկտրոդների գործընթացում, F=986485 C/mol-ը Ֆարադեյի թիվն է, t-ը՝ վայրկյաններով, M-ը՝ g նյութի մոլային զանգվածը: /մոլ.

Իրականում շնորհիվ տարբեր պատճառներով, արձակված նյութի զանգվածը հաշվածից փոքր է (հոսող հոսանքը հաշվի առնելով հաշվարկելիս)։ Տեսական և իրական զանգվածների հարաբերակցությունը կոչվում է ընթացիկ ելք.

B t \u003d 100% * m calc / m տեսություն

Ֆարադեյի օրենքները զգալի ներդրում են ունեցել զարգացման գործում ժամանակակից գիտ, նրա աշխատանքի շնորհիվ մենք ունենք էլեկտրական շարժիչներ և էլեկտրաէներգիայի գեներատորներ (ինչպես նաև նրա հետևորդների աշխատանքը): EMF-ի աշխատանքը և էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի երևույթները մեզ տվեցին ժամանակակից էլեկտրական սարքավորումների մեծ մասը, ներառյալ բարձրախոսներն ու խոսափողները, առանց որոնց անհնար է լսել ձայնագրություններ և ձայնային հաղորդակցություն: Էլեկտրոլիզի պրոցեսները կիրառվում են նյութերի ծածկման գալվանական մեթոդում, որն ունի և՛ դեկորատիվ, և՛ գործնական նշանակություն։

Առնչվող բովանդակություն.

Հավանել ( 0 ) Ես չեմ սիրում( 0 )