Zapis matematyczny zunifikowanego prawa Faradaya dla elektrolizy. Prawa Faradaya w chemii i fizyce – krótkie wyjaśnienie w prostych słowach

Prawa elektrolizy (prawa Faradaya)

Ponieważ przejście prąd elektryczny poprzez układy elektrochemiczne wiąże się z przemianami chemicznymi, musi istnieć pewna zależność między ilością przepływającego prądu a ilością przereagowanych substancji. Została odkryta przez Faradaya i wyrażona w pierwszych ilościowych prawach elektrochemii, nazwanych później prawami Faradaya.

Pierwsze prawo Faradaya . Ilości substancji przekształconych podczas elektrolizy są proporcjonalne do ilości energii elektrycznej, która przeszła przez elektrolit:

Dm = k eq = k e To ,

Dm jest ilością przereagowanej substancji; k e - pewien współczynnik proporcjonalności; q to ilość energii elektrycznej równa iloczynowi natężenia prądu I i czasu t. Jeśli q = It = 1, toDm = k er, czyli współczynnik k e to ilość substancji, która przereagowała w wyniku przepływu jednostkowej ilości energii elektrycznej. Współczynnik k uhnazywa się ekwiwalent elektrochemiczny .

Drugie prawo Faradaya odzwierciedla zależność, która istnieje między ilością przereagowanej substancji a jej naturą: przy stałej ilości przekazywanej masy elektryczności różne substancje, doświadczających transformacji na elektrodach (izolacja z roztworu, zmiana wartościowości), proporcjonalna do chemicznych równoważników tych substancji:

Dm i/A i= const .

Możliwe jest połączenie obu praw Faradaya w postaci jednego ogólnego prawa: do wydalania lub transformacji prądem 1 g-eq dowolna substancja (1/zmol substancji) potrzebuje zawsze tej samej ilości energii elektrycznej, zwanej liczba Faradaya (lub Faradaya ):

Dm =It=Ono .

Dokładnie zmierzona wartość liczby Faradaya

F = 96484,52 ± 0,038 C/g-równ.

Taki jest ładunek niesiony przez jeden gramowy ekwiwalent jonów dowolnego rodzaju. Mnożenie tej liczby przezz (liczba elementarnych ładunków jonu), otrzymujemy ilość energii elektrycznej, która przenosi 1 g-jonów . Dzieląc liczbę Faradaya przez liczbę Avogadro, otrzymujemy ładunek jednego jednowartościowego jonu, równy ładunkowi elektronu:

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

Prawa odkryte przez Faradaya w 1833 roku są ściśle przestrzegane dla przewodników drugiego rodzaju. Zaobserwowane odstępstwa od praw Faradaya są oczywiste. Często są one związane z obecnością niewyjaśnionych równoległych reakcji elektrochemicznych. Odstępstwa od prawa Faradaya zakłady przemysłowe związane z wyciekiem prądu, utratą substancji podczas rozpylania roztworu itp. W warunkach technicznych stosunek ilości produktu otrzymanego przez elektrolizę do ilości obliczonej na podstawie prawa Faradaya jest mniejszy niż jedność i nazywa się wyjście prądowe :

B T = = .

Ostrożnie pomiary laboratoryjne dla jednoznacznych reakcji elektrochemicznych wydajność prądowa równy jeden(w ramach błędu eksperymentalnego). Prawo Faradaya jest ściśle przestrzegane, dlatego jest podstawą najdokładniejszej metody pomiaru ilości energii elektrycznej, która przeszła przez obwód, poprzez ilość substancji uwolnionej na elektrodzie. Do tych pomiarów użyj kulometry . Jako kulometry stosuje się układy elektrochemiczne, w których nie ma równoległych reakcji elektrochemicznych i ubocznych reakcji chemicznych. Zgodnie z metodami określania ilości powstających substancji kulometry dzielą się na elektrograwimetryczne, gazowe i miareczkowe. Przykładami kulometrów elektrograwimetrycznych są kulometry srebrowe i miedziane. Działanie srebrnego kulometru Richardsona, który jest elektrolizerem

(–) Agï AgNO3× aqï Ag (+) ,

opiera się na zważeniu masy srebra osadzonego na katodzie podczas elektrolizy. Po przejściu 96500 C (1 faraday) energii elektrycznej, 1 g-równoważnik srebra (107 g) zostanie uwolniony na katodzie. Przechodzącn F elektryczności, eksperymentalnie określona masa jest uwalniana na katodzie (Dm do). Liczba przekazanych faradów energii elektrycznej jest określana ze stosunku

n = Dm /107 .

Zasada działania kulometru miedzianego jest podobna.

W kulometrach gazowych produktami elektrolizy są gazy, a ilości substancji uwalnianych na elektrodach określa się poprzez pomiar ich objętości. Przykładem tego typu urządzenia jest kulometr gazowy oparty na reakcji elektrolizy wody. Podczas elektrolizy na katodzie uwalniany jest wodór:

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

i tlen na anodzie:

H2O \u003d 2H + +½ O2 +2 mi – Vto całkowita objętość uwolnionego gazu, m3.

W kulometrach miareczkowych ilość substancji powstającej podczas elektrolizy określa się miareczkowo. Ten typ kulometru obejmuje kulometr do miareczkowania Kistyakowskiego, który jest systemem elektrochemicznym

(–) Ptï KNO3, HNO3ï Ag (+) .

Podczas elektrolizy srebrna anoda rozpuszcza się, tworząc jony srebra, które są miareczkowane. Liczbę faradów energii elektrycznej określa wzór

n = mVc ,

gdzie m masa roztworu, g; V jest objętością titranta użytego do miareczkowania 1 g cieczy anodowej; C – stężenie titranta, g-eq/cm3.

Podstawy > Zadania i odpowiedzi

Elektroliza. Prawa Faradaya

1 Znajdź elektrochemiczny ekwiwalent sodu. Masa molowa sodu m \u003d 0,023 kg / mol, jego wartościowość z \u003d 1. Stała Faradaya

Rozwiązanie:

2 Masa anody cynkowej m \u003d 5 g umieszcza się w kąpieli elektrolitycznej, przez którą przepływa prąd i \u003d 2 A. Po jakim czasie T czy anoda zostanie całkowicie zużyta do powlekania wyrobów metalowych? Elektrochemiczny równoważnik cynku

Rozwiązanie:

3 Znajdź stałą Faradaya, jeśli podczas przechodzenia przez kąpiel elektrolityczną ładunku Q = 7348 C na katodzie została uwolniona masa złota m \u003d 5 g. Chemiczny równoważnik złota A \u003d 0,066 kg / mol.

Rozwiązanie:
Zgodnie z połączonym prawem Faradaya

stąd

4 Znajdź elementarne ładunek elektryczny e, jeżeli masa substancji, liczbowo równa równoważnikowi chemicznemu, zawiera N o = N A /z atomy lub cząsteczki.

Rozwiązanie:
Jony w roztworze elektrolitu przenoszą liczbę ładunków elementarnych równą wartościowości z. Kiedy uwalniana jest masa substancji, która jest liczbowo równa jej chemicznemu ekwiwalentowi, ładunek przechodzi przez roztwór, który jest liczbowo równy stałej Faradaya, tj.

Dlatego opłata elementarna

5 Masa molowa srebra m 1 \u003d 0,108 kg / mol, jego wartościowość z 1 = 1 i ekwiwalent elektrochemiczny. Znajdź elektrochemiczny ekwiwalent złota k2 jeśli masa cząsteczkowa złoto m2 \u003d 0,197 kg / mol, jego wartościowość z2 = 3.

Rozwiązanie:
Zgodnie z drugim prawem Faradaya mamy

stąd elektrochemiczny ekwiwalent złota

6 Znajdź masy substancji uwalnianych w czasie T \u003d 10 h na katodach trzech kąpieli elektrolitycznych połączonych szeregowo z siecią prąd stały. Anody w kąpielach - miedź, nikiel i srebro - są obniżane odpowiednio do roztworów CuS O 4, NiS0 4 i AgN0 3 . Gęstość prądu elektrolizy J =40 A/m2, powierzchnia katody w każdej wannie S = 500 cm Elektrochemiczne odpowiedniki miedzi, niklu i srebra

Rozwiązanie:
Prąd w łaźniach I=jS. Zgodnie z pierwszym prawem Faradaya masy substancji uwalnianych podczas elektrolizy

7 Podczas niklowania produktów z upływem czasu T = 2 h grubość osadzonej warstwy niklu ja =0,03 mm.
Znajdź gęstość prądu podczas elektrolizy. Elektrochemiczny równoważnik niklu, jego gęstość

Rozwiązanie:

8 Amperomierz połączony szeregowo z ogniwem elektrolitycznym wskazuje prąd ja \u003d 1,5 A. Jaką korektę należy wprowadzić do odczytu amperomierza, jeśli w tym czasie? T \u003d 10 min masa miedzi osadzała się na katodzie m = 0,316 g? Elektrochemiczny równoważnik miedzi.

Rozwiązanie:
Zgodnie z pierwszym prawem Faradaya m = kI T , gdzie ja jest prądem w obwodzie; stąd I = m/kt \u003d 1,6 A, tj. Należy poprawić odczyt amperomierza.

9 Chcąc sprawdzić poprawność wskazań woltomierza podłączono go równolegle z rezystorem o znanej rezystancji R=30 Om. Szeregowo do wspólnego obwodu została włączona kąpiel elektrolityczna, w której elektrolizowane jest srebro. Podczas T \u003d 5 min w tej kąpieli wyróżniała się masa srebra m = 55,6 mg. Woltomierz pokazał napięcie Vo \u003d 6 V. Znajdź różnicę między odczytem woltomierza a Dokładna wartość spadek napięcia na rezystorze. Elektrochemiczny odpowiednik srebra.

Rozwiązanie:
Zgodnie z pierwszym prawem Faradaya m = kl T , gdzie I jest prądem w obwodzie. Dokładna wartość spadku napięcia na rezystancji V=IR = mR/k T \u003d 4,91 V. Różnica między odczytem woltomierza a dokładną wartością spadku napięcia

10 Do srebrzenia łyżek w roztworze soli srebra z upływem czasu T \u003d minął prąd 5 h i \u003d 1,8 A. Katoda jest n \u003d 12 łyżek, z których każda ma powierzchnię S =50 cm2. Jak gruba jest warstwa srebra na łyżkach? Masa molowa srebra m \u003d 0,108 kg / mol, jego wartościowość z \u003d 1 i gęstość .

Rozwiązanie:
Grubość warstwy

11 Dwie wanny elektrolityczne są połączone szeregowo. Pierwsza kąpiel zawiera roztwór chlorku żelazowego (FeCl 2 ), w drugim - roztwór chlorku żelazowego (FeCl 3 ). Znajdź masy uwolnionego żelaza na katodach i chloru na anodach w każdej kąpieli, gdy ładunek przechodzi przez kąpiel. Masy molowe żelaza i chloru.

Rozwiązanie:
W pierwszej kąpieli żelazo jest dwuwartościowe (z1=2), w drugiej trójwartościowe (z2=3). Dlatego podczas przechodzenia przez roztwory o identycznych ładunkach na katodach uwalniane są różne masy żelaza: w pierwszej kąpieli

w drugiej kąpieli

Ponieważ wartościowość atomów chloru wynosi z = 1, to na anodzie każdej kąpieli uwalniana jest masa chloru

12 Podczas elektrolizy roztworu kwasu siarkowego (CuS O 4 ) pobór mocy N=37 W. Znajdź opór elektrolitu, jeśli na czas T = 50 min masa uwalnianego wodoru m = 0,3 g. Masa molowa wodoru m \u003d 0,001 kg / mol, jego wartościowość z \u003d 1 .

Rozwiązanie:

13 W elektrolitycznej metodzie wytwarzania niklu W jest zużywane na jednostkę masy m = 10 kWh h/kg energii elektrycznej. Elektrochemiczny równoważnik niklu. Przy jakim napięciu wykonywana jest elektroliza?

Rozwiązanie:

14 Znajdź masę uwolnionej miedzi, jeśli do jej uzyskania metodą elektrolityczną zużyto W = 5 kW h h elektryczność. Elektrolizę przeprowadza się pod napięciem V =10 V, sprawność instalacje h = 75%. Elektrochemiczny równoważnik miedzi.

Rozwiązanie:
efektywność instalacje

gdzie q jest ładunkiem przechodzącym przez wannę. Masa uwolnionej miedzi m=kq; stąd

15 Jaki ładunek przechodzi przez roztwór kwasu siarkowego (CuS O 4 ) w czasie t \u003d 10 s, jeśli prąd w tym czasie wzrośnie równomiernie od I 1 = 0 do I 2 = 4A? Jaka masa miedzi jest uwalniana na katodzie w tym przypadku? Elektrochemiczny równoważnik miedzi.

Rozwiązanie:
Średni prąd

Ładunek przepływający przez roztwór

Graficzne odnalezienie ładunku pokazano na ryc. 369. Na wykresie prądu w funkcji czasu zacieniony obszar jest liczbowo równy ładunkowi. Masa miedzi osadzonej na katodzie,

16 Podczas rafinacji miedzi metodą elektrolizy, do połączonych szeregowo kąpieli elektrolitycznych o całkowitej rezystancji R=0,5 Ohm przykładane jest napięcie V=10 V. Znajdź masę czystej miedzi uwolnionej na katodach kąpieli w czasie T =10h emf polaryzacja mi = 6 V. Elektrochemiczny ekwiwalent miedzi.

Rozwiązanie:

17 Podczas elektrolizy wody przez pewien czas w kąpieli elektrolitycznej t = 25 min prąd I \u003d 20 A. Jaka jest temperatura T uwolniony tlen, jeśli jest w objętości V = 1 l pod ciśnieniem p = 0,2 MPa? Masa molowa wody m \u003d 0,018 kg / mol. Elektrochemiczny równoważnik tlenu.

Rozwiązanie:

gdzie R \u003d 8,31 J / (mol K) jest stałą gazową.

18 W elektrolitycznej metodzie wytwarzania aluminium W jest zużywane na jednostkę masy 1 m = 50 kWh h/kg energii elektrycznej. Elektrolizę przeprowadza się przy napięciu V1 = 1 6,2 V. Jaki będzie pobór mocy W 2m na jednostkę masy przy napięciu V2 = 8, 1 V?
Rozwiązanie:

proces redoks, siłą przepływający pod wpływem prądu elektrycznego nazywa się elektrolizą.

Elektroliza odbywa się w elektrolizerze wypełnionej elektrolitem, w którym zanurzone są elektrody podłączone do zewnętrznego źródła prądu.

Elektroda podłączona do bieguna ujemnego źródło zewnętrzne prąd nazywa się katoda. Na katodzie zachodzą procesy redukcji cząstek elektrolitu. Elektroda podłączona do dodatniego bieguna źródła prądu nazywa się anoda. Na anodzie zachodzą procesy utleniania cząstek elektrolitu lub materiału elektrody.

Procesy anodowe zależą od rodzaju elektrolitu i materiału anodowego. Pod tym względem elektrolizę wyróżnia się obojętną i rozpuszczalną anodą.

Anoda nazywana jest obojętną, której materiał nie utlenia się podczas elektrolizy. Elektrody obojętne obejmują na przykład grafit (węgiel) i platynę.

Anoda nazywana jest rozpuszczalną, której materiał może ulec utlenieniu podczas elektrolizy. Większość elektrod metalowych jest rozpuszczalnych.

Jako elektrolit można użyć roztworów lub stopów. W roztworze elektrolitu lub w stopie jony poruszają się chaotycznie. Pod działaniem prądu elektrycznego jony nabierają ukierunkowanego ruchu: kationy poruszają się w kierunku katody, a aniony - w kierunku anody i odpowiednio mogą być rozładowywane na elektrodach.

Z elektrolizą topi się z obojętnymi elektrodami tylko kationy metali mogą być redukowane na katodzie, a aniony mogą być utlenione na anodzie.

Podczas elektrolizy wody rozwiązania na katodzie oprócz kationów metali można zredukować cząsteczki wody, aw kwaśnych roztworach jony wodorowe H +. W ten sposób możliwe są następujące konkurencyjne reakcje na katodzie:

(-) K: ja n + + ne→ Ja

2H2O+2 ē → H2 + 2OH -

2H + + 2 ē → H 2

Katoda reaguje jako pierwsza z najwyższa wartość potencjał elektrody.

Podczas elektrolizy wody roztwory z rozpuszczalną anodą, oprócz utleniania anionów możliwe są reakcje utleniania samej elektrody, cząsteczek wody i alkalicznych roztworów jonów wodorotlenowych (OH -):

(+) A: ja - n ē→ Ja n +

utlenianie anionów mi 0

2H2O-4 ē O2+4H+

4OH - - 4 ē \u003d O2 + 2H2O

Na anodzie pierwsza reakcja zachodzi z najmniejsza wartość potencjał elektrody.

W przypadku reakcji elektrodowych potencjały równowagi są podawane przy braku prądu elektrycznego.

Elektroliza jest procesem nierównowagowym, dlatego potencjały reakcji elektrod pod prądem różnią się od ich wartości równowagowych. Przesunięcie potencjału elektrody od jej wartości równowagi pod wpływem prądu zewnętrznego nazywamy polaryzacją elektrody. Wielkość polaryzacji nazywana jest przepięciem. Na wielkość przepięcia wpływa wiele czynników: rodzaj materiału elektrody, gęstość prądu, temperatura, środowisko pH itp.

Przepięcia katodowego strącania metali są stosunkowo niewielkie.

Przy wysokim przepięciu z reguły przebiega proces powstawania gazów, takich jak wodór i tlen. Minimalne nadnapięcie wodoru na katodzie w roztworach kwaśnych obserwuje się dla Pt (h=0,1 V), a maksymalne dla ołowiu, cynku, kadmu i rtęci. Przepięcie zmienia się, gdy roztwory kwaśne zastępowane są roztworami zasadowymi. Na przykład na platynie w środowisku alkalicznym przepięcie wodoru wynosi h = 0,31 V (patrz załącznik).

Wydzielanie tlenu anodowego jest również związane z przepięciem. Minimalne przepięcie wydzielania tlenu obserwuje się na elektrodach Pt (h=0,7 V), a maksymalne obserwuje się na cynku, rtęci i ołowiu (patrz Załącznik).

Z powyższego wynika, że ​​podczas elektrolizy roztworów wodnych:

1) jony metali są redukowane na katodzie, której potencjały elektrod są większe niż potencjał redukcji wody (-0,82 V). Jony metali mające więcej ujemnych potencjałów elektrody niż -0,82 V nie są redukowane. Należą do nich zasady i metale ziem alkalicznych i aluminium.

2) na anodzie obojętnej, biorąc pod uwagę przepięcie tlenu, następuje utlenianie tych anionów, których potencjał jest mniejszy od potencjału utleniania wody (+1,23V). Takie aniony obejmują na przykład I - , Br - , Cl - , NO 2 - , OH - . Aniony CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - - nie są utleniane.

3) podczas elektrolizy z rozpuszczalną anodą elektrody z tych metali rozpuszczają się w mediach obojętnych i kwaśnych, których potencjał elektrody jest mniejszy niż + 1,23V, aw alkalicznym - poniżej + 0,413V.

Całkowite produkty procesów na katodzie i anodzie są substancjami elektrycznie obojętnymi.

Aby przeprowadzić proces elektrolizy, do elektrod należy przyłożyć napięcie. Napięcie elektrolizy U el-za to różnica potencjałów niezbędna do zajścia reakcji na katodzie i anodzie. Teoretyczne napięcie elektrolizy ( U el-za, teoria) bez uwzględnienia przepięcia, omowego spadku napięcia w przewodach pierwszego rodzaju i w elektrolicie

U el-za, teoria = mi ale - mi k, (7)

gdzie mi ale, mi k - potencjały reakcji anodowych i katodowych.

Zależność między ilością substancji uwalnianej podczas elektrolizy a ilością prądu przepływającego przez elektrolit wyrażają dwa prawa Faradaya.

Prawo Faradaya. Ilość substancji utworzonej na elektrodzie podczas elektrolizy jest wprost proporcjonalna do ilości energii elektrycznej, która przeszła przez roztwór elektrolitu (stop):

gdzie k jest równoważnikiem elektrochemicznym, g/C lub g/Ah; Q to ilość energii elektrycznej, kulomb, Q=Ono; T-czas, s; i- prąd, A; F\u003d 96500 C / mol (A s / mol) \u003d 26,8 A h / mol - stała Faradaya; E jest równoważną masą substancji, g / mol.

W reakcjach elektrochemicznych masa równoważna substancji jest określana przez:

n to liczba elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej tworzenia tej substancji.

II Prawo Faradaya. Gdy ta sama ilość energii elektrycznej przechodzi przez różne elektrolity, masy substancji uwalnianych na elektrodach są proporcjonalne do ich mas równoważnych:

gdzie m 1 i m 2 – masy substancji 1 i 2, E 1 i E 2, g/mol – masy równoważnikowe substancji 1 i 2.

W praktyce, często ze względu na występowanie konkurencyjnych procesów redoks, na elektrodach tworzy się mniej substancji niż odpowiada energii elektrycznej, która przeszła przez roztwór.

Aby scharakteryzować utratę energii elektrycznej podczas elektrolizy, wprowadzono pojęcie „wyjścia prądowego”. wyjście prądowe w t to stosunek wyrażony jako procent ilości faktycznie otrzymanego produktu elektrolizy m fakt. do teoretycznie wyliczonych m teoria:

Przykład 10. Jakie procesy zajdą podczas elektrolizy wodnego roztworu siarczanu sodu z anodą węglową? Jakie substancje zostaną uwolnione na elektrodach, jeśli elektroda węglowa zostanie zastąpiona miedzianą?

Rozwiązanie: W roztworze siarczanu sodu w procesach elektrodowych mogą uczestniczyć jony sodu Na + , SO 4 2- i cząsteczki wody. Elektrody węglowe są elektrodami obojętnymi.

Na katodzie możliwe są następujące procesy odzyskiwania:

(-) K: Na + + ē → Na

2H2O+2 ē → H2 + 2OH -

Na katodzie jako pierwsza zachodzi reakcja z najwyższą wartością potencjału elektrody. W związku z tym na katodzie nastąpi redukcja cząsteczek wody, której towarzyszyć będzie uwolnienie wodoru i powstanie jonów wodorotlenowych OH - w przestrzeni przykatodowej. Jony sodu Na + obecne na katodzie razem z jonami OH - utworzą alkaliczny roztwór NaOH.

(+)A: 2 SO 4 2- - 2 ē → S 2 O 8 2-

2H2O - 4 ē → 4H + + O 2 .

Na anodzie jako pierwsza zachodzi reakcja z najniższą wartością potencjału elektrody. Dlatego utlenianie cząsteczek wody z uwolnieniem tlenu będzie przebiegało na anodzie, a jony H + gromadzą się w przestrzeni anodowej. Jony SO 4 2- obecne na anodzie z jonami H + utworzą roztwór kwasu siarkowego H 2 SO 4 .

Całkowitą reakcję elektrolizy wyraża równanie:

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

produkty katodowe produkty anodowe

Podczas wymiany anody węglowej (obojętnej) na miedzianą, na anodzie możliwa jest kolejna reakcja utleniania - rozpuszczanie miedzi:

Cu-2 ē → Cu2+

Proces ten charakteryzuje się niższą wartością potencjału niż inne możliwe procesy anodowe. Dlatego podczas elektrolizy Na 2 SO 4 z anodą miedzianą miedź zostanie utleniona na anodzie, a siarczan miedzi CuSO 4 będzie gromadził się w przestrzeni anodowej. Całkowitą reakcję elektrolizy wyraża równanie:

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

produkty katodowe produkt anodowy

Przykład 11. Wykonaj równanie dla procesów zachodzących podczas elektrolizy wodnego roztworu chlorku niklu NiCl 2 z obojętną anodą.

Rozwiązanie: Jony niklu Ni 2+ , Cl - oraz cząsteczki wody mogą uczestniczyć w procesach elektrodowych w roztworze chlorku niklu. Jako anodę obojętną można zastosować elektrodę grafitową.

Na katodzie możliwe są następujące reakcje:

(-) K: Ni 2+ + 2 ē → Ni

2H2O+2 ē → H2 + 2OH -

Potencjał pierwszej reakcji jest wyższy, dlatego jony niklu są redukowane na katodzie.

Na anodzie możliwe są następujące reakcje:

(+) A: 2Cl - - 2 ē →Cl2

2H2O-4 ē O2+4H+ .

Zgodnie ze standardowymi potencjałami elektrod na anodzie

tlen musi zostać uwolniony. W rzeczywistości, z powodu wysokiego przepięcia tlenu na elektrodzie, uwalniany jest chlor. Wielkość przepięcia zależy od materiału, z którego wykonana jest elektroda. W przypadku grafitu przepięcie tlenu wynosi 1,17 V przy gęstości prądu 1 A/cm2, co zwiększa potencjał utleniania wody do 2,4 V.

Dlatego elektroliza roztworu chlorku niklu przebiega z utworzeniem niklu i chloru:

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

na katodzie na anodzie

Przykład 12. Oblicz masę substancji i objętość gazu uwolnionego na elektrodach obojętnych podczas elektrolizy wodnego roztworu azotanu srebra AgNO 3, jeśli czas elektrolizy wynosi 25 minut, a natężenie prądu 3 A.

Rozwiązanie. Podczas elektrolizy wodnego roztworu AgNO 3 w przypadku anody nierozpuszczalnej (np. grafitu) na elektrodach zachodzą następujące procesy:

(-) K: Ag + + ē → Ag ,

2H2O+2 ē → H2 + 2OH -.

Potencjał pierwszej reakcji jest wyższy, dlatego na katodzie dochodzi do redukcji jonów srebra.

(+) A: 2H 2 O - 4 ē O2+4H+ ,

anion NO 3 - nie utleniony.

g lub litry l.

Zadania

5. Zapisz reakcje elektrolizy na elektrodach obojętnych i oblicz masę substancji otrzymanej na katodzie oraz objętość gazu uwolnionego na anodzie podczas elektrolizy roztworów elektrolitu, jeżeli czas elektrolizy wynosi 20 minut, natężenie prądu i\u003d 2A, jeśli prąd wyjściowy wynosi V t \u003d 100%. Jakie substancje zostaną uwolnione na elektrodach podczas wymiany obojętnej anody na anodę metalową określoną w zadaniu?

№№	Elektrolit	metalowa elektroda
	CuSO4	Cu
	MgCl2	Ni
	Zn(NO3) 2	Zn
	snf 2	sn
	CdSO4	Płyta CD
	FeCl2	Fe
	AgNO3	Ag
	HCl	współ
	CoSO4	współ
	NiCl2	Ni

Koniec tabeli

Aby opisać procesy w fizyce i chemii, istnieje szereg praw i zależności uzyskanych eksperymentalnie i obliczeniowo. Żadne badanie nie może być przeprowadzone bez wstępnej oceny procesów według zależności teoretycznych. Prawa Faradaya mają zastosowanie zarówno w fizyce, jak i chemii, aw tym artykule postaramy się krótko i wyraźnie opowiedzieć o wszystkich słynnych odkryciach tego wielkiego naukowca.

Historia odkryć

Prawo Faradaya w elektrodynamice zostało odkryte przez dwóch naukowców: Michaela Faradaya i Josepha Henry'ego, ale Faraday opublikował wyniki swojej pracy wcześniej - w 1831 roku.

W swoich eksperymentach demonstracyjnych w sierpniu 1831 r. używał żelaznego torusa, na którego przeciwległych końcach nawinięto drut (jeden drut na stronę). Na końcach jednego pierwszego przewodu zasilał akumulator galwaniczny i podłączył galwanometr do wyprowadzeń drugiego. Projekt był podobny do nowoczesnego transformatora. Okresowo włączając i wyłączając napięcie na pierwszym przewodzie, zaobserwował wyładowania na galwanometrze.

Galwanometr to bardzo czuły przyrząd do pomiaru małych prądów.

W ten sposób ukazany został wpływ pole magnetyczne, powstały w wyniku przepływu prądu w pierwszym przewodzie, w stanie drugiego przewodu. Uderzenie to było przenoszone z pierwszego na drugie przez rdzeń - metalowy torus. W wyniku przeprowadzonych badań odkryto również wpływ poruszającego się w cewce magnesu trwałego na jej uzwojenie.

Następnie Faraday wyjaśnił to zjawisko Indukcja elektromagnetyczna pod względem linii sił. Inną była instalacja do wytwarzania prądu stałego: miedziany dysk obracający się w pobliżu magnesu, a przesuwający się po nim drut był kolektorem prądu. Ten wynalazek nazywa się dyskiem Faradaya.

Naukowcy z tamtego okresu nie zaakceptowali pomysłów Faradaya, ale Maxwell wykorzystał badania jako podstawę swojej teorii magnetycznej. W 1836 r. Michael Faraday ustalił relacje dotyczące procesów elektrochemicznych, które nazwali Prawami Elektrolizy Faradaya. Pierwsza opisuje stosunek masy substancji uwolnionej na elektrodzie i przepływającego prądu, a druga opisuje stosunek masy substancji w roztworze do masy substancji uwolnionej na elektrodzie, dla pewnej ilości Elektryczność.

Elektrodynamika

Pierwsze prace mają zastosowanie w fizyce, a konkretnie w opisie działania maszyn i aparatury elektrycznej (transformatory, silniki itp.). Prawo Faradaya mówi:

W przypadku obwodu indukowany emf jest wprost proporcjonalny do wielkości prędkości strumień magnetyczny, który przechodzi przez ten kontur ze znakiem minus.

Można powiedzieć w prostych słowach: im szybciej strumień magnetyczny porusza się w obwodzie, tym więcej pola elektromagnetycznego jest generowane na jego zaciskach.

Formuła wygląda tak:

Tutaj dФ to strumień magnetyczny, a dt to jednostka czasu. Wiadomo, że pierwszą pochodną względem czasu jest prędkość. To znaczy prędkość ruchu strumienia magnetycznego w tym konkretnym przypadku. Nawiasem mówiąc, może się poruszać, jak źródło pola magnetycznego (cewka z prądem - elektromagnes lub trwały magnes) i kontur.

Tutaj przepływ można wyrazić wzorem:

B to pole magnetyczne, a dS to pole powierzchni.

Jeśli weźmiemy pod uwagę cewkę z gęsto nawiniętymi zwojami, a liczba zwojów wynosi N, to prawo Faradaya wygląda tak:

Strumień magnetyczny we wzorze na jeden obrót jest mierzony w Weberach. Prąd płynący w obwodzie nazywany jest indukcyjnym.

Indukcja elektromagnetyczna to zjawisko przepływu prądu w obwodzie zamkniętym pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.

W powyższych wzorach można było zauważyć znaki modułu, bez nich ma on nieco inną postać, tak jak zostało powiedziane w pierwszym sformułowaniu, ze znakiem minus.

Znak minus wyjaśnia zasadę Lenza. Prąd występujący w obwodzie wytwarza pole magnetyczne, jest kierowany w przeciwnym kierunku. Wynika to z prawa zachowania energii.

Kierunek prąd indukcyjny może być określona przez regułę prawa ręka lub szczegółowo omówiliśmy to na naszej stronie internetowej.

Jak już wspomniano, ze względu na zjawisko indukcji elektromagnetycznej pracują maszyny elektryczne, transformatory, generatory i silniki. Ilustracja przedstawia przepływ prądu w uzwojeniu twornika pod wpływem pola magnetycznego stojana. W przypadku generatora, gdy jego wirnik obraca się pod wpływem sił zewnętrznych, w uzwojeniach wirnika powstaje sem, prąd wytwarza pole magnetyczne skierowane przeciwnie (ten sam znak minus we wzorze). Im większy prąd pobierany przez obciążenie generatora, tym większe jest to pole magnetyczne i tym trudniej się obraca.

I odwrotnie - gdy w wirniku płynie prąd, powstaje pole, które oddziałuje z polem stojana i wirnik zaczyna się obracać. Gdy wał jest obciążony, prąd w stojanie i wirniku wzrasta i konieczne jest zapewnienie przełączania uzwojeń, ale to kolejny temat związany z konstrukcją maszyn elektrycznych.

W sercu działania transformatora źródłem poruszającego się strumienia magnetycznego jest przemienne pole magnetyczne, które powstaje w wyniku przepływu prądu przemiennego w uzwojeniu pierwotnym.

Jeśli chcesz bardziej szczegółowo zbadać ten problem, zalecamy obejrzenie filmu, który łatwo i wyraźnie wyjaśnia prawo Faradaya dotyczące indukcji elektromagnetycznej:

Elektroliza

Oprócz badań nad polami elektromagnetycznymi i indukcją elektromagnetyczną naukowiec dokonał wielkich odkryć w innych dyscyplinach, w tym w chemii.

Kiedy prąd przepływa przez elektrolit, jony (dodatnie i ujemne) zaczynają pędzić do elektrod. Negatywy przesuwają się w kierunku anody, pozytywy w kierunku katody. Jednocześnie na jednej z elektrod uwalniana jest pewna masa substancji zawartej w elektrolicie.

Faraday przeprowadził eksperymenty, przepuszczając przez elektrolit różne prądy i mierząc masę substancji osadzonej na elektrodach, wyprowadzając wzory.

m to masa substancji, q to ładunek, a k zależy od składu elektrolitu.

A opłata może być wyrażona w postaci prądu w okresie czasu:

I=q/t, następnie q = i*t

Teraz możesz określić masę substancji, która zostanie uwolniona, znając prąd i czas, w którym płynął. Nazywa się to pierwszym prawem elektrolizy Faradaya.

Drugie prawo:

Waga pierwiastek chemiczny, która osiądzie na elektrodzie, jest wprost proporcjonalna do masy równoważnej pierwiastka (masa molowa podzielona przez liczbę, która zależy od Reakcja chemiczna w którym dana substancja jest zaangażowana).

W związku z powyższym prawa te łączy się we wzór:

m to masa substancji uwolnionej w gramach, n to liczba elektronów przeniesionych w procesie elektrodowym, F=986485 C/mol to liczba Faradaya, t to czas w sekundach, M to masa molowa substancji g /mol.

W rzeczywistości z powodu rózne powody, masa uwolnionej substancji jest mniejsza niż obliczona (przy obliczaniu z uwzględnieniem przepływającego prądu). Stosunek mas teoretycznych i rzeczywistych nazywamy wyjściem prądowym:

B t \u003d 100% * m oblicz / m teorię

Prawa Faradaya wniosły znaczący wkład w rozwój nowoczesna nauka, dzięki jego pracy posiadamy silniki elektryczne i generatory prądu (a także pracę jego naśladowców). Praca EMF i zjawiska indukcji elektromagnetycznej dały nam większość nowoczesnego sprzętu elektrycznego, w tym głośniki i mikrofony, bez których nie jest możliwe odsłuchiwanie nagrań i komunikacja głosowa. W galwanicznej metodzie powlekania materiałów wykorzystuje się procesy elektrolizy, co ma zarówno walor dekoracyjny, jak i praktyczny.

Powiązana zawartość:

Tak jak( 0 ) Nie lubię( 0 )