Matematični zapis Faradayevega enotnega zakona za elektrolizo. Faradayjevi zakoni v kemiji in fiziki - kratka razlaga s preprostimi besedami

Zakoni elektrolize (Faradayevi zakoni)

Ker prehod električni tok prek elektrokemijskih sistemov je povezana s kemičnimi transformacijami, mora obstajati določeno razmerje med količino električne energije, ki teče, in količino reagiranih snovi. Odkril ga je Faraday in je bil izražen v prvih kvantitativnih zakonih elektrokemije, kasneje imenovanih Faradayevi zakoni.

Prvi Faradayev zakon . Količine snovi, ki se pretvorijo med elektrolizo, so sorazmerne s količino električne energije, ki je prešla skozi elektrolit:

Dm = k e q = k e To ,

Dm je količina reagirane snovi; k e - nek koeficient sorazmernosti; q je količina električne energije, enaka zmnožku jakosti toka I in časa t. Če je q = It = 1, potemDm = k er, to je koeficient k e je količina snovi, ki je reagirala kot posledica pretoka enote količine električne energije. koeficient k uhpoklical elektrokemični ekvivalent .

Faradayev drugi zakon odraža razmerje, ki obstaja med količino reagirane snovi in ​​njeno naravo: s konstantno količino prenesene mase električne energije različne snovi, doživlja transformacijo na elektrodah (izolacija iz raztopine, sprememba valence), sorazmerno s kemičnimi ekvivalenti teh snovi:

Dm jaz/A jaz= konst .

Oba Faradayeva zakona je mogoče združiti v obliki enega splošnega zakona: za izločanje ali transformacijo s tokom 1 g-ekv katera koli snov (1/zmol snovi) vedno potrebuje enako količino električne energije, imenovano Faradayeva številka (oz faraday ):

Dm = To=To .

Natančno izmerjena vrednost Faradayevega števila

F = 96484,52 ± 0,038 C/g-ekv.

Takšen je naboj, ki ga nosi en gram-ekvivalent ionov katere koli vrste. To število pomnožimo zz (število elementarnih nabojev iona), dobimo količino električne energije, ki nosi 1 g-ion . Če Faradayjevo število delimo z Avogadrovim številom, dobimo naboj enega enovalentnega iona, enak naboju elektrona:

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

Zakoni, ki jih je odkril Faraday leta 1833, se strogo upoštevajo za prevodnike druge vrste. Opažena odstopanja od Faradayevih zakonov so očitna. Pogosto so povezane s prisotnostjo neupoštevanih vzporednih elektrokemijskih reakcij. Odstopanja od Faradayevega zakona industrijski obrati povezano z uhajanjem toka, izgubo snovi pri škropljenju raztopine itd. V tehničnih nastavitvah je razmerje med količino produkta, pridobljenega z elektrolizo, in količino, izračunano na podlagi Faradayevega zakona, manjše od enote in se imenuje tokovni izhod :

B T = = .

S previdnim laboratorijske meritve za nedvoumne elektrokemične reakcije tokovni izkoristek enako ena(znotraj eksperimentalne napake). Faradayev zakon je strogo upoštevan, zato je osnova za najnatančnejšo metodo merjenja količine električne energije, ki je prešla skozi tokokrog, s količino snovi, ki se sprosti na elektrodi. Za te meritve uporabite kulometri . Kot kulometri se uporabljajo elektrokemični sistemi, v katerih ni vzporednih elektrokemičnih in stranskih kemičnih reakcij. Po metodah za določanje količine nastalih snovi kulometre delimo na elektrogravimetrične, plinske in titracijske. Primeri elektrogravimetričnih kulometrov so srebrni in bakreni kulometri. Delovanje Richardsonovega srebrnega kulometra, ki je elektrolizator

(–) Agï AgNO3× aqï Ag (+) ,

temelji na tehtanju mase srebra, odloženega na katodi med elektrolizo. Ko preide 96500 C (1 faraday) električne energije, se na katodi sprosti 1 g-ekv. srebra (107 g). Ob prehodun F elektrike, se na katodi sprosti eksperimentalno določena masa (Dm do). Število prevoženih faradayjev električne energije se določi iz razmerja

n = Dm /107 .

Načelo delovanja bakrenega kulometra je podobno.

V plinskih kulometrih so produkti elektrolize plini, količine snovi, ki se sproščajo na elektrodah, pa določijo z merjenjem njihove prostornine. Primer naprave te vrste je plinski kulometer, ki temelji na reakciji elektrolize vode. Med elektrolizo se vodik sprošča na katodi:

2H2O+2 e- \u003d 2OH - + H 2,

in kisik na anodi:

H 2 O \u003d 2H + +½ O 2 +2 e – Vje skupna prostornina sproščenega plina, m3.

Pri titracijskih kulometrih se količina snovi, ki nastane med elektrolizo, določi titrimetrično. Ta vrsta kulometra vključuje titracijski kulometer Kistyakovsky, ki je elektrokemični sistem

(–) Ptï KNO3, HNO3ï Ag (+) .

Med elektrolizo se srebrna anoda raztopi, pri čemer nastanejo srebrovi ioni, ki se titrirajo. Število faradayjev električne energije je določeno s formulo

n = mVc ,

kje m je masa raztopine, g; V je prostornina titranta, uporabljenega za titracijo 1 g anodne tekočine; c – koncentracija titranta, g-eq/cm3.

Osnove > Naloge in odgovori

Elektroliza. Faradayevi zakoni

1 Poiščite elektrokemični ekvivalent natrija. Molska masa natrija m \u003d 0,023 kg / mol, njegova valenca z \u003d 1. Faradayeva konstanta

Odločitev:

2 Cinkova anodna masa m \u003d 5 g se postavi v elektrolitno kopel, skozi katero teče tok jaz \u003d 2 A. Po katerem času t ali bo anoda v celoti porabljena za premazovanje kovinskih izdelkov? Elektrokemični ekvivalent cinka

Odločitev:

3 Poiščite Faradayjevo konstanto, če pri prehodu skozi elektrolitno kopel naboja q = 7348 C pri katodi se je sprostila masa zlata m \u003d 5 g. Kemični ekvivalent zlata A \u003d 0,066 kg / mol.

Odločitev:
Po Faradayevem kombiniranem zakonu

od tod

4 Poiščite osnovno električni naboj e, če masa snovi, številčno enaka kemičnemu ekvivalentu, vsebuje N o = N A /z atomi ali molekule.

Odločitev:
Ioni v raztopini elektrolita nosijo število elementarnih nabojev, ki je enako valenci z. Ko se sprosti masa snovi, ki je številčno enaka njenemu kemičnemu ekvivalentu, skozi raztopino preide naboj, ki je številčno enak Faradayevi konstanti, t.j.

Zato je osnovni naboj

5 Molarna masa srebra m 1 \u003d 0,108 kg / mol, njegova valenca z 1 = 1 in elektrokemični ekvivalent. Poiščite elektrokemični ekvivalent zlata k2, če molska masa zlato m2 \u003d 0,197 kg / mol, njegova valenca z2 = 3.

Odločitev:
Po drugem Faradayevem zakonu imamo

torej elektrokemični ekvivalent zlata

6 Poiščite mase snovi, ki se sproščajo skozi čas t \u003d 10 h na katodah treh elektrolitskih kopeli, povezanih v omrežje enosmerni tok. Anode v kadi - baker, nikelj in srebro - se spustijo v raztopine CuS O 4, NiS0 4 in AgN0 3 . Gostota toka elektrolize j =40 A/m2, površina katode v vsaki kopeli S = 500 cm Elektrokemični ekvivalenti bakra, niklja in srebra

Odločitev:
Tok v kopališčih I=jS. Po prvem Faradayevem zakonu so mase snovi, ki se sproščajo med elektrolizo

7 Pri ponikljanju izdelkov sčasoma t = debelina sloja nanesenega niklja 2 h l =0,03 mm.
Poiščite gostoto toka med elektrolizo. Elektrokemični ekvivalent niklja, njegova gostota

Odločitev:

8 Ampermeter v seriji z elektrolitsko celico kaže tok io \u003d 1,5 A. Kakšen popravek je treba narediti pri odčitku ampermetra, če v času t \u003d 10 minut je bila na katodi odložena masa bakra m = 0,316 g? Elektrokemični ekvivalent bakra.

Odločitev:
Po prvem Faradayevem zakonu m = kI t , kjer je I tok v vezju; od tod I = m/kt \u003d 1,6 A, tj. Odčitavanje ampermetra je treba popraviti.

9 V želji, da bi preverili pravilnost odčitkov voltmetra, je bil vzporedno povezan z uporom z znanim uporom R=30 Ohm. Serijsko je bila v skupno vezje vključena elektrolitska kopel, v kateri se elektrolizira srebro. Med t \u003d 5 minut v tej kopeli je izstopala masa srebra m = 55,6 mg. Voltmeter je pokazal napetost Vo \u003d 6 V. Poiščite razliko med odčitkom voltmetra in točna vrednost padec napetosti na uporu. Elektrokemični ekvivalent srebra.

Odločitev:
Po prvem Faradayevem zakonu m = kl t , kjer je I tok v vezju. Natančna vrednost padca napetosti na upornosti V=IR = mR/k t \u003d 4,91 V. Razlika med odčitkom voltmetra in natančno vrednostjo padca napetosti

10 Za srebrenje žlic skozi raztopino srebrove soli skozi čas t \u003d Preteče 5 urni tok jaz \u003d 1,8 A. Katoda je n \u003d 12 žlic, od katerih ima vsaka površino S =50 cm2. Kako debela je plast srebra, odložena na žlice? Molarna masa srebra m \u003d 0,108 kg / mol, njegova valenca z \u003d 1 in gostota .

Odločitev:
Debelina sloja

11 Dve elektrolitski kopeli sta povezani zaporedno. Prva kopel vsebuje raztopino železovega klorida (FeCl 2 ), v drugem - raztopina železovega klorida (FeCl 3 ). Poiščite mase sproščenega železa na katodah in klora na anodah v vsaki kopeli, ko naboj prehaja skozi kopel. Molarne mase železa in klora.

Odločitev:
V prvi kopeli je železo dvovalentno (z1=2), v drugi kopeli trivalentno (z2 = 3). Zato se pri prehodu skozi raztopine enakih nabojev na katodah sproščajo različne mase železa: v prvi kopeli

v drugi kopeli

Ker je valenca atomov klora z = 1, se na anodi vsake kopeli sprosti masa klora.

12 Med elektrolizo raztopine žveplove kisline (CuS O 4 ) poraba energije N=37 W. Poiščite upor elektrolita, če pravočasno t = 50 min se sprosti masa vodika m = 0,3 g Molska masa vodika m \u003d 0,001 kg / mol, njegova valenca z \u003d 1 .

Odločitev:

13 Pri elektrolitski metodi proizvodnje niklja se W porabi na enoto mase m = 10 kWh h/kg električne energije. Elektrokemični ekvivalent niklja. Pri kakšni napetosti se izvaja elektroliza?

Odločitev:

14 Poišči maso sproščenega bakra, če smo porabili W = 5 kW, da ga pridobimo z elektrolitsko metodo H h elektrika. Elektroliza se izvaja pri napetosti V =10 V, izkoristek inštalacij h = 75 %. Elektrokemični ekvivalent bakra.

Odločitev:
učinkovitosti inštalacij

kjer je q naboj, ki poteka skozi kopel. Masa sproščenega bakra m=kq; od tod

15 Kakšen naboj prehaja skozi raztopino žveplove kisline (CuS O 4 ) v času t \u003d 10 s, če se tok v tem času enakomerno poveča od I 1 = 0 do I 2 = 4A? Kakšna masa bakra se v tem primeru sprosti na katodi? Elektrokemični ekvivalent bakra.

Odločitev:
Povprečni tok

Naboj, ki teče skozi raztopino

Grafično iskanje naboja je prikazano na sl. 369. Na grafu odvisnosti toka od časa je osenčeno območje številčno enako naboju. Masa bakra, odloženega na katodi,

16 Pri rafiniranju bakra z elektrolizo se na zaporedno priključene elektrolitske kopeli dovaja napetost V=10 V, ki imajo skupni upor R = 0,5 Ohm. Poiščite maso čistega bakra, ki se je med tem časom sprostila na katodah kopeli. t =10h emf polarizacija e = 6 V. Elektrokemični ekvivalent bakra.

Odločitev:

17 Med elektrolizo vode skozi elektrolitno kopel nekaj časa t = 25 min tok I \u003d 20 A. Kakšna je temperatura t sproščenega kisika, če je v prostornini V = 1 l pod tlakom p = 0,2 MPa? Molarna masa vode m \u003d 0,018 kg / mol. Elektrokemični ekvivalent kisika.

Odločitev:

kjer je R \u003d 8,31 J / (mol K) plinska konstanta.

18 Pri elektrolitski metodi proizvodnje aluminija se W porabi na enoto mase 1 m = 50 kWh h/kg električne energije. Elektroliza se izvaja pri napetosti V1 = 1 6,2 V. Kakšna bo poraba energije W 2 m na enoto mase pri napetosti V2 = 8, 1 V?
Odločitev:

redoks proces, na silo ki teče pod vplivom električnega toka, se imenuje elektroliza.

Elektroliza se izvaja v elektrolitski celici, napolnjeni z elektrolitom, v katero so potopljene elektrode, povezane z zunanjim virom toka.

Elektroda priključena na negativni pol zunanji vir tok se imenuje katoda. Na katodi potekajo procesi redukcije elektrolitnih delcev. Imenuje se elektroda, priključena na pozitivni pol tokovnega vira anodo. Na anodi potekajo oksidacijski procesi elektrolitnih delcev ali elektrodnega materiala.

Anodni procesi so odvisni od narave elektrolita in anodnega materiala. V zvezi s tem se elektroliza razlikuje z inertno in topno anodo.

Anoda se imenuje inertna, katere material se med elektrolizo ne oksidira. Inertne elektrode vključujejo na primer grafit (ogljik) in platino.

Anoda se imenuje topna, katere material se lahko med elektrolizo oksidira. Večina kovinskih elektrod je topnih.

Kot elektrolit se lahko uporabijo raztopine ali taline. V raztopini ali talini elektrolita so ioni v kaotičnem gibanju. Pod delovanjem električnega toka ioni pridobijo usmerjeno gibanje: kationi se premikajo proti katodi, anioni pa proti anodi in se zato lahko izpraznijo na elektrodah.

Z elektrolizo tali z inertnimi elektrodami na katodi se lahko reducirajo le kovinski kationi, na anodi pa lahko oksidirajo anioni.

Med elektrolizo vode rešitve na katodi se poleg kovinskih kationov lahko reducirajo molekule vode, v kislih raztopinah pa vodikovi ioni H +. Tako so na katodi možne naslednje konkurenčne reakcije:

(-) K: Jaz n + + ne→ Jaz

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

2H ++ 2 ē → H 2

Katoda najprej reagira z najvišja vrednost potencial elektrode.

Med elektrolizo vode raztopine s topno anodo, poleg oksidacije anionov so možne tudi oksidacijske reakcije same elektrode, molekul vode in v alkalnih raztopinah hidroksidnih ionov (OH -):

(+) A: Jaz - n ē→ Jaz n +

anionska oksidacija E 0

2H2O-4 ē O2+4H+

4OH - - 4 ē \u003d O 2 + 2H 2 O

Na anodi je prva reakcija z najmanjšo vrednost potencial elektrode.

Za elektrodne reakcije so podani ravnotežni potenciali v odsotnosti električnega toka.

Elektroliza je neravnotežen proces, zato se potenciali elektrodnih reakcij pod tokom razlikujejo od njihovih ravnotežnih vrednosti. Premik potenciala elektrode iz njegove ravnotežne vrednosti pod vplivom zunanjega toka imenujemo polarizacija elektrode. Količina polarizacije se imenuje prenapetost. Na velikost prenapetosti vplivajo številni dejavniki: narava materiala elektrode, gostota toka, temperatura, pH okolja itd.

Prenapetosti katodnega obarjanja kovin so razmeroma majhne.

Z visoko prenapetostjo praviloma poteka proces nastajanja plinov, kot sta vodik in kisik. Najmanjša prenapetost vodika na katodi v kislih raztopinah je opažena za Pt (h=0,1 V), največja pa za svinec, cink, kadmij in živo srebro. Prenapetost se spremeni, ko kisle raztopine nadomestimo z alkalnimi. Na primer, pri platini v alkalnem okolju je prenapetost vodika h = 0,31 V (glej Dodatek).

S prenapetostjo je povezano tudi razvijanje kisika na anodi. Najmanjša prenapetost evolucije kisika je opažena na Pt elektrodah (h=0,7 V), največja pa na cinku, živem srebru in svincu (glej prilogo).

Iz navedenega sledi, da med elektrolizo vodnih raztopin:

1) na katodi se reducirajo kovinski ioni, katerih potenciali elektrode so večji od potenciala redukcije vode (-0,82V). Kovinski ioni, ki imajo več negativnih potencialov elektrod od -0,82 V, se ne zmanjšajo. Sem spadajo alkalije in zemeljskoalkalijske kovine in aluminij.

2) na inertni anodi, ob upoštevanju prenapetosti kisika, pride do oksidacije tistih anionov, katerih potencial je manjši od potenciala oksidacije vode (+1,23V). Takšni anioni vključujejo na primer I-, Br-, Cl-, NO 2-, OH-. Anioni CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - - se ne oksidirajo.

3) med elektrolizo s topno anodo se elektrode iz teh kovin raztopijo v nevtralnem in kislem mediju, katerega elektrodni potencial je manjši od + 1,23 V, v alkalnem pa manj kot + 0,413 V.

Celotni produkti procesov na katodi in anodi so električno nevtralne snovi.

Za izvedbo postopka elektrolize je treba na elektrode priključiti napetost. Napetost elektrolize U el-za je potencialna razlika, potrebna, da se reakcije pojavijo na katodi in anodi. Teoretična napetost elektrolize ( U el-za, theor) brez upoštevanja prenapetosti, ohmskega padca napetosti v prevodnikih prve vrste in v elektrolitu

U el-za, teorija = E a - E k, (7)

kje E a, E k - potenciali anodnih in katodnih reakcij.

Razmerje med količino snovi, ki se sprosti med elektrolizo, in količino toka, ki teče skozi elektrolit, je izražena z dvema Faradayevim zakonom.

Jaz Faradayev zakon. Količina snovi, ki nastane na elektrodi med elektrolizo, je neposredno sorazmerna s količino električne energije, ki je prešla skozi raztopino elektrolita (talino):

kje k je elektrokemični ekvivalent, g/C ali g/A h; Q je količina električne energije, Coulomb, Q=To; t-čas, s; jaz- tok, A; F\u003d 96500 C / mol (A s / mol) \u003d 26,8 A h / mol - Faradayeva konstanta; E je ekvivalentna masa snovi, g / mol.

Pri elektrokemijskih reakcijah je ekvivalentna masa snovi določena z:

n je število elektronov, vključenih v elektrodno reakcijo tvorbe te snovi.

II Faradayev zakon. Ko enaka količina električne energije prehaja skozi različne elektrolite, so mase snovi, ki se sproščajo na elektrodah, sorazmerne z njihovimi ekvivalentnimi masami:

kje m 1 in m 2 – masi snovi 1 in 2, E 1 in E 2, g/mol – ekvivalentne mase snovi 1 in 2.

V praksi se pogosto zaradi pojava konkurenčnih redoks procesov na elektrodah tvori manj snovi, kot ustreza elektriki, ki je prešla skozi raztopino.

Za karakterizacijo izgube električne energije med elektrolizo je uveden koncept "tokovne moči". tokovni izhod V t je razmerje, izraženo kot odstotek količine dejansko dobljenega produkta elektrolize m dejstvo. glede na teoretično izračunano m teorija:

Primer 10. Kateri procesi bodo potekali med elektrolizo vodne raztopine natrijevega sulfata z ogljikovo anodo? Katere snovi se bodo sprostile na elektrodah, če ogljikovo elektrodo zamenjamo z bakreno?

Odločitev: V raztopini natrijevega sulfata lahko v elektrodnih procesih sodelujejo natrijevi ioni Na +, SO 4 2- in molekule vode. Ogljikove elektrode so inertne elektrode.

Na katodi so možni naslednji postopki obnovitve:

(-) K: Na + + ē → Na

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

Na katodi najprej poteka reakcija z najvišjo vrednostjo elektrodnega potenciala. Zato bo na katodi prišlo do redukcije vodnih molekul, ki jo spremlja sproščanje vodika in tvorba hidroksidnih ionov OH - v bližnjem katodnem prostoru. Natrijevi ioni Na +, ki so prisotni na katodi, skupaj z ioni OH - bodo tvorili alkalno raztopino NaOH.

(+)A: 2 SO 4 2- - 2 ē → S 2 O 8 2-

2 H 2 O - 4 ē → 4H + + O 2 .

Na anodi najprej poteka reakcija z najnižjo vrednostjo elektrodnega potenciala. Zato bo oksidacija vodnih molekul s sproščanjem kisika potekala na anodi, v anodnem prostoru pa se kopičijo ioni H +. Ioni SO 4 2- prisotni na anodi z ioni H + bodo tvorili raztopino žveplove kisline H 2 SO 4 .

Celotna reakcija elektrolize je izražena z enačbo:

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

katodni izdelki anodni izdelki

Pri zamenjavi ogljikove (inertne) anode z bakreno postane na anodi možna druga oksidacijska reakcija - raztapljanje bakra:

Cu-2 ē → Cu2+

Za ta postopek je značilna nižja potencialna vrednost kot drugi možni anodni procesi. Zato bo med elektrolizo Na 2 SO 4 z bakreno anodo baker oksidiran na anodi, bakrov sulfat CuSO 4 pa se bo nabiral v anodnem prostoru. Celotna reakcija elektrolize je izražena z enačbo:

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

katodni izdelki anodni izdelek

Primer 11. Naredite enačbo za procese, ki se pojavljajo pri elektrolizi vodne raztopine nikljevega klorida NiCl 2 z inertno anodo.

Odločitev: Nikljevi ioni Ni 2+, Cl- in molekule vode lahko sodelujejo v elektrodnih procesih v raztopini nikljevega klorida. Kot inertna anoda se lahko uporablja grafitna elektroda.

Na katodi so možne naslednje reakcije:

(-) K: Ni 2+ + 2 ē → Ni

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

Potencial prve reakcije je večji, zato se na katodi zmanjšajo nikljevi ioni.

Na anodi so možne naslednje reakcije:

(+) A: 2 Cl - - 2 ē →Cl2

2H2O-4 ē O2+4H+ .

Glede na standardne potenciale elektrode na anodi

kisik se mora sprostiti. Pravzaprav se zaradi visoke prenapetosti kisika na elektrodi sprošča klor. Velikost prenapetosti je odvisna od materiala, iz katerega je izdelana elektroda. Za grafit je prenapetost kisika 1,17 V pri gostoti toka 1 A / cm 2, kar poveča možnost oksidacije vode na 2,4 V.

Zato elektroliza raztopine nikljevega klorida poteka s tvorbo niklja in klora:

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

na katodi na anodi

Primer 12. Izračunajte maso snovi in ​​prostornino plina, ki se sprosti na inertnih elektrodah med elektrolizo vodne raztopine srebrovega nitrata AgNO 3, če je čas elektrolize 25 minut in jakost toka 3 A.

Odločitev. Med elektrolizo vodne raztopine AgNO 3 v primeru netopne anode (na primer grafita) na elektrodah potekajo naslednji procesi:

(-) K: Ag + + ē → Ag ,

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -.

Potencial prve reakcije je večji, zato pride do redukcije srebrovih ionov na katodi.

(+) A: 2H2O-4 ē O2+4H+ ,

anion NO 3 - ni oksidiran.

g ali litrov l.

Naloge

5. Zapišite elektrolizne reakcije na inertnih elektrodah in izračunajte maso snovi, pridobljene na katodi, in prostornino plina, ki se sprosti na anodi med elektrolizo raztopin elektrolitov, če je čas elektrolize 20 minut, je jakost toka jaz\u003d 2A, če je trenutni izhod V t \u003d 100%. Katere snovi se bodo sprostile na elektrodah pri zamenjavi inertne anode s kovinsko anodo, določeno v nalogi?

№№	Elektrolit	kovinska elektroda
	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

Konec mize

Za opis procesov v fiziki in kemiji obstajajo številni zakoni in razmerja, pridobljena eksperimentalno in z izračunom. Nobene študije ni mogoče izvesti brez predhodne ocene procesov glede na teoretična razmerja. Faradayjevi zakoni se uporabljajo tako v fiziki kot v kemiji, v tem članku pa bomo poskušali na kratko in jasno spregovoriti o vseh slavnih odkritjih tega velikega znanstvenika.

Zgodovina odkritij

Faradayev zakon v elektrodinamiki sta odkrila dva znanstvenika: Michael Faraday in Joseph Henry, vendar je Faraday objavil rezultate svojega dela že prej - leta 1831.

V svojih demonstracijskih poskusih avgusta 1831 je uporabil železen torus, na nasprotnih koncih katerega je bila navita žica (ena žica na stran). Na koncih ene prve žice je napajal napajanje iz galvanske baterije in priključil galvanometer na zaključke druge. Zasnova je bila podobna sodobnemu transformatorju. Ob občasnem vklopu in izklopu napetosti na prvi žici je opazil izbruhe na galvanometru.

Galvanometer je zelo občutljiv instrument za merjenje majhnih tokov.

Tako se je pokazal vpliv magnetno polje, ki nastane kot posledica toka v prvi žici, na stanju drugega prevodnika. Ta udar se je prenašal s prvega na drugega skozi jedro - kovinski torus. Kot rezultat raziskave so odkrili tudi vpliv trajnega magneta, ki se giblje v tuljavi, na njeno navitje.

Nato je Faraday razložil pojav elektromagnetna indukcija glede na črte sile. Druga je bila instalacija za generiranje enosmernega toka: bakren disk se je vrtel v bližini magneta, žica, ki drsi po njem, pa je bila zbiralnik toka. Ta izum se imenuje Faradayev disk.

Znanstveniki tistega obdobja niso sprejeli Faradayevih idej, Maxwell pa je raziskavo vzel za osnovo svoje magnetne teorije. Leta 1836 je Michael Faraday vzpostavil odnose za elektrokemične procese, ki so jih poimenovali Faradayjevi zakoni elektrolize. Prvi opisuje razmerje med maso snovi, ki se sprosti na elektrodi, in tokom, ki teče, drugi pa razmerje med maso snovi v raztopini in maso snovi, ki se sprosti na elektrodi, za določeno količino elektrika.

Elektrodinamika

Prva dela se uporabljajo v fiziki, natančneje pri opisu delovanja električnih strojev in naprav (transformatorjev, motorjev itd.). Faradayev zakon pravi:

Za vezje je inducirana emf neposredno sorazmerna z velikostjo hitrosti magnetni tok, ki se po tej konturi premika z znakom minus.

Lahko se reče preprosto rečeno: hitreje kot se magnetni tok premika skozi vezje, več EMF nastane na njegovih sponkah.

Formula izgleda takole:

Tukaj je dФ magnetni tok, dt pa enota časa. Znano je, da je prva izpeljanka glede na čas hitrost. To je hitrost gibanja magnetnega toka v tem konkretnem primeru. Mimogrede, lahko se premika, kot vir magnetnega polja (tuljava s tokom - elektromagnet, oz. trajni magnet) in konturo.

Tukaj lahko tok izrazimo z naslednjo formulo:

B je magnetno polje in dS površina.

Če upoštevamo tuljavo z gosto navitimi zavoji, medtem ko je število zavojev N, potem Faradayev zakon izgleda takole:

Magnetni tok v formuli za en obrat se meri v Webersu. Tok, ki teče v vezju, se imenuje induktiven.

Elektromagnetna indukcija je pojav toka v zaprtem krogu pod vplivom zunanjega magnetnega polja.

V zgornjih formulah lahko opazite znake modulov, brez njih ima nekoliko drugačno obliko, kot je bilo rečeno v prvi formulaciji, z znakom minus.

Znak minus pojasnjuje Lenzovo pravilo. Tok, ki se pojavi v vezju, ustvarja magnetno polje, usmerjeno je v nasprotno smer. To je posledica zakona ohranjanja energije.

Smer indukcijski tok se lahko določi s pravilom desno roko ali pa smo to podrobno obravnavali na naši spletni strani.

Kot že omenjeno, zaradi pojava elektromagnetne indukcije delujejo električni stroji, transformatorji, generatorji in motorji. Slika prikazuje tok toka v navitju armature pod vplivom magnetnega polja statorja. V primeru generatorja, ko se njegov rotor vrti z zunanjimi silami, v navitjih rotorja nastane EMF, tok ustvari nasprotno usmerjeno magnetno polje (isti predznak minus v formuli). Večji kot je tok, ki ga vleče obremenitev generatorja, večje je to magnetno polje in težje ga je vrteti.

In obratno - ko tok teče v rotorju, nastane polje, ki je v interakciji s poljem statorja in rotor se začne vrteti. Ko je gred obremenjena, se tok v statorju in v rotorju poveča, zato je treba zagotoviti preklapljanje navitij, vendar je to druga tema, povezana z načrtovanjem električnih strojev.

V središču delovanja transformatorja je vir gibljivega magnetnega toka izmenično magnetno polje, ki nastane kot posledica pretoka izmeničnega toka v primarnem navitju.

Če želite to vprašanje podrobneje preučiti, priporočamo ogled videoposnetka, ki preprosto in jasno razlaga Faradayev zakon za elektromagnetno indukcijo:

Elektroliza

Poleg raziskav EMF in elektromagnetne indukcije je znanstvenik naredil velika odkritja v drugih disciplinah, vključno s kemijo.

Ko tok teče skozi elektrolit, začnejo ioni (pozitivni in negativni) hiteti do elektrod. Negativi se premikajo proti anodi, pozitivni proti katodi. Hkrati se na eni od elektrod sprosti določena masa snovi, ki jo vsebuje elektrolit.

Faraday je izvajal poskuse, prenašal različne tokove skozi elektrolit in meril maso snovi, nanesene na elektrode, sklepal vzorce.

m je masa snovi, q je naboj, k pa je odvisen od sestave elektrolita.

In naboj je mogoče izraziti v smislu toka v določenem časovnem obdobju:

I=q/t, potem q = i*t

Zdaj lahko določite maso snovi, ki se bo sprostila, ob poznavanju toka in časa, ko je tekla. To se imenuje prvi Faradayev zakon elektrolize.

drugi zakon:

Utež kemični element, ki se bo usedla na elektrodo, je neposredno sorazmerna z ekvivalentno maso elementa (molarna masa, deljena s številom, ki je odvisno od kemijska reakcija v kateri je snov vključena).

Glede na zgoraj navedeno so ti zakoni združeni v formulo:

m je masa sproščene snovi v gramih, n je število elektronov, prenesenih v elektrodnem procesu, F=986485 C/mol je Faradayjevo število, t je čas v sekundah, M je molska masa snovi g /mol.

V resnici zaradi različni razlogi, je masa sproščene snovi manjša od izračunane (pri izračunu ob upoštevanju tekočega toka). Razmerje med teoretično in realno maso se imenuje trenutni izhod:

B t \u003d 100% * m izračun / m teor

Faradayevi zakoni so pomembno prispevali k razvoju sodobna znanost, zahvaljujoč njegovemu delu imamo elektromotorje in generatorje električne energije (pa tudi delo njegovih privržencev). Delovanje EMF in pojavi elektromagnetne indukcije so nam dali večino sodobne električne opreme, vključno z zvočniki in mikrofoni, brez katerih poslušanje posnetkov in glasovna komunikacija nista mogoča. Pri galvanski metodi prevleke materialov se uporabljajo postopki elektrolize, ki imajo tako dekorativno kot praktično vrednost.

Povezana vsebina:

Všeč mi je ( 0 ) Ne maram( 0 )