Faradayning elektroliz uchun yagona qonunining matematik yozuvi. Kimyo va fizikadagi Faraday qonunlari - oddiy so'zlar bilan qisqacha tushuntirish

Elektroliz qonunlari (Faraday qonunlari)

Chunki o'tish joyi elektr toki elektrokimyoviy tizimlar orqali kimyoviy transformatsiyalar bilan bog'liq bo'lib, oqayotgan elektr miqdori va reaksiyaga kirishadigan moddalar miqdori o'rtasida ma'lum bir bog'liqlik bo'lishi kerak. U Faraday tomonidan kashf etilgan va elektrokimyoning birinchi miqdoriy qonunlarida ifodalangan, keyinchalik Faraday qonunlari deb ataladi.

Faradayning birinchi qonuni . Elektroliz jarayonida aylanadigan moddalar miqdori elektrolitdan o'tgan elektr miqdoriga mutanosibdir:

Dm = k e q = k e Bu ,

Dm - reaksiyaga kirgan moddaning miqdori; k e - qandaydir mutanosiblik koeffitsienti; q - oqim kuchi I va vaqt t mahsulotiga teng elektr miqdori. Agar q = Bu = 1 bo'lsa, u holdaDm = k er, ya'ni koeffitsient k e - birlik miqdoridagi elektr energiyasi oqimi natijasida reaksiyaga kirishgan moddaning miqdori. Koeffitsient k uhchaqirdi elektrokimyoviy ekvivalent .

Faradayning ikkinchi qonuni reaksiyaga kirgan moddaning miqdori va uning tabiati o'rtasidagi bog'liqlikni aks ettiradi: doimiy miqdordagi o'tgan massa elektr energiyasi bilan turli moddalar, elektrodlarda transformatsiyani boshdan kechirish (eritmadan izolyatsiya, valentlikning o'zgarishi), bu moddalarning kimyoviy ekvivalentlariga mutanosib:

Dm i/A i= const .

Faradayning ikkala qonunini bitta umumiy qonun shaklida birlashtirish mumkin: oqim 1 bilan chiqarib yuborish yoki o'zgartirish uchun g-ekv har qanday modda (1/zmoddaning mol) har doim bir xil miqdordagi elektr energiyasiga muhtoj, deyiladi Faraday raqami (yoki faraday ):

Dm = Bu=Bu .

Faraday raqamining aniq o'lchangan qiymati

F = 96484,52 ± 0,038 C/g-ekv.

Bu har qanday turdagi ionlarning bir gramm ekvivalenti tomonidan olib boriladigan zaryaddir. Bu raqamni ko'paytirishz (ionning elementar zaryadlari soni), biz 1 ni olib yuradigan elektr miqdorini olamiz g-ion . Faraday raqamini Avogadro soniga bo'lib, biz bitta univalent ionning zaryadini olamiz, bu elektronning zaryadiga teng:

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

1833 yilda Faraday tomonidan kashf etilgan qonunlar ikkinchi turdagi o'tkazgichlar uchun qat'iy amal qiladi. Faraday qonunlaridan kuzatilgan og'ishlar aniq. Ular ko'pincha hisobga olinmagan parallel elektrokimyoviy reaktsiyalarning mavjudligi bilan bog'liq. Faraday qonunidan chetga chiqish sanoat korxonalari oqimning oqishi, eritmani püskürtmede moddaning yo'qolishi va boshqalar bilan bog'liq. Texnik sharoitlarda elektroliz natijasida olingan mahsulot miqdorining Faraday qonuni asosida hisoblangan miqdorga nisbati birlikdan kichik va deyiladi. joriy chiqish :

B T = = .

Ehtiyotkorlik bilan laboratoriya o'lchovlari aniq elektrokimyoviy reaktsiyalar uchun joriy samaradorligi birga teng(eksperimental xato ichida). Faraday qonuniga qat'iy rioya qilinadi, shuning uchun u kontaktlarning zanglashiga olib o'tgan elektr miqdorini elektrodda chiqarilgan moddaning miqdori bo'yicha o'lchashning eng aniq usulining asosidir. Ushbu o'lchovlar uchun foydalaning kulometrlar . Kulometr sifatida elektrokimyoviy tizimlar qo'llaniladi, ularda parallel elektrokimyoviy va yon kimyoviy reaktsiyalar mavjud emas. Hosil bo'lgan moddalar miqdorini aniqlash usullari bo'yicha kulometrlar elektrogravimetrik, gazli va titrlashga bo'linadi. Elektrogravimetrik kulometrlarga kumush va mis kulometrlarni misol qilish mumkin. Elektrolizator bo'lgan Richardson kumush kulometrining harakati

(–) Agï AgNO3× oqï Ag (+) ,

elektroliz jarayonida katodga yotqizilgan kumush massasini tortishga asoslangan. 96500 S (1 faraday) elektr toki o'tganda katodda 1 g-ekv kumush (107 g) ajralib chiqadi. O'tayotgandan F elektr toki, katodda eksperimental aniqlangan massa chiqariladi (Dm uchun). Elektr energiyasining o'tgan faradlari soni nisbatdan aniqlanadi

n = Dm /107 .

Mis kulometrining ishlash printsipi shunga o'xshash.

Gaz kulometrlarida elektroliz mahsulotlari gazlar bo'lib, elektrodlarda ajralib chiqadigan moddalar miqdori ularning hajmlarini o'lchash yo'li bilan aniqlanadi. Bunday turdagi qurilmalarga misol sifatida suvning elektroliz reaktsiyasiga asoslangan gaz kulometrini keltirish mumkin. Elektroliz jarayonida vodorod katodda ajralib chiqadi:

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

va anoddagi kislorod:

H 2 O \u003d 2H + +½ O 2 +2 e – V- chiqarilgan gazning umumiy hajmi, m3.

Titrlash kulometrlarida elektroliz jarayonida hosil bo'lgan moddaning miqdori titrimetrik tarzda aniqlanadi. Ushbu turdagi kulometrlarga elektrokimyoviy tizim bo'lgan Kistyakovskiy titrlash kulometri kiradi.

(–) Ptï KNO3, HNO3ï Ag (+) .

Elektroliz jarayonida kumush anod eriydi, kumush ionlarini hosil qiladi, ular titrlanadi. Elektr tokining faradaylari soni formula bo'yicha aniqlanadi

n = mVc ,

qayerda m eritmaning massasi, g; V 1 g anodli suyuqlikni titrlash uchun ishlatiladigan titrant hajmi; c – titrant konsentratsiyasi, g-ekv/sm3.

Asoslar > Vazifalar va javoblar

Elektroliz. Faraday qonunlari

1 Natriyning elektrokimyoviy ekvivalentini toping. Natriyning molyar massasi m \u003d 0,023 kg / mol, uning valentligi z \u003d 1. Faraday doimiysi

Yechim:

2 Sink anodining massasi m \u003d 5 g elektrolitik vannaga joylashtiriladi, u orqali oqim o'tadi I \u003d 2 A. Qaysi vaqtdan keyin t anod metall buyumlarni qoplash uchun to'liq sarflanadimi? Sinkning elektrokimyoviy ekvivalenti

Yechim:

3 Zaryadning elektrolitik vannasidan o'tayotganda Faraday doimiysini toping q = 7348 C katodda oltin massasi ajralib chiqdi m \u003d 5 g. Oltinning kimyoviy ekvivalenti A \u003d 0,066 kg / mol.

Yechim:
Faradayning birlashgan qonuniga ko'ra

bu yerdan

4 Boshlang'ichni toping elektr zaryadi e, agar moddaning massasi soni jihatidan kimyoviy ekvivalentga teng bo'lsa, N ni o'z ichiga oladi o = N A /z atomlari yoki molekulalari.

Yechim:
Elektrolitlar eritmasidagi ionlar valentligi z ga teng bir qancha elementar zaryadlarga ega. Kimyoviy ekvivalentiga son jihatdan teng bo'lgan moddaning massasi chiqarilganda, Faraday doimiysiga son jihatdan teng bo'lgan eritmadan zaryad o'tadi, ya'ni.

Shunday qilib, elementar zaryad

5 Kumushning molyar massasi m 1 \u003d 0,108 kg / mol, uning valentligi z 1 = 1 va elektrokimyoviy ekvivalent. Agar oltin k2 ning elektrokimyoviy ekvivalentini toping molyar massa oltin m2 \u003d 0,197 kg / mol, uning valentligi z2 = 3.

Yechim:
Faradayning ikkinchi qonuniga ko'ra, biz bor

shuning uchun oltinning elektrokimyoviy ekvivalenti

6 Vaqt o'tishi bilan ajralib chiqadigan moddalarning massalarini toping t \u003d Tarmoqqa ketma-ket ulangan uchta elektrolitik vannaning katodlarida 10 soat to'g'ridan-to'g'ri oqim. Vannalardagi anodlar - mis, nikel va kumush mos ravishda CuS eritmalariga tushiriladi. O 4, NiS0 4 va AgN0 3 . Elektroliz oqimining zichligi j =40 A/m2, har bir vannada katod maydoni S = 500 sm mis, nikel va kumushning elektrokimyoviy ekvivalentlari

Yechim:
Vannalardagi oqim I=jS. Faradayning birinchi qonuniga ko'ra, elektroliz jarayonida ajralib chiqadigan moddalar massalari

7 Vaqt o'tishi bilan mahsulotlarni nikel bilan qoplashda t = 2 soat yotqizilgan nikel qatlami qalinligi l =0,03 mm.
Elektroliz paytidagi tok zichligini toping. Nikelning elektrokimyoviy ekvivalenti, uning zichligi

Yechim:

8 Elektrolitik hujayra bilan ketma-ket bo'lgan ampermetr oqimni ko'rsatadi io \u003d 1,5A. Agar vaqt ichida bo'lsa, ampermetr ko'rsatkichiga qanday tuzatish kiritish kerak t \u003d 10 daqiqada katodda mis massasi to'plangan m = 0,316 g? Misning elektrokimyoviy ekvivalenti.

Yechim:
Faradayning birinchi qonuniga ko'ra m = kI t , bu erda I - zanjirdagi oqim; bu yerdan I = m/kt \u003d 1,6 A, ya'ni. Ampermetr ko'rsatkichini tuzatish kerak.

9 Voltmetr ko'rsatkichlarining to'g'riligini tekshirishni istab, u ma'lum qarshilikka ega bo'lgan rezistor bilan parallel ravishda ulangan. R=30 ohm. Kumush elektrolizlangan umumiy sxemaga ketma-ket elektrolitik vanna kiritilgan. davomida t \u003d Ushbu vannada 5 daqiqa davomida kumush massasi ajralib chiqdi m = 55,6 mg. Voltmetr kuchlanishni ko'rsatdi Vo \u003d 6 V. Voltmetr ko'rsatkichi va o'rtasidagi farqni toping aniq qiymat rezistorda kuchlanishning pasayishi. Kumushning elektrokimyoviy ekvivalenti.

Yechim:
Faradayning birinchi qonuniga ko'ra m = kl t , bu erda I - zanjirdagi oqim. Qarshilikdagi kuchlanish pasayishining aniq qiymati V=IR = mR/k t \u003d 4,91 V. Voltmetr ko'rsatkichi va kuchlanish pasayishining aniq qiymati o'rtasidagi farq

10 Vaqt o'tishi bilan kumush tuz eritmasi orqali qoshiqlarni kumushlash uchun t \u003d 5 soatlik oqim o'tdi I \u003d 1,8 A. Katod n \u003d 12 qoshiq, ularning har biri sirt maydoniga ega S =50 sm2. Qoshiqlar ustiga yotqizilgan kumush qatlami qanchalik qalin? Kumushning molyar massasi m \u003d 0,108 kg / mol, uning valentligi z \u003d 1 va zichlik .

Yechim:
Qatlam qalinligi

11 Ikki elektrolitik vannalar ketma-ket ulangan. Birinchi vannada temir xlorid eritmasi (FeCl 2 ), ikkinchisida - temir xlorid eritmasi (FeCl 3 ). Zaryad vannadan o‘tganda har bir vannadagi katodlardagi temir va anodlardagi xlorning ajraladigan massalarini toping.. Temir va xlorning molyar massalari.

Yechim:
Birinchi vannada temir ikki valentli (z1=2), ikkinchi vannada uch valentli (z2 = 3). Shuning uchun, bir xil zaryadli eritmalardan o'tayotganda, katodlarda turli xil temir massalari ajralib chiqadi: birinchi vannada.

ikkinchi vannada

Xlor atomlarining valentligi z = 1 bo'lganligi sababli, har bir vannaning anodida xlor massasi ajralib chiqadi.

12 Sulfat kislota eritmasini elektroliz qilish jarayonida (CuS O 4 ) quvvat sarfi N=37 Vt. Agar vaqtida bo'lsa, elektrolitning qarshiligini toping t = 50 min vodorod ajraladi m = 0,3 g.Vodorodning molyar massasi m \u003d 0,001 kg / mol, uning valentligi z \u003d 1 .

Yechim:

13 Nikel ishlab chiqarishning elektrolitik usulida Vt massa birligi uchun sarflanadi m = 10 kVt / soat h/kg elektr energiyasi. Nikelning elektrokimyoviy ekvivalenti. Elektroliz qanday kuchlanishda amalga oshiriladi?

Yechim:

14 Agar elektrolitik usulda olish uchun Vt = 5 kVt sarflangan bo'lsa, ajralib chiqqan misning massasini toping. H h elektr. Elektroliz kuchlanishda amalga oshiriladi V =10 V, samaradorlik o'rnatishlar h =75%. Misning elektrokimyoviy ekvivalenti.

Yechim:
samaradorlik o'rnatishlar

bu yerda q vannadan o‘tuvchi zaryad. Chiqarilgan misning massasi m=kq; bu yerdan

15 Sulfat kislota eritmasidan qanday zaryad o'tadi (CuS O 4 ) vaqt ichida t \u003d 10 s, agar bu vaqt davomida oqim I dan bir xilda oshsa 1 = 0 ga 2 = 4A? Bu holda katodda qanday massa mis ajralib chiqadi? Misning elektrokimyoviy ekvivalenti.

Yechim:
O'rtacha oqim

Eritma orqali oqayotgan zaryad

Zaryadni grafik tarzda topish rasmda ko'rsatilgan. 369. Tokning vaqtga nisbatan grafigida soyali maydon son jihatdan zaryadga teng. Katodda to'plangan misning massasi,

16 Misni elektroliz bilan tozalashda ketma-ket ulangan elektrolitik vannalarga umumiy qarshiligi R=0,5 Om bo‘lgan V=10 V kuchlanish beriladi.Vaqt davomida vannaning katodlarida ajralib chiqqan sof misning massasini toping. t =10 soat emf qutblanish e = 6 V. Misning elektrokimyoviy ekvivalenti.

Yechim:

17 Bir muddat elektrolitik vanna orqali suvni elektroliz qilish jarayonida t = 25 min oqim I \u003d 20 A. Harorat qanday t chiqarilgan kislorod, agar u bosim ostida V = 1 l hajmda bo'lsa, p = 0,2 MPa? Suvning molyar massasi m \u003d 0,018 kg / mol. Kislorodning elektrokimyoviy ekvivalenti.

Yechim:

bu erda R \u003d 8,31 J / (mol K) - gaz doimiysi.

18 Alyuminiy ishlab chiqarishning elektrolitik usulida Vt massa birligiga sarflanadi 1 m = 50 kVt soat h/kg elektr energiyasi. Elektroliz V1 = kuchlanishida amalga oshiriladi 1 6.2 V. Quvvat iste'moli qanday bo'ladi W 2m V2 = 8 kuchlanishdagi birlik massasiga, 1 V?
Yechim:

redoks jarayoni, majburan elektr tokining ta'sirida oqadigan jarayon elektroliz deb ataladi.

Elektroliz elektrolit bilan to'ldirilgan elektrolitik hujayrada amalga oshiriladi, unda tashqi oqim manbaiga ulangan elektrodlar botiriladi.

Salbiy qutbga ulangan elektrod tashqi manba oqim deyiladi katod. Katodda elektrolitlar zarralarini kamaytirish jarayonlari sodir bo'ladi. Oqim manbasining musbat qutbiga ulangan elektrod deyiladi anod. Anodda elektrolitlar zarralari yoki elektrod materialining oksidlanish jarayonlari sodir bo'ladi.

Anod jarayonlari elektrolit va anod materialining tabiatiga bog'liq. Shu munosabat bilan elektroliz inert va eruvchan anod bilan ajralib turadi.

Anodga inert deyiladi, uning materiali elektroliz paytida oksidlanmaydi. Inert elektrodlarga, masalan, grafit (uglerod) va platina kiradi.

Anod eruvchan deb ataladi, uning materiali elektroliz paytida oksidlanishi mumkin. Aksariyat metall elektrodlar eriydi.

Elektrolit sifatida eritmalar yoki eritmalar ishlatilishi mumkin. Elektrolitlar eritmasida yoki eritmasida ionlar xaotik harakatda bo'ladi. Elektr tokining ta'sirida ionlar yo'naltirilgan harakatga ega bo'ladi: kationlar katodga, anionlar esa anodga qarab harakatlanadi va shunga mos ravishda ular elektrodlarda zaryadsizlanishi mumkin.

Elektroliz bilan inert elektrodlar bilan eriydi katodda faqat metall kationlari, anodda esa anionlar oksidlanishi mumkin.

Suvni elektroliz qilish jarayonida yechimlar katodda metall kationlaridan tashqari suv molekulalari, kislotali eritmalarda esa vodorod ionlari H + kamayishi mumkin. Shunday qilib, katodda quyidagi raqobatdosh reaktsiyalar mumkin:

(-) K: Men n + + yo'q→ Men

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

2H + + 2 ē → H 2

Katod avval bilan reaksiyaga kirishadi eng yuqori qiymat elektrod potentsiali.

Suvni elektroliz qilish jarayonida eruvchan anodli eritmalar, anionlarning oksidlanishiga qo'shimcha ravishda, elektrodning o'zi, suv molekulalari va gidroksid ionlarining (OH -) ishqoriy eritmalarida oksidlanish reaktsiyalari mumkin:

(+) A: Men - n ē→ Men n +

anion oksidlanishi E 0

2H2O-4 ē O2+4H+

4OH - - 4 ē \u003d O 2 + 2H 2 O

Anodda birinchi reaktsiya bilan eng kichik qiymat elektrod potentsiali.

Elektrod reaktsiyalari uchun muvozanat potentsiallari elektr toki bo'lmaganda beriladi.

Elektroliz - bu muvozanat bo'lmagan jarayon, shuning uchun oqim ostida elektrod reaktsiyalarining potentsiallari ularning muvozanat qiymatlaridan farq qiladi. Tashqi oqim ta'sirida elektrod potensialining muvozanat qiymatidan siljishi elektrod polarizatsiyasi deb ataladi. Polarizatsiya miqdori ortiqcha kuchlanish deb ataladi. Haddan tashqari kuchlanishning kattaligiga ko'plab omillar ta'sir qiladi: elektrod materialining tabiati, oqim zichligi, harorat, pH muhiti va boshqalar.

Metalllarning katod yog'inlarining ortiqcha kuchlanishlari nisbatan kichikdir.

Yuqori kuchlanish bilan, qoida tariqasida, vodorod va kislorod kabi gazlarning hosil bo'lish jarayoni davom etadi. Kislotali eritmalarda katodda minimal vodorodning ortiqcha kuchlanishi Pt (h=0,1 V), maksimal esa qo‘rg‘oshin, rux, kadmiy va simob uchun kuzatiladi. Kislotali eritmalar ishqoriy eritmalar bilan almashtirilganda haddan tashqari kuchlanish o'zgaradi. Masalan, ishqoriy muhitda platinada vodorodning ortiqcha kuchlanishi h = 0,31 V ni tashkil qiladi (Ilovaga qarang).

Anod kislorodining evolyutsiyasi ham ortiqcha kuchlanish bilan bog'liq. Kislorod evolyutsiyasining minimal ortiqcha kuchlanishi Pt elektrodlarida (h=0,7 V), maksimal esa rux, simob va qo'rg'oshinda kuzatiladi (Ilovaga qarang).

Yuqoridagilardan kelib chiqadiki, suvli eritmalarni elektroliz qilish jarayonida:

1) elektrod potentsiallari suvni kamaytirish potentsialidan (-0,82V) katta bo'lgan katodda metall ionlari kamayadi. -0,82V dan ko'proq salbiy elektrod potentsialiga ega bo'lgan metall ionlari kamaymaydi. Bularga gidroksidi va ishqoriy tuproq metallari va alyuminiy.

2) kislorodning haddan tashqari kuchlanishini hisobga olgan holda inert anodda potentsiali suv oksidlanish potentsialidan (+1,23V) kamroq bo'lgan anionlarning oksidlanishi sodir bo'ladi. Bunday anionlarga, masalan, I - , Br - , Cl - , NO 2 - , OH - kiradi. CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - - anionlari oksidlanmaydi.

3) eruvchan anod bilan elektroliz paytida bu metallardan elektrodlar neytral va kislotali muhitda eritiladi, ularning elektrod potentsiali + 1,23V dan, ishqoriyda esa + 0,413V dan past bo'ladi.

Katod va anoddagi jarayonlarning umumiy mahsuloti elektr neytral moddalardir.

Elektroliz jarayonini amalga oshirish uchun elektrodlarga kuchlanish qo'llanilishi kerak. Elektroliz kuchlanishi U el-za - katod va anodda sodir bo'ladigan reaksiyalar uchun zarur bo'lgan potensiallar farqi. Nazariy elektroliz kuchlanishi ( U el-za, nazariya) haddan tashqari kuchlanishni hisobga olmagan holda, birinchi turdagi o'tkazgichlarda va elektrolitlarda ohmik kuchlanishning pasayishi.

U el-za, nazariya = E lekin - E k, (7)

qayerda E lekin, E k - anodik va katod reaksiyalarining potentsiallari.

Elektroliz jarayonida ajralib chiqadigan moddaning miqdori va elektrolitdan o'tadigan oqim miqdori o'rtasidagi bog'liqlik ikkita Faraday qonuni bilan ifodalanadi.

I Faraday qonuni. Elektroliz jarayonida elektrodda hosil bo'lgan moddaning miqdori elektrolit eritmasidan (eritmasi) o'tgan elektr miqdori bilan to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir:

qayerda k elektrokimyoviy ekvivalent, g/C yoki g/Ah; Q elektr miqdori, Kulon, Q=Bu; t-vaqt, s; I- oqim, A; F\u003d 96500 C / mol (A s / mol) \u003d 26,8 A h / mol - Faraday doimiysi; E - moddaning ekvivalent massasi, g / mol.

Elektrokimyoviy reaksiyalarda moddaning ekvivalent massasi quyidagicha aniqlanadi:

n- bu moddaning hosil bo'lishining elektrod reaktsiyasida ishtirok etadigan elektronlar soni.

II Faraday qonuni. Bir xil miqdordagi elektr toki turli elektrolitlar orqali o'tganda, elektrodlarda chiqarilgan moddalarning massalari ularning ekvivalent massalariga mutanosib bo'ladi:

qayerda m 1 va m 2 – 1 va 2 moddalarning massalari, E 1 va E 2, g/mol – 1 va 2 moddalarning ekvivalent massalari.

Amalda, ko'pincha raqobatdosh oksidlanish-qaytarilish jarayonlarining paydo bo'lishi sababli, elektrodlarda eritma orqali o'tgan elektr energiyasiga qaraganda kamroq modda hosil bo'ladi.

Elektroliz jarayonida elektr yo'qotilishini tavsiflash uchun "Tok chiqishi" tushunchasi kiritilgan. joriy chiqish t ichida haqiqatda olingan elektroliz mahsuloti miqdoriga nisbatan foizda ifodalangan nisbatdir m haqiqat. nazariy jihatdan hisoblanganlarga m nazariya:

10-misol. Natriy sulfatning suvli eritmasini uglerod anodi bilan elektroliz qilishda qanday jarayonlar sodir bo'ladi? Agar uglerod elektrodi mis bilan almashtirilsa, elektrodlarda qanday moddalar ajralib chiqadi?

Yechim: Natriy sulfat eritmasida natriy ionlari Na +, SO 4 2- va suv molekulalari elektrod jarayonlarida ishtirok etishi mumkin. Uglerod elektrodlari inert elektrodlardir.

Katodda quyidagi qayta tiklash jarayonlari mumkin:

(-) K: Na + + ē → Na

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

Katodda elektrod potentsialining eng yuqori qiymatiga ega bo'lgan reaksiya birinchi bo'lib boradi. Shuning uchun, suv molekulalarining qisqarishi katodda sodir bo'ladi, vodorodning chiqishi va gidroksid ionlari OH hosil bo'lishi - katodga yaqin bo'shliqda. Katodda mavjud bo'lgan Na + natriy ionlari OH ionlari bilan birgalikda NaOH ishqoriy eritmasini hosil qiladi.

(+)A: 2 SO 4 2- - 2 ē → S 2 O 8 2-

2 H 2 O - 4 ē → 4H + + O 2 .

Anodda elektrod potentsialining eng past qiymatiga ega bo'lgan reaksiya birinchi bo'lib boradi. Shuning uchun kislorodning chiqishi bilan suv molekulalarining oksidlanishi anodda davom etadi va H + ionlari anod bo'shlig'ida to'planadi. H + ionlari bilan anodda mavjud bo'lgan SO 4 2- ionlari sulfat kislota H 2 SO 4 eritmasini hosil qiladi.

Elektrolizning umumiy reaktsiyasi tenglama bilan ifodalanadi:

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

katod mahsulotlari anod mahsulotlari

Uglerodli (inert) anodni mis bilan almashtirishda anodda boshqa oksidlanish reaktsiyasi - misning erishi mumkin bo'ladi:

Cu-2 ē → Cu2+

Bu jarayon boshqa mumkin bo'lgan anodik jarayonlarga qaraganda pastroq potentsial qiymat bilan tavsiflanadi. Shuning uchun Na 2 SO 4 ni mis anod bilan elektroliz qilishda anodda mis oksidlanadi, anod bo'shlig'ida mis sulfat CuSO 4 to'planadi. Elektrolizning umumiy reaktsiyasi tenglama bilan ifodalanadi:

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

katod mahsulotlari anod mahsuloti

11-misol. Nikelxlorid NiCl 2 suvli eritmasini inert anod bilan elektroliz qilish jarayonida sodir bo'ladigan jarayonlar tenglamasini tuzing.

Yechim: Nikel ionlari Ni 2+, Cl - va suv molekulalari nikel xlorid eritmasida elektrod jarayonlarida ishtirok etishi mumkin. Grafit elektroddan inert anod sifatida foydalanish mumkin.

Katodda quyidagi reaktsiyalar mumkin:

(-) K: Ni 2+ + 2 ē → Ni

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

Birinchi reaksiyaning potentsiali yuqoriroq, shuning uchun katodda nikel ionlari kamayadi.

Anodda quyidagi reaktsiyalar mumkin:

(+) A: 2 Cl - - 2 ē →Cl2

2H2O-4 ē O2+4H+ .

Anoddagi standart elektrod potentsiallariga ko'ra

kislorod chiqarilishi kerak. Aslida, elektrodda kislorodning yuqori kuchlanishi tufayli xlor chiqariladi. Haddan tashqari kuchlanishning kattaligi elektrod ishlab chiqarilgan materialga bog'liq. Grafit uchun kislorodning haddan tashqari kuchlanishi 1 A / sm 2 oqim zichligida 1,17 V ni tashkil qiladi, bu suvning oksidlanish potentsialini 2,4 V ga oshiradi.

Shuning uchun nikel xlorid eritmasining elektrolizi nikel va xlor hosil bo'lishi bilan davom etadi:

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

anoddagi katodda

12-misol. Agar elektroliz vaqti 25 minut, tok kuchi 3 A bo‘lsa, kumush nitrat AgNO 3 ning suvli eritmasini elektroliz qilishda inert elektrodlarda ajraladigan moddaning massasi va gaz hajmini hisoblang.

Yechim. AgNO 3 ning suvli eritmasini erimaydigan anod (masalan, grafit) holatida elektroliz qilish jarayonida elektrodlarda quyidagi jarayonlar sodir bo'ladi:

(-) K: Ag + + ē → Ag ,

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -.

Birinchi reaksiyaning potentsiali yuqoriroq, shuning uchun kumush ionlarining kamayishi katodda sodir bo'ladi.

(+) A: 2H 2 O - 4 ē O2+4H+ ,

anion NO 3 - oksidlanmagan.

g yoki litr l.

Vazifalar

5. Inert elektrodlarga elektroliz reaksiyalarini yozing va elektrolitlar eritmalarini elektroliz qilishda katodda olingan moddaning massasini va anodda ajralib chiqadigan gaz hajmini hisoblang, agar elektroliz vaqti 20 minut bo'lsa, tok kuchi. I\u003d 2A, agar oqim chiqishi V t \u003d 100% bo'lsa. Inert anodni topshiriqda ko'rsatilgan metall anodga almashtirishda elektrodlarda qanday moddalar ajralib chiqadi?

№№	Elektrolit	metall elektrod
	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

Jadvalning oxiri

Fizika va kimyodagi jarayonlarni tavsiflash uchun tajriba va hisoblash yo'li bilan olingan bir qator qonunlar va munosabatlar mavjud. Har qanday tadqiqotni nazariy munosabatlarga ko'ra jarayonlarni dastlabki baholamasdan olib bo'lmaydi. Faraday qonunlari fizikada ham, kimyoda ham qo'llaniladi va ushbu maqolada biz bu buyuk olimning barcha mashhur kashfiyotlari haqida qisqacha va aniq gapirishga harakat qilamiz.

Kashfiyot tarixi

Faradayning elektrodinamikadagi qonuni ikki olim: Maykl Faraday va Jozef Genri tomonidan kashf etilgan, ammo Faraday o'z ishining natijalarini avvalroq - 1831 yilda nashr etgan.

1831 yil avgust oyida o'zining namoyish tajribalarida u qarama-qarshi uchlarida sim o'ralgan (har bir tomonda bitta sim) bo'lgan temir torusdan foydalangan. Birinchi simning uchida u galvanik batareyadan quvvat berdi va ikkinchisining xulosalariga galvanometrni uladi. Dizayni zamonaviy transformatorga o'xshardi. Vaqti-vaqti bilan birinchi simdagi kuchlanishni yoqadi va o'chiradi, u galvanometrda portlashlarni kuzatdi.

Galvanometr kichik oqimlarni o'lchash uchun juda sezgir asbobdir.

Shunday qilib, ta'sir ko'rsatildi magnit maydon, birinchi simdagi oqim oqimi natijasida hosil bo'lgan, ikkinchi o'tkazgichning holati bo'yicha. Bu zarba birinchidan ikkinchisiga yadro - metall torus orqali uzatildi. Tadqiqotlar natijasida g'altakda harakatlanuvchi doimiy magnitning uning o'rashiga ta'siri ham aniqlandi.

Keyin Faraday bu hodisani tushuntirib berdi elektromagnit induksiya kuch chiziqlari bo'yicha. Yana biri to'g'ridan-to'g'ri oqim hosil qilish uchun o'rnatish edi: mis disk magnit yaqinida aylanadi va u bo'ylab sirpanadigan sim esa oqim kollektori edi. Ushbu ixtiro Faraday diski deb ataladi.

O'sha davr olimlari Faradayning g'oyalarini qabul qilishmadi, lekin Maksvell tadqiqotni uning magnit nazariyasining asosini yaratish uchun oldi. 1836 yilda Maykl Faraday elektrokimyoviy jarayonlar uchun aloqalarni o'rnatdi, ular Faradayning elektroliz qonunlari deb nomlashdi. Birinchisi elektrodda ajralib chiqadigan moddaning massasi va oqayotgan tokning nisbatini tavsiflaydi, ikkinchisi esa eritmadagi moddaning massasi bilan elektrodda chiqarilgan moddaning massasining ma'lum bir miqdori uchun nisbatini tavsiflaydi. elektr energiyasi.

Elektrodinamika

Birinchi ishlar fizikada, xususan, elektr mashinalari va apparatlari (transformatorlar, motorlar va boshqalar) ishini tavsiflashda qo'llaniladi. Faraday qonuni shunday deydi:

O'chirish uchun induktsiyalangan emf tezlikning kattaligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir magnit oqimi, bu kontur bo'ylab minus belgisi bilan harakatlanadi.

Aytish mumkin oddiy so'zlar bilan aytganda: magnit oqimi kontaktlarning zanglashiga olib o'tish tezligi qanchalik tez bo'lsa, uning terminallarida ko'proq EMF hosil bo'ladi.

Formula quyidagicha ko'rinadi:

Bu yerda dF magnit oqimi, dt esa vaqt birligi. Ma'lumki, vaqtga nisbatan birinchi hosila tezlikdir. Ya'ni, bu alohida holatda magnit oqimning harakat tezligi. Aytgancha, u magnit maydon manbai kabi harakatlanishi mumkin (oqimli bobin - elektromagnit yoki doimiy magnit) va kontur.

Bu erda oqimni quyidagi formula bilan ifodalash mumkin:

B - magnit maydon, dS - sirt maydoni.

Agar burilishlar soni N bo'lsa, zich o'ralgan burilishli bobinni ko'rib chiqsak, Faraday qonuni quyidagicha ko'rinadi:

Bir burilish uchun formuladagi magnit oqim Webersda o'lchanadi. Zanjirda oqayotgan tok induktiv deb ataladi.

Elektromagnit induktsiya - tashqi magnit maydon ta'sirida yopiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan oqim oqimi hodisasi.

Yuqoridagi formulalarda siz modul belgilarini ko'rishingiz mumkin, ularsiz u bir oz boshqacha shaklga ega, masalan, birinchi formulada aytilganidek, minus belgisi bilan.

Minus belgisi Lenz qoidasini tushuntiradi. Zanjirda paydo bo'ladigan oqim magnit maydon hosil qiladi, u teskari yo'nalishda yo'naltiriladi. Bu energiya saqlanish qonunining natijasidir.

Yo'nalish induksion oqim qoida bilan aniqlanishi mumkin o'ng qo'l yoki, biz buni veb-saytimizda batafsil ko'rib chiqdik.

Yuqorida aytib o'tilganidek, elektromagnit induksiya hodisasi tufayli elektr mashinalari, transformatorlar, generatorlar va motorlar ishlaydi. Rasmda stator magnit maydonining ta'siri ostida armatura o'rashidagi oqim oqimi ko'rsatilgan. Jeneratör bo'lsa, uning rotori tashqi kuchlar bilan aylanganda, rotor o'rashlarida EMF paydo bo'ladi, oqim teskari yo'naltirilgan magnit maydon hosil qiladi (formulada bir xil minus belgisi). Jeneratör yuki tomonidan chiqarilgan oqim qanchalik katta bo'lsa, bu magnit maydon qanchalik katta bo'lsa va uni aylantirish qiyinroq bo'ladi.

Va aksincha - rotorda oqim oqganda, stator maydoni bilan o'zaro ta'sir qiladigan maydon paydo bo'ladi va rotor aylana boshlaydi. Milya yuklanganda, stator va rotordagi oqim kuchayadi va sariqlarni almashtirishni ta'minlash kerak, ammo bu elektr mashinalarining dizayni bilan bog'liq boshqa mavzu.

Transformatorning ishlashining markazida harakatlanuvchi magnit oqimning manbai birlamchi o'rashdagi o'zgaruvchan oqim oqimi natijasida yuzaga keladigan o'zgaruvchan magnit maydondir.

Agar siz masalani batafsil o'rganmoqchi bo'lsangiz, elektromagnit induksiya uchun Faraday qonunini oson va aniq tushuntiradigan videoni tomosha qilishni tavsiya etamiz:

Elektroliz

EMF va elektromagnit induktsiya bo'yicha tadqiqotlar bilan bir qatorda, olim boshqa fanlar, jumladan kimyoda ham katta kashfiyotlar qildi.

Elektrolitlar orqali oqim o'tganda, ionlar (ijobiy va salbiy) elektrodlarga shoshila boshlaydi. Salbiylar anodga, musbatlar katodga qarab harakatlanadi. Shu bilan birga, elektrolitlar tarkibidagi elektrodlardan birida moddaning ma'lum bir massasi chiqariladi.

Faraday tajribalar o'tkazdi, elektrolitlar orqali turli xil oqimlarni o'tkazdi va elektrodlarga yotqizilgan moddaning massasini o'lchadi, naqshlarni aniqladi.

m - moddaning massasi, q - zaryad, k - elektrolitlar tarkibiga bog'liq.

Va to'lovni ma'lum vaqt oralig'idagi oqim bilan ifodalash mumkin:

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

Endi siz oqim va uning o'tgan vaqtini bilib, ajralib chiqadigan moddaning massasini aniqlashingiz mumkin. Bu Faradayning elektrolizning birinchi qonuni deb ataladi.

Ikkinchi qonun:

Og'irligi kimyoviy element elektrodga joylashadigan , elementning ekvivalent massasiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir (molyar massaga bog'liq bo'lgan raqamga bo'linadi). kimyoviy reaksiya unda modda ishtirok etadi).

Yuqoridagilarni hisobga olgan holda, ushbu qonunlar formulaga birlashtirilgan:

m - ajraladigan moddaning grammdagi massasi, n - elektrod jarayonida uzatilgan elektronlar soni, F=986485 C/mol Faraday soni, t - soniyalarda vaqt, M - g moddaning molyar massasi. /mol.

Aslida, tufayli turli sabablar, chiqarilgan moddaning massasi hisoblanganidan kamroq (oqim oqimini hisobga olgan holda hisoblashda). Nazariy va real massalarning nisbati joriy chiqish deb ataladi:

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

Faraday qonunlari taraqqiyotga katta hissa qo‘shdi zamonaviy fan, Uning ishi tufayli bizda elektr motorlari va elektr energiyasi generatorlari (shuningdek, uning izdoshlarining ishi). EMF ning ishi va elektromagnit induktsiya hodisalari bizga zamonaviy elektr jihozlarining ko'p qismini, shu jumladan dinamiklar va mikrofonlarni berdi, ularsiz yozuvlarni tinglash va ovozli aloqani amalga oshirish mumkin emas. Materiallarni qoplashning galvanik usulida elektroliz jarayonlari qo'llaniladi, bu ham dekorativ, ham amaliy ahamiyatga ega.

Tegishli tarkib:

kabi( 0 ) Yoqmayapti( 0 )