Законы электролиза Фарадея

Законы электролиза Фарадея являются фундаментальными в области электрохимии и предоставляют количественную основу для изучения и применения электролиза. Эти законы были разработаны Майклом Фарадеем, выдающимся ученым 19 века. Работа Фарадея заложила основу для современной электрохимии и промышленных приложений, связанных с электролизом.

Введение в электролиз

Электролиз – это химический процесс, который приводит к несамопроизвольной химической реакции с использованием электрической энергии. Этот процесс широко используется в промышленности для извлечения и очистки металлов, гальванопластики и производства химических соединений.

Во время электролиза через электролит пропускается электрический ток, вызывая его разложение. Электролит обычно представляет собой ионное соединение в расплавленном виде или растворённое в воде, что позволяет ионам свободно двигаться. Электролиз включает два типа электродов: анод (положительный) и катод (отрицательный).

Первый закон электролиза Фарадея

Первый закон электролиза утверждает, что масса вещества, произведенного на электродах во время электролиза, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит. Математически это можно выразить как:

m = Z * Q

Где:
m – масса вещества (в граммах)
Z - электрохимический эквивалент (в граммах на кулон)
Q - общий электрический заряд, проходящий через материал (в кулонах)

Электрохимический эквивалент (Z) специфичен для каждого вещества и рассчитывается по следующей формуле:

Z = M / (n * F)

Где:
M - молярная масса вещества (в граммах на моль)
n - количество молей электронов, участвующих в обмене
F - постоянная Фарадея (примерно 96485 кулонов на моль)

Представьте себе электрохимическую ячейку, содержащую раствор сульфата меди с медными электродами. Когда через нее проходит электричество, медь осаждается на катоде.

Примеры и расчеты

Рассмотрим осаждение меди с использованием электрического тока 2 ампера в течение 1 часа:

    Ток (I) = 2 A
    Время (t) = 1 час = 3600 секунд

    Q = I * T = 2A * 3600 s = 7200 C

    Молярная масса меди (Cu) = 63.5 г/моль
    n (для меди) = 2

    Электрохимический эквивалент, Z = M / (n * F)
                                    = 63.5 г/моль / (2 * 96485 C/моль)
                                    = 0.000329 г/с

    Осажденная масса, m = Z * Q
                        = 0.000329 г/С * 7200 С
                        = 2.37 грамм

Таким образом, на катоде будет осаждено 2.37 г меди.

Второй закон электролиза Фарадея

Второй закон электролиза гласит, что массы различных веществ, высвобождающихся при пропускании через них одного и того же количества электричества, пропорциональны их эквивалентным весам. Эквивалентный вес рассчитывается путем деления молярной массы на валентность (способность соединять ионы).

m1/m2 = E1/E2

Где:
m1, m2 - массы произведенных веществ
E1, E2 - эквивалентные веса

Рассмотрим установку, в которой как медные, так и серебряные ионы осаждаются с использованием одного и того же электрического заряда. Давайте рассчитаем массу каждого осажденного металла.

Пример меди и серебра

Дано:

• Молярная масса меди (Cu) = 63.5 г/моль, валентность = 2
• Молярная масса серебра (Ag) = 107.9 г/моль, валентность = 1

Рассчитайте массу (m₁ для Cu, m₂ для Ag) осажденную при 965 молях электронов.

    E1 (Cu) = 63.5 г/моль / 2 = 31.75 г/эквивалент
    E2 (Ag) = 107.9 г/моль / 1 = 107.9 г/эквивалент

    Используя второй закон Фарадея:

    m1/m2 = e1/e2
    m1/m2 = 31.75 г/эквивалент / 107.9 г/эквивалент 
    m1/m2 ≈ 0.294

    Если 31.75 г меди осаждается, 
    То 31.75 / 0.294 = 107.9 граммов серебра может быть осаждено 
    на тот же заряд.

Это показывает, как различные вещества производят разные массы в зависимости от их эквивалентного веса при воздействии одного и того же электрохимического заряда.

Применения законов Фарадея

Законы Фарадея важны в проектировании и оптимизации многих электрических и промышленных процессов, включая:

• Гальванопластика: использование электролиза для нанесения тонкого слоя металла на поверхность для защиты от коррозии или в эстетических целях.
• Электроочистка: очистка металлов путем удаления примесей с помощью контролируемого электролиза.
• Электрометаллургия: извлечение металлов из руд с использованием электролитических ячеек, что важно для металлургических отраслей.

Заключение

Законы электролиза Фарадея обеспечивают математическую и концептуальную основу для понимания того, как электрический заряд взаимодействует с химическими веществами, вызывая изменения. Эти принципы являются основополагающими не только в академическом контексте, но и во многих практических приложениях в различных отраслях промышленности.

Через понимание взаимосвязи между электрическим зарядом, массой и свойствами материалов, ученые и инженеры могут предсказывать результаты электролитических процессов с высокой точностью.

Комментарии