ЗАКОНИ ФАРАДЕЯ (теорія)

Електрохімічні процеси широко застосовуються в різних галузях сучасної промисловості, в аналітичній хімії, біохімії тощо. Тому важливо знати як можна обчислити масу чи об’єм речовин, які будуть виділятися на електродах. Вперше явище електролізу докладно вивчив англійський фізик Майкл Фарадей. Точно вимірюючи масу речовин, які виділялись на електродах під час проходження електричного струму через розчин електроліту, він сформулював закони електролізу.

Мета уроку:

  • поглибити знання про процеси, що відбуваються під час електролізу;
  • усвідомити суть законів Фарадея;
  • навчитися обчислювати масу речовин та об’єм газів, що виділяються на електродах під час електролізу:
  • навчитися визначати силу струму і час електролізу, які необхідні для отримання певної порції речовини.

 

Ще у 1834 році Майкл Фарадей експериментально встановив закони електролізу, які носять його ім’я.

Перший закон електролізу.

Маса речовини, яка виділилась на електроді під час електролізу, прямо пропорційна заряду, що пройшов через електроліт.

m=k∙Q                                                                                                        1

де  m –  маса речовини (г);

k – електрохімічний еквівалент речовини: маса речовини, що виділилась на електроді при проходженні заряду 1 Кл (г/Кл);

Q – заряд (Кл);

Q = I∙τ                                                                                                         2

І – сила струму (А);

τ – час електролізу (с).

Підставивши формулу 2 у формулу 1, отримаємо

m = k∙I∙τ                                                                                                     3

Йони, які беруть участь у процесі електролізу мають певну масу. Разом із тим вони переносять через електроліт певний заряд. Тому маса речовини, що виділяється на електроді, та заряд, який проходить через електролізер, прямо пропорційні числу йонів, які відновлюються на катоді, або окиснюються на аноді. Як відомо масу речовини можна обчислити за формулою

m = M∙n,                                                                                                     4

де М – молярна маса речовини (г/моль), n – кількість речовини (моль).

Кількість речовини йонів, які розряджаються на електроді  залежить від заряду, що пройшов через електролізер, та від заряду самих йонів. Розглянемо, що буде відбуватися при електролізі різних солей, наприклад, аргентум(І) нітрату, купрум(ІІ) сльфату і стибій(ІІ) хлориду, які знаходяться в електролізерах сполучених послідовно.

последовательные электролизеры

За таких умов, через всі електролізери проходить однаковий заряд, а кількість речовин катіонів будуть обернено пропорційні їх зарядам:

n(Ag+) : n(Cu2+) : n(Sb3+) = 3 : 2 : 1.

Тому для обчислення маси речовини, що виділилась на електроді використовують масу реальної чи умовної частинки, що віддає, або приймає один електрон. Така частинка називається хімічним еквівалентом. У такому випадку

nекв.(Ag+) : n екв. (Cu2+) : n екв. (Sb3+) = 1 : 1 : 1.

Молярну масу хімічного еквівалента можна обчислити за формулою

моляр масса экв
.

де n(ē) – кількість електронів, що віддає або приймає одна частинка.

Другий закон Фарадея.

При однаковому електричному заряді, що пройшов через електроліт маси речовин, які виділяються під час електролізу, пропорційні відношенню молярних мас їх хімічних еквівалентів.

второй закон Фарадея

.

Для нашого випадку

m(Ag+) : m(Cu2+) : m(Sb3+) = Mекв(Ag+) : Mекв (Cu2+) : Mекв (Sb3+).

Кількість речовини еквівалентів, можна визначити за величиною заряду, що пройшов через електроліт за формулою

количество экв

 

 

.де F – число Фарадея, заряд, що потрібен для виділення 1 моль еквівалентів речовини (Кл/моль).

Постійна Фарадея дорівнює електричному заряду електронів кількістю 1 моль.

F=96500 Кл/моль.

Об’єднавши ці закони виведемо формулу для обчислення маси речовини, що утворилась на електроді

закон Фарадея 1

.

Об’єм газу, що виділився на електроді можна обчислити за формулою

вычисление объёма

.

де Vm – молярний об’єм газу, який за н.у. дорівнює 22,4 л/моль.

 

ВИСНОВКИ

Для обчислення маси речовини, що утворилась на електроді можна застосувати закони Фарадея.

Масу речовини, що утворилась на електроді можна обчислити  за формулою

закон Фарадея 1

Цю формулу можна використати для обчислення часу електролізу або сили струму, що знадобляться для виділення певної маси речовини на електроді.

Питання для закріплення знань.

  1. Від яких факторів залежить маса речовини, що утворюється на електродах під час електролізу?
  2. Що таке електрохімічний і хімічний еквіваленти?
  3. Виведіть формулу обчислення електрохімічного еквівалента за молярною масою речовини?
  4. У чому полягає фізичний сенс постійної Фарадея.
  5. Виведіть формулу для обчислення часу електролізу, що знадобиться для виділення визначеної маси речовини на електроді під час проходження електричного струму певної сили.
  6. Виведіть формулу для обчислення сили струму за відомою масою речовини, що виділяється на електроді, і часом проведення електролізу.

Перейти до сторінки Закони електролізу Фарадея