Закон Фарадея для электролиза

Т. Законы электролиза

Закон Фарадея для электролиза

Закон Фарадея для электролиза связывает массу выделяющегося вещества с прошедшим через электролит электрическим зарядом. При прохождении электрического тока через электролит происходит выделение на электродах составных частей электролита.

Это явление называется электролизом (от греческого “лио” — разделяю). Электролиз связан с процессами обмена зарядами между ионами и электродами.

На аноде отрицательно заряженные ионы (анионы) отдают свои лишние электроны (окислительная реакция), а на катоде положительные ионы (катионы) получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Отдав свои избыточные заряды, ионы превращаются в нейтральные атомы.

Эти атомы (или образованные из них молекулы выделяются на электродах, либо вступают в реакцию с электродами или растворителем. Химические реакции, в которые вступают нейтрализовавшиеся ионы, называются вторичными. Продукты вторичных реакций выделяются на электродах или переходят в раствор.

Рассмотрим несколько примеров, выражающих суть электролиза.

Пример 1

Пусть в электролитической ванне находится водный раствор соляной кислоты. Молекулы соляной кислоты при растворении в воде почти полностью диссоциируют на ионы водорода и ионы хлора:

\(~HCl \leftrightarrows H+ + Cl-.\)

При прохождении электрического тока через раствор на электродах происходит нейтрализация ионов.

Подойдя к аноду, Cl- отдает избыточный электрон, превращается в нейтральный атом Cl, атомы Cl сразу же объединяются попарно в молекулы Cl2:

\(~Cl- + Cl- – 2e \to Cl_2,\)

и на аноде выделяется молекулярный хлор.

Атомы водорода, нейтрализовавшиеся у катода, объединяются попарно в молекулы H2:
\(~H+ + H+ + 2e \to H_2,\)

и на катоде выделяется молекулярный водород.

Таким образом, в результате прохождения электрического тока через водный раствор HCl на катоде выделяется водород, на аноде — хлор. Вторичных реакций не происходит.

Пример 2

Молекулы серной кислоты при растворении в воде диссоциируют на ионы водорода и ионы кислотного остатка:

\(~H_2SO_4 \leftrightarrows 2H+ + SO_4{2-}.\)

При прохождении электрического тока через раствор на электродах протекают следующие реакции:

\(~2H+ + 2e \to H_2,\)\(~SO_4{2-} – 2e \to SO_4.\)

Водород выделяется в виде пузырьков на катоде. Нейтральная группа SO4 химически очень активна и вступает во вторичную реакцию. Если электроды изготовлены, например, из платины или никеля, то SO4 реагирует с водой:

\(~2SO_4 + 2H_2O \to 2H_2SO_4 + O_2.\)

Молекула серной кислоты поступает в раствор, кислород выделяется в виде пузырьков у анода, т.е. вторичная реакция протекает с растворителем.

Пример 3

Пусть в электролитической ванне находится водный раствор сульфата меди. Под действием растворителя молекулы сульфата меди диссоциируют на ионы меди и ионы кислотного остатка:

\(~CuSO_4 \leftrightarrows Cu{2+} + SO_4{2-}.\)

При прохождении электрического тока через раствор на катоде ионы меди превращаются в нейтральные атомы \(~Cu{2+} + 2e \to Cu\), и медь откладывается на катоде. На аноде происходит нейтрализация комплекса SO42-\[~SO_4{2-} – 2e \to SO_4.\].

Если электроды медные, то нейтральная группа SO4 предпочтительнее вступает в реакцию с медью, чем с водой\[~SO_4 + Cu \to CuSO_4.\].

Молекула CuSO4 поступает в раствор. Вторичная реакция протекает с электродом из меди. Происходит отложение меди на катоде и растворение анода. Химический состав электролита при этом остается неизменным.

Необходимым условием электролиза является прохождение через электролит постоянного электрического тока.

Массу вещества, выделившегося при электролизе, можно рассчитать, пользуясь электронной теорией.

Эта масса определяется массой всех N ионов, которые осели на электроде: m = m0N, где m0 — масса одного иона, N — число ионов, которое можно рассчитать, зная массу вещества m и его молярную массу М\[~N = \frac mM N_A\], где NA — число Авогадро.

С другой стороны, число ионов можно выразить через заряд q, про-шедший через электролит, и заряд одного иона qi\[~N = \frac{q}{q_i}\].

Следовательно, \(~\frac{q}{q_i} = \frac mM N_A \Rightarrow m = \frac{qM}{q_i N_A}\).

Заряд иона любого вещества кратен заряду одновалентного иона, т.е. заряду электрона qi = ne, где n — валентность иона.

Таким образом,

\(~m = \frac{M}{ne N_A} q . \qquad (1)\)

Величины Μ и n постоянны для данного вещества. Поэтому выражение \(~\frac{M}{ne N_A} = k\) — величина постоянная для данного вещества. Ее называют электрохимическим эквивалентом. Тогда m = kq.

Приведенная зависимость впервые была экспериментально установлена М. Фарадеем в 30-х годах XIX века. Эта формула выражает закон Фарадея: масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду q. прошедшему через электролит:

\(~m = kq .\)

Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении через раствор электролита заряда в 1 Кл. В СИ единицей электрохимического эквивалента является килограмм на кулон (кг/Кл) .

Убедиться в справедливости закона Фарадея можно на опыте. Соберем установку, показанную на рисунке 1. Все три электролитические ванны заполнены одним и тем же раствором электролита, но токи, проходящие через них, различны.

Обозначим силы токов через I1, I2, I3. Тогда I1 = I2 + I3.

Измеряя массы m1, m2, m3 выделившихся на электродах веществ в разных ваннах, можно убедиться, что они пропорциональны соответствующим силам тока I1, I2, I3.

Рис. 1

Закон Фарадея сыграл важную роль в истории развития физики. Именно закон, полученный Фарадеем опытным путем, послужил толчком к выдвижению гипотезы о существовании в природе элементарного электрического заряда.

Закон Фарадея позволяет определить заряд одновалентного иона (заряд электрона). Из формулы (1) \(~e = \frac{Mq}{m N_A n} = \frac{Mq}{m N_A} = \frac{MIt}{m N_A}\), т.е.

надо измерить на опыте только массу выделившегося вещества m и силу тока в цепи I.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 283-286.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/%D0%A2._%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%8B_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0

Закон Фарадея для электролиза

Закон Фарадея для электролиза

  1. Суть процесса электролиза
  2. Первый закон Фарадея
  3. Второй закон Фарадея

Электрический ток, проходящий через растворы электролитов, способствует разложению веществ и дает возможность получать химически чистые материалы.

Данный процесс получил наименование электролиза, нашедшего широкое применение в промышленном производстве.

Физические преобразования проводников, находящихся в жидкости, объясняет закон Фарадея для электролиза, на основании которого анод выполняет функцию положительного электрода, а катод – отрицательного.

С помощью этого явления осуществляется не только очистка металлов от примесей, но и выполняется нанесение тонких покрытий, защищающих и украшающих металлические поверхности.

Суть процесса электролиза

Электролизом называются процессы окислительно-восстановительных реакций, протекающие под принудительным воздействием электрического тока. Для его выполнения используется специальная емкость с электролитическим раствором, куда погружаются металлические штыри, соединенные с наружным источником питания.

Электрод, соединенный с полюсом отрицательного значения источника тока, считается катодом. Именно в данном месте частицы электролита восстанавливаются. Другой электрод подключается к плюсовому полюсу и носит название анода.

На этом участке вещество электрода или частицы электролита окисляются. Химические реакции на этом участке происходят по-разному, в зависимости от материала анода и состава электролитического раствора.

Поэтому, как утверждает химия, электроды по отношению к электролиту могут быть инертными или растворимыми.

К категории инертных относятся аноды, изготовленные из материала, не окисляющегося во время электролиза. В качестве примера можно привести графитовые или платиновые электроды. Растворимыми являются практически все остальные виды металлических анодов, подверженных окислению в ходе электролитической реакции.

Электролитами чаще всего служат различные виды растворов или расплавов, внутри которых происходит хаотичное движение заряженных частиц – ионов. Когда на них воздействует электрический ток, они начинают двигаться в определенном направлении: катионы – к катоду, анионы – к аноду. Попадая на электроды, они теряют свои заряды и оседают на них.

Таким образом, на катоде и аноде происходит накопление так называемых суммарных продуктов, состоящих из электрически нейтральных веществ. Весь процесс электролиза выполняется под напряжением, подаваемым на электроды.

Данное напряжение Uэл-за является типичным примером разности потенциалов, требующейся для обеспечения нормального течения электролитических реакций.

Чисто теоретически это напряжение принимает вид формулы: Uэл-за = Еа – Ек, в которой Еа и Ек являются потенциалами химических реакций, происходящих на аноде и катоде.

Существует определенная связь между количеством электричества, протекавшего через раствор, и количеством вещества, выделенного в период электролитической реакции. Данное явление было описано английским физиком Фарадеем и оформлено в виде двух законов.

Первый закон Фарадея

Данный закон был выведен ученым экспериментальным путем. Он определяет пропорциональную зависимость между массой вещества, образующегося на электроде и зарядом, проходящим через электролитический раствор.

Эту пропорцию наглядно отображает формула m=k х Q=k х I х t, где k является коэффициентом пропорциональности или электрохимическим эквивалентом, Q – заряд, прошедший через электролит, t – время прохождения заряда, m – масса вещества, образовавшегося на электроде в результате реакции.

Первый закон Фарадея служит для определения количества первичных продуктов, образовавшихся в процессе электролиза на электродах. Масса этого вещества составляет суммарную массу всех ионов, попавших на электрод.

Это подтверждается формулой m=m0 х N = m0 х Qq0 = m0q0 х I х t, в которой m0 и q0 соответственно являются массой и зарядом единичного иона.

N=Qq0 – определяет количество ионов, попавших на электрод за время прохождения заряда Q через раствор электролита.

Следовательно, величина электрохимического эквивалента k представляет собой соотношение массы иона m0 используемого вещества и заряда q0 этого иона.

Известно, что величина заряда иона составляет произведение валентности n этого вещества и элементарного заряда е, то есть, q0 = n х e. Исходя из этого, электрохимический эквивалент k будет выглядеть следующим образом: k = m0q0 = m0 х NAn х e х NA = 1F х μn.

В этой формуле NA является постоянной Авогадро, μ – молярной массой данного вещества. F = e х NA является постоянной Фарадея и составляет 96485 Кл/моль.

Числовое значение данной величины равняется заряду, который должен быть пропущен через раствор электролита, для того чтобы на электроде выделился 1 моль вещества с одинаковой валентностью. Рассматриваемый закон Фарадея для электролиза примет вид еще одной формулы: m = 1F х μn х I х t.

Второй закон Фарадея

Следующий закон ученого Фарадея описывает, как электрохимический эквивалент будет зависеть от атомной массы вещества и его валентности.

У этого коэффициента будет прямая пропорциональная зависимость с атомным весом и обратно пропорциональная – с валентностью вещества.

С введением данной величины, второй закон Фарадея формулируется как пропорция электрохимических эквивалентов вещества и собственных химических эквивалентов этих веществ.

Если значения электрохимических эквивалентов взять за k1, k2, k3…kn, а химические эквиваленты принять за х1, х2, х3…xn, то k1/x1 = k2/x2 = k3/x3…kn/xn.

Данное соотношение является постоянной величиной, одинаковой для любых используемых веществ: с = k/x и составляет 0,01036 мг-экв/к.

Именно такое количество вещества в миллиграмм-эквивалентах выделяется на электродах за период прохождения в электролите электрического заряда, равного одному кулону.

Следовательно, второй закон Фарадея можно представить в виде формулы: k = cx. Если данной выражение использовать вместе с первым законом Фарадея, то в результате получится следующее выражение: m = kq = cxq = cxlt.

Здесь категория с представляет собой универсальную постоянную, в размере 0,00001036 г-экв/к.

Подобная формулировка дает возможность понять, что одни и те же токи, пропущенные через одинаковый промежуток времени в двух различных электролитах, выделят из них вещества с соблюдением рассмотренного химического эквивалента.

Поскольку x = A/n, то масса выделяемого вещества будет выглядеть как m = cA/nlt, с соблюдением прямой пропорции с атомным весом и обратной пропорции с валентностью.

Источник: https://electric-220.ru/news/zakon_faradeja_dlja_ehlektroliza/2018-10-06-1582

Законы Фарадея в химии и физике — краткое объяснение простыми словами

Закон Фарадея для электролиза
Для описания процессов в физике и химии есть целый ряд законов и соотношений, полученных экспериментальным и расчетным путем.

Ни единого исследования нельзя провести без предварительной оценки процессов по теоретическим соотношениям.

Законы Фарадея применяются и в физике, и в химии, а в этой статье мы постараемся кратко и понятно рассказать о всех знаменитых открытиях этого великого ученого.

История открытия

Закон Фарадея в электродинамике был открыт двумя ученными: Майклом Фарадеем и Джозефом Генри, но Фарадей опубликовал результаты своих работ раньше – в 1831 году.

В своих демонстрационных экспериментах в августе 1831 г. он использовал железный тор, на противоположные концы которого был намотан провод (по одному проводу на стороны).

На концы одного первого провода он подал питание от гальванической батареи, а на выводы второго подключил гальванометр. Конструкция была похожа на современный трансформатор.

Периодически включая и выключая напряжение на первом проводе, он наблюдал всплески на гальванометре.

Гальванометр — это высокочувствительный прибор для измерения силы токов малой величины.

Таким образом было изображено влияние магнитного поля, образовавшегося в результате протекания тока в первом проводе, на состояние второго проводника. Это воздействие передавалось от первого ко второму через сердечник – металлический тор. В результате исследований было обнаружено и влияние постоянного магнита, который двигается в катушке, на её обмотку.

Тогда Фарадей объяснял явление электромагнитной индукции с точки зрения силовых линий. Еще одной была установка для генерирования постоянного тока: медный диск вращался вблизи магнита, а скользящий по нему провод был токосъёмником. Это изобретение так и называется — диск Фарадея.

Ученные того периода не признали идеи Фарадея, но Максвелл взял исследования для основы своей магнитной теории. В 1836 г.

Майкл Фарадей установил соотношения для электрохимических процессов, которые назвали Законами электролиза Фарадея.

Первый описывает соотношения выделенной на электроде массы вещества и протекающего тока, а второй соотношения массы вещества в растворе и выделенного на электроде, для определенного количества электричества.

Электродинамика

Первые работы применяются в физике, конкретно в описании работы электрических машин и аппаратов (трансформаторов, двигателей и пр.). Закон Фарадея гласит:

Для контура индуцированная ЭДС прямо пропорциональна величине скорости магнитного потока, который перемещается через этот контур со знаком минус.

Это можно сказать простыми словами: чем быстрее магнитный поток движется через контур, тем больше на его выводах генерируется ЭДС.

Формула выглядит следующим образом:

Здесь dФ – магнитный поток, а dt – единица времени. Известно, что первая производная по времени – это скорость. Т.е скорость перемещения магнитного потока в данном конкретном случае. Кстати перемещаться может, как и источник магнитного поля (катушка с током – электромагнит, или постоянный магнит), так и контур.

Здесь же поток можно выразить по такой формуле:

B – магнитное поле, а dS – площадь поверхности.

Если рассматривать катушку с плотнонамотанными витками, при этом в количестве витков N, то закон Фарадея выглядит следующим образом:

Магнитный поток в формуле на один виток, измеряется в Веберах. Ток, протекающий в контуре, называется индукционным.

Электромагнитная индукция – явление протекания тока в замкнутом контуре под воздействием внешнего магнитного поля.

В формулах выше вы могли заметить знаки модуля, без них она имеет слегка иной вид, такой как было сказано в первой формулировке, со знаком минус.

Знак минус объясняет правило Ленца. Ток, возникающий в контуре, создает магнитное поле, оно направлено противоположно. Это является следствием закона сохранения энергии.

Направление индукционного тока можно определить по правилу правой руки или буравчика, мы его рассматривали на нашем сайте подробно.

Как уже было сказано, благодаря явлению электромагнитной индукции работают электрические машины трансформаторы, генераторы и двигатели. На иллюстрации показано протекание тока в обмотке якоря под воздействием магнитного поля статора.

В случае с генератором, при вращении его ротора внешними силами в обмотках ротора возникает ЭДС, ток порождает магнитное поле направленное противоположно (тот самый знак минус в формуле).

Чем больше ток, потребляемый нагрузкой генератора, тем больше это магнитное поле, и тем больше затрудняется его вращение.

И наоборот — при протекании тока в роторе возникает поле, которое взаимодействует с полем статора и ротор начинает вращаться. При нагрузке на вал ток в статоре и в роторе повышается, при этом нужно обеспечить переключение обмоток, но это уже другая тема, связанная с устройством электрических машин.

В основе работы трансформатора источником движущегося магнитного потока является переменное магнитное поле, возникающее в следствие протекания в первичной обмотке переменного тока.

Если вы желаете более подробно изучить вопрос, рекомендуем просмотреть видео, на котором легко и доступно рассказывается Закон Фарадея для электромагнитной индукции:

Электролиз

Кроме исследований ЭДС и электромагнитной индукции ученный сделал большие открытия и в других дисциплинах, в том числе химии.

При протекании тока через электролит ионы (положительные и отрицательные) начинают устремляться к электродам. Отрицательные движутся к аноду, положительные к катоду. При этом на одном из электродов выделяется определенная масса вещества, которое содержится в электролите.

Фарадей проводил эксперименты, пропуская разный ток через электролит и измеряя массу вещества отложившегося на электродах, вывел закономерности.

m=k*Q

m – масса вещества, q – заряд, а k – зависит от состава электролита.

А заряд можно выразить через ток за промежуток времени:

I=q/t, тогда q = i*t

Теперь можно определить массу вещества, которое выделится, зная ток и время, которое он протекал. Это называется Первый закон электролиза Фарадея.

Второй закон:

Масса химического элемента, который осядет на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента (молярной массе разделенной на число, которое зависит от химической реакции, в которой участвует вещество).

С учетом вышесказанного эти законы объединяются в формулу:

m – масса вещества, которое выделилось в граммах, n – количество переносимых электронов в электродном процессе, F=986485 Кл/моль – число Фарадея, t – время в секундах, M молярная масса вещества г/моль.

В реальности же из-за разных причин, масса выделяемого вещества меньше чем расчетная (при расчетах с учетом протекающего тока). Отношение теоретической и реальной масс называют выходом по току:

Bт = 100% * mрасч/mтеор

Ну и напоследок рекомендуем просмотреть подробное объяснение закона Фарадея для электролиза:

Законы Фарадея внесли существенный вклад в развитие современной науки, благодаря его работам мы имеем электродвигатели и генераторы электроэнергии (а также работам его последователей).

Работа ЭДС и явления электромагнитной индукции подарили нам большую часть современного электрооборудования, в том числе и громкоговорители и микрофоны, без которых невозможно прослушивание записей и ая связь.

Процессы электролиза применяются в гальваническом методе покрытия материалов, что несет как декоративную ценность, так и практическую.

Источник: https://samelectrik.ru/zakony-faradeya-v-ximii-i-fizike.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть