Проходження електричного струму через електроліти. Закони Фарадея.
При проходженні струму через деякі розчини, наприклад, через розчин сірчаної кислоти, відбувається розкладання води на складові частини - водень і кисень, які виділяються на пластинах, з'єднаних відповідно з негативним і позитивним полюсами батареї. Такого роду розчини, що розкладаються хімічно при проходженні через них струму, називаються електролітами, а сам процес розкладання речовини електричним струмом - електролізом. Провідники, занурені в електроліт для підведення до нього струму називаються електродами: позитивний електрод - анод, анод - катод. Продукти розкладання електроліту, наприклад, водень і кисень, в досвіді, виділяються на електродах весь час, поки йде струм. Масу виділився речовини можна виміряти. Якщо підібрати такий розчин, при якому виділяється речовина осідає у вигляді твердого осаду на електроді, то цю масу можна виміряти без труднощів. Наприклад, якщо пропускати струм через розчин мідного купоросу, то на катоді осідає мідь. Це явище можна легко спостерігати, якщо катод зробити з вугілля - на чорній поверхні вугілля буде помітний червоний шар виділилася міді. Зважуючи катод до і після досвіду, можна визначити масу облоги металу. Вимірювання показують, що маса речовини, яка виділяється на електродах, залежить від сили струму і часу електролізу. Замикаючи ланцюг на різні проміжки часу, можна переконатися в тому, що маса виділився речовини пропорційна часу проходження струму. Також маса виділився речовини пропорційна силі струму. Таким чином, виходить, що маса виділився речовини пропорційна добутку сили струму і часу електролізу. Все це дозволило Фарадею сформулювати важливий закон, який носить його ім'я: маса речовини, яка виділяється на електроді, пропорційна заряду, або кількістю електрики, що пройшов через електроліт. Це перший закон Фарадея. Якщо m - маса виділився речовини, I - сила струму, t - час електролізу, q - повний заряд, що пройшов через ванну за час t, то перший закон Фарадея можна записати так:
m = Kq = KIt, де K - коефіцієнт пропорційності.
Вважаючи в цій формулі заряд q = 1, отримаємо, що коефіцієнт K дорівнює масі речовини, що виділяється зарядом в 1 Кл, або інакше масі речовини, що виділяється струмом 1А за 1 с. Дослідження Фарадея показали, що величина K є характерною для кожної речовини. Величина K називається електрохімічним еквівалентом даної речовини. Таким чином, отримуємо, що електрохімічним еквівалентом речовини, називається маса цієї речовини, що виділяється під час електролізу одним кулоном протекшего через розчин електрики.
Електрохімічні еквіваленти різних речовин істотно відмінні один від іншого. Відповідь на питання - від яких властивостей речовини залежить його хімічний еквівалент, дає наступний важливий закон, який також був встановлений Фарадеєм на досвіді (другий закон Фарадея): електрохімічні еквіваленти різних речовин пропорційні їх молярним масам і обернено пропорційні числам, що виражає їх хімічну валентність. Усвідомити цей закон можна за допомогою наступного прикладу: Молярна маса срібла дорівнює 0,1079 кг / моль, його валентність - 1. Молярна маса цинку дорівнює 0,0654 кг / моль, його валентність - 2. Тому за другим законом Фарадея електрохімічні еквіваленти срібла і цинку повинні ставитися як: = 3,30
Якщо раніше позначити через K [кг / Кл] електрохімічний еквівалент речовини, через M [кг / моль] - його молярну масу, а через n - валентність (n = 1, 2, ...), то другий закон Фарадея можна переписати у вигляді :
Тут через 1 / F позначений коефіцієнт пропорційності, який є універсальною постійною, т. Е. Має однакове значення для всіх речовин. Величина F називається постійної Фарадея. Її значення, знайдене експериментально одно: F = 96484 Кл / моль. Ставлення молярної маси будь-якого речовини до його валентності M / n називають хімічним еквівалентом даної речовини. Це відношення показує, яка маса даної речовини необхідна для заміщення одного благаючи водню в хімічних сполуках. У одновалентних речовин хімічний еквівалент чисельно дорівнює молярної маси. Користуючись цим поняттям, можна висловити другий закон Фарадея наступним чином: електрохімічні еквіваленти речовин пропорційні їх хімічним еквівалентів. Тепер можна висловити обидва закони Фарадея у вигляді однієї формули: m = q = It, де m - маса речовини, що виділяється при проходженні через електроліт кількості електрики q. Це об'єднаний закон Фарадея. Ця формула має простий фізичний зміст. Покладемо в ній m = M / n, т. Е. Візьмемо масу одного хімічного еквівалента даної речовини. Тоді отримай F = q. Це означає, що постійна Фарадея чисельно дорівнює заряду q, який необхідно пропустити через будь-який електроліт, щоб виділити на електродах речовина в кількості, що дорівнює одному хімічному еквіваленту. Електроліз знаходить технічне застосування в таких процесах як електролітичний метод отримання чистих металів, гальваностегія, гальванопластика.
Завдання: Знаючи, що хімічний еквівалент водню дорівнює 1,045 ∙ 10 -8 кг / Кл, обчисліть електрохімічний еквівалент хлору. Валентність хлору дорівнює 1, відносні атомні маси хлору і водню рівні 35,45 і 1,008.
Практична робота №3:
Сріблення пластинок проводиться при щільності струму j = 0,5 А / дм 2. при цьому за час t = 5 год виділяється маса m = 2 кг срібла. Знайти площу пластинок. Електрохімічний еквівалент срібла K = 1,118 × 10 -6 кг / Кл.
Записати чисельні значення і одиниці вимірювання всіх фізичних величин, перевести частинні і кратні значення величин в цілі.
Використовувати формулу першого закону Фарадея.
Використовувати формулу для зв'язку сили струму, щільності струму з площею пластин: I = j × S
Скомбінувати дві вищенаведені формули, висловити невідому площа пластин через відомі величини, підставити числові значення і обчислити.
Електролітична ванна для отримання алюмінію розрахована на 25000 А. Електроліз алюмінію виробляється при робочій напрузі 4,8 В на ванні. Вихід по току (ККД) дорівнює 86%. Електрохімічний еквівалент K = 0,335 г / А × год. Скільки алюмінію проводиться за добу? Який витрата електроенергії на 1 кг алюмінію?
Записати чисельні значення і одиниці вимірювання всіх фізичних величин, перевести частинні і кратні значення величин в цілі.
Використовувати формулу першого закону Фарадея з урахуванням ККД: m = ηKIt, η - ККД
Використовувати формулу для роботи токаA = UIt, так як вона дорівнює споживаної електроенергії.
Витрата електроенергії знайти, використовуючи формулу: γ =, де γ - витрата електроенергії.
Зробити перевірку розмірності отриманих величин.
Під якою напругою слід проводити електроліз води на установці з ККД 80%, щоб при витратах електроенергії не більше 965 кДж виділився кисень знаходився в обсязі 1 л під тиском 200 кПа при температурі 300К? Постійна Фарадея, валентність кисню і молярна газова стала рівні відповідно 96500 Кл / моль; 2; 8,31 Дж / (моль × К).
Записати чисельні значення і одиниці вимірювання всіх фізичних величин, перевести частинні і кратні значення величин в цілі.
Шукане напруга знайти, висловивши його з формули: Eполезная = qU, гдеEполезная- електроенергія (корисна), що йде безпосередньо на виділення кисню.
Виходячи з того, що ККД визначається за формулою: η =, висловити з цієї формулиEполезная.
Знайти величину заряду з об'єднаного закону Фарадея: m =, висловивши з негоq.
Підставивши формули з пунктовdіeв формулу для напруги (пункт с), отримати формулу для напруги. У цій формулі крім напруги залишається невідомою маса виділився кисню.
Масу виділився кисню знайти, висловивши її з рівняння Менделєєва-Клапейрона: pV = RT, M = 32 × 10-3кг / моль - молярна маса кисню.
Підставивши формулу для массиmв отриману в пунктеfформулу для напруги, отримати кінцеву формулу, підставити числові значення і обчислити.
Зробити перевірку розмірності отриманих величин.
При нікелювання вироби протягом 1 години збунтувався шар нікелю товщиною l = 0,01 мм. Визначити щільність струму j, якщо атомна маса нікелю A = 0,0587 кг / моль, валентність n = 2, щільність нікелю ρ = 8,9 × 10 3 кг / м 3.
Записати чисельні значення і одиниці вимірювання всіх фізичних величин, перевести частинні і кратні значення величин в цілі.
Використовувати об'єднаний закон Фарадея: m =
Підставити формули з пунктаdв формулу з пунктаc.
Висловити щільність струму, підставити числові значення і обчислити.
Зробити перевірку розмірності отриманих величин.
При електролізі розчину сірчаної кислоти витрачається потужність 37 Вт. Визначити опір електроліту, якщо за час 50 хв виділилося 0,3 г водню. ККД установки 80%. Постійна Фарадея 96,5 × 10 3 Кл / моль. Атомна маса і валентність водню рівні відповідно 1,0 × 10 -3 кг / моль і 1. Вказівки:
Записати чисельні значення і одиниці вимірювання всіх фізичних величин, перевести частинні і кратні значення величин в цілі.
Використовувати об'єднаний закон Фарадея: m =, де η - ККД установки.
Використовувати формули - закону Ома: I =, потужності: P = U × I
Висловити з об'єднаного закону Фарадея силу струму.
Скомбінувавши формули пунктаd, висловити шуканий опір електроліту.
Підставити формулу з пунктаeв формулу для опору з пунктаf.
Підставити чисельні значення і обчислити.
Зробити перевірку розмірності отриманих величин.
Сформулюйте перший закон Фарадея.
Сформулюйте другий закон Фарадея.
Сформулюйте об'єднаний закон Фарадея.
Що таке хімічний еквівалент даної речовини?
Що таке постійна Фарадея?
Вкажіть числове значення і одиницю виміру постійної Фарадея.
Який з електродів називається анодом, а який катодом?
Яким чином можна виміряти масу виділився речовини.
Вкажіть, при яких технологічних процесах застосовується електроліз і коротко поясніть в чому полягає кожен з цих процесів.