Trecerea curentului electric prin electroliți. Legile electrolizei Faraday.
Când curentul curge prin unele soluții, de exemplu, printr-o soluție de acid sulfuric, apa este descompus în părțile sale componente - hidrogenul și oxigenul sunt eliberate pe plăcile conectate respectiv la polii pozitivi și negativi baterie. Astfel de soluții care se descompun chimic când un curent trece prin ele sunt numiți electroliți, iar procesul de descompunere a materiei prin curent electric se numește electroliză. Conductorii scufundați într-un electrolit pentru alimentarea curentului sunt numiți electrozi: electrodul pozitiv este anodul, electrodul negativ este catodul. Produsele de descompunere a electrolitului, de exemplu, hidrogen și oxigen, în experiment, sunt eliberate pe electrozii tot timpul în timp ce curentul curge. Masa substanței eliberate poate fi măsurată. Dacă alegeți o soluție în care materia eliberată se reglează sub forma unui reziduu solid pe electrod, atunci această masă poate fi măsurată fără dificultate. De exemplu, dacă treci curent printr-o soluție de sulfat de cupru, apoi cupru se așează pe catod. Acest fenomen poate fi ușor observat dacă catodul este fabricat din cărbune - un strat roșu al cuprului eliberat va fi vizibil pe suprafața neagră a cărbunelui. Se cântărește catodul înainte și după experiment, putem determina masa metalului precipitat. Măsurătorile arată că masa substanței eliberate pe electrozi depinde de puterea curentului și de timpul de electroliză. Închiderea circuitului pentru diferite intervale de timp, se poate observa că masa substanței eliberate este proporțională cu timpul de trecere a curentului. De asemenea, masa materiei eliberate este proporțională cu puterea actuală. Astfel, se pare că masa substanței eliberate este proporțională cu produsul curentului și timpul de electroliză. Toate acestea i-au permis lui Faraday să formuleze o lege importantă, care poartă numele său: masa materiei eliberate la electrod este proporțională cu încărcarea sau cu cantitatea de electricitate care trece prin electrolit. Aceasta este prima lege a lui Faraday. În cazul în care m - masa substanțelor eliberate, I - intensitatea curentului, t - timpul de electroliză, q - a trecut prin baia în timpul t tariful total, putem scrie legea prima lui Faraday, după cum urmează:
m = Kq = KIt, unde K este coeficientul de proporționalitate.
Presupunând în această formulă, sarcină q = 1, obținem că coeficientul K este egal cu masa de substanță eliberată la 1 sarcină C, sau substanța vrac emisă 1A curent în 1 s. Investigațiile lui Faraday au arătat că valoarea lui K este caracteristică pentru fiecare substanță. Cantitatea K este numită echivalentul electrochimic al unei anumite substanțe. Astfel, rezultă că echivalentul electrochimic al unei substanțe este masa acestei substanțe eliberată în timpul electrolizei de către un pandantiv al electricității care curge prin soluție.
Echivalentele electrochimice ale diferitelor substanțe sunt esențial diferite unul față de celălalt. Răspunsul la întrebarea - asupra a ceea ce proprietățile unei substanțe depinde de echivalentul său chimic, dă următoarea lege importantă, care a fost, de asemenea, instalat pe experiența Faraday (legea a doua a lui Faraday): echivalenți electrochimică de substanțe diferite sunt proporționale cu masele lor molare și invers proporțional cu numerele care exprimă valenta chimice. Această lege poate înțelege prin exemplul următor: masa molara de argint este egal cu 0.1079 kg / mol, valență a - 1. Masa molară de zinc este de 0.0654 kg / mol, valență - 2. De aceea, prin a doua lege a lui Faraday echivalenți electrochimice de argint și zincul trebuie tratat ca: = 3,30
Dacă încă notat cu K [kg / C] electrochimica substanță echivalentă prin M [kg / mol] - masa lui molară, și n - valența (n = 1, 2, ...), a doua lege a lui Faraday poate fi rescrisă ca :
Aici, 1 / F denotă coeficientul de proporționalitate, care este o constantă universală, adică are aceeași valoare pentru toate substanțele. Cantitatea F se numește constanta Faraday. Valoarea sa găsită experimental este: F = 96484 Cl / mol. Raportul dintre masa molară a unei substanțe și valența sa M / n se numește echivalentul chimic al substanței. Acest raport arată cât este de mult o substanță dată pentru a înlocui un mol de hidrogen în compușii chimici. În substanțele monovalente, echivalentul chimic este numeric egal cu masa molară. Folosind acest concept putem exprima a doua lege a lui Faraday după cum urmează: echivalentele electrochimice ale substanțelor sunt proporționale cu echivalentele lor chimice. Acum este posibil să se exprime ambele legi ale lui Faraday sub forma unei singure formulări: m = q = It, unde m este masa substanței eliberată când cantitatea de energie electrică q trece prin electrolit. Aceasta este legea combinată a lui Faraday. Această formulă are un simț fizic simplu. Punem m = M / n în el, adică luăm masa unui echivalent chimic al substanței date. Apoi obține F = q. Aceasta înseamnă că constanta Faraday este egală numeric cu sarcina q, care trebuie să treacă prin orice electrolit pentru a izola pe electrozi o substanță într-o cantitate egală cu un echivalent chimic. Electroliza găsește aplicații tehnice în astfel de procese, cum ar fi metoda electrolitică de obținere a metalelor pure, galvanizare, electroformare.
Alocare: Cunoscând că echivalentul chimic al hidrogenului este de 1.045 ∙ 10 -8 kg / cl, se calculează echivalentul electrochimic al clorului. Valența clorului este 1, masele atomice relative ale clorului și hidrogenului sunt 35,45 și 1,008.
Locul de muncă practic 3:
Argintarea plăcilor se efectuează la o densitate de curent j = 0,5 A / dm 2. În acest caz, pentru un timp t = 5 h, se eliberează o masă m = 2 kg de argint. Găsiți zona plăcilor. Echivalentul electrochimic al argintului K = 1,118 × 10 -6 kg / Cl.
Scrieți valorile numerice și unitățile de măsură a tuturor cantităților fizice, traduceți multiplii și multiplii valorilor în întregi.
Utilizați formula din prima lege a lui Faraday.
Utilizați formula pentru cuplarea forței curentului, a densității de curent cu suprafața plăcii: I = j × S
Combinați cele două formule de mai sus, exprimați zona necunoscută a plăcilor prin cantități cunoscute, înlocuiți valorile numerice și calculați.
Baia electrolitică pentru producerea aluminiului este proiectată pentru 25000 A. Electroliza aluminiului se efectuează la o tensiune de lucru de 4,8 V pe baie. Eficiența actuală este de 86%. Echivalentul electrochimic este K = 0,335 g / A × h. Cât de mult este produsă aluminiu pe zi? Care este consumul de energie electrică pe 1 kg de aluminiu?
Scrieți valorile numerice și unitățile de măsură a tuturor cantităților fizice, traduceți multiplii și multiplii valorilor în întregi.
Utilizați formula din prima lege Faraday, luând în considerare eficiența: m = ηKIt, η - eficiența
Utilizați formula pentru operarea curentului A = UIt, deoarece este egal cu puterea electrică consumată.
Consumul de energie electrică poate fi găsit folosind formula: γ =, unde γ - consumul de energie electrică.
Verificați dimensionalitatea valorilor obținute.
Sub ce tensiune trebuie să fie un aparat de electroliză a apei cu o eficiență de 80% la costul energiei electrice la nu mai mult de 965 kJ oxigenul degajat într-un volum de 1 I sub o presiune de 200 kPa, la o temperatură de 300K? Constanta Faraday, valența de oxigen și constanta de gaz molar sunt respectiv 96500 Cl / mol; 2; 8,31 J / (mol x K).
Scrieți valorile numerice și unitățile de măsură a tuturor cantităților fizice, traduceți multiplii și multiplii valorilor în întregi.
Stresul căutat se găsește exprimându-l prin formula: util = qU, unde E este energia utilă, care duce direct la eliberarea oxigenului.
Plecând de la faptul că eficiența este determinată de formula: η =, exprima din această formulă este utilă.
Găsiți mărimea încărcăturii din legea combinată Faraday: m =, exprimând din ea q.
Înlocuind formulele de la punctele pentru formula pentru stres (punctul c), obțineți formula pentru tensiune. În această formulă, în plus față de tensiune, masa oxigenului eliberată rămâne necunoscută.
Masa oxigenului eliberat poate fi găsită prin exprimarea lui din ecuația lui Mendeleev-Clapeyron: pV = RT, M = 32 × 10-3 kg / mol este masa molară a oxigenului.
Înlocuind formula pentru mase în formula pentru stres, obțineți formula finală, înlocuiți valorile numerice și calculați.
Verificați dimensionalitatea valorilor obținute.
În timpul placării cu nichel a articolului timp de 1 oră, a fost depus un strat de nichel cu grosime l = 0,01 mm. Determinați densitatea curentului j dacă masa atomică a nichelului este A = 0,0587 kg / mol, valența este n = 2, densitatea de nichel este ρ = 8,9 × 10 3 kg / m 3.
Scrieți valorile numerice și unitățile de măsură a tuturor cantităților fizice, traduceți multiplii și multiplii valorilor în întregi.
Utilizați legea combinată Faraday: m =
Formulele de substituire de la elementul d din formula de la punctul c.
Exprimați densitatea curentului, înlocuiți valorile numerice și calculați.
Verificați dimensionalitatea valorilor obținute.
Electroliza soluției de acid sulfuric consumă 37 de wați. Determinați rezistența electrolitului, dacă în decurs de 50 de minute s-au eliberat 0,3 g de hidrogen. Eficiența instalării este de 80%. Constanta Faraday este de 96,5 x 103 Cl / mol. Masa atomică și valența de hidrogen sunt de 1,0 × 10 -3 kg / mol, respectiv 1. Note:
Scrieți valorile numerice și unitățile de măsură a tuturor cantităților fizice, traduceți multiplii și multiplii valorilor în întregi.
Utilizați legea combinată Faraday: m =, unde η este eficiența instalației.
Utilizați formulele - Legea lui Ohm: I =, puterea: P = U × I
Exprimați puterea curentului din legea combinată Faraday.
Combinând formulele de la punctul d, exprimați rezistența necesară a electrolitului.
Înlocuiți formula din punctele din formula pentru rezistența de la f.
Înlocuiți valorile numerice și calculați.
Verificați dimensionalitatea valorilor obținute.
Formulează prima lege a lui Faraday.
Formați a doua lege a lui Faraday.
Formulează legea unită a lui Faraday.
Care este echivalentul chimic al acestei substanțe?
Care este constanta lui Faraday?
Specificați valoarea numerică și unitatea de măsură pentru constanta Faraday.
Care dintre electrozi este numit anodul și care este catodul?
Cum poți măsura masa materiei eliberate.
Indicați la ce procese tehnologice se aplică electroliza și explicați pe scurt ce este fiecare dintre aceste procese.
Trimiteți-le prietenilor: