Законы фарадея

§ 76. Законы Фарадея для электролиза

Когда ионы электролита доходят до электродов, соединенных с полюсами источника постоянного тока, то положительные ионы получают недостающие электроны от отрицательного электрода и в процессе реакции восстановления превращаются в нейтральные атомы (молекулы); отрицательные ионы отдают электроны положительному электроду и в процессе реакции окисления превращаются в нейтральные атомы. Явление выделения вещества на электродах в процессе окислительно-восстановительной реакции при прохождении тока через электролит называется электролизом. Впервые электролиз наблюдал в 1803 г. в Петербурге — В. П. Петров. В 1833-1834 гг. английский физик М. Фарадей открыл законы электролиза, которые устанавливают, от чего и как зависит масса выделившегося при электролизе вещества.

Пропуская в течение одинаковых промежутков времени ток одной и той же силы через разные электролиты, Фарадей установил, что при этом на электродах выделяются различные количества вещества. Так, ток в 1 а за 1 сек из раствора азотнокислого серебра выделяет 1,118 мг серебра, из раствора медного купороса — 0,328 мг меди. Значит, масса выделяемого вещества при электролизе зависит от вещества. Скалярная величина, измеряемая массой вещества, выделившегося при электролизе током в1 аза1 сек. называется электрохимическим эквивалентом (обозначается k ). Электрохимический эквивалент имеет наименование кг /а*сек , или кг /к .

Если пропустить в течение времени t через раствор медного купороса небольшой ток, то катод слабо покрывается медью, а если ток большей силы — то за то же время на катоде выделится большее количество меди. Оставим силу тока той же, но увеличим теперь время. Замечаем, что меди выделяется еще больше. Пропуская через разные электролиты различные токи и тщательно измеряя массу вещества, выделяющегося на электродах из каждого электролита, Фарадей открыл первый закон электролиза: масса вещества, выделившегося при электролизе на электродах, прямо пропорциональна произведению силы тока и времени его прохождения через электролит.

Ток в 1 а за 1 сек при электролизе выделяет на электроде к кг вещества, а ток силой I а за время t сек — в It раз больше:

Это формулы первого закона Фарадея для электролиза.

Каждый ион несет с собой и определенную массу вещества и величину заряда, поэтому чем больше ионов подходит к электроду, т. е. чем сильнее ток в электролите, тем больше на электроде выделяется вещества.

Фарадей, пропуская один и тот же ток последовательно через несколько различных электролитов, заметил, что масса выделившегося на электродах вещества неодинакова, хотя сила тока и время его прохождения через различные электролиты были одними и теми же (рис. 109). Точно взвесив выделившиеся вещества, Фарадей заметил, что вес их не случаен, а зависит от химической природы вещества. На каждый грамм выделенного водорода всегда получалось 107,9 г серебра; 31,8 г меди; 29,35 г никеля. После введения химического эквивалента — отношения атомной массы (веса) к валентности Законы фарадея — оказалось, что эти числа являются химическими эквивалентами данных веществ. Так как атомная масса А и валентность n — числа отвлеченные, то и отношение Законы фарадея число отвлеченное.

Законы фарадея
Рис. 109. Ко второму закону Фарадея для электролиза

Разделив электрохимические эквиваленты веществ на их химические эквиваленты, ( k /M ). получим:

т. е. одно и то же число 1036*10 -11 кг /а*сек или 1036*10 -11 кг /к . Обозначив это постоянное число буквой С, запишем: C = 1036*10 -11 кг /а*сек . Следовательно, Законы фарадея Отсюда электрохимический эквивалент

Это формула второго закона Фарадея для электролиза, который читается так: электрохимические эквиваленты веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалентам.

Заменив электрохимический эквивалент в формуле первого закона Фарадея, получим формулу обобщенного закона Фарадея для электролиза:

Законы фарадея

Законы фарадея

Массы выделившихся при электролизе веществ прямо пропорциональны их атомным весам и заряду, прошедшему через электролит, и обратно пропорциональны валентности вещества.

Законы Фарадея являются следствием ионной проводимости тока в электролите. Поясним это на таких примерах. Допустим, что производился электролиз одновалентных веществ, например растворов NaCl и AgNO3. Величины зарядов ионов Na и Ag одинаковы. Когда ионы переносят равные по величине заряды, как в том, так и в другом растворе к соответствующим электродам подойдет одинаковое количество ионов. Но при равном числе подошедших ионов массы отложившихся веществ Na и Ag будут не одинаковы, так как различны массы самих атомов Na и Ag. У натрия атомная масса 22,&97; у серебра — 107,88; поэтому серебра выделится почти в пять раз больше. Значит, количество вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорционально его атомной массе, что и утверждается законом Фарадея.

В случае, когда в электролизе участвуют ионы разной валентности, например Аl, имеющий валентность, равную 3, и Na с валентностью, равной 1, количество ионов Аl и Na, переносящих один и тот же заряд, будет различно. Чем больше валентность иона, т. е. чем больше его заряд, тем меньшее количество ионов потребуется для переноса данного заряда (например, ионов Аl надо в три раза меньше, чем ионов Na). Такой зависимостью между валентностью и зарядом иона и объясняется то, что масса выделившегося при электролизе вещества обратно пропорциональна его валентности.

Благодаря простоте, дешевизне и большой чистоте полученных продуктов электролиз получил широкое применение в промышленности для добывания алюминия из бокситовых руд, очистки металлов (например, меди, цинка, золота, серебра) от примесей, покрытия металлических предметов слоем другого металла с целью предохранения их от ржавчины, придания твердости их поверхности (никелирование, хромирование), для изготовления украшений (серебрение, золочение), получения металлических копий с рельефных предметов (например, при изготовлении патефонных пластинок, матриц, клише).

Задача 30. Свинец высокой чистоты, применяемый в атомной энергетике, получают электрорафинированием. Вычислить массу свинца, выделенную за 1 ч током плотностью 0,02 а /см 2 и напряжением 0,5 в. Выход по току 95%. Каков расход электроэнергии на выделение 1 кг свинца? Площадь общего сечения катодов, на которых отлагается свинец, 10 м 2 .

Законы фарадея

Законы фарадея

При к п. д. электролитической ванны 100% за счет всей израсходованной электроэнергии A = UIt выделилось бы свинца m = klt. поэтому на выделение 1 кг свинца израсходовано энергии Законы фарадея или Законы фарадея

Законы фарадея

Электролиз. Законы Фарадея

Электролизом называют процессы, протекающие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока через электролиты.

При электролизе на электродах непрерывно протекают окислительно-восстановительные реакции. На катоде (К(-)) происходит процесс восстановления, на аноде (А(+)) – процесс окисления. Продукты этих реакций или откладываются на электродах, или вступают во вторичные реакции (взаимодействуют между собой, с молекулами растворителя или с веществом электрода), или накапливаются в растворе у электродов. Течение первичных анодных и катодных реакций подчиняется законам Фарадея .

Первый закон Фарадея . масса вещества m, выделяемая на электроде электрическим током, пропорциональная количеству электричества Q, прошедшему через электролит:

m = kQ, но Q =It (9.16)

где I – сила тока, А; t – время пропускание тока, с.

k – коэффициент пропорциональности, равный количеству вещества, выделяемого при прохождении одного кулона (Кл) электричества (электрохимический эквивалент).

Второй закон Фарадея . массы различных веществ, выделенных одним и тем же количеством электричества, пропорциональных их химическим эквивалентам (Мэ ):

Для выделения 1 грамма эквивалента вещества требуется пропустить через электролит одно и тоже количество электричества, равное приблизительно 96500 Кл (число Фарадея). Следовательно:

Подставив последнее уравнение в (9.17), получим формулу, объединяющую оба закона Фарадея.

Соотношение (9.18) используют в расчетах процессов при электролизе. При практическом проведении электролиза всегда некоторая часть электрической энергии затрачивается на побочные процессы. Важной характеристикой рентабельности установки для проведения электролиза (электролизера) является выход по току (h, %):

где mпр – масса фактически выделенного вещества; mтеор – масса вещества, которая должна была выделиться в соответствии с законом Фарадея.

На процесс электролиза существенно влияет плотность тока, то есть сила тока, приходящаяся на единицу рабочей поверхности электрода.

Рассмотрим процессы, протекающие на катоде и аноде . Если электролиз идет в расплаве соли, то на катоде выделяется металл, а на аноде газ аниона.

Например, электролиз расплава хлорида натрия приводит к восстановлению ионов Na + до металлического натрия на катоде (отрицательном электроде)

и окислению хлорид ионов Cl – до газообразного хлора на аноде (положительном электроде)

NaCl Na + 1/2 Cl2 .

Если электролиз идет в растворе соли . то помимо катиона металла и аниона в растворе находятся ионы H + и OH + :

При наличии нескольких видов ионов или недиссоциированных молекул электрохимически активных веществ возможно протекание нескольких электродных реакций. На катоде, прежде всего, протекает реакция с наиболее положительным потенциалом. Поэтому при катодном восстановлении возможно три случая:

Катионы металлов, стоящие в ряду напряжения от Li + до Al 3+ включительно не восстанавливаются на катоде, вместо них выделяется водород:

Катионы металлов, находящиеся в ряду напряжения от Al 3+ до H + (включительно) восстанавливаются одновременно с молекулами воды, что связано с более высокой поляризацией (перенапряжением) при выделении водорода, чем поляризацией (перенапряжением) разряда многих металлов:

Катионы металлов, стоящие в ряду напряжения после водорода полностью восстанавливаются на катоде:

На аноде в первую очередь реагируют наиболее сильные восстановители – вещества, имеющие наиболее отрицательные потенциалы.

На нерастворимом аноде (уголь, графит, платина, иридий) анионы кислородсодержащих кислот не окисляются, а окисляется вода с образованием кислорода:

Анионы бескислородных кислот (Cl -. I -. Br -. S 2- и т.д.) окисляются до простых веществ (Cl2. I2. Br2. S и т. д.) при высокой плотности тока. При малой плотности тока выделяется только кислород, а при выравнивании потенциала и протекают обе реакции.

На растворимом аноде идет процесс растворения самого анода, например, Сu +- 2e ® Cu 2+ .

Электролиз применяют в:

1) металлургии для получения меди, цинка, кобальта, марганца и других металлов;

2) в химической промышленности электролизом получают газообразный хлор, водород, кислород, щелочи, окислители (пероксид водорода, перманганат калия, хлораты и другие);

3) получение гальванопокрытий: никелирование, меднение, цинкование, хромирование;

4) электрохимическая анодная обработка металлов и сплавов для придания изделиям определенной формы.

188.123.231.15 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

Первый и второй закон Фарадея

Законы фарадея

5 привычек, которые гарантируют, что вы не достигните успеха в жизни Наши ежедневные привычки делают из нас тех, кем мы являемся. Какие-то из них способны привести нас к успеху, а другие, напротив, гарантируют неизбежны.

Законы фарадея

9 знаменитых женщин, которые влюблялись в женщин Проявление интереса не к противоположному полу не является чем-то необычным. Вы вряд ли сможете удивить или потрясти кого-то, если признаетесь в том.

Законы фарадея

Эти 10 мелочей мужчина всегда замечает в женщине Думаете, ваш мужчина ничего не смыслит в женской психологии? Это не так. От взгляда любящего вас партнера не укроется ни единая мелочь. И вот 10 вещей.

Законы фарадея

Непростительные ошибки в фильмах, которых вы, вероятно, никогда не замечали Наверное, найдется очень мало людей, которые бы не любили смотреть фильмы. Однако даже в лучшем кино встречаются ошибки, которые могут заметить зрител.

Законы фарадея

Наши предки спали не так, как мы. Что мы делаем неправильно? В это трудно поверить, но ученые и многие историки склоняются к мнению, что современный человек спит совсем не так, как его древние предки. Изначально.

Законы фарадея

Что форма носа может сказать о вашей личности? Многие эксперты считают, что, посмотрев на нос, можно многое сказать о личности человека. Поэтому при первой встрече обратите внимание на нос незнаком.

Лекция №10. Электрохимия. Законы Фарадея.

Электрохимия — это раздел физической химии, в котором изучают физико-химические свойства ионных систем, а также процессы и явления на границах раздела фаз с участием заряженных частиц.

Проводники электрического тока делятся на электронные (проводники первого рода) и ионные (проводники второго рода).

Проводники первого рода — металлы в твердом и расплавленном состоянии. В них электрический ток осуществляется движением электронов электронного газа. При этом прохождение электрического тока в проводниках первого рода не сопровождается химическими изменениями их материала.

Проводники второго рода — некоторые растворы солей, кислот и оснований, а также некоторые вещества, главным образом соли, в расплавленном состоянии. Электрический ток в них осуществляется движением ионов (как положительных, так и отрицательных).

Электролиты — это химические соединения, которые в растворе (полностью или частично) диссоциируют на ионы. Диссоциация приводит к разъединению, отрыву ионов от молекулы или кристалла в результате взаимодействия ионов с молекулами растворителя.

Молекулы растворителей, обладающих хорошей диссоциирующей способностью, являются сильно полярными, и, следовательно, такие растворители имеют высокую диэлектрическую проницаемость.

Под действием электрических полей, создаваемых ионами электролита, полярные молекулы растворителя притягиваются ионами, ориентируются около них и в свою очередь, притягивая ионы к себе, ослабляют связь между ионами.

Подобным же образом они действуют и на ионы, составляющие решетку, например, ионного кристалла. Число ионов каждого знака определяется стехиометрическими коэффициентами в формуле электролита при соблюдении закона электронейтральности — сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных. Таким образом, несмотря на наличие ионов, раствор электролита остается электронейтральным.

Электростатическое взаимодействие иона электролита с молекулами растворителя — сольватация — приводит к образованию вокруг иона молекулярного комплекса — сольвата. Совокупность молекул растворителя, окружающих ион, представляет собой сольватную оболочку. Сольватацию в водных растворах называют гидратацией.

Различают сильные и слабые электролиты.

Сильные электролиты диссоциируют в растворе почти полностью. В водных растворах сильными электролитами являются многие минеральные кислоты (HN03. НС1, НС104 и др.), основания (щелочи), большинство солей.

Слабые электролиты диссоциируют в растворе только частично. К слабым электролитам в водных растворах относятся почти все органические кислоты и основания.

Сильные и слабые электролиты являются двумя различными состояниями химических соединений (электролитов) в зависимости от природы растворителя. В одном растворителе данный электролит может быть сильным электролитом, в другом — слабым.

Процесс диссоциации слабых электролитов является обратимым, поскольку ионы противоположного знака, встречаясь в растворе, могут вновь соединяться в молекулы.

Рассмотрим простейший случай слабого сильно разбавленного бинарного одно-одновалентного электролита, диссоциирующего по схеме

Важные характеристики электролита:

— степень диссоциации &#&45; — доля продиссоциировавших молекул из числа первоначально взятых

— константа диссоциации Kd. которую, для данного случая можно представить (используя закон действующих масс — при постоянной температуре скорость данной реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, причем каждая из концентраций участвует в степени, в простейших случаях равной коэффициенту перед формулой данного вещества в уравнении реакции) в виде

Законы фарадея

Если Законы фарадея Законы фарадея. то Законы фарадея. при малых значениях a<0,03, (1-a) » 1, следовательно Законы фарадея — это математическое выражение закона разбавления Оствальда . который звучит следующим образом:

Степень диссоциации слабого электролита в растворе тем выше, чем более разбавлен раствор, т.е. в бесконечно разбавленном растворе степень диссоциации любого электролита равна 1.

Взаимное превращение электрической и химической форм энергии происходит в электрохимических системах, состоящих из:

1)проводников второго рода (/) —электролитов,

2) проводников первого рода (//), (///), находящихся в контакте с электролитом.

3) проводников (IV) — внешняя цепь — обеспечивающих прохождение тока между проводниками (7/)и

Анодом называется электрод, на котором происходит реакция окисления (Oxidation)

Катодом называется электрод, на котором происходит реакция восстановления (Reduction). Соответственно, в электрохимии реакции восстановления принято называть катодными, окисления — анодными.

В химическом источнике электрического тока — гальваническом элементе — энергия химического процесса переходит в электрическую.

Соотношение между количеством электричества и массами прореагировавших веществ в электрохимических реакциях на электродах выражается законами Фарадея.

1-й закон Фарадея. Масса вещества т, претерпевшего химическое превращение под действием электрического тока, пропорциональна количеству протекшего электричества q

где кэ — электрохимический эквивалент (г/Кл) — масса прореагировавшего вещества при протекании 1 кулона электричества.

2-й закон Фарадея. При прохождении через различные электролиты одного и того же количества электричества массы различных веществ, участвующих в электродных реакция, пропорциональны их молярным массам эквивалентов (Мэкв ):

Следствие. Для электрохимического превращения 1 моль-экв любого вещества требуется одинаковое количество электричества F = eNA — 96485 Кл/моль-экв

(или 26,8 А ч/моль-экв), называемое постоянной Фарадея.

Уравнение, объединяющее оба закона Фарадея:

Законы фарадея

где М — молярная масса вещества, 1 — сила тока, t — время процесса, z — число электронов, участвующих в электрохимической реакции.

Законы фарадея Рассмотрим превращение химической энергии в электрическую на примере гальванического элемента Даниэля-Якоби.

При схематической записи электрохимических систем используют следующие обозначения:

1. граница между электродом и раствором обозначается вертикальной сплошной чертой

2. граница между электролитами обозначается двумя вертикальными линиями.

Элемент Даниэля-Якоби состоит из цинкового и медного электродов, опущенных соответственно в растворы сульфатов цинка и меди, разделенных пористой диафрагмой во избежание их перемешивания.

Правило записи схем электрохимических элементов.

ЭДС электрохимического элемента считается положительной, если электрохимическая цепь записана так, что катионы при работе элемента проходят в растворе от левого электрода к правому и в том же направлении движутся электроны во внешней цепи. Схема элемента Даниэля-Якоби

При погружении металла в раствор ионы металла под действием сильно полярных молекул воды начинают переходить в слой воды, прилегающий к поверхности металла.

При этом приповерхностный слой металла обедняется катионами, приобретает избыточный отрицательный заряд, и между ним и катионами в растворе возникает разность потенциалов, препятствующая дальнейшему выходу катионов из металла — устанавливается равновесие.

В элементе Даниэля-Якоби цинковый электрод, обладающий более высокой способностью выделять ионы в раствор, чем медь, приобретает более высокий отрицательный заряд. Если соединить электроды металлическим проводником, то избыточные электроны будут переходить с цинковой пластинки на медную.

Это нарушает равновесие на поверхности каждого из электродов. На цинковом электроде (отрицательном полюсе элемента — аноде) продолжается окисление цинка Zn = Zn 2+ + 2е

На медном электроде (положительном полюсе элемента — катоде) продолжается восстановление меди Си 2+ + 2е

Таким образом реализуется самопроизвольно протекающий процесс, в котором цинковая пластинка растворяется, на медной выделяется металлическая медь, а во внешней цепи протекает электрический ток. Суммарная окислительно-восстановительная реакция:

Cu 2+ + Zn —> Си + Zn 2+

С другой стороны, если при протекании химической реакции на каждом электроде выделяется или растворяется z моль-эквивалентов вещества (согласно закону Фарадея, во внешней цепи протекает zF Кл электричества), то максимальная работа, которую совершает гальванический элемент по перенесению заряда zF между электродами с разностью потенциалов Е равна zFE.

Электродвижущей силой (ЭДС) элемента Е называется разность потенциалов между полюсами обратимого электрохимического элемента.

Очень часто необходимо рассчитать потенциал в нестандартных условиях в этом случае используют уравнение Нернста . которое описывает зависимость потенциала от концентрации вещества и температуры.

Законы фарадея ,

где R – газовая постоянная,

F – число Фарадея (96 500 Кл/моль),

Т- абсолютная температура,

n – число электронов участвующих в процессе.

При температуре 298 К данное уравнение принимает следующий вид:

Законы фарадея .

где Е — условный стандартный электродный потенциал по водородной шкале.

Для определения равновесного электродного потенциала по водородной шкале составляют элемент из этого электрода и стандартного водородного электрода. Который представляет собой платиновую нить, погруженную в

электролит, вдоль которой пропускается газообразный водород, H + |H2 ,Pt) с

активностью водородных ионов в растворе равной единице и давлением водорода равном 1 атм. Его потенциал при любой температуре условно принят равным нулю.

При этом: стандартный водородный электрод располагают слева.

Например, для определения потенциала цинкового электрода составляют электрохимическую цепь

Электродная реакция записывается как реакция восстановления, т.е. присоединения электронов: в данном примере на водородном (левом)

электроде 2H + +2e

=H2. на цинковом (правом) электроде Zn 2+ +2е

=Zn. Общая реакция записывается как разность между реакциями на правом и левом элементах

Н2 + Zn 2+ = 2Н + + Zn

Стандартный электродный потенциал считается положительным, если электрод заряжен более положительно, чем стандартный водородный электрод. В этом случае электрический ток будет течь внутри элемента слева направо и ЭДС элемента будет положительной.

Стандартный электродный потенциал считается отрицательным, если электрод заряжен более отрицательно, чем стандартный водородный электрод. В этом случае электрический ток будет течь внутри элемента справа налево и ЭДС элемента будет отрицательной.

В рассматриваемом примере Н2 + Zn 2+ = 2Н + + Zn ток в элементе будет течь от цинкового электрода к водородному (справа налево) и ЭДС элемента так же, как и равный ей потенциал цинка, будет иметь отрицательный знак.

Стандартные электродные потенциалы, определенные по водородной шкале при 25 С (298 К) обычно располагают в ряд. Например

Законы электролиза Фарадея

В 1833 г. М. Фарадей установил:

Масса вещества, которое выделяется при прохож­дении электрического тока в электролитах на аноде или катоде, прямо пропорциональна заряду, который при этом переносится иона­ми через электролит:

где m — масса вещества, кг; q — заряд, Кл.

Коэффициент пропорциональности k =m /q называется электрохимическим эквивален­том данного вещества .

Электрохимический эквивален­твещества показывает, какая масса вещества в килограммах выделяется на электроде при прохождении тока, пере­носящего заряд, равный одному кулону:

Если иметь в виду, что при постоянном токе в цепи q =IΔt, где I — сила тока (ам­пер), а Δt — время прохождения тока (се­кунд), то закон Фарадея можно записать в виде

Исходя из современных представлений, закон для электролиза можно установить тео­ретически. Пусть за время Δt через электро­лит переносится заряд q. Заряд одного иона q0i = ne, где n — валентность иона, а e — значение элементарного электрического заря­да. Следовательно, q =neNi , где Ni — коли­чество ионов, которые достигли электрода.

С другой стороны, масса вещества, выде­ляющегося на электроде m = m0iNi . где m0i масса иона, которая может быть определена по молярной массе вещества M и постоян­ной Авогадро NA :

что также является законом Фарадея для электролиза. Итак, электрохимический эквивалент вещества

где все величины для данного вещества являются постоянными.

В последней формуле значение элемен­тарного заряда e и постоянная Авогадро одинаковы для всех веществ. Их произве­дение назвали постоянной Фарадея :

Значение постоянной Фарадея :

F = 1,6 • 10 -19 Кл • 6,023 • 10 23 моль -1 = -9,65 • 10 4 Кл/моль.

Теперь для электрохимического эквивалента вещества имеем Материал с сайта http://worldofschool.ru

что и является вторым законом для электролиза .

Второй закон электролиза. Электро­химические эквиваленты веществ прямо про­порциональны массам их молей и обратно пропорциональны их валентностям.

Чтобы удобно было решать многие зада­чи, оба закона можно объединить в одном выражении (объединенный закон электролиза ):

Законы фарадея На этой странице материал по темам:

Закон фарадея для электролиза физика




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *