Закон электролиза

Определение

Закон электролиза Фарадея устанавливает, что масса вещества, выделившегося на электроде во время электролиза, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит, а также химическому эквиваленту этого вещества.

Формула

m = k · I · t

• m — масса выделившегося вещества
• k — электрохимический эквивалент вещества
• I — сила тока
• t — время прохождения тока

Единицы измерения: килограмм (кг)

Как это работает

Электролиз — это процесс разложения химических соединений (электролитов) под действием электрического тока. В ходе электролиза ионы, содержащиеся в электролите, движутся к противоположно заряженным электродам. На аноде (положительном электроде) происходит окисление, а на катоде (отрицательном электроде) — восстановление. Закон электролиза позволяет точно рассчитать, сколько атомов или молекул вещества успеют присоединиться к электроду или отделиться от него за определенное время при заданной силе тока. Это фундаментальный принцип для всех электрохимических производств.

Откуда берется коэффициент

Коэффициент k, известный как электрохимический эквивалент, является ключевой частью формулы. Он показывает, какая масса вещества выделяется или растворяется при прохождении одного кулона электричества. Этот коэффициент уникален для каждого вещества и зависит от его молярной массы и валентности. Чем больше молярная масса и меньше валентность иона, тем больше вещества выделится на электроде при прохождении того же количества электричества. Электрохимический эквивалент связан с постоянной Фарадея — фундаментальной константой, равной заряду одного моля электронов.

Связь с количеством электричества

По сути, закон электролиза гласит, что масса выделенного вещества пропорциональна количеству прошедшего электричества. Количество электричества (заряд) Q можно выразить как произведение силы тока I на время t (Q = I · t). Таким образом, чем дольше длится процесс электролиза и чем сильнее ток, тем больше вещества будет преобразовано. Это логично, поскольку больший заряд означает большее количество электронов, участвующих в электрохимических реакциях на электродах.

Как найти и применять

1. Определите вещество, которое выделяется на электроде.
2. Найдите электрохимический эквивалент k для данного вещества (обычно дается в справочниках или может быть рассчитан).
3. Измерьте или узнайте силу тока I, проходящего через электролит.
4. Определите время t, в течение которого происходит электролиз.
5. Подставьте значения в формулу m = k · I · t и рассчитайте массу выделившегося вещества.

Разбор задач

Задача 1

При электролизе раствора нитрата серебра в течение 20 минут током силой 0.5 А на катоде выделилось серебро. Определите массу выделившегося серебра, если электрохимический эквивалент серебра равен 1.118 · 10⁻⁶ кг/Кл.

1. Переведем время в секунды: t = 20 мин = 20 * 60 с = 1200 с. 2. Применяем формулу m = k · I · t. 3. Подставляем значения: m = 1.118 · 10⁻⁶ кг/Кл · 0.5 А · 1200 с. 4. Вычисляем: m = 6.708 · 10⁻⁴ кг.

Ответ: Масса выделившегося серебра составляет 0.6708 грамма (или 6.708 · 10⁻⁴ кг).

Где это встречается

• Гальванопластика — Создание точных металлических копий предметов путем осаждения металла на форму. Например, изготовление копий скульптур, ювелирных изделий.
• Гальваностегия (металлизация) — Нанесение тонких слоев металла на поверхность других предметов для защиты от коррозии, повышения износостойкости или придания декоративного вида (например, хромирование бамперов, золочение украшений).
• Получение чистых металлов — Электролитическое рафинирование меди, алюминия, цинка и других металлов, при котором примеси удаляются, а на катоде осаждается металл высокой чистоты.
• Производство хлора и щелочей — Электролиз раствора поваренной соли (NaCl) для получения хлора, водорода и гидроксида натрия (каустической соды), используемых в химической промышленности.

Типичные ошибки

Не путать

• Закон Ома — Закон Ома связывает силу тока, напряжение и сопротивление в электрической цепи. Закон электролиза описывает количество вещества, преобразованного химически под действием тока. Закон Ома — про электрический ток, закон электролиза — про химические реакции, вызванные этим током.
• Закон сохранения заряда — Закон сохранения заряда утверждает, что суммарный заряд в изолированной системе остается постоянным. Закон электролиза применяет это понятие к химическим процессам, количественно связывая прошедший заряд с массой преобразованного вещества, но не описывает само сохранение заряда как таковое.

Откуда взялось понятие

Законы электролиза были открыты английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1833 году.

Как запомнить

Сколько тока прошло, столько и вещества выделилось.