2. Закон электролиза (закон Фарадея)

Определения и обозначения

Электролиз — выделение веществ на электродах при прохождении электрического тока через электролит. На электродах происходят химические превращения, поэтому ток не только переносит заряд, но и вызывает образование новых веществ. Это понятие нужно, чтобы отличать химическое действие тока от его прохождения по металлическому проводнику.

Электролит — раствор или расплав, проводящий ток благодаря движению положительных и отрицательных ионов. Положительные ионы называют катионами, отрицательные — анионами. Понимание устройства электролита объясняет, почему в нём возможны направленное движение частиц и химические реакции.

Электрохимический эквивалент — коэффициент k, показывающий массу вещества, выделяющуюся при прохождении заряда 1 Кл. Его единица СИ — кг/Кл. Зная k, можно быстро вычислить массу вещества для любого заряда по формуле m = kq.

Закон электролиза утверждает: масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна прошедшему электрическому заряду. При увеличении заряда в 2 раза масса также увеличивается в 2 раза. Закон позволяет рассчитывать результат электролиза, если известны заряд и свойство вещества k.

Как это устроено

Растворы и расплавы электролитов проводят ток потому, что в них есть свободные ионы. В электрическом поле на положительный ион действует сила в направлении поля, а на отрицательный — в противоположном направлении. Поэтому катионы и анионы начинают двигаться упорядоченно, создавая электрический ток.

Катионы направляются к катоду, анионы — к аноду. На катоде положительные ионы принимают электроны и восстанавливаются, а на аноде отрицательные ионы отдают электроны и окисляются. Передача электронов превращает движение заряженных частиц в химические реакции на поверхности электродов.

Масса выделившегося вещества пропорциональна заряду, потому что заряд связан с числом перенесённых элементарных зарядов. Одинаковый заряд переносит одинаковое число электронов, если считать его в элементарных порциях. Поэтому он вызывает превращение пропорционального количества ионов, а масса продукта растёт вместе с зарядом.

Количество электричества, прошедшее через электролит при постоянной силе тока, равно q = It. Подставляя это выражение в закон m = kq, получаем основную расчётную формулу m = kIt. В ней время t обязательно выражают в секундах, силу тока — в амперах, а электрохимический эквивалент согласуют с выбранной единицей массы.

Электрохимический эквивалент зависит от молярной массы и числа электронов, участвующих в превращении иона: k = M/(zF). Здесь M берут в кг/моль, z показывает электронное изменение одного иона, а F ≈ 9,65·10⁴ Кл/моль — постоянная Фарадея. Чем больше молярная масса, тем больше k, а чем больше z, тем меньше масса, приходящаяся на один кулон.

Величины и формулы закона электролиза

В таблице собраны обозначения, основные связи и единицы измерения. При решении задачи сначала определите искомую величину, затем приведите все данные к согласованным единицам СИ. Если k дан в мг/Кл, массу в промежуточных вычислениях удобно получать в миллиграммах.

Разбор задач

Задача 1

Через раствор нитрата серебра пропускают ток I = 2 А в течение 10 мин. Нужно найти массу серебра, если k = 1,12 мг/Кл. Сначала переведём время в секунды и определим заряд, а затем применим закон электролиза.

1. t = 10·60 = 600 с.
2. q = It = 2·600 = 1200 Кл.
3. m = kq = 1,12·1200 = 1344 мг = 1,344 г.

Ответ: на катоде выделится 1,344 г серебра.

Задача 2

При электролизе медной соли за t = 20 мин выделилось m = 3,2 г меди. Электрохимический эквивалент равен 0,33 мг/Кл. Искомую силу тока найдём через заряд, который сначала выразим из закона электролиза.

1. Переводим массу и время: m = 3200 мг, t = 20·60 = 1200 с.
2. Из m = kq получаем q = m/k = 3200/0,33 ≈ 9697 Кл.
3. I = q/t ≈ 9697/1200 ≈ 8,1 А.

Ответ: сила тока примерно равна 8,1 А.

Задача 3

Через ванны с растворами серебра и меди прошёл одинаковый заряд. Для серебра M₁ = 108 г/моль и z₁ = 1, для меди M₂ = 64 г/моль и z₂ = 2. Так как при одинаковом заряде массы пропорциональны k, сравним величины M/z.

1. Для серебра M₁/z₁ = 108/1 = 108.
2. Для меди M₂/z₂ = 64/2 = 32.
3. m₁/m₂ = 108/32 = 3,375.

Ответ: серебра выделится в 3,375 раза больше, чем меди.

Типичные ошибки

Время оставляют в минутах или часах. Так нарушается единица заряда, потому что ампер означает кулон в секунду. Проверьте себя: перед использованием q = It переведите время в секунды.

Путают заряд и силу тока. Неверная запись q = I/t возникает из-за смешения величины и скорости её изменения. Запомните: заряд накапливается за время, поэтому q = It, а I = q/t.

Не согласуют единицы массы и k. Если k дан в мг/Кл, результат сначала получится в миллиграммах, а не в килограммах. Сверьте единицы в конце: 1000 мг = 1 г, 1000 г = 1 кг.

Неверно выбирают z. Это число электронов, участвующих в превращении одного иона, а не число атомов в формуле вещества. Проверьте заряд иона: для Ag⁺ z = 1, для Cu²⁺ z = 2.

Связь с другими темами

Для закона электролиза нужны сила тока, электрический заряд, напряжение, единицы СИ и формула q = It. Без этих понятий трудно правильно определить заряд и согласовать единицы в расчётах.

Тема опирается на знания об ионах и электролитах, а также об окислительно-восстановительных реакциях. Движение заряженных частиц связывает электрические явления с химическими превращениями.

Закон применяют в гальваностегии, при получении и очистке металлов, работе аккумуляторов и электрохимических производствах. Он позволяет заранее рассчитать массу продукта или необходимый заряд.

Что запомнить

• Электролиз — химическое действие электрического тока в электролите.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду.
• Основная формула закона электролиза: m = kq = kIt.
• При постоянном токе электрический заряд равен q = It.
• Электрохимический эквивалент измеряется в килограммах на кулон.
• Электрохимический эквивалент определяется формулой k = M/(zF).
• При одинаковом заряде массы веществ пропорциональны их электрохимическим эквивалентам.