§ 3.5. Закон электролиза

Определения и обозначения

Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит. Электролит содержит подвижные положительные и отрицательные ионы. Это определение помогает отличить электролиз от простого прохождения тока в металле.

Электрохимический эквивалент — масса вещества, выделяющаяся при переносе заряда 1 Кл; его обозначают k. Единица СИ — кг/Кл. Величина k показывает, сколько вещества даёт каждый кулон прошедшего заряда.

Закон электролиза утверждает: масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит. Поэтому запись закона имеет вид m = kq. Он позволяет рассчитывать массу продукта по электрическим параметрам процесса.

Постоянная Фарадея F — заряд, соответствующий одному молю электронов; F ≈ 9,65·10⁴ Кл/моль. Она связывает электрический заряд с количеством вещества. Через неё электрохимический эквивалент выражают так: k = M/(zF).

Как это устроено

Раствор или расплав электролита содержит ионы, способные перемещаться между частицами вещества. Электрическое поле создаётся электродами, подключёнными к источнику тока, и действует на заряженные частицы. Положительный ион притягивается к отрицательному электроду, а отрицательный — к положительному, потому что разноимённые заряды притягиваются.

Достигнув электрода, ион не просто останавливается, а взаимодействует с электронами проводника. Положительный ион обычно принимает электроны и превращается в нейтральный атом или молекулу. Отрицательный ион, наоборот, может отдать электроны электроду; поэтому на разных электродах идут противоположные окислительно-восстановительные реакции.

Продукт реакции может осесть на электроде, выделиться в виде газа или перейти в раствор. Например, ионы металла принимают электроны и образуют слой металла на катоде. Иногда материал самого электрода окисляется и растворяется, поэтому масса электрода уменьшается, а не увеличивается.

За каждую единицу заряда через электролит переносится определённое количество ионов. Если увеличить силу тока, за то же время пройдёт больше заряда и к электродам прибудет больше частиц. Если увеличить время, тот же процесс будет продолжаться дольше, поэтому число перенесённых ионов и масса продукта также возрастут.

При постоянном токе заряд равен q = It, где I — сила тока, t — время. Подставляя эту связь в закон m = kq, получаем основную расчётную формулу m = kIt. Если известны молярная масса M и валентность иона z, то k = M/(zF), а масса определяется формулой m = MIt/(zF).

Величины и формулы закона электролиза

Сначала определите, какие величины даны в условии, а затем выберите подходящую связь. Если известен k, достаточно использовать m = kIt; если даны M и z, удобнее применить m = MIt/(zF).

Перед подстановкой проверьте единицы. При необходимости минуты переведите в секунды, граммы — в килограммы, а результат в конце можно снова выразить в граммах.

Разбор задач

Задача 1. Масса по электрохимическому эквиваленту

Через раствор в течение времени t = 10 мин проходит ток I = 2 А. Электрохимический эквивалент вещества равен k = 3·10⁻⁷ кг/Кл. Найдём массу вещества, выделившегося на электроде.

1. Переведём время: t = 10·60 = 600 с.
2. Определим заряд: q = It = 2·600 = 1200 Кл.
3. Применим закон: m = kq = 3·10⁻⁷·1200 = 3,6·10⁻⁴ кг = 0,36 г.

Ответ: m = 0,36 г. Сначала нужно было найти общий заряд, поскольку именно он непосредственно связан с массой.

Задача 2. Нахождение электрохимического эквивалента

При токе I = 1,5 А за время t = 20 мин на электроде выделилось m = 0,27 г вещества. Определим его электрохимический эквивалент. Все величины перед расчётом приведём к единицам СИ.

1. Переведём данные: t = 1200 с, m = 0,27 г = 2,7·10⁻⁴ кг.
2. Найдём заряд: q = It = 1,5·1200 = 1800 Кл.
3. Выразим эквивалент: k = m/q = 2,7·10⁻⁴/1800 = 1,5·10⁻⁷ кг/Кл.

Ответ: k = 1,5·10⁻⁷ кг/Кл. Проверка показывает, что умножение этого k на заряд возвращает заданную массу.

Задача 3. Масса металла по молярной массе

При электролизе соли металл имеет M = 0,0635 кг/моль и валентность z = 2. Через электролит проходит ток I = 5 А в течение t = 30 мин. Найдём массу металла, используя F = 9,65·10⁴ Кл/моль.

1. Переведём время: t = 30·60 = 1800 с.
2. Подставим данные: m = MIt/(zF) = 0,0635·5·1800/(2·9,65·10⁴).
3. Вычислим: m ≈ 2,96·10⁻³ кг = 2,96 г.

Ответ: m ≈ 2,96 г. Валентность z = 2 означает, что каждый ион металла участвует в реакции с двумя электронами.

Типичные ошибки

Подстановка времени в минутах или часах вместо секунд приводит к неверному заряду. Ошибку допускают, потому что в условии время часто дано в удобных бытовых единицах. Проверьте себя: при q = It время должно быть выражено в секундах, если I измеряется в амперах.

Нельзя смешивать массу в граммах с электрохимическим эквивалентом в кг/Кл. Из-за этого ответ отличается от правильного в тысячу раз. Перед вычислением запишите обе величины в согласованных единицах СИ.

Валентность иона z иногда путают с зарядом q. Валентность показывает число электронов на один ион, а q — общий электрический заряд, прошедший через электролит. Проверьте обозначения и единицы: z безразмерна, q измеряется в кулонах.

Формулу закона нельзя механически применять к любому веществу в растворе. Если продукт не выделяется на электроде, нужная реакция может идти иначе или вещество вообще не участвует в процессе. Сначала определите, какая частица принимает или отдаёт электроны.

Связь с другими темами

Для расчётов нужны сила тока, электрический заряд и связь q = It. Поэтому важно уверенно переводить единицы и понимать физический смысл ампера и кулона.

Электролиз опирается на знания об ионах, электролитах, электродах и окислительно-восстановительных реакциях. Именно движение ионов и обмен электронами объясняют появление вещества на электродах.

Закон используют для расчёта гальванических покрытий, рафинирования металлов и промышленного получения веществ. По току и времени можно заранее оценить количество продукта процесса.

Что запомнить

• При электролизе вещество выделяется на электродах в результате химических реакций.
• Масса выделившегося вещества прямо пропорциональна прошедшему заряду.
• Основная формула закона электролиза: m = kq.
• При постоянном токе заряд определяется формулой q = It.
• Объединённая формула имеет вид m = kIt.
• Электрохимический эквивалент выражается как k = M/(zF).
• Чем больше сила тока или время электролиза, тем больше масса выделившегося вещества.