Celdas galvánicas Ley de Faraday. Las leyes de Faraday en química y física: una breve explicación en palabras sencillas

¿Qué mejor manera de leer sobre lo básico un lunes por la noche? electrodinámica. Así es, puedes encontrar muchas cosas mejores. Sin embargo, aún le sugerimos que lea este artículo. No lleva mucho tiempo, pero informacion util permanecerá en el subconsciente. Por ejemplo, durante un examen, bajo estrés, será posible extraer con éxito la ley de Faraday de lo más profundo de la memoria. Dado que existen varias leyes de Faraday, aclaremos que aquí estamos hablando de la ley de inducción de Faraday.

Electrodinámica– una rama de la física que estudia el campo electromagnético en todas sus manifestaciones.

Esto incluye la interacción de campos eléctricos y magnéticos, corriente eléctrica, radiación electromagnética y la influencia del campo sobre los cuerpos cargados.

Aquí no pretendemos considerar toda la electrodinámica. ¡Dios no lo quiera! Echemos un vistazo más de cerca a una de sus leyes básicas, que se llama por ley inducción electromagnética faraday.

Historia y definición

Faraday, paralelamente a Henry, descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética en 1831. Es cierto que logré publicar los resultados antes. La ley de Faraday se utiliza ampliamente en tecnología, en motores eléctricos, transformadores, generadores y estranguladores. ¿Cuál es la esencia de la ley de Faraday para la inducción electromagnética, en pocas palabras? ¡Aquí está la cosa!

Cuando el flujo magnético cambia a través de un circuito conductor cerrado, surge una corriente eléctrica en el circuito. Es decir, si retorcemos un marco de alambre y lo colocamos en un campo magnético cambiante (tomamos un imán y lo giramos alrededor del marco), ¡la corriente fluirá a través del marco!

Faraday llamó a esta corriente inducción, y el fenómeno en sí fue denominado inducción electromagnética.

Inducción electromagnética– ocurrencia en un circuito cerrado corriente eléctrica cuando cambia el flujo magnético que pasa a través del circuito.

La formulación de la ley básica de la electrodinámica, la ley de inducción electromagnética de Faraday, se ve y suena de la siguiente manera:

CEM, que surge en el circuito, es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético. F a través del circuito.

¿De dónde viene el menos en la fórmula, preguntas? Para explicar el signo menos en esta fórmula hay una explicación especial. La regla de Lenz. Dice que el signo menos en en este caso, indica la dirección del FEM emergente. El hecho es que el campo magnético creado por la corriente de inducción se dirige de tal manera que evita el cambio en el flujo magnético que causó corriente inducida.

Ejemplos de resolución de problemas

Eso parece ser todo. La importancia de la ley de Faraday es fundamental, porque sobre el uso de esta ley se basa casi toda la industria eléctrica. Para ayudarlo a comprender más rápido, veamos un ejemplo de cómo resolver un problema usando la ley de Faraday.

¡Y recuerden amigos! Si la tarea está atascada como un hueso en la garganta y no mas fuerza tolerarlo - ¡contacte a nuestros autores! Ahora lo sabes. Le proporcionaremos rápidamente solución detallada¡Y te explicaremos todas tus dudas!

Para describir procesos en física y química, existen una serie de leyes y relaciones obtenidas experimentalmente y mediante cálculos. No se puede realizar ningún estudio sin una evaluación preliminar de los procesos utilizando relaciones teóricas. Las leyes de Faraday se aplican tanto en física como en química, y en este artículo intentaremos hablar de todas ellas de forma breve y clara. descubrimientos famosos este gran científico.

Historia del descubrimiento

La ley de Faraday en electrodinámica fue descubierta por dos científicos: Michael Faraday y Joseph Henry, pero Faraday publicó los resultados de su trabajo antes, en 1831.

en su experimentos de demostración en agosto de 1831 utilizó un toro de hierro, en cuyos extremos opuestos estaba enrollado un alambre (un alambre por lado). Aplicó energía a los extremos de un primer cable desde batería galvánica, y conectó un galvanómetro a los terminales del segundo. El diseño era similar a un transformador moderno. Al encender y apagar periódicamente el voltaje en el primer cable, observó sobretensiones en el galvanómetro.

Un galvanómetro es un instrumento altamente sensible para medir pequeñas corrientes.

De esta manera quedó reflejada la influencia campo magnético, formado como resultado del flujo de corriente en el primer cable, sobre el estado del segundo conductor. Este impacto se transmitió del primero al segundo a través del núcleo, un toro metálico. Como resultado de la investigación, también se descubrió la influencia de un imán permanente que se mueve en una bobina sobre su devanado.

Luego Faraday explicó el fenómeno de la inducción electromagnética desde el punto de vista líneas eléctricas. Otra era una instalación para generar corriente continua: un disco de cobre giraba cerca de un imán y un cable que se deslizaba a lo largo de él actuaba como colector de corriente. Este invento se llama disco de Faraday.

Los científicos de esa época no aceptaron las ideas de Faraday, pero Maxwell tomó la investigación como base para su teoría magnética. En 1836, Michael Faraday estableció relaciones para los procesos electroquímicos, que se denominaron Leyes de Electrólisis de Faraday. El primero describe la relación entre la masa de una sustancia liberada sobre el electrodo y la corriente que fluye, y el segundo describe la relación entre la masa de una sustancia en solución y liberada sobre el electrodo, para una cierta cantidad de electricidad.

Electrodinámica

Los primeros trabajos se utilizaron en física, concretamente en la descripción del funcionamiento de máquinas y dispositivos eléctricos (transformadores, motores, etc.). La ley de Faraday establece:

Para un circuito, la FEM inducida es directamente proporcional a la velocidad del flujo magnético que se mueve a través de este circuito con un signo menos.

Puede decirse en palabras simples: El mas rápido flujo magnético Cuanto más se mueve por el circuito, más campos electromagnéticos se generan en sus terminales.

La fórmula se ve así:

Aquí dФ es el flujo magnético y dt es la unidad de tiempo. Se sabe que la primera derivada con respecto al tiempo es la velocidad. Es decir, la velocidad de movimiento del flujo magnético en este caso particular. Por cierto, puede moverse, al igual que la fuente del campo magnético (una bobina con corriente, un electroimán o imán permanente), y el contorno.

Aquí el flujo se puede expresar usando la siguiente fórmula:

B es el campo magnético y dS es el área de superficie.

Si consideramos una bobina con espiras apretadas, con el número de espiras N, entonces la ley de Faraday se ve así:

El flujo magnético por vuelta en la fórmula se mide en Webers. La corriente que fluye en el circuito se llama inducción.

La inducción electromagnética es el fenómeno del flujo de corriente en un circuito cerrado bajo la influencia de un campo magnético externo.

En las fórmulas anteriores, habrás notado los signos del módulo; sin ellos, tiene una forma ligeramente diferente, como se dijo en la primera formulación, con un signo menos.

El signo menos explica la regla de Lenz. La corriente que surge en el circuito crea un campo magnético y se dirige en la dirección opuesta. Esto es una consecuencia de la ley de conservación de la energía.

La dirección de la corriente de inducción se puede determinar mediante la regla mano derecha o lo revisamos en detalle en nuestro sitio web.

Como ya se mencionó, gracias al fenómeno de la inducción electromagnética, funcionan máquinas eléctricas, transformadores, generadores y motores. La ilustración muestra el flujo de corriente en el devanado del inducido bajo la influencia del campo magnético del estator. En el caso de un generador, cuando su rotor gira Fuerzas externas La EMF surge en los devanados del rotor, la corriente genera un campo magnético dirigido en la dirección opuesta (el mismo signo menos en la fórmula). Cuanto mayor es la corriente consumida por la carga del generador, mayor es el campo magnético y más difícil resulta girar.

Y viceversa: cuando fluye corriente en el rotor, surge un campo que interactúa con el campo del estator y el rotor comienza a girar. Cuando se carga el eje, la corriente en el estator y el rotor aumenta y es necesario asegurar la conmutación de los devanados, pero este es otro tema relacionado con el diseño de máquinas eléctricas.

En el corazón del funcionamiento de un transformador, la fuente de flujo magnético en movimiento es un campo magnético alterno que surge como resultado de la corriente alterna que fluye en el devanado primario.

Si quieres estudiar el tema con más detalle, te recomendamos ver un vídeo que explica la Ley de Faraday para la inducción electromagnética de una forma fácil y accesible:

Electrólisis

Además de investigar los campos electromagnéticos y la inducción electromagnética, el científico hizo grandes descubrimientos y en otras disciplinas, incluida la química.

Cuando la corriente fluye a través del electrolito, los iones (positivos y negativos) comienzan a precipitarse hacia los electrodos. Los negativos se dirigen hacia el ánodo y los positivos hacia el cátodo. En este caso, una determinada masa de sustancia contenida en el electrolito se libera sobre uno de los electrodos.

Faraday llevó a cabo experimentos pasando diferentes corrientes a través del electrolito y midiendo la masa de la sustancia depositada en los electrodos y patrones derivados.

m es la masa de la sustancia, q es la carga y k depende de la composición del electrolito.

Y la carga se puede expresar en términos de corriente durante un período de tiempo:

yo=q/t, Entonces q = yo*t

Ahora puedes determinar la masa de la sustancia que se liberará, conociendo la corriente y el tiempo que fluyó. Esto se llama Primera Ley de Electrólisis de Faraday.

Segunda ley:

Peso elemento químico, que se depositará en el electrodo, es directamente proporcional a la masa equivalente del elemento (masa molar dividida por un número que depende de reacción química, en el que está implicada la sustancia).

Teniendo en cuenta lo anterior, estas leyes se combinan en la fórmula:

m – masa de la sustancia liberada en gramos, n – número de electrones transferidos en el proceso del electrodo, F=986485 C/mol – número de Faraday, t – tiempo en segundos, M masa molar sustancias g/mol.

En realidad, porque varias razones, la masa de la sustancia liberada es menor que la calculada (al calcular teniendo en cuenta la corriente que fluye). La relación entre las masas teórica y real se llama producción actual:

B t = 100% * m calculado / m teórico

Las leyes de Faraday contribuyeron significativamente al desarrollo. ciencia moderna, gracias a su trabajo tenemos motores eléctricos y generadores de electricidad (así como el trabajo de sus seguidores). El trabajo de los EMF y los fenómenos de la inducción electromagnética nos dieron mayoría equipos eléctricos modernos, incluidos altavoces y micrófonos, sin los cuales es imposible escuchar grabaciones y comunicaciones de voz. Los procesos de electrólisis se utilizan en el método galvánico de recubrimiento de materiales, que tiene un valor tanto decorativo como práctico.

Materiales relacionados:

Como( 0 ) No me gusta( 0 )

En 1831, el mundo conoció por primera vez el concepto de inducción electromagnética. Fue entonces cuando Michael Faraday descubrió este fenómeno, que con el tiempo se convirtió en el descubrimiento más importante en electrodinámica.

Historia del desarrollo y experimentos de Faraday.

Antes mediados del 19 Durante siglos se creía que los campos eléctrico y magnético no tenían conexión y que la naturaleza de su existencia era diferente. Pero M. Faraday confiaba en la naturaleza unificada de estos campos y sus propiedades. El fenómeno de la inducción electromagnética descubierto por él se convirtió posteriormente en la base para el diseño de los generadores de todas las centrales eléctricas. Gracias a este descubrimiento, el conocimiento de la humanidad sobre el electromagnetismo ha avanzado mucho.

Faraday realizó el siguiente experimento: cerró un circuito en la bobina I y el campo magnético a su alrededor aumentó. A continuación, las líneas de inducción de este campo magnético cruzaron la bobina II, en la que surgió una corriente inducida.

Arroz. 1. Esquema del experimento de Faraday.

De hecho, simultáneamente con Faraday, pero independientemente de él, otro científico, Joseph Henry, descubrió este fenómeno. Sin embargo, Faraday publicó su investigación antes. Así, el autor de la ley de la inducción electromagnética fue Michael Faraday.

No importa cuántos experimentos realizó Faraday, una condición permaneció sin cambios: para la formación de una corriente de inducción, es importante cambiar el flujo magnético que penetra en un circuito conductor cerrado (bobina).

ley de faraday

El fenómeno de la inducción electromagnética está determinado por la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cerrado conductor de electricidad cuando el flujo magnético cambia a través del área de este circuito.

La ley básica de Faraday es que la fuerza electromotriz (EMF) es directamente proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético.

La fórmula de la ley de inducción electromagnética de Faraday es la siguiente:

Arroz. 2. Fórmula de la ley de la inducción electromagnética.

Y si la fórmula en sí, basada en las explicaciones anteriores, no genera dudas, entonces el signo "-" puede generar dudas. Resulta que existe una regla de Lenz, un científico ruso que realizó sus investigaciones basándose en los postulados de Faraday. Según Lenz, el signo “-” indica la dirección del FEM emergente, es decir la corriente inducida se dirige de tal manera que el flujo magnético que crea, a través del área delimitada por el circuito, tiende a oponerse al cambio de flujo que provoca la corriente.

Ley de Faraday-Maxwell

En 1873, J.C. Maxwell presentó la teoría de una manera nueva. campo electromagnetico. Las ecuaciones que derivó formaron la base de la ingeniería de radio y la ingeniería eléctrica modernas. Se expresan de la siguiente manera:

• Edl = -dФ/dt– ecuación de fuerza electromotriz
• Hdl = -dN/dt– ecuación de fuerza magnetomotriz.

Dónde mi– intensidad del campo eléctrico en la zona dl; h– intensidad del campo magnético en la zona dl; norte– flujo de inducción eléctrica, t- tiempo.

La naturaleza simétrica de estas ecuaciones establece una conexión entre electricidad y fenómenos magnéticos, así como magnéticos y eléctricos. significado fisico, que determina estas ecuaciones, se puede expresar mediante las siguientes disposiciones:

• Si el campo eléctrico cambia, este cambio siempre va acompañado de un campo magnético.
• Si el campo magnético cambia, este cambio siempre va acompañado de un campo eléctrico.

Arroz. 3. Aparición de un campo magnético de vórtice

Maxwell también estableció que la propagación del campo electromagnético es igual a la velocidad de propagación de la luz.

Calificaciones totales recibidas: 134.

1. La primera ley de Faraday es fundamental ley de cantidad electroquímica.

2.Equivalente electroquímico.

3.Coulómetros.Clasificación de coulómetros.

4. Salida de sustancia por corriente.

5. Métodos para determinar la salida de corriente cuando se utiliza corriente continua y pulsada.

6.Segunda ley de Faraday.

7. Casos aparentes de desviación de las leyes de Faraday.

1. Primera ley de Faraday

Hay tres tipos principales de coulómetros: gravimétricos (gravimétricos), volumétricos (volumétricos) y de titulación.

Al pesar los coulómetros (estos incluyen plata y cobre), la cantidad de electricidad que pasa a través de ellos se calcula mediante el cambio en la masa del cátodo o ánodo. En los coulómetros volumétricos, el cálculo se realiza midiendo el volumen de las sustancias resultantes (gas en un coulómetro de hidrógeno, mercurio líquido en un coulómetro de mercurio). En los coulómetros de titulación, la cantidad de electricidad se determina a partir de los datos de titulación de sustancias formadas en solución como resultado de una reacción de electrodo.

Coulómetro de cobre más común en la práctica investigación de laboratorio, porque Es fácil de fabricar y bastante preciso. La precisión para determinar la cantidad de electricidad es del 0,1%. El coulómetro consta de dos ánodos de cobre y un cátodo de lámina fina de cobre situado entre ellos. El electrolito en un coulómetro de cobre es una solución acuosa de la siguiente composición: CuSO 4 ∙ 5H 2 O, H 2 SO 4 y etanol C 2 H 5 OH aumenta. conductividad eléctrica electrolito y, además, previene la formación de compuestos básicos de cobre en el espacio catódico, que pueden adsorberse en el cátodo, aumentando así su masa. El H 2 SO 4 en el electrolito del coulómetro de cobre es necesario para evitar la acumulación de compuestos de Cu 1+ que pueden formarse como resultado de la reacción de desproporción:

Cu 0 + Cu 2+ → 2Cu +

Se añade alcohol etílico al electrolito para obtener depósitos catódicos compactos y finamente cristalinos y para evitar la oxidación de los electrodos de cobre del coulómetro.

La cantidad de electricidad transmitida se juzga por el cambio en la masa del cátodo, antes y después de la electrólisis.

cátodo y el ánodo está hecho de plata pura.

Se utiliza una solución neutra o ligeramente ácida al 30% de nitrato de plata como electrolito en un coulómetro de plata.

Coulómetro de gas hidrógeno-oxígeno Se utiliza para mediciones aproximadas de pequeñas cantidades de electricidad. Mide el volumen total de hidrógeno y oxígeno liberado durante la electrólisis de una solución acuosa de H 2 SO 4 o NaOH, y a partir de este valor se calcula la cantidad de electricidad pasada. Estos coulómetros se utilizan relativamente raramente, porque Su precisión es baja y su uso es menos cómodo que los coulómetros de pesaje.

Los coulómetros volumétricos también incluyen coulómetro de mercurio. Se utiliza principalmente en la industria para medir la cantidad de electricidad. La precisión de un coulómetro de mercurio es del 1%, pero puede funcionar a altas densidades actual. El ánodo es mercurio. El carbón es el cátodo. El electrolito es una solución de yoduro de mercurio y yoduro de potasio. La cantidad de electricidad se calcula a partir del nivel de mercurio en el tubo.

El más común de coulómetros de titulación– yodo

Y Coulómetro de Kistyakovsky.

Un coulómetro de yodo es un recipiente con electrodos de platino-iridio separados por espacios de cátodo y ánodo. Una solución concentrada de yoduro de potasio con la adición de de ácido clorhídrico, en el compartimento catódico: una solución de ácido clorhídrico. Cuando pasa una corriente a través del ánodo, se libera yodo, que luego se titula con tiosulfato de sodio (Na 2 S 2 O 3). Según los resultados de la titulación, se calcula la cantidad de electricidad.

Coulómetro de Kistyakovsky- Este es un recipiente de vidrio. El ánodo es un alambre de plata soldado a un tubo de vidrio con mercurio para asegurar el contacto. El recipiente se llena con una solución de nitrato de potasio (15-20%). En esta solución se sumerge un cátodo de platino-iridio. Cuando pasa corriente, se produce la disolución anódica de la plata. Y también en función de los resultados de la titulación de la solución, se calcula la cantidad de electricidad.

4. Salida actual

Zn2+ +2ē →Zn

Si en el electrodo se producen varias reacciones electroquímicas paralelas, entonces la primera ley de Faraday será válida para cada una de ellas.

A efectos prácticos, para tener en cuenta qué fracción de la corriente o cantidad de electricidad que pasa por el sistema electroquímico se gasta en cada reacción específica, se utiliza el concepto Salida de una sustancia por corriente.

Por lo tanto, VT permite determinar la parte de la cantidad de electricidad que pasa a través del sistema electroquímico, que representa la parte de esta reacción electroquímica.

Es necesario tener conocimientos de FP, así como para resolver cuestiones teóricas: por ejemplo, al construir curvas de polarización parcial y dilucidar el mecanismo de una reacción electroquímica, y en la práctica de la electrodeposición de metales, no metales, aleaciones, para evaluar la efectividad de una operación tecnológica. En la práctica, el VT suele determinarse dividiendo la masa práctica de una sustancia por la masa teórica determinada por la ley de Faraday.

m práctico – la masa de una sustancia prácticamente transformada como resultado del paso de una cierta cantidad de electricidad; m theor es la masa de una sustancia que teóricamente debería transformarse al pasar la misma cantidad de electricidad.

Los VT de los procesos que ocurren en el cátodo, por regla general, no coinciden con los VT de los procesos anódicos, por lo que es necesario distinguir entre la salida de corriente del cátodo y del ánodo. Hasta ahora, hemos considerado casos de determinación de VT cuando una corriente eléctrica continua fluye a través de la interfaz entre un conductor del primer tipo y un conductor del segundo tipo.

5. Métodos para determinar VT utilizando corriente pulsada.

Sin embargo, si fluye a través del límite de fase corriente de impulso, entonces al determinar VT surgen grandes dificultades. No existe un método o instrumento único para determinar el VT durante la electrólisis de pulso. La dificultad de determinar VT en condiciones de electrólisis pulsada se debe al hecho de que la corriente que pasa a través del sistema se gasta no solo en la reacción electroquímica, sino también en la carga de la doble capa eléctrica. Una corriente eléctrica que pasa a través de una interfaz y provoca una transformación electroquímica a menudo se denomina corriente de Faraday. La corriente de carga se gasta en cargar la doble capa eléctrica, reorganizando el disolvente, el propio reactivo, es decir. todo lo que crea las condiciones para que ocurra una reacción electroquímica, por lo que la expresión para la corriente total que pasa por el sistema electroquímico será la siguiente:

I = Iz + Iph, donde Iz es la corriente de carga, Iph es la corriente de Faraday.

Si no se requiere definición valores absolutos VT, entonces, como criterio para evaluar la eficiencia de la electrólisis pulsada, se puede utilizar la relación entre la cantidad de electricidad gastada en disolver el precipitado y la cantidad de electricidad gastada en su formación.

6. Segunda ley de Faraday.

Matemáticamente, esta ley se expresa mediante la ecuación:

La segunda ley de Faraday es una consecuencia directa de la primera ley. La segunda ley de Faraday refleja la relación que existe entre la cantidad de sustancia que reacciona y su naturaleza química.

Según la segunda ley de Faraday:

Si en la interfaz entre un conductor del primer tipo y un conductor del segundo tipo ocurre una y solo una reacción electroquímica, en la que participan varias sustancias, entonces las masas de los participantes en la reacción que han sufrido transformaciones se relacionan entre sí como sus equivalentes químicos.

7. Casos aparentes de desviación de las leyes de Faraday.

La Primera Ley de Faraday, basada en la naturaleza atómica de la materia y la electricidad, es una ley exacta de la naturaleza. No puede haber desviaciones de ello. Si en la práctica se observan desviaciones de esta ley durante los cálculos, esto siempre se debe a una consideración incompleta de los procesos que acompañan a la reacción electroquímica principal. Por ejemplo, durante la electrólisis de una solución acuosa de NaCl en un sistema con electrodos de platino y espacios de ánodo y cátodo separados por un diafragma poroso, ocurre la siguiente reacción en el cátodo:

2H 2 O + 2ē = H 2 + 2OH -

y en el ánodo: 2Cl - - 2ē = Cl 2

Cantidad formada gas de cloro es siempre menor que lo que sigue según la ley de Faraday debido a que el Cl 2 se disuelve en el electrolito y entra en una reacción de hidrólisis:

Cl 2 + H 2 O → HCl + HClO

Si tenemos en cuenta la masa de cloro que reaccionó con el agua, obtenemos un resultado correspondiente al calculado según la ley de Faraday.

O, durante la disolución anódica de muchos metales, ocurren dos procesos en paralelo: la formación de iones de valencia normal y los llamados suscripciones, es decir, iones de valencia más baja, por ejemplo: Cu 0 - 2ē → Cu 2+ y

Cu- 1ē → Cu +. Por lo tanto, el cálculo según la ley de Faraday bajo el supuesto de que sólo se forman iones valencia más alta resulta estar equivocado.

A menudo no se produce una reacción electroquímica en el electrodo, sino varias reacciones paralelas independientes. Por ejemplo, al separar Zn de una solución ácida de ZnSO 4 junto con la descarga de iones Zn:

Zn2+ +2ē →Zn

Se produce la reacción de reducción de los iones hidronio: 2H 3 O + +2ē → H 2 + 2H 2 O.

Si en el electrodo se producen varias reacciones electroquímicas paralelas, entonces la primera ley de Faraday será válida para cada una de ellas.

proceso redox a la fuerza El flujo bajo la influencia de una corriente eléctrica se llama electrólisis.

La electrólisis se lleva a cabo en una celda electrolítica llena de electrolito, en la que se sumergen electrodos y se conectan a una fuente de corriente externa.

Electrodo conectado al polo negativo. fuente externa la corriente se llama cátodo. En el cátodo se producen procesos de reducción de partículas de electrolito. El electrodo conectado al polo positivo de la fuente de corriente se llama ánodo. En el ánodo se producen procesos de oxidación de partículas de electrolito o del material del electrodo.

Los procesos anódicos dependen de la naturaleza del electrolito y del material del ánodo. A este respecto se distingue entre electrólisis con ánodo inerte y soluble.

Un ánodo inerte es aquel cuyo material no se oxida durante la electrólisis. Los electrodos inertes incluyen, por ejemplo, grafito (carbono) y platino.

Un ánodo soluble es aquel cuyo material puede oxidarse durante la electrólisis. La mayoría de los electrodos metálicos son solubles.

Como electrolito se pueden utilizar soluciones o masas fundidas. En una solución o fusión de un electrolito, los iones están en movimiento caótico. Bajo la influencia de una corriente eléctrica, los iones adquieren un movimiento direccional: los cationes se mueven hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo y, en consecuencia, pueden descargarse en los electrodos.

Con electrólisis se funde con electrodos inertes En el cátodo sólo se pueden reducir los cationes metálicos y en el ánodo se pueden oxidar los aniones.

Durante la electrólisis de agua soluciones En el cátodo, además de los cationes metálicos, se pueden reducir las moléculas de agua y, en soluciones ácidas, los iones de hidrógeno H +. Por tanto, en el cátodo son posibles las siguientes reacciones competitivas:

(-) K: Bueno norte + + nordeste→ Yo

2H2O+2 ē → H 2 + 2 OH -

2H++2 ē → H2

En el cátodo, la reacción con valor más alto potencial de electrodo.

Durante la electrólisis de agua soluciones con ánodo soluble Además de la oxidación de aniones, son posibles reacciones de oxidación del propio electrodo, moléculas de agua y en soluciones alcalinas de iones hidróxido (OH -):

(+) R: Yo - norte ē→Yo norte +

oxidación de aniones mi 0

2H2O-4 ē O2+4H+

4OH – - 4 ē = O 2 +2H 2 O

En el ánodo, la reacción ocurre principalmente con nai bajo valor potencial de electrodo.

Para las reacciones de electrodos, los potenciales de equilibrio se dan en ausencia de corriente eléctrica.

La electrólisis es un proceso de no equilibrio, por lo que los potenciales de las reacciones de los electrodos bajo corriente difieren de sus valores de equilibrio. El desplazamiento del potencial del electrodo desde su valor de equilibrio bajo la influencia de una corriente externa se llama polarización del electrodo. La cantidad de polarización se llama sobretensión. La magnitud de la sobretensión está influenciada por muchos factores: la naturaleza del material del electrodo, la densidad de corriente, la temperatura, el pH ambiental, etc.

Las sobretensiones de liberación de metal catódico son relativamente pequeñas.

En caso de sobretensión elevada, suele producirse la formación de gases como hidrógeno y oxígeno. La sobretensión mínima de hidrógeno en el cátodo en soluciones ácidas se observa en Pt (h=0,1 V), y la máxima en plomo, zinc, cadmio y mercurio. La sobretensión cambia al sustituir soluciones ácidas por alcalinas. Por ejemplo, en platino en medio alcalino, la sobretensión del hidrógeno h = 0,31 V (ver apéndice).

La liberación de oxígeno anódico también está asociada con la sobretensión. La sobretensión mínima de desprendimiento de oxígeno se observa en los electrodos de Pt (h=0,7 V), y la máxima en los de zinc, mercurio y plomo (ver Apéndice).

De lo anterior se deduce que durante la electrólisis de soluciones acuosas:

1) los iones metálicos se reducen en el cátodo, cuyos potenciales de electrodo más potencial recuperación de agua (-0,82V). Los iones metálicos que tienen potenciales de electrodo más negativos que -0,82 V no se reducen. Estos incluyen alcalinos y metales alcalinotérreos y aluminio.

2) en el ánodo inerte, teniendo en cuenta la sobretensión de oxígeno, se produce la oxidación de aquellos aniones cuyo potencial es menor que el potencial de oxidación del agua (+1,23V). Tales aniones incluyen, por ejemplo, I -, Br -, Cl -, NO 2 -, OH -. Los aniones CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - no son oxidables.

3) durante la electrólisis con un ánodo soluble, los electrodos fabricados con aquellos metales cuyo potencial de electrodo es inferior a +1,23 V se disuelven en medios neutros y ácidos, y en medios alcalinos, menos de +0,413 V.

Los productos totales de los procesos en el cátodo y el ánodo son sustancias eléctricamente neutras.

Para llevar a cabo el proceso de electrólisis se debe aplicar voltaje a los electrodos. voltaje de electrólisis Ud. elza es la diferencia de potencial necesaria para que se produzcan reacciones en el cátodo y el ánodo. Tensión teórica de electrólisis ( Ud. el-za, teórico) sin tener en cuenta la sobretensión, la caída de tensión óhmica en conductores del primer tipo y en el electrolito

Ud. el-za, teoría = mi A - mi k, (7)

Dónde mi A, mi k - potenciales de reacciones anódicas y catódicas.

La relación entre la cantidad de sustancia liberada durante la electrólisis y la cantidad de corriente que pasa a través del electrolito se expresa mediante las dos leyes de Faraday.

Primera ley de Faraday. La cantidad de sustancia formada en el electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la solución electrolítica (fundida):

Dónde k– equivalente electroquímico, g/C o g/Ah; q– cantidad de electricidad, culombio, q=Él; t-tiempo, s; I-actual, A; F= 96500 C/mol (A s/mol) = 26,8 Ah/mol – constante de Faraday; E es la masa equivalente de la sustancia, g/mol.

En reacciones electroquímicas, la masa equivalente de una sustancia se determina:

norte– el número de electrones que participan en la reacción del electrodo de formación de esta sustancia.

Ley II de Faraday. Cuando la misma cantidad de electricidad pasa por diferentes electrolitos, las masas de sustancias liberadas sobre los electrodos son proporcionales a sus masas equivalentes:

Dónde metro 1 y metro 2 – masas de las sustancias 1 y 2, E 1 y E 2, g/mol – masas equivalentes de las sustancias 1 y 2.

En la práctica, a menudo debido a procesos redox competitivos, se forma en los electrodos menos sustancia de la que corresponde a la electricidad que pasa a través de la solución.

Para caracterizar las pérdidas de electricidad durante la electrólisis, se introdujo el concepto de "Salida de corriente". Salida de corriente En t es la relación entre la cantidad de producto de electrólisis realmente obtenido expresada como porcentaje metro hecho. a calculado teóricamente metro teoría:

Ejemplo 10. ¿Qué procesos ocurrirán durante la electrólisis de una solución acuosa de sulfato de sodio con un ánodo de carbono? ¿Qué sustancias se liberarán en los electrodos si se reemplaza el electrodo de carbón por uno de cobre?

Solución: En una solución de sulfato de sodio en procesos de electrodos Pueden participar iones de sodio Na+, SO 4 2- y moléculas de agua. Los electrodos de carbono se clasifican como electrodos inertes.

Posible en el cátodo siguientes procesos recuperación:

(-) K:Na++ ē → Na

2H2O+2 ē → H 2 + 2 OH -

En el cátodo ocurre primero la reacción con el potencial de electrodo más alto. Por lo tanto, se producirá una reducción de las moléculas de agua en el cátodo, acompañada de la liberación de hidrógeno y la formación de iones OH - hidróxido en el espacio del cátodo. Los iones de sodio Na + presentes en el cátodo junto con los iones OH - formarán una solución alcalina de NaOH.

(+)A: 2 ASI 4 2- - 2 ē → S 2 O 8 2-

2H2O-4 ē → 4H + + O 2 .

En el ánodo tiene lugar primero la reacción con el potencial de electrodo más bajo. Por lo tanto, la oxidación de las moléculas de agua con liberación de oxígeno se producirá en el ánodo y los iones H + se acumularán en el espacio del ánodo. Los iones SO 4 2- presentes en el ánodo con iones H + formarán una solución de ácido sulfúrico H 2 SO 4.

La reacción de electrólisis total se expresa mediante la ecuación:

2 Na 2 SO 4 + 6H 2 O = 2H 2 + 4 NaOH + O 2 + 2H 2 SO 4.

productos de cátodo productos de ánodo

Al reemplazar un ánodo de carbono (inerte) por uno de cobre, es posible otra reacción de oxidación en el ánodo: la disolución del cobre:

Cu – 2 ē → Cu 2+

Este proceso se caracteriza por un valor potencial más bajo que otros posibles procesos anódicos. Por lo tanto, durante la electrólisis de Na 2 SO 4 con un ánodo de cobre, se producirá oxidación del cobre en el ánodo y sulfato de cobre CuSO 4 se acumulará en el espacio del ánodo. La reacción de electrólisis total quedará expresada por la ecuación:

Na 2 SO 4 + 2H 2 O + Cu = H 2 + 2 NaOH + CuSO 4.

productos catódicos producto anódico

Ejemplo 11. Escriba una ecuación para los procesos que ocurren durante la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de níquel NiCl 2 con un ánodo inerte.

Solución: En una solución de cloruro de níquel, los iones de níquel Ni 2+, Cl - y las moléculas de agua pueden participar en los procesos de los electrodos. Se puede utilizar un electrodo de grafito como ánodo inerte.

En el cátodo son posibles las siguientes reacciones:

(-) K: Ni 2+ + 2 ē → Ni

2H2O+2 ē → H 2 + 2 OH -

El potencial de la primera reacción es mayor, por lo que se produce la reducción de los iones de níquel en el cátodo.

En el ánodo son posibles las siguientes reacciones:

(+) A: 2Cl - - 2 ē →Cl2

2H2O-4 ē O2+4H+ .

Según valores estándar potenciales de electrodo en el ánodo

se debe liberar oxígeno. En realidad, debido a la alta sobretensión de oxígeno, se libera cloro en el electrodo. La magnitud de la sobretensión depende del material del que está hecho el electrodo. Para el grafito, la sobretensión de oxígeno es de 1,17 V con una densidad de corriente de 1 A/cm2, lo que aumenta el potencial de oxidación del agua a 2,4 V.

En consecuencia, la electrólisis de una solución de cloruro de níquel procede con la formación de níquel y cloro:

Ni 2+ + 2Cl - = Ni + Cl 2.

en el cátodo en el ánodo

Ejemplo 12. Calcule la masa de la sustancia y el volumen de gas liberado en electrodos inertes durante la electrólisis de una solución acuosa de nitrato de plata AgNO 3, si el tiempo de electrólisis es de 25 minutos y la corriente es de 3 A.

Solución. Durante la electrólisis de una solución acuosa de AgNO 3 en el caso de un ánodo insoluble (por ejemplo, grafito), se producen los siguientes procesos en los electrodos:

(-) K: Ag++ ē → Ag ,

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH - .

El potencial de la primera reacción es mayor, por lo que se produce una reducción de los iones de plata en el cátodo.

(+) A: 2H 2 O – 4 ē O2+4H+ ,

El anión NO 3 no se oxida.

G o en litros l.

Tareas

5. Registre las reacciones de electrólisis en electrodos inertes y calcule la masa de la sustancia obtenida en el cátodo y el volumen de gas liberado en el ánodo durante la electrólisis de soluciones de electrolitos, si el tiempo de electrólisis es de 20 minutos, la corriente I=2A, si la salida de corriente Vt =100%. ¿Qué sustancias se liberarán en los electrodos al reemplazar el ánodo inerte por el metálico especificado en la tarea?

Fin de la mesa