Cellules galvaniques Loi de Faraday. Lois de Faraday en chimie et en physique - une brève explication avec des mots simples

Quelle meilleure façon de lire les bases un lundi soir ? électrodynamique. C'est vrai, vous pouvez trouver beaucoup de choses meilleures. Nous vous suggérons néanmoins de lire cet article. Cela ne prend pas beaucoup de temps, mais informations utiles restera dans le subconscient. Par exemple, lors d’un examen, sous stress, il sera possible de réussir à extraire la loi de Faraday des profondeurs de la mémoire. Puisqu’il existe plusieurs lois de Faraday, précisons qu’il s’agit ici de la loi d’induction de Faraday.

Électrodynamique– une branche de la physique qui étudie le champ électromagnétique dans toutes ses manifestations.

Cela inclut l'interaction des champs électriques et magnétiques, le courant électrique, le rayonnement électromagnétique et l'influence du champ sur les corps chargés.

Nous n’avons pas pour objectif ici de considérer toute l’électrodynamique. Dieu nous en préserve ! Examinons de plus près l'une de ses lois fondamentales, appelée par la loi induction électromagnétique Faraday.

Histoire et définition

Faraday, parallèlement à Henry, découvrit le phénomène de l'induction électromagnétique en 1831. Certes, j'ai réussi à publier les résultats plus tôt. La loi de Faraday est largement utilisée dans la technologie, dans les moteurs électriques, les transformateurs, les générateurs et les selfs. Quelle est l’essence de la loi de Faraday pour l’induction électromagnétique, en termes simples ? Voilà le truc !

Lorsque le flux magnétique change dans une boucle conductrice fermée, un courant électrique apparaît dans la boucle. Autrement dit, si nous tordons un cadre avec du fil et le plaçons dans un champ magnétique changeant (prenons un aimant et le tournons autour du cadre), le courant circulera à travers le cadre !

Faraday a appelé cela l'induction de courant, et le phénomène lui-même a été surnommé l'induction électromagnétique.

Induction électromagnétique– occurrence en boucle fermée courant électrique lorsque le flux magnétique traversant le circuit change.

La formulation de la loi fondamentale de l'électrodynamique - la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, se présente comme suit :

CEM, apparaissant dans le circuit, est proportionnel au taux de variation du flux magnétique F à travers le circuit.

D'où vient le moins dans la formule, demandez-vous ? Pour expliquer le signe moins dans cette formule, il existe un spécial La règle de Lenz. Il est dit que le signe moins, dans dans ce cas, indique la direction du FEM émergent. Le fait est que le champ magnétique créé par le courant d'induction est dirigé de telle manière qu'il empêche la modification du flux magnétique qui a provoqué courant induit.

Exemples de résolution de problèmes

Cela semble être tout. L'importance de la loi de Faraday est fondamentale, car la base de la quasi-totalité de l'industrie électrique repose sur l'utilisation de cette loi. Pour accélérer la compréhension, prenons un exemple de résolution d’un problème à l’aide de la loi de Faraday.

Et n'oubliez pas, mes amis ! Si la tâche reste coincée comme un os dans la gorge et que non plus de force tolérez-le - contactez nos auteurs ! Maintenant tu sais. Nous vous fournirons rapidement solution détaillée et nous vous expliquerons toutes vos questions !

Pour décrire les processus en physique et en chimie, il existe un certain nombre de lois et de relations obtenues expérimentalement et par calcul. Aucune étude ne peut être réalisée sans une évaluation préalable des processus à l'aide de relations théoriques. Les lois de Faraday sont appliquées à la fois en physique et en chimie, et dans cet article, nous essaierons de toutes les parler brièvement et clairement. découvertes célèbres ce grand scientifique.

Histoire de la découverte

La loi de Faraday en électrodynamique a été découverte par deux scientifiques : Michael Faraday et Joseph Henry, mais Faraday a publié les résultats de ses travaux plus tôt, en 1831.

Dans leur expériences de démonstration en août 1831, il utilise un tore de fer, aux extrémités opposées duquel est enroulé un fil (un fil par côté). Il a mis sous tension les extrémités d'un premier fil de batterie galvanique, et connecté un galvanomètre aux bornes du second. La conception était similaire à celle d’un transformateur moderne. En allumant et éteignant périodiquement la tension sur le premier fil, il a observé des surtensions sur le galvanomètre.

Un galvanomètre est un instrument très sensible pour mesurer de petits courants.

De cette façon, l'influence a été décrite champ magnétique, formé à la suite de la circulation du courant dans le premier fil, sur l'état du deuxième conducteur. Cet impact s'est transmis du premier au second à travers le noyau - un tore métallique. Grâce à des recherches, l'influence d'un aimant permanent qui se déplace dans une bobine sur son enroulement a également été découverte.

Faraday a ensuite expliqué le phénomène de l'induction électromagnétique du point de vue lignes électriques. Une autre était une installation pour générer CC: un disque de cuivre tournait près d'un aimant, et un fil glissant le long de celui-ci faisait office de collecteur de courant. Cette invention s'appelle un disque de Faraday.

Les scientifiques de cette période n'acceptèrent pas les idées de Faraday, mais Maxwell prit ces recherches comme base de sa théorie magnétique. En 1836, Michael Faraday a établi des relations pour les processus électrochimiques, appelées lois de Faraday sur l'électrolyse. Le premier décrit le rapport entre la masse d'une substance libérée sur l'électrode et le courant circulant, et le second décrit le rapport entre la masse d'une substance en solution et libérée sur l'électrode, pour une certaine quantité d'électricité.

Électrodynamique

Les premiers travaux ont été utilisés en physique, notamment pour décrire le fonctionnement des machines et appareils électriques (transformateurs, moteurs, etc.). La loi de Faraday stipule :

Pour un circuit, la FEM induite est directement proportionnelle à la vitesse du flux magnétique qui se déplace dans ce circuit avec un signe moins.

On peut dire en mots simples: plus vite flux magnétique se déplace dans le circuit, plus la CEM est générée à ses bornes.

La formule ressemble à ceci :

Ici dФ est le flux magnétique et dt est l'unité de temps. On sait que la dérivée première par rapport au temps est la vitesse. C'est-à-dire la vitesse de déplacement du flux magnétique dans ce cas particulier. À propos, il peut se déplacer, tout comme la source du champ magnétique (une bobine avec du courant - un électro-aimant, ou aimant permanent), et le contour.

Ici, le flux peut être exprimé à l'aide de la formule suivante :

B est le champ magnétique et dS est la surface.

Si l’on considère une bobine avec des spires étroitement enroulées, avec un nombre de spires N, alors la loi de Faraday ressemble à ceci :

Le flux magnétique dans la formule par tour est mesuré en Webers. Le courant circulant dans le circuit est appelé induction.

L'induction électromagnétique est le phénomène de circulation de courant dans un circuit fermé sous l'influence d'un champ magnétique externe.

Dans les formules ci-dessus, vous avez peut-être remarqué les signes du module ; sans eux, il a une forme légèrement différente, comme cela a été dit dans la première formulation, avec un signe moins.

Le signe moins explique la règle de Lenz. Le courant apparaissant dans le circuit crée un champ magnétique, il est dirigé dans le sens opposé. C'est une conséquence de la loi de conservation de l'énergie.

La direction du courant d'induction peut être déterminée par la règle main droite ou, nous l'avons examiné en détail sur notre site Web.

Comme déjà mentionné, grâce au phénomène d’induction électromagnétique, les machines électriques, les transformateurs, les générateurs et les moteurs fonctionnent. L'illustration montre le flux de courant dans l'enroulement d'induit sous l'influence du champ magnétique du stator. Dans le cas d'un générateur, lorsque son rotor tourne forces extérieures La FEM apparaît dans les enroulements du rotor, le courant génère un champ magnétique dirigé dans la direction opposée (le même signe moins dans la formule). Plus le courant consommé par la charge du générateur est important, plus le champ magnétique est important et plus la rotation devient difficile.

Et vice versa - lorsque le courant circule dans le rotor, un champ apparaît qui interagit avec le champ du stator et le rotor commence à tourner. Lorsque l'arbre est chargé, le courant dans le stator et le rotor augmente, et il est nécessaire d'assurer la commutation des enroulements, mais c'est un autre sujet lié à la conception des machines électriques.

Au cœur du fonctionnement d'un transformateur, la source du flux magnétique en mouvement est un champ magnétique alternatif qui résulte du courant alternatif circulant dans l'enroulement primaire.

Si vous souhaitez étudier la question plus en détail, nous vous recommandons de regarder une vidéo qui explique la loi de Faraday pour l'induction électromagnétique d'une manière simple et accessible :

Électrolyse

En plus de faire des recherches sur les champs électromagnétiques et l'induction électromagnétique, le scientifique a grandes découvertes et dans d'autres disciplines, dont la chimie.

Lorsque le courant traverse l’électrolyte, les ions (positifs et négatifs) commencent à se précipiter vers les électrodes. Les négatifs se déplacent vers l'anode, les positifs vers la cathode. Dans ce cas, une certaine masse de substance contenue dans l'électrolyte est libérée sur l'une des électrodes.

Faraday a mené des expériences en faisant passer différents courants à travers l'électrolyte et en mesurant la masse de la substance déposée sur les électrodes, ainsi que les modèles dérivés.

m est la masse de la substance, q est la charge et k dépend de la composition de l'électrolyte.

Et la charge peut être exprimée en termes de courant sur une période donnée :

Je = q/t, Alors q = je*t

Vous pouvez désormais déterminer la masse de la substance qui sera libérée, en connaissant le courant et le temps pendant lequel il s'est écoulé. C’est ce qu’on appelle la première loi de Faraday sur l’électrolyse.

Deuxième loi :

Poids élément chimique, qui va se déposer sur l'électrode, est directement proportionnelle à la masse équivalente de l'élément (masse molaire divisée par un nombre qui dépend de réaction chimique, dans lequel la substance est impliquée).

Compte tenu de ce qui précède, ces lois sont combinées dans la formule :

m – masse de la substance libérée en grammes, n – nombre d'électrons transférés dans le processus d'électrode, F=986485 C/mol – nombre de Faraday, t – temps en secondes, M masse molaire substances g/mol.

En réalité, parce que diverses raisons, la masse de la substance libérée est inférieure à celle calculée (lors du calcul en tenant compte du courant circulant). Le rapport entre les masses théorique et réelle est appelé courant de sortie :

B t = 100% * m calculé / m théorique

Les lois de Faraday ont apporté une contribution significative au développement science moderne, grâce à son travail nous disposons de moteurs électriques et de générateurs d'électricité (ainsi que le travail de ses disciples). Les travaux de l'EMF et les phénomènes d'induction électromagnétique nous ont donné la plupart des équipements électriques modernes, notamment des haut-parleurs et des microphones, sans lesquels il est impossible d'écouter des enregistrements et des communications vocales. Les processus d'électrolyse sont utilisés dans la méthode galvanique de revêtement des matériaux, qui a une valeur à la fois décorative et pratique.

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En 1831, le monde a découvert pour la première fois le concept d’induction électromagnétique. C'est alors que Michael Faraday découvre ce phénomène, qui deviendra finalement la découverte la plus importante en électrodynamique.

Histoire du développement et des expériences de Faraday

À milieu du 19ème Pendant des siècles, on a cru que les champs électriques et magnétiques n’avaient aucun lien et que la nature de leur existence était différente. Mais M. Faraday était confiant dans le caractère unifié de ces champs et de leurs propriétés. Le phénomène d'induction électromagnétique qu'il a découvert est ensuite devenu la base de la conception des générateurs dans toutes les centrales électriques. Grâce à cette découverte, les connaissances de l'humanité sur l'électromagnétisme ont fait de grands progrès.

Faraday a réalisé l'expérience suivante : il a fermé un circuit dans la bobine I et le champ magnétique autour de celle-ci a augmenté. Ensuite, les lignes d'induction de ce champ magnétique traversaient la bobine II, dans laquelle apparaissait un courant induit.

Riz. 1. Schéma de l'expérience de Faraday

En fait, simultanément avec Faraday, mais indépendamment de lui, un autre scientifique, Joseph Henry, a découvert ce phénomène. Cependant, Faraday a publié ses recherches plus tôt. Ainsi, l'auteur de la loi de l'induction électromagnétique était Michael Faraday.

Quel que soit le nombre d'expériences menées par Faraday, une condition restait inchangée : pour la formation d'un courant d'induction, il est important de modifier le flux magnétique pénétrant dans un circuit conducteur fermé (bobine).

la loi de Faraday

Le phénomène d'induction électromagnétique est déterminé par l'apparition d'un courant électrique dans un circuit fermé électriquement conducteur lorsque le flux magnétique change à travers la zone de ce circuit.

La loi fondamentale de Faraday est que la force électromotrice (FEM) est directement proportionnelle au taux de variation du flux magnétique.

La formule de la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique est la suivante :

Riz. 2. Formule de la loi de l'induction électromagnétique

Et si la formule elle-même, basée sur les explications ci-dessus, ne soulève pas de questions, alors le signe « - » peut susciter des doutes. Il s’avère qu’il existe une règle de Lenz, un scientifique russe qui a mené ses recherches sur la base des postulats de Faraday. Selon Lenz, le signe « - » indique la direction de l'EMF émergent, c'est-à-dire le courant induit est dirigé de telle manière que le flux magnétique qu'il crée, à travers la zone délimitée par le circuit, tend à s'opposer au changement de flux provoqué par le courant.

Loi de Faraday-Maxwell

En 1873, J.C. Maxwell présenta la théorie d'une manière nouvelle champ électromagnétique. Les équations qu’il a dérivées ont constitué la base de l’ingénierie radio et électrique moderne. Ils s'expriment ainsi :

• Edl = -dФ/dt– équation de la force électromotrice
• Hdl = -dN/dt– équation de la force magnétomotrice.

Où E– l'intensité du champ électrique dans la zone dl ; H– l'intensité du champ magnétique dans la zone dl ; N– flux d'induction électrique, t- temps.

La nature symétrique de ces équations établit un lien entre l'électricité et phénomènes magnétiques, ainsi que magnétiques et électriques. signification physique, qui détermine ces équations, peut s'exprimer par les dispositions suivantes :

• si le champ électrique change, alors ce changement est toujours accompagné d'un champ magnétique.
• si le champ magnétique change, alors ce changement est toujours accompagné d'un champ électrique.

Riz. 3. Emergence d'un champ magnétique vortex

Maxwell a également établi que la propagation du champ électromagnétique est égale à la vitesse de propagation de la lumière.

Total des notes reçues : 134.

1. La première loi de Faraday est fondamentale loi des quantitésélectrochimie.

2.Équivalent électrochimique.

3.Coulomètres.Classification des coulomètres.

4. Sortie de substance par courant.

5. Méthodes de détermination du courant de sortie lors de l'utilisation de courant continu et pulsé.

6.Deuxième loi de Faraday.

7. Cas apparents de déviation des lois de Faraday.

1. La première loi de Faraday

Il existe trois principaux types de coulomètres : gravimétriques (gravimétriques), volumétriques (volumétriques) et à titrage.

Dans les coulomètres de pesée (ceux-ci incluent l'argent et le cuivre), la quantité d'électricité qui les traverse est calculée par la variation de la masse de la cathode ou de l'anode. Dans les coulomètres volumétriques, le calcul est effectué sur la base de la mesure du volume des substances résultantes (gaz dans un coulomètre à hydrogène, mercure liquide dans un coulomètre à mercure). Dans les coulomètres de titrage, la quantité d'électricité est déterminée à partir des données de titrage des substances formées en solution à la suite d'une réaction d'électrode.

Coulomètre en cuivre le plus courant dans la pratique recherche en laboratoire, parce que il est facile à fabriquer et assez précis. La précision de la détermination de la quantité d'électricité est de 0,1 %. Le coulomètre se compose de deux anodes en cuivre et d'une fine cathode en feuille de cuivre située entre elles. L'électrolyte dans un coulomètre en cuivre est une solution aqueuse de composition suivante : CuSO 4 ∙ 5H 2 O, H 2 SO 4 et éthanol C 2 H 5 OH augmentent. conductivité électriqueélectrolyte et, en outre, empêche la formation de composés basiques du cuivre dans l'espace cathodique, qui peuvent être adsorbés sur la cathode, augmentant ainsi sa masse. H 2 SO 4 dans l'électrolyte du coulomètre en cuivre est nécessaire pour empêcher l'accumulation de composés Cu 1+ qui peuvent se former à la suite de la réaction de dismutation :

Cu 0 + Cu 2+ → 2Cu +

De l'alcool éthylique est ajouté à l'électrolyte pour obtenir des dépôts cathodiques plus finement cristallins et compacts et pour empêcher l'oxydation des électrodes de cuivre du coulomètre.

La quantité d'électricité transmise est jugée par la variation de la masse de la cathode, avant et après l'électrolyse.

cathode, et l'anode est en argent pur.

Une solution neutre ou légèrement acide à 30 % de nitrate d'argent est utilisée comme électrolyte dans un coulomètre à argent.

Coulomètre gaz hydrogène-oxygène utilisé pour des mesures approximatives de petites quantités d’électricité. Il mesure le volume total d'hydrogène et d'oxygène libérés lors de l'électrolyse d'une solution aqueuse de H 2 SO 4 ou NaOH, et à partir de cette valeur, la quantité d'électricité transmise est calculée. Ces coulomètres sont relativement rarement utilisés, car Leur précision est faible et leur utilisation est moins pratique que celle des coulomètres de pesée.

Les coulomètres volumétriques comprennent également coulomètre à mercure. Il est principalement utilisé dans l’industrie pour mesurer la quantité d’électricité. La précision d'un coulomètre à mercure est de 1 %, mais il peut fonctionner à hautes densités actuel L'anode est au mercure. Le charbon est la cathode. L'électrolyte est une solution d'iodure de mercure et d'iodure de potassium. La quantité d'électricité est calculée à partir du niveau de mercure dans le tube.

Le plus courant de coulomètres de titrage– l'iode

Et Coulomètre Kistyakovsky.

Un coulomètre à iode est un récipient doté d'électrodes en platine-iridium séparées par des espaces cathodiques et anodiques. Une solution concentrée d'iodure de potassium additionnée de acide chlorhydrique, dans le compartiment cathodique - une solution d'acide chlorhydrique. Lorsqu'un courant traverse l'anode, de l'iode est libéré, qui est ensuite titré avec du thiosulfate de sodium (Na 2 S 2 O 3). Sur la base des résultats du titrage, la quantité d'électricité est calculée.

Coulomètre Kistyakovsky- C'est un récipient en verre. L'anode est un fil d'argent soudé dans un tube de verre avec du mercure pour assurer le contact. Le récipient est rempli d'une solution de nitrate de potassium (15-20 %). Une cathode en platine-iridium est immergée dans cette solution. Lorsque le courant passe, une dissolution anodique de l’argent se produit. Et également sur la base des résultats du titrage de la solution, la quantité d'électricité est calculée.

4. Sortie actuelle

Zn 2+ +2ē →Zn

Si plusieurs réactions électrochimiques parallèles se produisent sur l’électrode, alors la première loi de Faraday sera valable pour chacune d’elles.

À des fins pratiques, afin de prendre en compte quelle fraction du courant ou de la quantité d'électricité traversant le système électrochimique est dépensée pour chaque réaction spécifique, le concept sortie d'une substance par courant.

Ainsi, VT permet de déterminer la part de la quantité d'électricité traversant le système électrochimique qui représente la part de cette réaction électrochimique.

La connaissance de VT est nécessaire, comme pour résoudre questions théoriques: par exemple, lors de la construction de courbes de polarisation partielle et de l'élucidation du mécanisme d'une réaction électrochimique, et dans la pratique de l'électrodéposition de métaux, non-métaux, alliages, afin d'évaluer l'efficacité d'une opération technologique. En pratique, le VT est le plus souvent déterminé en divisant la masse pratique d’une substance par la masse théorique déterminée par la loi de Faraday.

m pratique – la masse d'une substance pratiquement transformée à la suite du passage d'une certaine quantité d'électricité ; m theor est la masse d'une substance qui devrait théoriquement se transformer en faisant passer la même quantité d'électricité.

En règle générale, les VT des processus se produisant à la cathode ne coïncident pas avec les VT des processus anodiques. Il est donc nécessaire de faire la distinction entre la sortie de courant cathodique et anodique. Jusqu'à présent, nous avons considéré des cas de détermination de VT lorsqu'un courant électrique continu traverse l'interface entre un conducteur du premier type et un conducteur du deuxième type.

5. Méthodes de détermination de VT à l'aide de courant pulsé

Si, cependant, s'écoule à travers la limite de phase courant impulsionnel, alors lors de la détermination de VT, il se produit grandes difficultés. Il n’existe pas de méthode ou d’instrument unique pour déterminer la TV pendant l’électrolyse pulsée. La difficulté de déterminer VT dans des conditions d'électrolyse pulsée est due au fait que le courant traversant le système est dépensé non seulement pour la réaction électrochimique, mais également pour charger la double couche électrique. Un courant électrique traversant une interface et provoquant une transformation électrochimique est souvent appelé courant de Faraday. Le courant de charge est consacré à charger la double couche électrique, à réorganiser le solvant, le réactif lui-même, c'est-à-dire tout ce qui crée les conditions pour qu'une réaction électrochimique se produise, donc l'expression du courant total traversant le système électrochimique sera la suivante :

I = Iz + Iph, où Iz est le courant de charge, Iph est le courant de Faraday.

Si aucune définition n’est requise valeurs absolues VT, alors comme critère d'évaluation de l'efficacité de l'électrolyse pulsée, on peut utiliser le rapport entre la quantité d'électricité dépensée pour dissoudre le précipité et la quantité d'électricité dépensée pour sa formation.

6. Deuxième loi de Faraday.

Mathématiquement, cette loi s'exprime par l'équation :

La deuxième loi de Faraday est une conséquence directe de la première loi. La deuxième loi de Faraday reflète la relation qui existe entre la quantité de substance ayant réagi et sa nature chimique.

Selon la deuxième loi de Faraday :

Si à l'interface entre un conducteur du premier type et un conducteur du deuxième type se produit une et une seule réaction électrochimique à laquelle participent plusieurs substances, alors les masses des participants à la réaction qui ont subi des transformations se rapportent les unes aux autres comme leurs équivalents chimiques.

7. Cas apparents de déviation des lois de Faraday

La première loi de Faraday, basée sur la nature atomique de la matière et de l'électricité, est une loi exacte de la nature. Il ne peut y avoir aucune dérogation. Si en pratique des écarts par rapport à cette loi sont observés lors des calculs, ils sont toujours dus à une prise en compte incomplète des processus accompagnant la réaction électrochimique principale. Par exemple, lors de l'électrolyse d'une solution aqueuse de NaCl dans un système avec des électrodes de platine et des espaces anodiques et cathodiques séparés par un diaphragme poreux, la réaction suivante se produit au niveau de la cathode :

2H 2 O + 2ē = H 2 + 2OH -

et à l'anode : 2Cl - - 2ē = Cl 2

Quantité formée chlore gazeux est toujours inférieur à ce qui suit selon la loi de Faraday du fait que le Cl 2 se dissout dans l'électrolyte et subit une réaction d'hydrolyse :

Cl 2 + H 2 O → HCl + HClO

Si l’on prend en compte la masse de chlore qui a réagi avec l’eau, on obtient un résultat correspondant à celui calculé selon la loi de Faraday.

Ou, lors de la dissolution anodique de nombreux métaux, deux processus se produisent en parallèle - la formation d'ions de valence normale et ce qu'on appelle les abonnements - c'est-à-dire ions de valence inférieure, par exemple : Cu 0 - 2ē → Cu 2+ et

Cu- 1ē → Cu +. Par conséquent, le calcul selon la loi de Faraday en supposant que seuls des ions se forment valence la plus élevée s'avère être faux.

Souvent, ce n'est pas une réaction électrochimique qui se produit au niveau de l'électrode, mais plusieurs réactions parallèles indépendantes. Par exemple, lors de la séparation du Zn d'une solution acide de ZnSO 4 avec décharge d'ions Zn :

Zn 2+ +2ē →Zn

la réaction de réduction des ions hydronium se produit : 2H 3 O + +2ē → H 2 + 2H 2 O.

Si plusieurs réactions électrochimiques parallèles se produisent sur l’électrode, alors la première loi de Faraday sera valable pour chacune d’elles.

Processus rédox de force circulant sous l’influence d’un courant électrique est appelé électrolyse.

L'électrolyse est réalisée dans une cellule électrolytique remplie d'électrolyte, dans laquelle sont immergées des électrodes et connectées à une source de courant externe.

Électrode connectée au pôle négatif source externe le courant s'appelle cathode. A la cathode, des processus de réduction des particules d'électrolyte se produisent. L'électrode connectée au pôle positif de la source de courant est appelée anode. Les processus d'oxydation des particules d'électrolyte ou du matériau d'électrode se produisent au niveau de l'anode.

Les processus anodiques dépendent de la nature de l'électrolyte et du matériau de l'anode. À cet égard, une distinction est faite entre l'électrolyse avec une anode inerte et soluble.

Une anode inerte est une anode dont le matériau ne s'oxyde pas lors de l'électrolyse. Les électrodes inertes comprennent, par exemple, le graphite (carbone) et le platine.

Soluble est une anode dont le matériau peut être oxydé lors de l'électrolyse. La plupart des électrodes métalliques sont solubles.

Des solutions ou des fondus peuvent être utilisés comme électrolyte. Dans une solution ou un électrolyte fondu, les ions sont en mouvement chaotique. Sous l'influence d'un courant électrique, les ions acquièrent un mouvement directionnel : les cations se déplacent vers la cathode et les anions se déplacent vers l'anode et, par conséquent, ils peuvent être déchargés au niveau des électrodes.

Avec électrolyse fond avec des électrodes inertes A la cathode, seuls les cations métalliques peuvent être réduits, et à l'anode, les anions peuvent être oxydés.

Pendant l'électrolyse de l'eau solutions A la cathode, en plus des cations métalliques, les molécules d'eau peuvent être réduites, et dans les solutions acides, les ions hydrogène H+. Ainsi, les réactions concurrentes suivantes sont possibles à la cathode :

(-) K: Meh n + + nē→Moi

2H2O+2 ē → H 2 + 2 OH -

2H + + 2 ē → H2

A la cathode, la réaction avec valeur la plus élevée potentiel d'électrode.

Pendant l'électrolyse de l'eau solutions avec anode soluble En plus de l'oxydation des anions, des réactions d'oxydation de l'électrode elle-même, des molécules d'eau et dans des solutions alcalines d'ions hydroxydes (OH -) sont possibles :

(+) R : Moi - n ē→ Moi n +

oxydation anionique E 0

2H2O – 4 ē O2+4H+

4OH – - 4 ē = O 2 +2H 2 O

A l'anode, la réaction se produit principalement avec naï valeur inférieure potentiel d'électrode.

Pour les réactions d'électrode, les potentiels d'équilibre sont donnés en l'absence de courant électrique.

L'électrolyse est un processus hors équilibre, c'est pourquoi les potentiels de réactions des électrodes sous courant diffèrent de leurs valeurs d'équilibre. Le déplacement du potentiel de l'électrode par rapport à sa valeur d'équilibre sous l'influence d'un courant externe est appelé polarisation des électrodes. Le degré de polarisation est appelé surtension. L'ampleur de la surtension est influencée par de nombreux facteurs : la nature du matériau de l'électrode, la densité de courant, la température, le pH de l'environnement, etc.

Les surtensions de libération cathodique du métal sont relativement faibles.

En règle générale, en cas de surtension élevée, des gaz tels que l'hydrogène et l'oxygène se forment. La surtension minimale d'hydrogène à la cathode dans les solutions acides est observée sur Pt (h=0,1 V), et la maximale sur le plomb, le zinc, le cadmium et le mercure. La surtension change lors du remplacement de solutions acides par des solutions alcalines. Par exemple, sur le platine en milieu alcalin, la surtension d'hydrogène h = 0,31 V (voir annexe).

La libération anodique d'oxygène est également associée à une surtension. La surtension minimale du dégagement d'oxygène est observée sur les électrodes de platine (h=0,7 V), et la surtension maximale sur le zinc, le mercure et le plomb (voir annexe).

De ce qui précède, il résulte que lors de l'électrolyse de solutions aqueuses :

1) les ions métalliques sont réduits à la cathode dont les potentiels d'électrode plus de potentiel récupération d'eau (-0,82V). Les ions métalliques ayant des potentiels d'électrode négatifs supérieurs à -0,82 V ne sont pas réduits. Ceux-ci incluent les alcalins et métaux alcalino-terreux et l'aluminium.

2) sur l'anode inerte, compte tenu de la surtension d'oxygène, il se produit une oxydation des anions dont le potentiel est inférieur au potentiel d'oxydation de l'eau (+1,23 V). De tels anions comprennent, par exemple, I -, Br -, Cl -, NO 2 -, OH -. Les anions CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - ne sont pas oxydables.

3) lors de l'électrolyse avec une anode soluble, les électrodes constituées de métaux dont le potentiel d'électrode est inférieur à +1,23 V se dissolvent dans les milieux neutres et acides et dans les milieux alcalins – à moins de +0,413 V.

L’ensemble des produits des processus à la cathode et à l’anode sont des substances électriquement neutres.

Pour effectuer le processus d'électrolyse, une tension doit être appliquée aux électrodes. Tension d'électrolyse U elza est la différence de potentiel nécessaire pour que les réactions se produisent à la cathode et à l'anode. Tension d'électrolyse théorique ( U el-za, théorique) sans tenir compte des surtensions, des chutes de tension ohmiques dans les conducteurs du premier type et dans l'électrolyte

U el-za, théorie = E UN - E k, (7)

Où E UN, E k - potentiels de réactions anodiques et cathodiques.

La relation entre la quantité de substance libérée lors de l’électrolyse et la quantité de courant traversant l’électrolyte est exprimée par les deux lois de Faraday.

La première loi de Faraday. La quantité de substance formée sur l'électrode pendant l'électrolyse est directement proportionnelle à la quantité d'électricité traversant la solution électrolytique (fusion) :

Où k– équivalent électrochimique, g/C ou g/Ah ; Q– quantité d'électricité, Coulomb, Q=Il; t-temps, s ; je-courant, A ; F= 96 500 C/mol (A s/mol) = 26,8 A h/mol – constante de Faraday ; E est la masse équivalente de la substance, g/mol.

Dans les réactions électrochimiques, la masse équivalente d'une substance est déterminée :

n– le nombre d'électrons participant à la réaction d'électrode pour la formation de cette substance.

Loi de Faraday II. Lorsqu'une même quantité d'électricité traverse différents électrolytes, les masses de substances libérées sur les électrodes sont proportionnelles à leurs masses équivalentes :

Où m 1 et m 2 – masses des substances 1 et 2, E 1 et E 2, g/mol – masses équivalentes des substances 1 et 2.

En pratique, souvent en raison de processus redox concurrents, moins de substance se forme sur les électrodes que ce qui correspond à l'électricité passée à travers la solution.

Pour caractériser les pertes électriques lors de l’électrolyse, le concept de « Current Output » a été introduit. Sortie courant En t est le rapport de la quantité de produit d'électrolyse réellement obtenu, exprimé en pourcentage m fait. à théoriquement calculé m théorie:

Exemple 10. Quels processus se produiront lors de l'électrolyse d'une solution aqueuse de sulfate de sodium avec une anode de carbone ? Quelles substances seront libérées sur les électrodes si l'électrode en carbone est remplacée par une électrode en cuivre ?

Solution: Dans une solution de sulfate de sodium dans processus d'électrode Les ions sodium Na +, SO 4 2- et les molécules d'eau peuvent participer. Les électrodes de carbone sont classées comme électrodes inertes.

Possible à la cathode processus suivants récupération:

(-) K : Na++ ē → Na

2H2O+2 ē → H 2 + 2 OH -

À la cathode, la réaction ayant le potentiel d’électrode le plus élevé se produit en premier. Par conséquent, la réduction des molécules d’eau se produira au niveau de la cathode, accompagnée de la libération d’hydrogène et de la formation d’ions OH-hydroxyde dans l’espace cathodique. Les ions sodium Na + présents à la cathode ainsi que les ions OH - formeront une solution alcaline NaOH.

(+)A : 2 SO 4 2- - 2 ē → S 2 O 8 2-

2H2O-4 ē → 4H + + O2 .

À l'anode, la réaction avec le potentiel d'électrode le plus bas se produit en premier. Par conséquent, l'oxydation des molécules d'eau avec libération d'oxygène se produira au niveau de l'anode et les ions H + s'accumuleront dans l'espace anodique. Les ions SO 4 2- présents à l'anode avec les ions H + formeront une solution d'acide sulfurique H 2 SO 4.

La réaction totale d'électrolyse est exprimée par l'équation :

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

produits cathodiques produits anodiques

Lors du remplacement d'une anode en carbone (inerte) par une anode en cuivre, une autre réaction d'oxydation devient possible sur l'anode - la dissolution du cuivre :

Cu – 2 ē → Cu 2+

Ce processus se caractérise par une valeur de potentiel inférieure à celle des autres processus anodiques possibles. Par conséquent, lors de l'électrolyse de Na 2 SO 4 avec une anode en cuivre, une oxydation du cuivre se produira au niveau de l'anode et le sulfate de cuivre CuSO 4 s'accumulera dans l'espace anodique. La réaction totale d'électrolyse sera exprimée par l'équation :

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

produits cathodiques produit anodique

Exemple 11. Écrivez une équation pour les processus se produisant lors de l'électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de nickel NiCl 2 avec une anode inerte.

Solution: Dans une solution de chlorure de nickel, les ions nickel Ni 2+, Cl - et les molécules d'eau peuvent participer aux processus d'électrode. Une électrode en graphite peut être utilisée comme anode inerte.

Les réactions suivantes sont possibles à la cathode :

(-) K : Ni 2+ + 2 ē → Ni

2H2O+2 ē → H 2 + 2 OH -

Le potentiel de la première réaction est plus élevé, donc la réduction des ions nickel se produit à la cathode.

Les réactions suivantes sont possibles à l'anode :

(+) A : 2 Cl - - 2 ē →Cl2

2H2O – 4 ē O2+4H+ .

Selon les valeurs standards potentiels d'électrodeà l'anode

l'oxygène doit être libéré. En réalité, en raison de la forte surtension d’oxygène, du chlore est libéré au niveau de l’électrode. L'ampleur de la surtension dépend du matériau dans lequel l'électrode est fabriquée. Pour le graphite, la surtension d'oxygène est de 1,17 V à une densité de courant de 1 A/cm2, ce qui augmente le potentiel d'oxydation de l'eau à 2,4 V.

Par conséquent, l'électrolyse d'une solution de chlorure de nickel se déroule avec la formation de nickel et de chlore :

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

à la cathode à l'anode

Exemple 12. Calculer la masse de la substance et le volume de gaz libéré sur électrodes inertes lors de l'électrolyse d'une solution aqueuse de nitrate d'argent AgNO 3, si le temps d'électrolyse est de 25 minutes et le courant est de 3 A.

Solution. Lors de l'électrolyse d'une solution aqueuse d'AgNO 3 dans le cas d'une anode insoluble (par exemple du graphite), les processus suivants se produisent sur les électrodes :

(-) K : Ag + + ē → Ag ,

2H2O+2 ē → H2 + 2OH - .

Le potentiel de la première réaction est plus élevé, donc la réduction des ions argent se produit à la cathode.

(+) A : 2H 2 O – 4 ē O2+4H+ ,

L'anion NO 3 n'est pas oxydé.

G ou en litres l.

Quêtes

5. Enregistrez les réactions d'électrolyse sur des électrodes inertes et calculez la masse de la substance obtenue à la cathode et le volume de gaz libéré à l'anode lors de l'électrolyse des solutions électrolytiques, si le temps d'électrolyse est de 20 minutes, l'intensité du courant je=2A, si sortie courant V t =100%. Quelles substances seront libérées sur les électrodes lors du remplacement de l'anode inerte par celle métallique spécifiée dans la tâche ?

Fin de tableau