Pirmasis Faradėjaus elektrolizės dėsnis. Elektromagnetinės indukcijos dėsnis

Elektrolizės dėsniai (Faradėjaus dėsniai)

Nuo ištraukos elektros srovė per elektrochemines sistemas, sujungtas su cheminiai virsmai, tarp tekančios elektros kiekio ir sureagavusių medžiagų kiekio turi būti tam tikras ryšys. Jį atrado Faradėjus ir jis buvo išreikštas pirmajame kiekybiniai dėsniai elektrochemija, vėliau pavadinta Faradėjaus dėsniais.

Pirmasis Faradėjaus dėsnis . Elektrolizės metu paverčiamų medžiagų kiekiai yra proporcingi elektros kiekiui, praeinančiam per elektrolitą:

Dm = k e q = k uh tai ,

Dm – sureagavusios medžiagos kiekis; k e – tam tikras proporcingumo koeficientas; q – elektros energijos kiekis, lygus produktui srovės stipris I laikui t. Jeiq = It = 1, tadaDm = k tai yra koeficientas k e reiškia medžiagos, sureaguotos dėl elektros energijos kiekio vieneto srauto, kiekį. Koeficientas k aipaskambino elektrocheminis ekvivalentas .

Antrasis Faradėjaus dėsnis atspindi ryšį, kuris egzistuoja tarp sureagavusios medžiagos kiekio ir jos pobūdžio: kada pastovus kiekis praėjo elektros masė įvairių medžiagų vyksta transformacija prie elektrodų (atsipalaidavimas iš tirpalo, valentingumo pasikeitimas), yra proporcingi šių medžiagų cheminiams ekvivalentams:

Dm i/A i= konst .

Galima sujungti abu Faradėjaus dėsnius į vieną bendroji teisė : išskirti arba transformuoti naudojant srovę 1 g-ekv bet kokia medžiaga (1/zmolis medžiagos) visada reikalingas toks pat elektros energijos kiekis, vadinamas Faradėjaus numeris (arba Faradėjus ):

Dm = tai=Tai .

Tiksliai išmatuotas Faradėjaus skaičius

F = 96484,52 ± 0,038 C/g-ekv.

Tai krūvis, kurį perneša vienas gramas bet kokios rūšies jonų ekvivalento. Padauginus šį skaičių išz (numeris elementarieji mokesčiai jonų), gauname pernešamos elektros kiekį 1 g-jonas . Faradėjaus skaičių padalijus iš Avogadro skaičiaus, gauname vieno monovalenčio jono krūvį, lygus įkrovimui elektronas:

e = 96484,52 / (6,022035 × 10 23) = 1,6021913 × 10-19 klasė.

1833 m. Faradėjaus atrastų įstatymų griežtai laikomasi antrojo tipo laidininkų. Pastebėti nukrypimai nuo Faradėjaus dėsnių yra akivaizdūs. Jie dažnai siejami su neapskaitytu lygiagrečiu elektros buvimu cheminės reakcijos. Pramoniniuose įrenginiuose nukrypimai nuo Faradėjaus įstatymo yra susiję su srovės nuotėkiais, medžiagos praradimu purškiant tirpalą ir kt. Techniniuose įrenginiuose elektrolizės būdu gauto produkto kiekio santykis su kiekiu, apskaičiuotu remiantis Faradėjaus dėsniu, yra mažesnis už vienetą ir vadinamas srovės išvestis :

B T = = .

Su atsargumu laboratoriniai matavimai vienareikšmiškai vykstančioms elektrocheminėms reakcijoms srovės išeiga lygus vienam(neviršijant eksperimentinių klaidų). Faradėjaus dėsnis yra griežtai laikomasi, todėl juo grindžiamas tiksliausias būdas išmatuoti elektros, praeinančios per grandinę, kiekį pagal ant elektrodo nusėdusios medžiagos kiekį. Tokiems matavimams naudokite kulonometrai . Elektrocheminės sistemos naudojamos kaip kulonometrai, kuriose nėra lygiagrečių elektrocheminių ir šalutinių cheminių reakcijų. Susidariusių medžiagų kiekio nustatymo metodais kulonometrai skirstomi į elektrogravimetrinius, dujinius ir titravimo. Elektrogravimetrinių kulonometrų pavyzdys yra sidabro ir vario kulonometrai. Ričardsono sidabro kulonometro, kuris yra elektrolizatorius, veikimas

(–) Agï AgNO3× aqï Ag (+) ,

remiantis elektrolizės metu ant katodo nusėdusio sidabro masės svėrimo. Kai per katodą praleidžiama 96500 C (1 faradienė) elektros, išsiskirs 1 g-ekv. sidabro (107 g). Praleidusn F elektros, eksperimentiškai nustatyta masė išsiskiria katode (DmĮ). Perduotų Faradėjų elektros energijos skaičius nustatomas pagal ryšį

n = Dm /107 .

Vario kulonometro veikimo principas panašus.

Dujų kulonometruose elektrolizės produktai yra dujos, o ant elektrodų išsiskiriančių medžiagų kiekiai nustatomi matuojant jų tūrį. Tokio tipo prietaiso pavyzdys yra dujų kulonometras, pagrįstas vandens elektrolize. Elektrolizės metu katode išsiskiria vandenilis:

2H2O+2 e– =2OH – +H2,

o prie anodo - deguonis:

H2O=2H + +½ O2 +2 e – V– bendras išleidžiamų dujų tūris, m3.

Titravimo kulonometruose elektrolizės metu susidarančios medžiagos kiekis nustatomas titrimetriškai. Šio tipo kulonometras apima Kistyakovsky titravimo kulonometrą, kuris yra elektrocheminė sistema

(–) Ptï KNO3, HNO3ï Ag (+) .

Elektrolizės proceso metu sidabro anodas ištirpsta, susidaro sidabro jonai, kurie titruojami. Elektros Faradėjų skaičius nustatomas pagal formulę

n = mVc ,

Kur m– tirpalo masė, g; V– 1 g anodo skysčio titravimui sunaudoto titranto tūris; c – titranto koncentracija, g-ekv/cm3.

Šie dėsniai nustato ryšį tarp ant elektrodo susidariusio gaminio masės ir per elektrolitą praleistos elektros (elektros krūvio) kiekio.

Pirmasis Faradėjaus dėsnis teigia, kad prie elektrodo susidariusios medžiagos masė yra proporcinga praleidžiamos elektros kiekiui. Kiekybinis elektros krūvio matas yra faradėjus. Faradėjus yra krūvis, kurį neša vienas molis elektronų arba vienas molis pavienio krūvio jonų.

Prisiminkite, kad skaičius yra Avogadro numeris (žr. 4.2 skyrių).

Sidabro jonų iškrova katode elektrolizės metu sidabro nitrato tirpale apibūdinama pusinės reakcijos lygtimi

Vadinasi, elektros krūvis 1 faradėjus (vienas molis elektronų) išskiria 1 molį sidabro jonų, todėl susidaro 1 molis sidabro atomų. Tai reiškia, kad praleidžiant 2 faradų krūvį susidarys 2 moliai sidabro atomų, 3 moliai sidabro atomų ir pan.

Antrasis Faradėjaus dėsnis teigia, kad norint iškrauti vieną molį bet kurio jono ant elektrodo, reikia per elektrolitą praleisti Faradėjų krūvių skaičių, lygų šio jono elementariųjų krūvių skaičiui.

Molis 2 molis 1 molis Taigi, norint iškrauti vieną molį jonų prie katodo, per jį reikia praleisti 2 faradų krūvį (2 molius elektronų).

Kurmis 3 moliai I kurmis

Norint iškrauti vieną molį aliuminio jonų ant katodo, per jį reikia praleisti 3 faradų krūvį (3 molius elektronų).

Kurmis 1 kurmis 2 kurmis

Norint gauti vieną molį bromo molekulių, kai anode išleidžiami du moliai bromo jonų, per jį reikia praleisti 2 faradų krūvį. Todėl vienam moliui bromo jonų išleisti reikia vienos farados įkrovos.

Apskaičiuokime švino masę, išsiskiriančią ant katodo 30 minučių praleidžiant 2 A srovę per išlydytą bromidą

Švino išsiskyrimas iš katodo atsiranda dėl šios pusinės reakcijos:

Taigi, 2 farados įkrovos (t. y. 2–96 500 C) leidžia gauti 1 molį Pb atomų (t. y. 207 g Pb atomų). Iš čia

Dabar atsižvelgkime į tai, kad 2 A srovė, tekanti 30 minučių, perduoda krūvį, lygų 2-30-60 C. Vadinasi,

Michaelas Faradėjus (1791–1867)

Anglų chemikas ir fizikas Michaelas Faradėjus buvo puikus eksperimentatorius ir išgarsėjo kaip vienas pirmųjų elektros ir magnetizmo prigimties tyrinėtojų.

Faradėjus vaikystėje negalėjo gauti formalaus išsilavinimo. Būdamas 14 metų tapo knygrišio padėjėju. Tačiau netrukus susidomėjo mokslu ir, išklausęs paskaitą garsus chemikas Humphry Davy jam parašė ir atsiuntė paskaitos užrašus. Davy priėmė jį asistentu savo laboratorijoje Karališkojoje Londono institute. Faraday tuo metu buvo 21 metai.

Michaelas Faradėjus skaito kalėdinę paskaitą Karališkojoje institucijoje (Londonas, 1955), dalyvaujant nariams karališkoji šeima: pirmoje eilėje priešais jį – karalienės vyras, jo kairėje – Velso princas (vėliau Edvardas VII), dešinėje – Edinburgo hercogas.

Vėlesniais metais Faradėjus atrado du naujus anglies chloridus. Jam taip pat pavyko persikelti į skysta būsena chloras ir kitos dujos. 1825 m. jam pavyko išskirti benzeną ir tais pačiais metais buvo paskirtas laboratorijos vedėju. Keletą metų jis užsiėmė eksperimentiniais elektrolizės tyrimais ir galiausiai 1834 m. suformulavo savo garsiuosius elektrolizės dėsnius. Iki to laiko jis jau buvo atradęs reiškinį elektromagnetinė indukcija.

Faradėjus tapo prezidentu Karališkoji draugija ir parašė keletą knygų, įskaitant " Eksperimentiniai tyrimai chemijoje ir fizikoje“ (1858). 1855 m. dėl atminties pablogėjimo jis buvo priverstas sustoti tiriamąjį darbą. Faradėjus mirė 1867 m.

Elektros srovė, einanti per elektrolitų tirpalus, skatina medžiagų skilimą ir leidžia gauti chemiškai grynas medžiagas. Šis procesas gavo elektrolizės pavadinimą, kuris plačiai naudojamas pramoninės gamybos. Fizinės laidininkų transformacijos skystyje paaiškinamos Faradėjaus elektrolizės dėsniu, kurio pagrindu anodas veikia kaip teigiamas elektrodas, o katodas – kaip neigiamas elektrodas.

Šio reiškinio pagalba atliekamas ne tik metalų išvalymas nuo priemaišų, bet ir plonų dangų, apsaugančių ir puošiančių metalinius paviršius.

Elektrolizės proceso esmė

Elektrolizė reiškia redokso reakcijų procesus, vykstančius veikiant priverstinei elektros srovei. Tam naudojamas specialus indas su elektrolitiniu tirpalu, į kurį panardinami metaliniai kaiščiai, prijungti prie išorinio maitinimo šaltinio.

Elektrodas prijungtas prie poliaus neigiama vertė srovės šaltinis laikomas katodu. Tai yra ši vieta sumažėja elektrolitų dalelių. Kitas elektrodas yra prijungtas prie teigiamo poliaus ir vadinamas anodu. Šioje srityje elektrodo medžiaga arba elektrolito dalelės yra oksiduojamos. Cheminės reakcijos šioje srityje vyksta skirtingai, priklausomai nuo anodo medžiagos ir elektrolito tirpalo sudėties. Todėl, kaip teigiama chemijoje, elektrodai elektrolito atžvilgiu gali būti inertiški arba tirpūs.

Inertinei kategorijai priskiriami anodai, pagaminti iš medžiagos, kuri elektrolizės metu nesioksiduoja. Pavyzdžiui, grafito arba platinos elektrodai. Beveik visi kiti metalų anodai, kurie elektrolitinės reakcijos metu oksiduojasi, yra tirpūs.

Dažniausiai naudojami elektrolitai įvairių tipų tirpalai arba lydalai, kurių viduje chaotiškai juda įkrautos dalelės – jonai. Veikiami elektros srovės jie pradeda judėti tam tikra kryptimi: katijonai – katodo link, anijonai – anodo link. Užlipę ant elektrodų, jie praranda krūvius ir ant jų nusėda.

Taigi ant katodo ir anodo susidaro vadinamųjų bendrųjų produktų, susidedančių iš elektrai neutralių medžiagų, kaupimasis. Visas elektrolizės procesas vyksta veikiant elektrodams įtampai. Ši U elektrinė įtampa yra tipinis pavyzdys reikalingos normaliai elektrolitinių reakcijų eigai užtikrinti. Grynai teoriškai ši įtampa yra formulė: U el-za = E a - E k, kurioje E a ir E k yra anode ir katode vykstančių cheminių reakcijų potencialai.

Egzistuoja neabejotinas ryšys tarp elektros energijos kiekio, tekančio per tirpalą, ir elektrolitinės reakcijos metu išsiskiriančios medžiagos kiekio. Šis reiškinys aprašė anglų fizikas Faradėjus ir įformino dviejų dėsnių forma.

Pirmasis Faradėjaus dėsnis

Šį dėsnį išvedė mokslininkai eksperimentiškai. Jis nustato proporcingą ryšį tarp ant elektrodo susidariusios medžiagos masės ir krūvio, praeinančio per elektrolitinį tirpalą.

Šią proporciją aiškiai atspindi formulė m=k x Q=k x I x t, kur k – proporcingumo koeficientas arba elektrocheminis ekvivalentas, Q – per elektrolitą einantis krūvis, t – krūvio praėjimo laikas, m – medžiagos masė. susidaro ant elektrodo dėl reakcijų.

Pirmasis Faradėjaus dėsnis naudojamas nustatant pirminių produktų, susidarančių elektrolizės metu ant elektrodų, kiekį. Šios medžiagos masė yra bendra visų į elektrodą patekusių jonų masė. Tai patvirtina formulė m=m0 x N = m0 x Qq0 = m0q0 x I x t, kurioje m0 ir q0 yra atitinkamai vieno jono masė ir krūvis. N=Qq0 – nustato jonų skaičių, pataikiusių į elektrodą, kai krūvis Q praeina per elektrolito tirpalą.

Vadinasi, elektrocheminio ekvivalento k reikšmė yra naudojamos medžiagos jono masės m0 ir šio jono krūvio q0 santykis. Yra žinoma, kad jono krūvio dydis yra šios medžiagos valentingumo n ir elementinio krūvio e sandauga, tai yra, q0 = n x e. Remiantis tuo, k elektrocheminis atitikmuo atrodys taip: k = m0q0 = m0 x NAn x e x NA = 1F x μn. Šioje formulėje NA yra Avogadro konstanta, μ yra tam tikros medžiagos molinė masė. F = e x NA yra Faradėjaus konstanta ir yra 96485 C/mol.

Šios vertės skaitinė reikšmė yra lygi krūviui, kuris turi būti praleistas per elektrolito tirpalą, kad ant elektrodo išsiskirtų 1 molis to paties valentingumo medžiagos. Svarstomas Faradėjaus dėsnis elektrolizei bus kitos formulės pavidalu: m = 1F x μn x I x t.

Antrasis Faradėjaus dėsnis

Kitas Faradėjaus įstatymas aprašo, nuo ko priklausys elektrocheminis ekvivalentas atominė masė medžiaga ir jos valentingumas. Šis koeficientas turės tiesią liniją proporcinga priklausomybė su atominiu svoriu ir atvirkščiai proporcingas medžiagos valentiškumui. Įvedus šią reikšmę, antrasis Faradėjaus dėsnis suformuluotas kaip medžiagos elektrocheminių ekvivalentų ir šių medžiagų cheminių ekvivalentų santykis.

Jei elektrocheminių ekvivalentų reikšmės imamos kaip k1, k2, k3…kn, o cheminiai ekvivalentai – x1, x2, x3…xn, tai k1/x1 = k2/x2 = k3/x3…kn/xn. Šis santykis yra pastovią vertę, tas pats bet kuriai naudojamai medžiagai: c = k/x ir yra 0,01036 mEq/k. Tai yra būtent toks medžiagos kiekis miligramų ekvivalentais, kuris išsiskiria ant elektrodų per elektros krūvį, lygų vienam kulonui elektrolite.

Todėl antrąjį Faradėjaus dėsnį galima pavaizduoti kaip formulę: k = cx. Jei ši išraiška naudojama kartu su pirmuoju Faradėjaus dėsniu, rezultatas bus tokia išraiška: m = kq = cxq = cxlt. Čia c kategorija reiškia universalią konstantą, kurios dydis yra 0,00001036 g-ekv/k. Tokia formuluotė leidžia suprasti, kad tos pačios srovės, praeinančios per tą patį laikotarpį dviejuose skirtinguose elektrolituose, išskirs iš jų medžiagas, atitinkančias svarstomą cheminį ekvivalentą.

Kadangi x = A/n, išsiskyrusios medžiagos masė atrodys taip, kaip m = cA/nlt, tiesiogiai proporcinga atominiam svoriui ir atvirkščiai proporcinga valentiškumui.

Elektra turi savybę generuoti magnetinį lauką. 1831 metais M. Faradėjus pristatė elektromagnetinės indukcijos sąvoką. Jis sugebėjo gauti elektros energiją uždaroje laidininkų sistemoje, kuri atsirado pasikeitus magnetiniam srautui. Faradėjaus dėsnio formulė davė impulsą elektrodinamikai vystytis.

Vystymosi istorija

Anglų mokslininkui M. Faradėjaus įrodžius elektromagnetinės indukcijos dėsnį, prie atradimo dirbo rusų mokslininkai E. Lencas ir B. Jacobi. Jų darbo dėka šiandien sukurtas principas sudaro daugelio prietaisų ir mechanizmų veikimo pagrindą.

Pagrindiniai įrenginiai, kuriuose taikomas Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnis, yra variklis, transformatorius ir daugelis kitų prietaisų.

Indukcija yra elektromagnetinis pavadinimas, suteiktas elektros srovės indukcijai uždaroje laidžioje sistemoje. Šis reiškinys tampa įmanomas fiziškai judant per laidumo sistemą magnetinis laukas. Mechaninis veiksmas gamina elektros energiją. Paprastai tai vadinama indukcija. Prieš Faradėjaus dėsnio atradimą žmonija nežinojo apie kitus elektros kūrimo būdus, išskyrus galvanizavimą.

Jei magnetinis laukas praeis per laidininką, jis sukurs sukeltas emf. Ji taip pat vadinama elektrovaros jėga. Šio atradimo pagalba galima kiekybiškai įvertinti rodiklį.

Eksperimentinis įrodymas

Atlikdamas savo tyrimus, anglų mokslininkas nustatė, kad indukcinė srovė gaunama vienu iš dviejų būdų. Pirmajame eksperimente jis pasirodo, kai rėmas juda magnetiniame lauke, kurį sukuria stacionari ritė. Antrasis metodas apima fiksuotą rėmo padėtį. Šiame eksperimente keičiasi tik ritės laukas, kai ji juda arba keičiasi srovė joje.

Faradėjaus eksperimentai paskatino mokslininką padaryti išvadą, kad generuojant indukcijos srovė išprovokuotas magnetinio srauto padidėjimo arba sumažėjimo sistemoje. Taip pat Faradėjaus eksperimentai leido teigti, kad eksperimentiniu būdu gautos elektros energijos vertė nepriklauso nuo metodikos, kuria buvo pakeistas magnetinės indukcijos srautas. Rodiklį veikia tik tokio pokyčio greitis.

Kiekybinė išraiška

Įdiegti kiekybinė vertė Elektromagnetinės indukcijos reiškinį leidžia Faradėjaus dėsnis. Jame teigiama, kad sistemoje nustatytas EML keičia savo vertę proporcingai srauto greičiui laidininke. Formulė atrodys taip:

Neigiamas ženklas rodo, kad EMF neleidžia grandinėje įvykti pokyčių. Norėdami išspręsti kai kurias problemas neigiamas ženklas nėra įtrauktas į formulę. Tokiu atveju rezultatas rašomas kaip modulis.

Sistemą gali sudaryti keli posūkiai. Nurodytas jų skaičius lotyniška raidė N. Visi kontūro elementai perverti viengubu magnetinis srautas. Sukeltas emf bus apskaičiuojamas taip:

Ryškus elektros energijos atsiradimo laidininke pavyzdys yra ritė, per kurią juda nuolatinis magnetas.

E. Lenzo darbas

Indukcijos srovės kryptis leidžia nustatyti Lenco taisyklę. Trumpa formuluotė skamba gana paprastai. Srovė, kuri atsiranda pasikeitus laidininko grandinės lauko parametrams, dėl savo magnetinio lauko neleidžia tokiam pokyčiui.

Jei magnetas palaipsniui įvedamas į ritę, magnetinio srauto lygis joje didėja. Pagal Lenco taisyklę magnetinis laukas bus priešinga magneto lauko padidėjimui kryptimi. Norint suprasti šį kryptingumą, reikia pažvelgti į magnetą iš šiaurinė pusė. Iš čia antgalis bus prisukamas link šiaurės ašigalį. Srovė judės pagal laikrodžio rodyklę.

Jei magnetas bus pašalintas iš sistemos, magnetinis srautas jame sumažės. Norėdami nustatyti srovės kryptį, atsukamas antgalis. Sukimasis bus nukreiptas link atvirkštinė pusė pasukdami ratuką pagal laikrodžio rodyklę.

Lenzo formuluotės tampa puiki vertė sistemai su uždara kilpa ir be pasipriešinimo. Paprastai jis vadinamas idealiu kontūru. Pagal Lenco taisyklę magnetinio srauto jame padidinti ar sumažinti neįmanoma.

Savęs indukcijos samprata

Indukcijos generavimas ideali sistema, kuris atsiranda, kai laidininke sumažėja arba padidėja elektros srovė, vadinama saviindukcija.

Faradėjaus savaiminės indukcijos dėsnis išreiškiamas lygybe, kai keičiantis elektrai nevyksta kiti pokyčiai:

kur e – emf, L – uždaros ritės induktyvumas, ΔI/Δt – greitis, kuriuo vyksta srovės pokyčiai.

Induktyvumas

Ryšys, rodantis proporcingumą tarp kategorijų, tokių kaip srovės stipris laidžioje sistemoje ir magnetinis srautas, vadinamas induktyvumu. Indikatoriui įtakos turi fiziniai ritės matmenys ir magnetinės charakteristikos aplinką. Santykis apibūdinamas formule:

Elektra, judanti grandinėje, sukelia magnetinio lauko atsiradimą. Jis prasiskverbia į savo laidininką ir sukelia savo srautą per grandinę. Be to nuosavas upelis proporcingas ją pagaminančiai elektros energijai:

Induktyvumo vertė taip pat susidaro iš Faradėjaus dėsnio.

Nekilnojamojo turto sistema

Lorenco jėga paaiškina EML atsiradimą, kai sistema juda lauke su pastovia verte. Indukcinis EMF gali atsirasti, kai stacionari laidžioji sistema yra kintamajame magnetiniame lauke. Lorenco jėga šiame pavyzdyje negali paaiškinti sukeltos emf atsiradimo.

Fiksuoto tipo laidinėms sistemoms Maxwell pasiūlė naudoti specialioji lygtis. Tai paaiškina EML atsiradimą tokiose sistemose. Pagrindinis Faradėjaus-Maksvelo dėsnio principas yra tai, kad kintamasis laukas aplink jį sukuria elektrinį lauką. Jis veikia kaip veiksnys, provokuojantis indukcinės srovės atsiradimą fiksuotoje sistemoje. Vektoriaus (E) judėjimas išilgai stacionarių kontūrų (L) yra EMF:

Kai yra srovė kintamoji vertė Faradėjaus dėsniai paverčiami Maksvelo lygtimis. Be to, jie gali būti pateikti kaip diferencinė forma, ir integralų pavidalu.

Dirba elektrolizės srityje

Naudojant Faradėjaus dėsnius, aprašomi elektrolizės metu egzistuojantys modeliai. Šis procesas apima medžiagų transformavimą su įvairiomis skirtingos savybės. Tai atsitinka, kai elektra juda per elektrolitą.

Šiuos modelius M. Faradėjus įrodė 1834 m. Pirmasis teiginys teigia, kad medžiagos masė, kuri susidaro ant elektrodo, kinta priklausomai nuo per elektrolitą judančio krūvio.

Antrasis teiginys teigia, kad skirtingų charakteristikų komponentų ekvivalentai yra proporcingi šių komponentų cheminiams ekvivalentams.

Abu pateikti teiginiai yra sujungti į bendrą Faradėjaus įstatymą. Iš to išplaukia, kad Faradėjaus skaičius bus lygus elektros energijai, galinčiai išleisti 1 molį medžiagos ant elektrolito. Jis apskaičiuojamas valentingumo vienetui. 1874 m. elektrono krūvis buvo apskaičiuotas naudojant kombinuotą formulę.

Faradėjaus nustatyti elektrolizės dėsniai buvo išbandyti skirtinga prasmė srovė, temperatūra, slėgis, taip pat tuo pačiu metu išsiskiriančios dvi ar daugiau medžiagų. Elektrolizė taip pat buvo atliekama įvairiuose lydaluose ir tirpikliuose. Eksperimentuose taip pat skyrėsi elektrolitų koncentracija. Tuo pačiu metu kartais buvo pastebėti nedideli nukrypimai nuo Faradėjaus dėsnio. Jie paaiškinami elektroninis laidumas elektrolitų, kuris nustatomas kartu su joniniu laidumu.

Anglų fiziko M. Faradėjaus padaryti atradimai leido aprašyti daugybę reiškinių. Jos dėsniai yra šiuolaikinės elektrodinamikos pagrindas. Šiuo principu veikia įvairi moderni įranga.

Pagrindai > Problemos ir atsakymai

Elektrolizė. Faradėjaus dėsniai

1 Raskite elektrocheminį natrio ekvivalentą. Molinė masė natrio m = 0,023 kg/mol, jo valentingumas z=1. Faradėjaus konstanta

Sprendimas:

2 Cinko anodo masė m = 5 g įdėta į elektrolitinę vonią, per kurią teka srovė aš =2 A. Po kurio laiko t Ar anodas visiškai naudojamas metalo gaminiams padengti? Elektrocheminis cinko ekvivalentas

Sprendimas:

3 Raskite Faradėjaus konstantą, kai krūvis praeina per elektrolitinę vonią q = 7348 C prie katodo išsiskyrė aukso masė m = 5 g Aukso cheminis ekvivalentas = 0,066 kg/mol.

Sprendimas:
Pagal Faradėjaus jungtinį dėsnį

iš čia

4 Raskite elementarųjį elektros krūvį e, jei medžiagos masė skaitiniu požiūriu lygi cheminis ekvivalentas, yra N o = N A /z atomų ar molekulių.

Sprendimas:
Elektrolito tirpale esantys jonai turi daugybę elementarių krūvių, lygus valentui z. Išleidžiant medžiagos masę, skaičiais lygią jos cheminiam ekvivalentui, per tirpalą praeina Faradėjaus konstantai skaitiniu požiūriu lygus krūvis, t.y.

Todėl elementarus krūvis

5 Sidabro molinė masė m 1 =0,108 kg/mol, jo valentingumas z 1 = 1 ir elektrocheminis ekvivalentas. Raskite aukso elektrocheminį ekvivalentą k2, jei aukso molinė masė yra m 2 = 0,197 kg/mol, jo valentingumas z 2 = 3.

Sprendimas:
Pagal antrąjį Faradėjaus dėsnį turime

taigi aukso elektrocheminis ekvivalentas

6 Raskite laikui bėgant išsiskiriančių medžiagų mases t =10h ant trijų nuosekliai į tinklą prijungtų elektrolitinių vonių katodų DC. Voniose esantys anodai – varis, nikelis ir sidabras – atitinkamai panardinami į CuS tirpalus. O 4, NiS0 4 ir AgN0 3 . Elektrolizės srovės tankis j =40 A/m2, katodo plotas kiekvienoje vonioje S = 500 cm Vario, nikelio ir sidabro elektrocheminiai ekvivalentai

Sprendimas:
Voniose srovė I=jS. Pagal pirmąjį Faradėjaus dėsnį, elektrolizės metu išsiskiriančių medžiagų masės

7 Kai laikui bėgant nikeliuojami gaminiai t = 2 h buvo nusodintas nikelio storio sluoksnis l =0,03 mm.
Raskite srovės tankį elektrolizės metu. Elektrocheminis nikelio ekvivalentas, jo tankis

Sprendimas:

8 Ampermetras, nuosekliai sujungtas su elektrolitine vonia, rodo srovę Io =1,5A. Kokia turėtų būti ampermetro rodmens korekcija, jei per laiką t =10 min ant katodo buvo nusodinta vario masė m = 0,316 g? Elektrocheminis vario ekvivalentas.

Sprendimas:
Pagal pirmąjį Faradėjaus dėsnį m = kI t , kur I yra srovė grandinėje; iš čia I = m /k t =1,6 A, t.y. ampermetro rodmenis reikia pataisyti

9 Norint patikrinti voltmetro rodmenų teisingumą, jis buvo prijungtas lygiagrečiai su žinomos varžos rezistoriumi R = 30 Om. Elektrolitinė vonia, kurioje atliekama sidabro elektrolizė, nuosekliai prijungta prie bendros grandinės. Per tą laiką t =5 minutes šioje vonioje išsiskyrė sidabro masė m = 55,6 mg. Voltmetras rodė įtampą Vo = 6 V. Raskite skirtumą tarp voltmetro rodmenų ir tikslią vertęįtampos kritimas rezistoriuje. Elektrocheminis sidabro ekvivalentas.

Sprendimas:
Pagal pirmąjį Faradėjaus dėsnį m = kl t , kur I yra srovė grandinėje. Tiksli įtampos kritimo per varžą vertė yra V=IR = mR/k t = 4,91 V. Skirtumas tarp voltmetro rodmens ir tikslios įtampos kritimo reikšmės

10 Sidabruoti šaukštus per sidabro druskos tirpalą laikui bėgant t = Praeina 5 valandos srovė aš =1,8 A. Katodas yra n = 12 šaukštų, kurių kiekvienas turi paviršiaus plotą S =50 cm2. Kokio storio sidabro sluoksnis nusės ant šaukštų? Sidabro molinė masė m = 0,108 kg/mol, jo valentingumas z= 1 ir tankis .

Sprendimas:
Sluoksnio storis

11 Dvi elektrolitinės vonios sujungtos nuosekliai. Pirmoje vonioje yra geležies chlorido (FeCl 2 ), antrame - geležies chlorido (FeCl 3 ). Raskite ant katodų išsiskiriančios geležies ir ant anodų chloro masę kiekvienoje vonioje, kai per vonią praeina krūvis. Geležies ir chloro molinės masės.

Sprendimas:
Pirmoje vonioje geležis yra dvivalentė (z1 = 2), antroje – trivalentė (z2 = 3). Todėl pereinant per sprendimus identiški mokesčiai išsiskirti įvairios masės geležis ant katodų: pirmoje vonioje

antroje vonioje

Kadangi chloro atomų valentingumas yra z = 1, kiekvienos vonios anode išsiskiria chloro masė.

12 Elektrolizės metu sieros rūgšties tirpalas (CuS O 4 ) energijos suvartojimas yra N=37 W. Raskite elektrolito varžą, jei per tam tikrą laiką t = 50 min išsiskiria vandenilio masė m = 0,3 g vandenilio molinė masė m = 0,001 kg/mol, jo valentingumas z= 1 .

Sprendimas:

13 Taikant elektrolitinį nikelio gamybos būdą, W sunaudojama masės vienetui m = 10 kWh h/kg elektros energijos. Elektrocheminis nikelio ekvivalentas. Prie kokios įtampos atliekama elektrolizė?

Sprendimas:

14 Raskite išsiskyrusio vario masę, jei W = 5 kW sunaudojama jai gauti elektrolitiniu metodu H h elektros. Elektrolizė atliekama esant įtampai V =10 V, naudingumo koeficientas instaliacijos h =75%. Elektrocheminis vario ekvivalentas.

Sprendimas:
Efektyvumas instaliacijos

kur q – per vonią praleidžiamas krūvis. Išsiskiriančio vario masė m=kq; iš čia

15 Koks krūvis praeina per sieros rūgšties tirpalą (CuS O 4 ) laikui t =10s, jei srovė tolygiai didėja nuo I per šį laiką 1 = 0 prieš I 2 = 4A? Kokia vario masė išsiskiria prie katodo? Elektrocheminis vario ekvivalentas.

Sprendimas:
Vidutinė srovė

Krūvis, tekantis per tirpalą

Mokesčio suradimas grafiškai parodyta pav. 369. Srovės ir laiko grafike užtamsintas plotas skaitine prasme yra lygus krūviui. Ant katodo nusėdusio vario masė yra

16 Rafinuojant varį elektrolizės būdu, nuosekliai sujungtoms elektrolitinėms vonioms, kurių bendra varža R = 0,5 omo, įjungiama įtampa V = 10 V. Raskite gryno vario masę, išsilaisvinusią prie vonios katodų t =10h. E.m.f. poliarizacija e = 6 V. Elektrocheminis vario ekvivalentas.

Sprendimas:

17 Laikui bėgant elektrolizuojant vandenį per elektrolitinę vonią t = 25 min srovė tekėjo I =20 A. Kokia temperatūra t išskiriamas deguonis, jei jo tūris yra V = 1 litras esant slėgiui p = 0,2 MPa? Molinė vandens masė m =0,018 kg/mol. Elektrocheminis deguonies ekvivalentas.

Sprendimas:

kur R = 8,31 J/(mol K) yra dujų konstanta.

18 Taikant elektrolitinį aliuminio gamybos būdą, W sunaudojama masės vienetui 1 m = 50 kWh h/kg elektros energijos. Elektrolizė atliekama esant įtampai V1 = 1 6,2 V. Koks bus energijos suvartojimas W 2 m masės vienetui esant įtampai V2 = 8, 1 V?
Sprendimas: