Ligji i Faradeit për qelizat galvanike. Ligjet e Faradeit në kimi dhe fizikë - një shpjegim i shkurtër me fjalë të thjeshta

Cila mënyrë më e mirë për të lexuar mbi bazat të hënën në mbrëmje? elektrodinamika. Kjo është e drejtë, ju mund të gjeni shumë gjëra që janë më të mira. Megjithatë, ne ende ju sugjerojmë të lexoni këtë artikull. Nuk kërkon shumë kohë, por informacione të dobishme do të mbetet në nënndërgjegjeshëm. Për shembull, gjatë një provimi, nën stres, do të jetë e mundur të nxirret me sukses ligji i Faradeit nga thellësia e kujtesës. Meqenëse ekzistojnë disa ligje të Faradeit, le të sqarojmë se këtu po flasim për ligjin e induksionit të Faradeit.

Elektrodinamika– një degë e fizikës që studion fushën elektromagnetike në të gjitha manifestimet e saj.

Kjo përfshin ndërveprimin e fushave elektrike dhe magnetike, rrymës elektrike, rrezatimit elektromagnetik dhe ndikimin e fushës në trupat e ngarkuar.

Këtu nuk synojmë të marrim parasysh të gjithë elektrodinamikën. Zoti na ruajt! Le të hedhim një vështrim më të mirë në një nga ligjet e tij themelore, i cili quhet me ligj induksioni elektromagnetik Faradei.

Historia dhe përkufizimi

Faraday, paralelisht me Henrin, zbuloi fenomenin e induksionit elektromagnetik në 1831. Vërtetë, kam arritur të publikoj rezultatet më herët. Ligji i Faradeit përdoret gjerësisht në teknologji, në motorë elektrikë, transformatorë, gjeneratorë dhe mbytje. Cili është thelbi i ligjit të Faradeit për induksionin elektromagnetik, thënë thjesht? Këtu është gjëja!

Kur fluksi magnetik ndryshon përmes një laku të mbyllur përçues, një rrymë elektrike lind në lak. Kjo do të thotë, nëse shtrembërojmë një kornizë nga tela dhe e vendosim në një fushë magnetike të ndryshueshme (merrni një magnet dhe rrotulloni rreth kornizës), rryma do të rrjedhë nëpër kornizë!

Faraday e quajti këtë rrymë induksion, dhe vetë fenomeni u quajt induksion elektromagnetik.

Induksioni elektromagnetik– dukuri në një lak të mbyllur rrymë elektrike kur ndryshon fluksi magnetik që kalon nëpër qark.

Formulimi i ligjit bazë të elektrodinamikës - ligji i Faradeit për induksionin elektromagnetik, duket dhe tingëllon si më poshtë:

EMF, që lind në qark, është proporcional me shpejtësinë e ndryshimit të fluksit magnetik F përmes qarkut.

Nga vjen minusi në formulë, ju pyesni? Për të shpjeguar shenjën minus në këtë formulë ka një të veçantë Rregulli i Lenz-it. Ai thotë se hyni në shenjën minus në këtë rast, tregon drejtimin e EMF-së në zhvillim. Fakti është se fusha magnetike e krijuar nga rryma e induksionit drejtohet në atë mënyrë që të parandalojë ndryshimin e fluksit magnetik që shkaktoi rryma e induktuar.

Shembuj të zgjidhjes së problemeve

Kjo duket të jetë e gjitha. Rëndësia e ligjit të Faradeit është thelbësore, sepse baza e pothuajse të gjithë industrisë elektrike është ndërtuar mbi përdorimin e këtij ligji. Për t'ju ndihmuar të kuptoni më shpejt, le të shohim një shembull të zgjidhjes së një problemi duke përdorur ligjin e Faradeit.

Dhe mbani mend, miq! Nëse detyra është ngecur si një kockë në fyt, dhe jo më shumë forcë toleroni atë - kontaktoni autorët tanë! Tani ju e dini. Ne do të ofrojmë shpejt zgjidhje e detajuar dhe ne do t'ju shpjegojmë të gjitha pyetjet tuaja!

Për të përshkruar proceset në fizikë dhe kimi, ekzistojnë një sërë ligjesh dhe marrëdhëniesh të marra eksperimentalisht dhe me llogaritje. Asnjë studim i vetëm nuk mund të kryhet pa një vlerësim paraprak të proceseve duke përdorur marrëdhënie teorike. Ligjet e Faradeit zbatohen si në fizikë ashtu edhe në kimi, dhe në këtë artikull do të përpiqemi të flasim shkurtimisht dhe qartë për të gjitha. zbulimet e famshme ky shkencëtar i madh.

Historia e zbulimit

Ligji i Faradeit në elektrodinamikë u zbulua nga dy shkencëtarë: Michael Faraday dhe Joseph Henry, por Faraday publikoi rezultatet e punës së tij më herët - në 1831.

Në të tyre eksperimente demonstruese në gusht 1831, ai përdori një torus hekuri, në skajet e kundërta të të cilit ishte mbështjellë një tel (një tel për anë). Ai aplikoi energji në skajet e një teli të parë nga bateri galvanike, dhe lidhi një galvanometër me terminalet e sekondës. Dizajni ishte i ngjashëm me një transformator modern. Duke ndezur dhe fikur periodikisht tensionin në telin e parë, ai vuri re rritje në galvanometër.

Një galvanometër është një instrument shumë i ndjeshëm për matjen e rrymave të vogla.

Në këtë mënyrë përshkruhej ndikimi fushë magnetike, i formuar si rezultat i rrjedhjes së rrymës në telin e parë, në gjendjen e përcjellësit të dytë. Ky ndikim u transmetua nga i pari tek i dyti përmes bërthamës - një torus metalik. Si rezultat i hulumtimit, u zbulua edhe ndikimi i një magneti të përhershëm që lëviz në një spirale në mbështjelljen e tij.

Pastaj Faradei shpjegoi fenomenin e induksionit elektromagnetik nga pikëpamja linjat e energjisë. Një tjetër ishte një instalim për gjenerim DC: një disk bakri u rrotullua pranë një magneti dhe një tel që rrëshqiste përgjatë tij vepronte si një kolektor aktual. Kjo shpikje quhet një disk Faraday.

Shkencëtarët e asaj periudhe nuk i pranuan idetë e Faradeit, por Maxwell e mori kërkimin si bazë për teorinë e tij magnetike. Në 1836, Michael Faraday vendosi marrëdhënie për proceset elektrokimike, të cilat u quajtën Ligjet e Faradeit të Elektrolizës. E para përshkruan raportin e masës së një lënde të lëshuar në elektrodë dhe rrymës rrjedhëse, dhe e dyta përshkruan raportin e masës së një lënde në tretësirë ​​dhe të lëshuar në elektrodë, për një sasi të caktuar të energjisë elektrike.

Elektrodinamika

Punimet e para u përdorën në fizikë, veçanërisht në përshkrimin e funksionimit të makinave dhe pajisjeve elektrike (transformatorë, motorë, etj.). Ligji i Faradeit thotë:

Për një qark, EMF e induktuar është drejtpërdrejt proporcionale me shpejtësinë e fluksit magnetik që lëviz nëpër këtë qark me një shenjë minus.

mund të thuhet me fjalë të thjeshta: aq me shpejt fluksi magnetik lëviz nëpër qark, aq më shumë EMF gjenerohet në terminalet e tij.

Formula duket si kjo:

Këtu dF është fluksi magnetik, dhe dt është njësia e kohës. Dihet se derivati ​​i parë në lidhje me kohën është shpejtësia. Kjo është, shpejtësia e lëvizjes së fluksit magnetik në këtë rast të veçantë. Nga rruga, ajo mund të lëvizë, ashtu si burimi i fushës magnetike (një spirale me rrymë - një elektromagnet, ose magnet i përhershëm), dhe konturin.

Këtu rrjedha mund të shprehet duke përdorur formulën e mëposhtme:

B është fusha magnetike dhe dS është sipërfaqja.

Nëse marrim parasysh një spirale me kthesa të mbështjella fort, me numrin e kthesave N, atëherë ligji i Faradeit duket kështu:

Fluksi magnetik në formulën për kthesë matet në Webers. Rryma që rrjedh në qark quhet induksion.

Induksioni elektromagnetik është fenomeni i rrjedhjes së rrymës në një qark të mbyllur nën ndikimin e një fushe magnetike të jashtme.

Në formulat e mësipërme, ju mund të keni vënë re shenjat e modulit pa to, ajo ka një formë paksa të ndryshme, siç u tha në formulimin e parë, me një shenjë minus.

Shenja minus shpjegon rregullin e Lenz-it. Rryma që lind në qark krijon një fushë magnetike, ajo drejtohet në drejtim të kundërt. Kjo është pasojë e ligjit të ruajtjes së energjisë.

Drejtimi i rrymës së induksionit mund të përcaktohet nga rregulli dora e djathtë ose, ne e shqyrtuam atë në detaje në faqen tonë të internetit.

Siç u përmend tashmë, falë fenomenit të induksionit elektromagnetik, funksionojnë makinat elektrike, transformatorët, gjeneratorët dhe motorët. Ilustrimi tregon rrjedhën e rrymës në mbështjelljen e armaturës nën ndikimin e fushës magnetike të statorit. Në rastin e një gjeneratori, kur rotori i tij rrotullohet forcat e jashtme EMF lind në mbështjelljet e rotorit, rryma gjeneron një fushë magnetike të drejtuar në drejtim të kundërt (e njëjta shenjë minus në formulë). Sa më e madhe të jetë rryma e konsumuar nga ngarkesa e gjeneratorit, aq më e madhe është fusha magnetike dhe aq më e vështirë bëhet rrotullimi.

Dhe anasjelltas - kur rryma rrjedh në rotor, lind një fushë që ndërvepron me fushën e statorit dhe rotori fillon të rrotullohet. Kur boshti është i ngarkuar, rryma në stator dhe rotor rritet, dhe është e nevojshme të sigurohet ndërrimi i mbështjelljeve, por kjo është një temë tjetër që lidhet me projektimin e makinave elektrike.

Në zemër të funksionimit të një transformatori, burimi i fluksit magnetik lëvizës është një fushë magnetike alternative që lind si rezultat i rrymës alternative që rrjedh në dredha-dredha parësore.

Nëse dëshironi ta studioni çështjen në më shumë detaje, ju rekomandojmë të shikoni një video që shpjegon Ligjin e Faradeit për induksionin elektromagnetik në një mënyrë të lehtë dhe të arritshme:

Elektroliza

Përveç hulumtimit të EMF dhe induksionit elektromagnetik, shkencëtari bëri zbulime të mëdha dhe në disiplina të tjera, duke përfshirë kiminë.

Kur rryma rrjedh nëpër elektrolit, jonet (pozitive dhe negative) fillojnë të nxitojnë drejt elektrodave. Negativët lëvizin drejt anodës, ato pozitive drejt katodës. Në këtë rast, një masë e caktuar e substancës që përmbahet në elektrolit lëshohet në njërën nga elektrodat.

Faraday kreu eksperimente duke kaluar rryma të ndryshme përmes elektrolitit dhe duke matur masën e substancës së depozituar në elektroda, dhe modelet e prejardhura.

m është masa e substancës, q është ngarkesa dhe k varet nga përbërja e elektrolitit.

Dhe ngarkesa mund të shprehet në terma të rrymës gjatë një periudhe kohore:

I=q/t, Pastaj q = i*t

Tani mund të përcaktoni masën e substancës që do të lirohet, duke ditur rrymën dhe kohën kur ka rrjedhur. Ky quhet Ligji i Parë i Elektrolizës i Faradeit.

Ligji i dytë:

Pesha element kimik, e cila do të vendoset në elektrodë, është drejtpërdrejt proporcionale me masën ekuivalente të elementit (masa molare e pjesëtuar me një numër që varet nga reaksion kimik, në të cilën është përfshirë substanca).

Duke marrë parasysh sa më sipër, këto ligje kombinohen në formulën:

m – masa e substancës së çliruar në gram, n – numri i elektroneve të transferuara në procesin e elektrodës, F=986485 C/mol – numri Faraday, t – koha në sekonda, M masë molare substanca g/mol.

Në realitet, sepse arsye të ndryshme, masa e substancës së lëshuar është më e vogël se ajo e llogaritur (kur llogaritet duke marrë parasysh rrymën rrjedhëse). Raporti i masave teorike dhe reale quhet prodhimi aktual:

B t = 100% * m e llogaritur / m teorike

Ligjet e Faradeit dhanë një kontribut të rëndësishëm në zhvillim shkenca moderne, në sajë të punës së tij ne kemi motorë elektrikë dhe gjeneratorë të energjisë elektrike (si dhe punën e ndjekësve të tij). Puna e EMF dhe dukuritë e induksionit elektromagnetik na dhanë shumica e pajisje moderne elektrike, duke përfshirë altoparlantët dhe mikrofonat, pa të cilat është e pamundur të dëgjosh regjistrimet dhe komunikimet zanore. Proceset e elektrolizës përdoren në metodën galvanike të veshjes së materialeve, e cila ka vlerë dekorative dhe praktike.

Materiale të ngjashme:

si( 0 ) nuk me pelqen( 0 )

Në 1831, bota mësoi për herë të parë për konceptin e induksionit elektromagnetik. Pikërisht atëherë Michael Faraday zbuloi këtë fenomen, i cili përfundimisht u bë zbulimi më i rëndësishëm në elektrodinamikë.

Historia e zhvillimit dhe eksperimentet e Faraday

te mesi i 19-të shekuj me radhë, besohej se fushat elektrike dhe magnetike nuk kanë lidhje, dhe natyra e ekzistencës së tyre është e ndryshme. Por M. Faraday ishte i sigurt në natyrën e unifikuar të këtyre fushave dhe pronave të tyre. Fenomeni i induksionit elektromagnetik, i zbuluar prej tij, më pas u bë baza për projektimin e gjeneratorëve në të gjitha termocentralet. Falë këtij zbulimi, njohuritë e njerëzimit për elektromagnetizmin kanë bërë hapa të mëdhenj përpara.

Faradei kreu eksperimentin e mëposhtëm: ai mbylli një qark në bobinën I dhe fusha magnetike rreth tij u rrit. Më pas, linjat e induksionit të kësaj fushe magnetike kaluan spiralen II, në të cilën u ngrit një rrymë e induktuar.

Oriz. 1. Skema e eksperimentit të Faradeit

Në fakt, njëkohësisht me Faradein, por pavarësisht nga ai, një tjetër shkencëtar, Joseph Henry, zbuloi këtë fenomen. Megjithatë, Faraday publikoi hulumtimin e tij më herët. Kështu, autori i ligjit të induksionit elektromagnetik ishte Michael Faraday.

Pavarësisht se sa eksperimente kreu Faraday, një kusht mbeti i pandryshuar: për formimin e një rryme induksioni, është e rëndësishme të ndryshoni fluksin magnetik që depërton në një qark të mbyllur përcjellës (spiral).

Ligji i Faradeit

Fenomeni i induksionit elektromagnetik përcaktohet nga shfaqja e një rryme elektrike në një qark të mbyllur elektrik përçues kur fluksi magnetik ndryshon nëpër zonën e këtij qarku.

Ligji bazë i Faradeit është se forca elektromotore (EMF) është drejtpërdrejt proporcionale me shpejtësinë e ndryshimit të fluksit magnetik.

Formula për ligjin e Faradeit të induksionit elektromagnetik është si më poshtë:

Oriz. 2. Formula për ligjin e induksionit elektromagnetik

Dhe nëse vetë formula, bazuar në shpjegimet e mësipërme, nuk ngre pyetje, atëherë shenja "-" mund të ngrejë dyshime. Rezulton se ekziston një rregull nga Lenz, një shkencëtar rus i cili kreu kërkimin e tij bazuar në postulatet e Faradeit. Sipas Lenz, shenja "-" tregon drejtimin e EMF-së në zhvillim, d.m.th. rryma e induktuar drejtohet në atë mënyrë që fluksi magnetik që krijon, përmes zonës së kufizuar nga qarku, tenton të kundërshtojë ndryshimin e fluksit që shkakton rryma.

Ligji Faraday-Maxwell

Në 1873, J.C. Maxwell prezantoi teorinë në një mënyrë të re fushë elektromagnetike. Ekuacionet që ai nxori formuan bazën e inxhinierisë moderne të radios dhe inxhinierisë elektrike. Ato shprehen si më poshtë:

• Edl = -dФ/dt– ekuacioni i forcës elektromotore
• Hdl = -dN/dt– ekuacioni i forcës magnetomotore.

Ku E– forca e fushës elektrike në zonën dl; H– forca e fushës magnetike në zonën dl; N- rrjedha e induksionit elektrik, t- koha.

Natyra simetrike e këtyre ekuacioneve vendos një lidhje midis elektrike dhe dukuritë magnetike, si dhe magnetike dhe elektrike. kuptimi fizik, i cili përcakton këto ekuacione, mund të shprehet me dispozitat e mëposhtme:

• nëse fusha elektrike ndryshon, atëherë ky ndryshim shoqërohet gjithmonë me një fushë magnetike.
• nëse fusha magnetike ndryshon, atëherë ky ndryshim shoqërohet gjithmonë me një fushë elektrike.

Oriz. 3. Shfaqja e një fushe magnetike vorbullash

Maxwell gjithashtu vërtetoi se përhapja e fushës elektromagnetike është e barabartë me shpejtësinë e përhapjes së dritës.

Gjithsej vlerësimet e marra: 134.

1. Ligji i parë i Faradeit është themelor ligji i sasisë elektrokimia.

2.Ekuivalent elektrokimik.

3.Kulometra.Klasifikimi i kulometrave.

4. Dalja e substancës nga rryma.

5. Metodat për përcaktimin e daljes së rrymës gjatë përdorimit të rrymës direkte dhe pulsuese.

6.Ligji i dytë i Faradeit.

7. Rastet e dukshme të devijimit nga ligjet e Faradeit.

1. Ligji i parë i Faradeit

Ekzistojnë tre lloje kryesore të kulometrave: gravimetrik (gravimetrik), vëllimor (volumetrik) dhe titrim.

Në kulometrat e peshimit (këto përfshijnë argjendin dhe bakrin), sasia e energjisë elektrike e kaluar përmes tyre llogaritet nga ndryshimi në masën e katodës ose anodës. Në kulometrat vëllimorë, llogaritja bëhet në bazë të matjes së vëllimit të substancave që rezultojnë (gaz në një kulometër hidrogjeni, merkur i lëngshëm në një kulometër merkuri). Në kulometrat e titrimit, sasia e energjisë elektrike përcaktohet nga të dhënat e titrimit të substancave të formuara në tretësirë ​​si rezultat i një reaksioni të elektrodës.

Kulometër bakri më e zakonshme në praktikë kërkime laboratorike, sepse është e lehtë për t'u prodhuar dhe mjaft e saktë. Saktësia e përcaktimit të sasisë së energjisë elektrike është 0,1%. Kulometri përbëhet nga dy anoda bakri dhe një katodë e hollë me fletë bakri e vendosur ndërmjet tyre. Elektroliti në një kulometër bakri është një tretësirë ​​ujore e përbërjes së mëposhtme: CuSO 4 ∙ 5H 2 O, H 2 SO 4 dhe etanoli C 2 H 5 OH rritet përçueshmëri elektrike elektrolit dhe, përveç kësaj, parandalon formimin e përbërjeve bazë të bakrit në hapësirën e katodës, të cilat mund të absorbohen në katodë, duke rritur kështu masën e saj. H 2 SO 4 në elektrolitin e kulometrit të bakrit është i nevojshëm për të parandaluar akumulimin e komponimeve Cu 1+ që mund të formohen si rezultat i reaksionit të disproporcionit:

Cu 0 + Cu 2+ → 2Cu +

Alkooli etilik i shtohet elektrolitit për të marrë depozitime më të imta kristalore, kompakte të katodës dhe për të parandaluar oksidimin e elektrodave të bakrit të kulometrit.

Sasia e elektricitetit të kaluar gjykohet nga ndryshimi i masës së katodës, para dhe pas elektrolizës.

katodë, dhe anoda është prej argjendi të pastër.

Një zgjidhje neutrale ose pak acid 30% e nitratit të argjendit përdoret si elektrolit në një kulometër argjendi.

Kulometër gaz hidrogjen-oksigjen përdoret për matje të përafërta të sasive të vogla të energjisë elektrike. Ai mat vëllimin e përgjithshëm të hidrogjenit dhe oksigjenit të çliruar gjatë elektrolizës së një tretësire ujore të H 2 SO 4 ose NaOH dhe nga kjo vlerë llogaritet sasia e energjisë elektrike të kaluar. Këta kulometra përdoren relativisht rrallë, sepse Saktësia e tyre është e ulët dhe ato janë më pak të përshtatshme për t'u përdorur sesa kulometrat e peshimit.

Kulometrat volumetrikë përfshijnë gjithashtu kulometer merkuri. Përdoret kryesisht në industri për të matur sasinë e energjisë elektrike. Saktësia e një kulometri të merkurit është 1%, por mund të funksionojë në dendësi të larta aktuale Anoda është merkuri. Qymyri është katodë. Elektroliti është një tretësirë ​​e jodidit të merkurit dhe jodidit të kaliumit. Sasia e energjisë elektrike llogaritet nga niveli i merkurit në tub.

Më e zakonshme nga kulometra të titrimit– jod

Dhe Kulometer Kistyakovsky.

Një kulometër jodi është një enë me elektroda platin-iridium të ndara nga hapësira katodë dhe anodë. Një zgjidhje e koncentruar e jodur kaliumit me shtimin e acid klorhidrik, në ndarjen e katodës - një zgjidhje e acidit klorhidrik. Kur një rrymë kalon nëpër anodë, lirohet jodi, i cili më pas titrohet me tiosulfat natriumi (Na 2 S 2 O 3). Në bazë të rezultateve të titrimit, llogaritet sasia e energjisë elektrike.

Kulometer Kistyakovsky- Kjo është një enë qelqi. Anoda është një tel argjendi i ngjitur në një tub qelqi me merkur për të siguruar kontaktin. Ena është e mbushur me një zgjidhje të nitratit të kaliumit (15-20%). Një katodë platin-iridium është zhytur në këtë zgjidhje. Kur kalon rryma, ndodh shpërbërja anodike e argjendit. Dhe gjithashtu bazuar në rezultatet e titrimit të tretësirës, ​​llogaritet sasia e energjisë elektrike.

4. Prodhimi aktual

Zn 2+ +2ē →Zn

Nëse në elektrodë ndodhin disa reaksione paralele elektrokimike, atëherë ligji i parë i Faradeit do të jetë i vlefshëm për secilën prej tyre.

Për qëllime praktike, me qëllim që të merret parasysh se cila pjesë e rrymës ose sasisë së energjisë elektrike që kalon nëpër sistemin elektrokimik shpenzohet për secilin reaksion specifik, koncepti prodhimi i një lënde nga rryma.

Kështu, VT bën të mundur përcaktimin e pjesës së sasisë së energjisë elektrike të kaluar nëpër sistemin elektrokimik, e cila përbën pjesën e këtij reaksioni elektrokimik.

Njohja e VT është e nevojshme, si në zgjidhje çështje teorike: për shembull, gjatë ndërtimit të kurbave të polarizimit të pjesshëm dhe sqarimit të mekanizmit të një reaksioni elektrokimik, dhe në praktikën e elektrodepozitimit të metaleve, jometaleve, lidhjeve, për të vlerësuar efektivitetin e një operacioni teknologjik. Në praktikë, VT më së shpeshti përcaktohet duke ndarë masën praktike të një substance me masën teorike të përcaktuar nga ligji i Faradeit.

m praktik - masa e një lënde të transformuar praktikisht si rezultat i kalimit të një sasie të caktuar të energjisë elektrike; Teoria m është masa e një lënde që teorikisht duhet të transformohet kur kalon të njëjtën sasi energjie elektrike.

VT për proceset që ndodhin në katodë, si rregull, nuk përkon me VT të proceseve anodik, prandaj është e nevojshme të bëhet dallimi midis daljes së rrymës së katodës dhe anodës. Deri më tani, ne kemi shqyrtuar raste të përcaktimit të VT-së kur një rrymë elektrike e drejtpërdrejtë rrjedh përmes ndërfaqes midis një përcjellësi të llojit të parë dhe një përcjellësi të tipit të dytë.

5. Metodat për përcaktimin e VT duke përdorur rrymë pulsuese

Nëse, megjithatë, rrjedh përtej kufirit të fazës rryma e impulsit, atëherë me rastin e përcaktimit të VT lindin vështirësi të mëdha. Nuk ka asnjë metodë ose instrument të vetëm për përcaktimin e VT gjatë elektrolizës së pulsit. Vështirësia e përcaktimit të VT në kushtet e elektrolizës pulsuese është për faktin se rryma që kalon nëpër sistem harxhohet jo vetëm në reaksionin elektrokimik, por edhe në ngarkimin e shtresës elektrike të dyfishtë. Një rrymë elektrike që kalon nëpër një ndërfaqe dhe që shkakton një transformim elektrokimik shpesh quhet rrymë Faraday. Rryma e karikimit harxhohet për ngarkimin e shtresës së dyfishtë elektrike, riorganizimin e tretësit, vetë reagentit, d.m.th. çdo gjë që krijon kushtet për të ndodhur një reaksion elektrokimik, kështu që shprehja për rrymën totale që kalon nëpër sistemin elektrokimik do të jetë si më poshtë:

I = Iz + Iph, ku Iz është rryma e karikimit, Iph është rryma Faraday.

Nëse nuk kërkohet përkufizim vlerat absolute VT, atëherë si kriter për vlerësimin e efikasitetit të elektrolizës pulsuese, mund të përdoret raporti i sasisë së energjisë elektrike të shpenzuar për shpërbërjen e precipitatit me sasinë e energjisë elektrike të shpenzuar për formimin e tij.

6. Ligji i dytë i Faradeit.

Matematikisht, ky ligj shprehet me ekuacionin:

Ligji i dytë i Faradeit është një pasojë e drejtpërdrejtë e ligjit të parë. Ligji i dytë i Faradeit pasqyron marrëdhënien që ekziston midis sasisë së substancës së reaguar dhe natyrës së saj kimike.

Sipas ligjit të dytë të Faradeit:

Nëse në ndërfaqen ndërmjet një përcjellësi të llojit të parë dhe një përcjellësi të llojit të dytë ndodh një dhe vetëm një reaksion elektrokimik, në të cilin marrin pjesë disa substanca, atëherë masat e pjesëmarrësve në reaksion që kanë pësuar transformime lidhen me njëra-tjetrën si ekuivalentet e tyre kimike.

7. Rastet e dukshme të devijimit nga ligjet e Faradeit

Ligji i Parë i Faradeit, i bazuar në natyrën atomike të materies dhe elektricitetit, është një ligj i saktë i natyrës. Nuk mund të ketë devijime prej saj. Nëse në praktikë gjatë llogaritjeve vërehen devijime nga ky ligj, ato janë gjithmonë për shkak të shqyrtimit jo të plotë të proceseve që shoqërojnë reaksionin kryesor elektrokimik. Për shembull, gjatë elektrolizës së një tretësire ujore të NaCl në një sistem me elektroda platini dhe hapësira anode dhe katode të ndara nga një diafragmë poroze, në katodë ndodh reagimi i mëposhtëm:

2H 2 O + 2ē = H 2 + 2OH -

dhe në anodë: 2Cl - - 2ē = Cl 2

Sasia e formuar gaz klorështë gjithmonë më pak se sa vijon sipas ligjit të Faradeit për shkak të faktit se Cl 2 shpërndahet në elektrolit dhe i nënshtrohet një reaksioni hidrolize:

Cl 2 + H 2 O → HCl+ HClO

Nëse marrim parasysh masën e klorit që ka reaguar me ujin, marrim një rezultat që korrespondon me atë të llogaritur sipas ligjit të Faradeit.

Ose, gjatë shpërbërjes anodike të shumë metaleve, ndodhin dy procese paralelisht - formimi i joneve me valencë normale dhe të ashtuquajturat subione - d.m.th. jonet me valencë më të ulët, për shembull: Cu 0 - 2ē → Cu 2+ dhe

Cu- 1ē → Cu +. Prandaj, llogaritja sipas ligjit të Faradeit nën supozimin se formohen vetëm jonet valencë më e lartë rezulton e gabuar.

Shpesh, jo një reaksion elektrokimik ndodh në elektrodë, por disa reaksione paralele të pavarura. Për shembull, kur ndahet Zn nga një tretësirë ​​acidike e ZnSO 4 së bashku me shkarkimin e joneve të Zn:

Zn 2+ +2ē →Zn

ndodh reaksioni i reduktimit të joneve të hidroniumit: 2H 3 O + +2ē → H 2 + 2H 2 O.

Nëse në elektrodë ndodhin disa reaksione paralele elektrokimike, atëherë ligji i parë i Faradeit do të jetë i vlefshëm për secilën prej tyre.

Procesi redoks me forcë që rrjedh nën ndikimin e rrymës elektrike quhet elektrolizë.

Elektroliza kryhet në një qelizë elektrolitike të mbushur me elektrolit, në të cilën elektroda zhyten dhe lidhen me një burim të jashtëm rrymë.

Elektroda e lidhur me polin negativ burim i jashtëm quhet rrymë katodë. Në katodë ndodhin procese të reduktimit të grimcave të elektrolitit. Elektroda e lidhur me polin pozitiv të burimit aktual quhet anodë. Proceset e oksidimit të grimcave të elektrolitit ose materialit të elektrodës ndodhin në anodë.

Proceset anodike varen nga natyra e elektrolitit dhe materialit të anodës. Në këtë drejtim, bëhet një dallim midis elektrolizës me një anodë inerte dhe të tretshme.

Një anodë inerte është ajo materiali i së cilës nuk oksidohet gjatë elektrolizës. Elektrodat inerte përfshijnë, për shembull, grafit (karbon) dhe platin.

Një anodë e tretshme është ajo, materiali i së cilës mund të oksidohet gjatë elektrolizës. Shumica e elektrodave metalike janë të tretshme.

Zgjidhjet ose shkrirjet mund të përdoren si elektrolit. Në një tretësirë ​​ose shkrirje të një elektroliti, jonet janë në lëvizje kaotike. Nën ndikimin e një rryme elektrike, jonet fitojnë lëvizje të drejtimit: kationet lëvizin drejt katodës, dhe anionet lëvizin drejt anodës dhe, në përputhje me rrethanat, ato mund të shkarkohen në elektroda.

Me elektrolizë shkrihet me elektroda inerte Në katodë, vetëm kationet metalike mund të reduktohen, dhe në anodë, anionet mund të oksidohen.

Gjatë elektrolizës së lëngjeve ujore zgjidhjet Në katodë, përveç kationeve metalike, molekulat e ujit mund të reduktohen, dhe në tretësira acide, jonet e hidrogjenit H +. Kështu, reagimet e mëposhtme konkurruese janë të mundshme në katodë:

(-) K: Meh n + + nē→ Unë

2H2O+2 ē → H 2 + 2 OH -

2H + + 2 ē → H 2

Në katodë, reagimi me vlera më e lartë potenciali i elektrodës.

Gjatë elektrolizës së lëngjeve ujore tretësirat me anodë të tretshme Përveç oksidimit të anioneve, reaksionet e oksidimit të vetë elektrodës, molekulave të ujit dhe në zgjidhjet alkaline të joneve hidroksid (OH -) janë të mundshme:

(+) A: Unë - n ē→ Unë n +

oksidimi i anionit E 0

2H 2 O – 4 ē O2+4H+

4OH – - 4 ē = O 2 + 2H 2 O

Në anodë, reaksioni kryesisht ndodh me nai vlerë më të ulët potenciali i elektrodës.

Për reaksionet e elektrodës jepen potencialet e ekuilibrit në mungesë të rrymës elektrike.

Elektroliza është një proces jo ekuilibër, prandaj potencialet e reaksioneve të elektrodës nën rrymë ndryshojnë nga vlerat e tyre të ekuilibrit. Zhvendosja e potencialit të elektrodës nga vlera e tij e ekuilibrit nën ndikimin e një rryme të jashtme quhet polarizimi i elektrodës. Sasia e polarizimit quhet mbitension. Madhësia e mbitensionit ndikohet nga shumë faktorë: natyra e materialit të elektrodës, dendësia e rrymës, temperatura, pH mjedisi, etj.

Mbitensionet e çlirimit të metalit katodik janë relativisht të vogla.

Me një mbitension të lartë, si rregull, ndodh formimi i gazrave të tillë si hidrogjeni dhe oksigjeni. Mbitensioni minimal i hidrogjenit në katodë në tretësirat acidike vërehet në Pt (h=0,1 V), dhe maksimumi në plumb, zink, kadmium dhe merkur. Mbitensioni ndryshon kur zëvendësohen tretësirat acidike me ato alkaline. Për shembull, në platin në një mjedis alkalik, mbitensioni i hidrogjenit h = 0,31 V (shih shtojcën).

Lëshimi anodik i oksigjenit shoqërohet gjithashtu me mbitension. Mbitensioni minimal i evolucionit të oksigjenit vërehet në elektrodat Pt (h=0,7 V), dhe maksimumi në zink, merkur dhe plumb (shih Shtojcën).

Nga sa më sipër rezulton se gjatë elektrolizës së tretësirave ujore:

1) Jonet metalike reduktohen në katodë, potencialet e elektrodave të së cilës më shumë potencial rikuperimi i ujit (-0,82V). Jonet metalike që kanë më shumë potencial elektrodë negative se -0.82 V nuk reduktohen. Këto përfshijnë alkaline dhe metalet alkaline të tokës dhe alumini.

2) në anodën inerte, duke marrë parasysh mbitensionin e oksigjenit, ndodh oksidimi i atyre anioneve, potenciali i të cilave është më i vogël se potenciali i oksidimit të ujit (+1,23 V). Anione të tilla përfshijnë, për shembull, I -, Br -, Cl -, NO 2 -, OH -. Anionet CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - nuk janë të oksidueshme.

3) gjatë elektrolizës me një anodë të tretshme, elektrodat e bëra nga ato metale, potenciali i elektrodës së të cilave është më pak se +1,23 V, shpërndahen në media neutrale dhe acide, dhe në media alkaline - më pak se +0,413 V.

Produktet totale të proceseve në katodë dhe anodë janë substanca elektrike neutrale.

Për të kryer procesin e elektrolizës, duhet të aplikohet tension në elektroda. Tensioni i elektrolizës U elza është diferenca potenciale e nevojshme që reaksionet të ndodhin në katodë dhe anodë. Tensioni teorik i elektrolizës ( U el-za, teorik) pa marrë parasysh mbitensionin, rënien e tensionit omik në përçuesit e llojit të parë dhe në elektrolit.

U el-za, teori = E A - E k, (7)

Ku E A, E k - potencialet e reaksioneve anodike dhe katodike.

Marrëdhënia midis sasisë së substancës së çliruar gjatë elektrolizës dhe sasisë së rrymës që kalon përmes elektrolitit shprehet me dy ligjet e Faradeit.

Ligji i parë i Faradeit. Sasia e substancës së formuar në elektrodë gjatë elektrolizës është drejtpërdrejt proporcionale me sasinë e energjisë elektrike që kalon përmes tretësirës së elektrolitit (shkrirja):

Ku k– ekuivalent elektrokimik, g/C ose g/Ah; P- sasia e energjisë elektrike, Coulomb, P=Ajo; t-koha, s; I-rryma, A; F= 96500 C/mol (A s/mol) = 26,8 A h/mol – konstanta e Faradeit; E është masa ekuivalente e substancës, g/mol.

Në reaksionet elektrokimike, masa ekuivalente e një substance përcaktohet:

n– numri i elektroneve që marrin pjesë në reaksionin elektrodë të formimit të kësaj substance.

Ligji II i Faradeit. Kur e njëjta sasi elektriciteti kalon nëpër elektrolite të ndryshme, masat e substancave të lëshuara në elektroda janë proporcionale me masat e tyre ekuivalente:

Ku m 1 dhe m 2 – masat e substancave 1 dhe 2, E 1 dhe E 2, g/mol – masa ekuivalente të substancave 1 dhe 2.

Në praktikë, shpesh për shkak të proceseve konkurruese redoks, më pak substancë formohet në elektroda sesa korrespondon me energjinë elektrike të kaluar përmes tretësirës.

Për të karakterizuar humbjet e energjisë elektrike gjatë elektrolizës, u prezantua koncepti i "Daljes aktuale". Prodhimi aktual Në tështë raporti i sasisë së produktit të elektrolizës së përftuar realisht i shprehur në përqindje m fakt. për të llogaritur teorikisht m teori:

Shembulli 10. Cilat procese do të ndodhin gjatë elektrolizës së një tretësire ujore të sulfatit të natriumit me një anodë karboni? Çfarë substancash do të lirohen në elektroda nëse elektroda e karbonit zëvendësohet me një bakër?

Zgjidhja: Në një tretësirë ​​të sulfatit të natriumit në proceset e elektrodës Mund të marrin pjesë jonet e natriumit Na +, SO 4 2- dhe molekulat e ujit. Elektrodat e karbonit klasifikohen si elektroda inerte.

E mundur në katodë proceset e mëposhtme rikuperimi:

(-) K: Na++ ē → Na

2H2O+2 ē → H 2 + 2 OH -

Në katodë, së pari ndodh reaksioni me potencialin më të lartë të elektrodës. Prandaj, reduktimi i molekulave të ujit do të ndodhë në katodë, i shoqëruar me çlirimin e hidrogjenit dhe formimin e joneve OH - hidroksid në hapësirën e katodës. Jonet e natriumit Na + të pranishëm në katodë së bashku me jonet OH - do të formojnë një tretësirë ​​alkali NaOH.

(+)A: 2 SO 4 2- - 2 ē → S 2 O 8 2-

2 H 2 O - 4 ē → 4H + + O 2 .

Në anodë, së pari ndodh reaksioni me potencialin më të ulët të elektrodës. Prandaj, oksidimi i molekulave të ujit me lëshimin e oksigjenit do të ndodhë në anodë, dhe jonet H + grumbullohen në hapësirën e anodës. Jonet SO 4 2- të pranishme në anodë me jone H + do të formojnë një tretësirë ​​të acidit sulfurik H 2 SO 4.

Reaksioni total i elektrolizës shprehet me ekuacionin:

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

produktet e katodës produkte anode

Kur zëvendësoni një anodë karboni (inerte) me një bakër, një reaksion tjetër oksidimi bëhet i mundur në anodë - shpërbërja e bakrit:

Cu - 2 ē → Cu 2+

Ky proces karakterizohet nga një vlerë potenciale më e ulët se proceset e tjera të mundshme anodike. Prandaj, gjatë elektrolizës së Na 2 SO 4 me një anodë bakri, oksidimi i bakrit do të ndodhë në anodë dhe sulfati i bakrit CuSO 4 do të grumbullohet në hapësirën e anodës. Reaksioni total i elektrolizës do të shprehet me ekuacionin:

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

produktet e katodës produkt anode

Shembulli 11. Shkruani një ekuacion për proceset që ndodhin gjatë elektrolizës së një tretësire ujore të klorurit të nikelit NiCl 2 me një anodë inerte.

Zgjidhja: Në një zgjidhje të klorurit të nikelit, jonet e nikelit Ni 2+, Cl - dhe molekulat e ujit mund të marrin pjesë në proceset e elektrodës. Një elektrodë grafiti mund të përdoret si një anodë inerte.

Reagimet e mëposhtme janë të mundshme në katodë:

(-) K: Ni 2+ + 2 ē → Ni

2H2O+2 ē → H 2 + 2 OH -

Potenciali i reaksionit të parë është më i lartë, kështu që reduktimi i joneve të nikelit ndodh në katodë.

Reagimet e mëposhtme janë të mundshme në anodë:

(+) A: 2 Cl - - 2 ē →Cl2

2H 2 O – 4 ē O2+4H+ .

Sipas vlerave standarde potencialet e elektrodës në anodë

oksigjeni duhet të lirohet. Në realitet, për shkak të mbitensionit të lartë të oksigjenit, klori lirohet në elektrodë. Madhësia e mbitensionit varet nga materiali nga i cili është bërë elektroda. Për grafitin, mbitensioni i oksigjenit është 1.17 V me një densitet të rrymës prej 1 A/cm2, gjë që rrit potencialin e oksidimit të ujit në 2.4 V.

Rrjedhimisht, elektroliza e një solucioni të klorurit të nikelit vazhdon me formimin e nikelit dhe klorit:

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

në katodë në anodë

Shembulli 12. Llogaritni masën e substancës dhe vëllimin e gazit të lëshuar në elektroda inerte gjatë elektrolizës së tretësirës ujore të nitratit të argjendit AgNO 3, nëse koha e elektrolizës është 25 minuta dhe rryma është 3 A.

Zgjidhje. Gjatë elektrolizës së një tretësire ujore të AgNO 3 në rastin e një anode të patretshme (për shembull, grafit), proceset e mëposhtme ndodhin në elektroda:

(-) K: Ag + + ē → Ag ,

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH - .

Potenciali i reaksionit të parë është më i lartë, kështu që reduktimi i joneve të argjendit ndodh në katodë.

(+) A: 2H 2 O – 4 ē O2+4H+ ,

Anioni NO 3 nuk oksidohet.

G ose në litra l.

Kërkimet

5. Regjistroni reaksionet e elektrolizës në elektroda inerte dhe llogaritni masën e substancës së përftuar në katodë dhe vëllimin e gazit të lëshuar në anodë gjatë elektrolizës së tretësirave të elektrolitit, nëse koha e elektrolizës është 20 minuta, forca aktuale I=2A, nëse dalja aktuale V t =100%. Cilat substanca do të lirohen në elektroda kur zëvendësohet anoda inerte me atë metalike të specifikuar në detyrë?

Fundi i tryezës