Galvanik hücreler Faraday yasası. Faraday'ın kimya ve fizikteki yasaları

Pazartesi akşamı temel bilgileri okumanın daha iyi bir yolu var mı? elektrodinamik. Doğru, daha iyi olan birçok şey bulabilirsiniz. Ancak yine de bu makaleyi okumanızı öneririz. Çok zaman almaz ama faydalı bilgiler bilinçaltında kalacaktır. Örneğin bir sınav sırasında stres altında Faraday yasasını hafızanın derinliklerinden başarıyla çıkarmak mümkün olacaktır. Birkaç Faraday yasası olduğundan, burada Faraday'ın indüksiyon yasasından bahsettiğimizi açıklığa kavuşturalım.

Elektrodinamik Elektromanyetik alanı tüm tezahürleriyle inceleyen bir fizik dalı.

Bu, elektrik ve manyetik alanların etkileşimini, elektrik akımını, elektromanyetik radyasyonu ve alanın yüklü cisimler üzerindeki etkisini içerir.

Burada tüm elektrodinamiği dikkate almayı amaçlamıyoruz. Tanrı korusun! Temel yasalarından birine daha iyi bir göz atalım: kanunen elektromanyetik indüksiyon Faraday.

Tarih ve tanım

Faraday, Henry'ye paralel olarak 1831'de elektromanyetik indüksiyon olgusunu keşfetti. Doğru, sonuçları daha önce yayınlamayı başardım. Faraday yasası teknolojide, elektrik motorlarında, transformatörlerde, jeneratörlerde ve bobinlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Basitçe ifade etmek gerekirse, elektromanyetik indüksiyon için Faraday yasasının özü nedir? İşte olay şu!

Kapalı bir iletken döngüde manyetik akı değiştiğinde, döngüde bir elektrik akımı ortaya çıkar. Yani, telden bir çerçeveyi bükersek ve onu değişen bir manyetik alana yerleştirirsek (bir mıknatıs alıp çerçevenin etrafında çevirirsek), akım çerçevenin içinden akacaktır!

Faraday bu akım indüksiyonunu adlandırdı ve fenomenin kendisi de elektromanyetik indüksiyon olarak adlandırıldı.

Elektromanyetik indüksiyon– kapalı bir döngüde meydana gelme elektrik akımı devreden geçen manyetik akı değiştiğinde.

Elektrodinamiğin temel yasasının formülasyonu - Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasası, görünüşü ve sesleri aşağıdaki gibidir:

EMF Devrede ortaya çıkan manyetik akının değişim hızıyla orantılıdır F devre aracılığıyla.

Formülde eksi nereden geliyor diye soruyorsunuz? Bu formüldeki eksi işaretini açıklamak için özel bir nokta vardır. Lenz'in kuralı. Eksi işaretinin giriş yaptığını söylüyor bu durumda, ortaya çıkan EMF'nin yönünü gösterir. Gerçek şu ki, indüksiyon akımının yarattığı manyetik alan, manyetik akıda meydana gelen değişikliği önleyecek şekilde yönlendirilir. indüklenen akım.

Problem çözme örnekleri

Hepsi bu kadar gibi görünüyor. Faraday yasasının önemi çok önemlidir, çünkü neredeyse tüm elektrik endüstrisinin temeli bu yasanın kullanımına dayanmaktadır. Daha hızlı anlamanıza yardımcı olmak için Faraday yasasını kullanarak bir problemi çözme örneğine bakalım.

Ve unutmayın arkadaşlar! Görev boğazda kemik gibi sıkışmışsa ve hayır daha fazla güç buna tahammül edin - yazarlarımızla iletişime geçin! Artık biliyorsun. Hızlı bir şekilde sağlayacağız detaylı çözüm ve tüm sorularınızı açıklayacağız!

Fizik ve kimyadaki süreçleri tanımlamak için deneysel ve hesaplama yoluyla elde edilen çok sayıda yasa ve ilişki vardır. Süreçlerin teorik ilişkiler kullanılarak ön değerlendirmesi yapılmadan hiçbir çalışma yapılamaz. Faraday yasaları hem fizikte hem de kimyada uygulanıyor ve bu yazımızda hepsinden kısaca ve net bir şekilde bahsetmeye çalışacağız. ünlü keşifler bu büyük bilim adamı.

Keşif tarihi

Faraday'ın elektrodinamik yasası iki bilim adamı tarafından keşfedildi: Michael Faraday ve Joseph Henry, ancak Faraday çalışmasının sonuçlarını daha önce - 1831'de yayınladı.

onların gösteri deneyleri Ağustos 1831'de, karşıt uçlarına bir telin sarıldığı (her iki tarafta bir tel) demir bir torus kullandı. İlk telin uçlarına güç uyguladı. galvanik pil ve ikincinin terminallerine bir galvanometre bağladım. Tasarım modern bir transformatöre benziyordu. İlk kablonun voltajını periyodik olarak açıp kapatarak galvanometrede ani yükselmeler gözlemledi.

Galvanometre, küçük akımları ölçmek için oldukça hassas bir alettir.

Bu şekilde etki tasvir edildi manyetik alan ikinci iletkenin durumuna göre birinci teldeki akımın akışı sonucu oluşan. Bu etki birinciden ikinciye çekirdek - metal bir torus aracılığıyla iletildi. Araştırma sonucunda bir bobin içinde hareket eden kalıcı bir mıknatısın sargısı üzerindeki etkisi de keşfedildi.

Daha sonra Faraday elektromanyetik indüksiyon olgusunu bakış açısıyla açıkladı. elektrik hatları. Bir diğeri ise üretim için bir kurulumdu. DC: Bir mıknatısın yakınında dönen bir bakır disk ve onun boyunca kayan bir tel, bir akım toplayıcı görevi görüyordu. Bu buluşa Faraday diski adı veriliyor.

O dönemin bilim adamları Faraday'ın fikirlerini kabul etmediler ancak Maxwell araştırmayı manyetik teorisinin temeli olarak aldı. 1836'da Michael Faraday, Faraday'ın Elektroliz Yasaları olarak adlandırılan elektrokimyasal süreçler için ilişkiler kurdu. Birincisi, belirli bir miktarda elektrik için elektrot üzerinde salınan bir maddenin kütlesinin akan akıma oranını, ikincisi ise çözeltideki ve elektrot üzerinde salınan bir maddenin kütlesinin oranını tanımlar.

Elektrodinamik

İlk çalışmalar fizikte, özellikle elektrikli makinelerin ve cihazların (transformatörler, motorlar vb.) çalışmasının tanımlanmasında kullanıldı. Faraday yasası şunu belirtir:

Bir devre için indüklenen EMF, bu devre boyunca eksi işaretiyle hareket eden manyetik akının hızıyla doğru orantılıdır.

Söylenebilir basit kelimelerle: daha hızlı manyetik akı Devre boyunca hareket ettikçe terminallerinde daha fazla EMF üretilir.

Formül şuna benziyor:

Burada dФ manyetik akı ve dt zaman birimidir. Zamana göre birinci türevinin hız olduğu bilinmektedir. Yani, bu özel durumda manyetik akının hareket hızı. Bu arada, tıpkı manyetik alanın kaynağı gibi (akımlı bir bobin - bir elektromıknatıs veya kalıcı mıknatıs) ve kontur.

Burada akış aşağıdaki formül kullanılarak ifade edilebilir:

B manyetik alandır ve dS yüzey alanıdır.

Eğer dönüş sayısı N olan, sıkı bir şekilde sarılmış dönüşlere sahip bir bobini ele alırsak, Faraday yasası şöyle görünür:

Dönüş başına formüldeki manyetik akı Webers cinsinden ölçülür. Devrede akan akıma indüksiyon denir.

Elektromanyetik indüksiyon, harici bir manyetik alanın etkisi altında kapalı bir devrede akım akışı olgusudur.

Yukarıdaki formüllerde modül işaretlerini fark etmişsinizdir; bunlar olmadan, ilk formülasyonda söylendiği gibi eksi işaretiyle biraz farklı bir formdadır.

Eksi işareti Lenz kuralını açıklıyor. Devrede ortaya çıkan akım manyetik bir alan oluşturur, ters yönde yönlendirilir. Bu, enerjinin korunumu yasasının bir sonucudur.

İndüksiyon akımının yönü kuralla belirlenebilir sağ el veya web sitemizde ayrıntılı olarak inceledik.

Daha önce de belirtildiği gibi, elektromanyetik indüksiyon olgusu sayesinde elektrikli makineler, transformatörler, jeneratörler ve motorlar çalışır. Şekilde stator manyetik alanının etkisi altında armatür sargısındaki akımın akışı gösterilmektedir. Jeneratör durumunda, rotoru döndüğünde dış kuvvetler Rotor sargılarında EMF ortaya çıkar, akım ters yönde yönlendirilmiş bir manyetik alan oluşturur (formüldeki aynı eksi işareti). Jeneratör yükünün tükettiği akım ne kadar büyük olursa, manyetik alan da o kadar büyük olur ve dönmesi o kadar zorlaşır.

Ve bunun tersi de geçerlidir - rotorda akım aktığında, stator alanıyla etkileşime giren bir alan ortaya çıkar ve rotor dönmeye başlar. Şaft yüklendiğinde stator ve rotordaki akım artar ve sargıların anahtarlanmasını sağlamak gerekir ancak bu, elektrik makinelerinin tasarımıyla ilgili başka bir konudur.

Bir transformatörün çalışmasının merkezinde, hareketli manyetik akı kaynağı, birincil sargıda akan alternatif akımın bir sonucu olarak ortaya çıkan alternatif bir manyetik alandır.

Konuyu daha detaylı incelemek isterseniz, elektromanyetik indüksiyon için Faraday Yasasını kolay ve erişilebilir bir şekilde açıklayan videoyu izlemenizi öneririz:

Elektroliz

Bilim adamı, EMF ve elektromanyetik indüksiyonu araştırmanın yanı sıra şunları da yaptı: büyük keşifler ve kimya dahil diğer disiplinlerde.

Akım elektrolitten aktığında iyonlar (pozitif ve negatif) elektrotlara doğru koşmaya başlar. Negatif olanlar anoda, pozitif olanlar ise katoda doğru hareket eder. Bu durumda, elektrolitte bulunan belirli bir madde kütlesi elektrotlardan birinde salınır.

Faraday, elektrolitten farklı akımlar geçirerek ve elektrotlar üzerinde biriken maddenin kütlesini ölçerek ve desenler türeterek deneyler yaptı.

m maddenin kütlesidir, q yüktür ve k elektrolitin bileşimine bağlıdır.

Ve ücret, belirli bir süre boyunca akım cinsinden ifade edilebilir:

ben=q/t, Daha sonra q = i*t

Artık akımı ve aktığı zamanı bilerek salınacak maddenin kütlesini belirleyebilirsiniz. Buna Faraday'ın Birinci Elektroliz Yasası denir.

İkinci yasa:

Ağırlık kimyasal element Elektrot üzerine yerleşecek olan elementin eşdeğer kütlesi (molar kütlenin aşağıdakine bağlı bir sayıya bölümü) ile doğru orantılıdır. kimyasal reaksiyon, maddenin dahil olduğu).

Yukarıdakiler dikkate alınarak, bu yasalar aşağıdaki formülde birleştirilmiştir:

m – salınan maddenin gram cinsinden kütlesi, n – elektrot işleminde aktarılan elektronların sayısı, F=986485 C/mol – Faraday numarası, t – saniye cinsinden süre, M molar kütle maddeler g/mol.

Gerçekte, çünkü çeşitli nedenler salınan maddenin kütlesi hesaplanandan daha azdır (akan akım dikkate alınarak hesaplanırken). Teorik ve gerçek kütlelerin oranına akım çıkışı denir:

B t = %100 * hesaplanan m / teorik m

Faraday yasaları kalkınmaya önemli katkı sağladı modern bilim Onun çalışmaları sayesinde elektrik motorlarımız ve elektrik jeneratörlerimiz var (aynı zamanda takipçilerinin çalışmaları da). EMF'nin çalışması ve elektromanyetik indüksiyon olgusu bize çoğu Hoparlörler ve mikrofonlar dahil olmak üzere, kayıtları ve sesli iletişimi dinlemenin mümkün olmadığı modern elektrikli ekipmanlar. Hem dekoratif hem de pratik değeri olan kaplama malzemelerinin galvanik yönteminde elektroliz işlemleri kullanılmaktadır.

İlgili malzemeler:

Beğenmek( 0 ) hoşuma gitmedi( 0 )

Dünya ilk kez 1831'de elektromanyetik indüksiyon kavramını öğrendi. O zaman Michael Faraday bu fenomeni keşfetti ve sonunda en önemli keşif elektrodinamikte.

Faraday'ın gelişim tarihi ve deneyleri

İle 19'uncu yüzyılın ortası yüzyıllar boyunca elektrik ve manyetik alanların hiçbir bağlantısının olmadığına ve varlıklarının doğasının farklı olduğuna inanılıyordu. Ancak M. Faraday bu alanların ve özelliklerinin birleşik doğasından emindi. Onun tarafından keşfedilen elektromanyetik indüksiyon olgusu daha sonra tüm enerji santrallerindeki jeneratörlerin tasarımının temeli oldu. Bu keşif sayesinde insanlığın elektromanyetizma bilgisinde büyük ilerlemeler kaydedildi.

Faraday şu deneyi gerçekleştirdi: I bobinindeki bir devreyi kapattı ve etrafındaki manyetik alan arttı. Daha sonra, bu manyetik alanın endüksiyon hatları, içinde indüklenen bir akımın ortaya çıktığı bobin II'yi geçti.

Pirinç. 1. Faraday deneyinin şeması

Aslında Faraday ile aynı anda ama ondan bağımsız olarak başka bir bilim adamı olan Joseph Henry bu fenomeni keşfetti. Ancak Faraday araştırmasını daha önce yayınladı. Böylece elektromanyetik indüksiyon yasasının yazarı Michael Faraday'dı.

Faraday ne kadar deney yaparsa yapsın, bir koşul değişmeden kaldı: Bir indüksiyon akımının oluşması için, kapalı bir iletken devreye (bobin) giren manyetik akıyı değiştirmek önemlidir.

Faraday yasası

Elektromanyetik indüksiyon olgusu, manyetik akı bu devrenin alanı boyunca değiştiğinde kapalı bir elektriksel iletken devrede bir elektrik akımının ortaya çıkmasıyla belirlenir.

Faraday'ın temel yasası, elektromotor kuvvetin (EMF) manyetik akının değişim hızıyla doğru orantılı olmasıdır.

Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasasının formülü aşağıdaki gibidir:

Pirinç. 2. Elektromanyetik indüksiyon yasasının formülü

Yukarıdaki açıklamalara dayanan formülün kendisi soru sormuyorsa, "-" işareti şüphe uyandırabilir. Araştırmalarını Faraday'ın postülalarına dayanarak yürüten Rus bilim adamı Lenz'in bir kuralı olduğu ortaya çıktı. Lenz'e göre “-” işareti ortaya çıkan EMF'nin yönünü gösterir, yani. indüklenen akım, devrenin sınırladığı alan boyunca oluşturduğu manyetik akı, akımın neden olduğu akı değişikliğine karşı koyma eğiliminde olacak şekilde yönlendirilir.

Faraday-Maxwell yasası

1873'te J.C. Maxwell teoriyi yeni bir şekilde sundu. elektromanyetik alan. Elde ettiği denklemler modern radyo mühendisliği ve elektrik mühendisliğinin temelini oluşturdu. Aşağıdaki gibi ifade edilirler:

Edl = -dФ/dt– elektromotor kuvvet denklemi
Hdl = -dN/dt– manyetomotor kuvvet denklemi.

Nerede e– dl alanındaki elektrik alan kuvveti; H– dl alanındaki manyetik alan kuvveti; N– elektriksel indüksiyon akışı, T- zaman.

Bu denklemlerin simetrik doğası elektrik ve elektrik arasında bir bağlantı kurar. manyetik olaylar yanı sıra manyetik ve elektrik. fiziksel anlam Bu denklemleri belirleyen aşağıdaki hükümlerle ifade edilebilir:

elektrik alanı değişirse, bu değişime her zaman bir manyetik alan eşlik eder.
manyetik alan değişirse bu değişime her zaman bir elektrik alanı eşlik eder.

Pirinç. 3. Girdap manyetik alanının ortaya çıkışı

Maxwell ayrıca elektromanyetik alanın yayılmasının ışığın yayılma hızına eşit olduğunu da tespit etti.

Alınan toplam puan: 134.

1. Faraday'ın birinci yasası temeldir miktar kanunu elektrokimya.

2. Elektrokimyasal eşdeğeri.

3.Kulometreler.Kulometrelerin sınıflandırılması.

4. Maddenin akımla çıkışı.

5. Doğru ve darbeli akım kullanıldığında akım çıkışını belirleme yöntemleri.

6.Faraday'ın ikinci yasası.

7. Faraday yasalarından belirgin sapma durumları.

1. Faraday'ın birinci yasası

Üç ana kulometre türü vardır: gravimetrik (gravimetrik), hacimsel (hacimsel) ve titrasyon.

Tartım kulometrelerinde (bunlara gümüş ve bakır dahildir), içlerinden geçen elektrik miktarı, katot veya anotun kütlesindeki değişiklikle hesaplanır. Hacimsel kulometrelerde hesaplama, ortaya çıkan maddelerin hacminin ölçülmesine dayanarak yapılır (hidrojen kulometresindeki gaz, cıva kulometresindeki sıvı cıva). Titrasyon kulometrelerinde, elektrot reaksiyonu sonucu çözeltide oluşan maddelerin titrasyon verilerinden elektrik miktarı belirlenir.

Bakır kulometre pratikte en yaygın olanı laboratuvar araştırması, Çünkü üretimi kolaydır ve oldukça doğrudur. Elektrik miktarını belirlemenin doğruluğu% 0,1'dir. Kulometre iki bakır anot ve bunların arasına yerleştirilmiş ince bir bakır folyo katottan oluşur. Bakır kulometredeki elektrolit, aşağıdaki bileşimin sulu bir çözeltisidir: CuS04 ∙ 5H20, H2S04 ve etanol C2H50H Sülfürik asit artar. elektriksel iletkenlik elektrolit ve ayrıca katot alanında adsorbe edilebilecek bazik bakır bileşiklerinin oluşumunu önler ve böylece kütlesini arttırır. Orantısızlık reaksiyonunun bir sonucu olarak oluşabilecek Cu 1+ bileşiklerinin birikmesini önlemek için bakır kulometre elektrolitindeki H 2 SO 4 gereklidir:

Cu 0 + Cu 2+ → 2Cu +

Daha ince kristalli, kompakt katot birikintileri elde etmek ve kulometrenin bakır elektrotlarının oksidasyonunu önlemek için elektrolite etil alkol eklenir.

Geçen elektriğin miktarı, elektrolizden önce ve sonra katodun kütlesindeki değişime göre değerlendirilir.

katot ve anot saf gümüşten yapılmıştır.

Gümüş kulometrede elektrolit olarak nötr veya hafif asidik %30'luk gümüş nitrat çözeltisi kullanılır.

Gaz hidrojen-oksijen kulometresi Küçük miktarlardaki elektriğin yaklaşık ölçümleri için kullanılır. Sulu bir H2SO4 veya NaOH çözeltisinin elektrolizi sırasında açığa çıkan toplam hidrojen ve oksijen hacmini ölçer ve bu değerden geçirilen elektrik miktarı hesaplanır. Bu kulometreler nispeten nadiren kullanılır, çünkü Doğrulukları düşüktür ve kullanımları tartım kulometrelerine göre daha az uygundur.

Hacimsel kulometreler ayrıca şunları içerir: cıva kulometresi. Esas olarak endüstride elektrik miktarını ölçmek için kullanılır. Cıva kulometresinin doğruluğu %1'dir, ancak şu hızda çalışabilir: yüksek yoğunluklar akım Anot cıvadır. Kömür katottur. Elektrolit, cıva iyodür ve potasyum iyodürün bir çözeltisidir. Elektrik miktarı tüpteki cıva seviyesinden hesaplanır.

En yaygın olanı titrasyon kulometreleri– iyot

Ve Kistyakovsky kulometre.

İyot kulometresi, katot ve anot boşluklarıyla ayrılmış platin-iridyum elektrotlara sahip bir kaptır. İlavesiyle konsantre bir potasyum iyodür çözeltisi hidroklorik asit, katot bölmesine - bir hidroklorik asit çözeltisi. Anottan bir akım geçtiğinde iyot açığa çıkar ve bu daha sonra sodyum tiyosülfat (Na2S203) ile titre edilir. Titrasyon sonuçlarına göre elektrik miktarı hesaplanır.

Kistyakovsky kulometre- Bu bir cam kap. Anot, teması sağlamak için cıva içeren bir cam tüpe lehimlenen gümüş bir teldir. Kap bir potasyum nitrat çözeltisi (%15-20) ile doldurulur. Bu çözeltiye bir platin-iridyum katot daldırılır. Akım geçtiğinde gümüşün anodik çözünmesi meydana gelir. Ayrıca çözeltinin titrasyonu sonuçlarına göre elektrik miktarı hesaplanır.

4. Akım çıkışı

Zn 2+ +2ē →Zn

Elektrot üzerinde birkaç paralel elektrokimyasal reaksiyon meydana gelirse, Faraday'ın birinci yasası bunların her biri için geçerli olacaktır.

Pratik amaçlar doğrultusunda, elektrokimyasal sistemden geçen akımın veya elektrik miktarının ne kadarının her bir spesifik reaksiyon için harcandığını hesaba katmak amacıyla, kavram Bir maddenin akım yoluyla çıkışı.

Böylece VT, elektrokimyasal sistemden geçen elektrik miktarının bu elektrokimyasal reaksiyonun payını oluşturan kısmını belirlemeyi mümkün kılar.

Çözümde olduğu gibi VT bilgisi gereklidir teorik konular: örneğin, kısmi polarizasyon eğrileri oluştururken ve bir elektrokimyasal reaksiyonun mekanizmasını açıklarken ve teknolojik bir işlemin etkinliğini değerlendirmek için metallerin, metal olmayanların, alaşımların elektrodepozisyon uygulamasında. Uygulamada VT çoğunlukla bir maddenin pratik kütlesinin Faraday yasasıyla belirlenen teorik kütleye bölünmesiyle belirlenir.

m pratik - belirli miktarda elektriğin geçişi sonucu pratik olarak dönüştürülen bir maddenin kütlesi; m teorisi, aynı miktarda elektriği geçerken teorik olarak dönüşmesi gereken bir maddenin kütlesidir.

Katotta meydana gelen işlemler için VT, kural olarak, anodik işlemlerin VT'si ile çakışmaz, bu nedenle katot ve anot akım çıkışı arasında ayrım yapmak gerekir. Şimdiye kadar, birinci tip bir iletken ile ikinci tip bir iletken arasındaki arayüzden doğrudan bir elektrik akımı aktığında VT'yi belirleme durumlarını düşündük.

5. Darbeli akımı kullanarak VT'yi belirleme yöntemleri

Ancak faz sınırı boyunca akarsa darbe akımı VT belirlenirken ortaya çıkar büyük zorluklar. Darbe elektrolizi sırasında VT'yi belirlemek için tek bir yöntem veya araç yoktur. Darbeli elektroliz koşulları altında VT'yi belirlemenin zorluğu, sistemden geçen akımın sadece elektrokimyasal reaksiyona değil aynı zamanda elektriksel çift katmanın yüklenmesine de harcanmasından kaynaklanmaktadır. Bir arayüzden geçen ve elektrokimyasal dönüşüme neden olan elektrik akımına genellikle Faraday akımı denir. Şarj akımı, elektriksel çift katmanın şarj edilmesi, solventin, reaktifin kendisinin yeniden düzenlenmesi için harcanır; Bir elektrokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi için gerekli koşulları yaratan her şey olduğundan, elektrokimyasal sistemden geçen toplam akımın ifadesi aşağıdaki gibi olacaktır:

I = Iz + Iph, burada Iz şarj akımıdır, Iph ise Faraday akımıdır.

Eğer tanım gerekmiyorsa mutlak değerler VT, daha sonra darbeli elektrolizin verimliliğini değerlendirmek için bir kriter olarak, çökeltinin çözülmesi için harcanan elektrik miktarının oluşumu için harcanan elektrik miktarına oranı kullanılabilir.

6. Faraday'ın ikinci yasası.

Matematiksel olarak bu yasa aşağıdaki denklemle ifade edilir:

Faraday'ın ikinci yasası, birinci yasanın doğrudan sonucudur. Faraday'ın ikinci yasası reaksiyona giren maddenin miktarı ile kimyasal yapısı arasındaki ilişkiyi yansıtır.

Faraday'ın ikinci yasasına göre:

Birinci türden bir iletken ile ikinci türden bir iletken arasındaki arayüzde, birkaç maddenin katıldığı bir ve yalnızca bir elektrokimyasal reaksiyon meydana gelirse, o zaman reaksiyonda dönüşüme uğrayan katılımcıların kütleleri birbirleriyle şu şekilde ilişkilidir: bunların kimyasal eşdeğerleri.

7. Faraday yasalarından belirgin sapma durumları

Maddenin ve elektriğin atomik yapısına dayanan Faraday Birinci Yasası, tam bir doğa yasasıdır. Bundan hiçbir sapma olamaz. Uygulamada hesaplamalar sırasında bu yasadan sapmalar gözlemlenirse, bunlar her zaman ana elektrokimyasal reaksiyona eşlik eden süreçlerin eksik değerlendirilmesinden kaynaklanmaktadır. Örneğin, platin elektrotlu ve gözenekli bir diyaframla ayrılmış anot ve katot boşluklarına sahip bir sistemde sulu bir NaCl çözeltisinin elektrolizi sırasında katotta aşağıdaki reaksiyon meydana gelir:

2H20 + 2ē = H2 + 2OH -

ve anotta: 2Cl - - 2ē = Cl 2

Oluşan miktar klor gazı Cl2'nin elektrolit içinde çözünmesi ve hidroliz reaksiyonuna girmesi nedeniyle Faraday yasasına göre her zaman aşağıdaki değerden daha azdır:

Cl2 + H2O → HCl+ HClO

Suyla reaksiyona giren klorun kütlesini hesaba katarsak Faraday yasasına göre hesaplanan sonuca karşılık gelen bir sonuç elde ederiz.

Veya birçok metalin anodik çözünmesi sırasında paralel olarak iki işlem meydana gelir - normal değerlik iyonlarının ve sözde alt iyonların oluşumu - yani. düşük değerlikli iyonlar, örneğin: Cu 0 - 2ē → Cu 2+ ve

Cu- 1ē → Cu +. Bu nedenle Faraday yasasına göre sadece iyonların oluştuğu varsayımına göre hesaplama en yüksek değerlik yanlış olduğu ortaya çıkıyor.

Genellikle elektrotta tek bir elektrokimyasal reaksiyon meydana gelmez, fakat birkaç bağımsız paralel reaksiyon meydana gelir. Örneğin, Zn iyonlarının deşarjı ile birlikte Zn'yi asidik bir ZnS04 çözeltisinden ayırırken:

Zn 2+ +2ē →Zn

hidronyum iyonlarının indirgeme reaksiyonu meydana gelir: 2H3O + +2ē → H2 + 2H2O.

Elektrot üzerinde birkaç paralel elektrokimyasal reaksiyon meydana gelirse, Faraday'ın birinci yasası bunların her biri için geçerli olacaktır.

Redoks süreci zorla elektrik akımının etkisi altında akmasına elektroliz denir.

Elektroliz, içine elektrotların daldırıldığı ve harici bir akım kaynağına bağlandığı, elektrolitle doldurulmuş bir elektrolitik hücrede gerçekleştirilir.

Negatif kutba bağlı elektrot harici kaynak akım denir katot. Katotta elektrolit parçacıklarının azaltılması işlemleri meydana gelir. Akım kaynağının pozitif kutbuna bağlanan elektrota denir. anot. Elektrolit parçacıklarının veya elektrot malzemesinin oksidasyon işlemleri anotta meydana gelir.

Anodik işlemler elektrolitin ve anot malzemesinin yapısına bağlıdır. Bu bağlamda, inert ve çözünebilir anotlu elektroliz arasında bir ayrım yapılır.

İnert anot, malzemesi elektroliz sırasında oksitlenmeyen anottur. İnert elektrotlar örneğin grafit (karbon) ve platin içerir.

Çözünür, malzemesi elektroliz sırasında oksitlenebilen bir anottur. Çoğu metal elektrot çözünürdür.

Elektrolit olarak çözeltiler veya eriyikler kullanılabilir. Bir elektrolitin çözeltisinde veya eriyiğinde iyonlar kaotik hareket halindedir. Bir elektrik akımının etkisi altında iyonlar yönlü bir hareket kazanır: katyonlar katoda doğru hareket eder ve anyonlar anoda doğru hareket eder ve buna göre elektrotlardan boşaltılabilirler.

Elektroliz ile atıl elektrotlarla erir Katotta yalnızca metal katyonlar indirgenebilir ve anotta anyonlar oksitlenebilir.

Sulu elektroliz sırasında çözümler Katotta metal katyonlarının yanı sıra su molekülleri de azaltılabilir ve asidik çözeltilerde H + hidrojen iyonları azaltılabilir. Böylece katotta aşağıdaki rakip reaksiyonlar mümkündür:

(-) K: Ah N + + hayır→Ben

2H2O+2 ē → H2 + 2OH -

2H + + 2 ē → H2

Katotta, reaksiyon en yüksek değer elektrot potansiyeli.

Sulu elektroliz sırasında çözünür anotlu çözümler Anyonların oksidasyonuna ek olarak, elektrotun kendisinin, su moleküllerinin ve hidroksit iyonlarının (OH -) alkali çözeltilerinde oksidasyon reaksiyonları da mümkündür:

(+) A: Ben - n ē→ Ben N +

anyon oksidasyonu e 0

2H 2 Ö – 4 ē O2+4H+

4OH – - 4 ē = O2 +2H2O

Anotta reaksiyon öncelikle aşağıdakilerle meydana gelir: hayır daha düşük değer elektrot potansiyeli.

Elektrot reaksiyonları için, elektrik akımının yokluğunda denge potansiyelleri verilmiştir.

Elektroliz denge dışı bir işlemdir, bu nedenle akım altında elektrot reaksiyonlarının potansiyelleri denge değerlerinden farklıdır. Harici bir akımın etkisi altında elektrot potansiyelinin denge değerinden yer değiştirmesine denir. elektrot polarizasyonu. Polarizasyon miktarına aşırı gerilim denir. Aşırı voltajın büyüklüğü birçok faktörden etkilenir: elektrot malzemesinin yapısı, akım yoğunluğu, sıcaklık, pH ortamı vb.

Katodik metal salınımının aşırı gerilimleri nispeten küçüktür.

Yüksek aşırı gerilim ile kural olarak hidrojen ve oksijen gibi gazların oluşumu meydana gelir. Asidik çözeltilerde katottaki minimum hidrojen aşırı gerilimi Pt'de (h=0,1 V), maksimum ise kurşun, çinko, kadmiyum ve cıvada gözlenir. Asidik çözeltileri alkali çözeltilerle değiştirirken aşırı voltaj değişir. Örneğin, alkalin bir ortamda platinde hidrojen aşırı voltajı h = 0,31 V'dir (eke bakınız).

Anodik oksijen salınımı da aşırı gerilimle ilişkilidir. Oksijen oluşumunun minimum aşırı voltajı Pt elektrotlarında (h=0,7 V), maksimum ise çinko, cıva ve kurşunda gözlemlenir (bkz. Ek).

Yukarıdakilerden sulu çözeltilerin elektrolizi sırasında şu şekildedir:

1) katotta metal iyonları azalır, elektrot potansiyelleri daha fazla potansiyel su geri kazanımı (-0,82V). -0,82V'den daha fazla negatif elektrot potansiyeline sahip metal iyonları indirgenmez. Bunlar arasında alkalin ve alkali toprak metalleri ve alüminyum.

2) atıl anotta, oksijenin aşırı voltajı dikkate alındığında, potansiyeli suyun oksidasyon potansiyelinden (+1,23V) daha az olan anyonların oksidasyonu meydana gelir. Bu tür anyonlar örneğin I-, Br-, Cl-, N02-, OH-'yi içerir. CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - anyonları oksitlenebilir değildir.

3) Çözünür bir anotla elektroliz sırasında, elektrot potansiyeli +1,23V'den az olan metallerden yapılmış elektrotlar, nötr ve asidik ortamda ve alkali ortamda - +0,413V'den az çözünür.

Katot ve anottaki işlemlerin toplam ürünleri elektriksel olarak nötr maddelerdir.

Elektroliz işleminin gerçekleştirilmesi için elektrotlara voltaj uygulanması gerekir. Elektroliz voltajı sen elza katot ve anotta reaksiyonların meydana gelmesi için gerekli olan potansiyel farktır. Teorik elektroliz voltajı ( sen el-za, teorik) aşırı voltajı hesaba katmadan, birinci tür iletkenlerde ve elektrolitte omik voltaj düşüşü

sen el-za, teori = e A - e k, (7)

Nerede e A, e k - anodik ve katodik reaksiyonların potansiyelleri.

Elektroliz sırasında açığa çıkan madde miktarı ile elektrolitten geçen akım miktarı arasındaki ilişki Faraday'ın iki kanunu ile ifade edilir.

Faraday'ın birinci yasası. Elektroliz sırasında elektrot üzerinde oluşan madde miktarı, elektrolit çözeltisinden (eriyik) geçen elektrik miktarıyla doğru orantılıdır:

Nerede k– elektrokimyasal eşdeğeri, g/C veya g/Ah; Q– elektrik miktarı, Coulomb, Q=BT; T-zaman, s; BEN-akım, A; F= 96500 C/mol (A s/mol) = 26,8 A h/mol – Faraday sabiti; E, maddenin eşdeğer kütlesidir, g/mol.

Elektrokimyasal reaksiyonlarda bir maddenin eşdeğer kütlesi belirlenir:

N– bu maddenin oluşumunun elektrot reaksiyonuna katılan elektronların sayısı.

Faraday'ın II yasası. Farklı elektrolitlerden aynı miktarda elektrik geçtiğinde, elektrotlar üzerinde salınan maddelerin kütleleri eşdeğer kütleleriyle orantılıdır:

Nerede M 1 ve M 2 – 1 ve 2 numaralı maddelerin kütleleri, E 1 ve E 2, g/mol – 1 ve 2 numaralı maddelerin eşdeğer kütleleri.

Uygulamada, çoğunlukla birbiriyle yarışan redoks işlemlerinin ortaya çıkması nedeniyle, elektrotlar üzerinde, çözeltiden geçen elektriğe karşılık gelen miktardan daha az madde oluşur.

Elektroliz sırasındaki elektrik kayıplarını karakterize etmek için “Akım Çıkışı” kavramı tanıtıldı. Akım çıkışı t'de gerçekte elde edilen elektroliz ürünü miktarının yüzde olarak ifade edilen oranıdır M hakikat. teorik olarak hesaplanan M teori:

Örnek 10. Sulu bir sodyum sülfat çözeltisinin bir karbon anotu ile elektrolizi sırasında hangi işlemler meydana gelecektir? Karbon elektrot bakır elektrotla değiştirilirse elektrotlarda hangi maddeler açığa çıkacak?

Çözüm: Sodyum sülfat çözeltisinde elektrot süreçleri sodyum iyonları Na+, SO4 2- ve su molekülleri katılabilir. Karbon elektrotlar inert elektrotlar olarak sınıflandırılır.

Katotta mümkün süreçleri takip etmek iyileşmek:

(-) K: Na++ ē → Hayır

2H2O+2 ē → H2 + 2OH -

Katotta en yüksek elektrot potansiyeline sahip reaksiyon ilk önce meydana gelir. Bu nedenle katotta su moleküllerinin azalması, hidrojenin salınması ve katot boşluğunda OH - hidroksit iyonlarının oluşmasıyla birlikte meydana gelecektir. Katotta bulunan sodyum iyonları Na +, OH - iyonlarıyla birlikte bir alkali çözelti NaOH oluşturacaktır.

(+)A: 2 SO 4 2- - 2 ē → S 2 Ö 8 2-

2H20 - 4 ē → 4H + + O2 .

Anotta ilk önce en düşük elektrot potansiyeline sahip reaksiyon meydana gelir. Bu nedenle anotta oksijenin açığa çıkmasıyla su moleküllerinin oksidasyonu meydana gelecek ve anot boşluğunda H+ iyonları birikecektir. Anotta H+ iyonlarıyla birlikte mevcut olan SO 4 2- iyonları, bir sülfürik asit H 2 SO 4 çözeltisi oluşturacaktır.

Toplam elektroliz reaksiyonu aşağıdaki denklemle ifade edilir:

2 Na2S04 + 6H20 = 2H2 + 4 NaOH + O2 + 2H2S04.

katot ürünleri anot ürünleri

Bir karbon (inert) anotu bakırla değiştirirken, anotta başka bir oksidasyon reaksiyonu mümkün olur - bakırın çözünmesi:

Cu – 2 ē → Cu 2+

Bu işlem, diğer olası anodik işlemlerden daha düşük bir potansiyel değeri ile karakterize edilir. Bu nedenle, Na2S04'ün bir bakır anotla elektrolizi sırasında, anotta bakır oksidasyonu meydana gelecek ve anot alanında bakır sülfat CuS04 birikecektir. Toplam elektroliz reaksiyonu aşağıdaki denklemle ifade edilecektir:

Na2S04 + 2H20 + Cu = H2 + 2 NaOH + CuS04.

katot ürünleri anot ürünleri

Örnek 11. Sulu bir nikel klorür NiCl2 çözeltisinin inert bir anotla elektrolizi sırasında meydana gelen işlemler için bir denklem yazın.

Çözüm: Bir nikel klorür çözeltisinde, nikel iyonları Ni 2+, Cl - ve su molekülleri elektrot işlemlerine katılabilir. İnert bir anot olarak bir grafit elektrot kullanılabilir.

Katotta aşağıdaki reaksiyonlar mümkündür:

(-) K: Ni 2+ + 2 ē → Ni

2H2O+2 ē → H2 + 2OH -

İlk reaksiyonun potansiyeli daha yüksektir, dolayısıyla katotta nikel iyonlarının indirgenmesi meydana gelir.

Anotta aşağıdaki reaksiyonlar mümkündür:

(+) A: 2 Cl - - 2 ē →Cl2

2H 2 Ö – 4 ē O2+4H+ .

Standart değerlere göre elektrot potansiyelleri anotta

oksijenin açığa çıkması gerekir. Gerçekte, yüksek oksijen aşırı voltajı nedeniyle elektrotta klor açığa çıkar. Aşırı voltajın büyüklüğü elektrotun yapıldığı malzemeye bağlıdır. Grafit için, 1 A/cm2 akım yoğunluğunda oksijenin aşırı voltajı 1,17 V'tur, bu da suyun oksidasyon potansiyelini 2,4 V'a yükseltir.

Sonuç olarak, bir nikel klorür çözeltisinin elektrolizi, nikel ve klorin oluşumuyla ilerler:

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

anottaki katotta

Örnek 12. Maddenin kütlesini ve açığa çıkan gazın hacmini hesaplayın atıl elektrotlar sulu bir gümüş nitrat AgN03 çözeltisinin elektrolizi sırasında, elektroliz süresi 25 dakika ve akım 3 A ise.

Çözüm.Çözünmeyen bir anot (örneğin grafit) durumunda sulu bir AgN03 çözeltisinin elektrolizi sırasında elektrotlarda aşağıdaki işlemler meydana gelir:

(-) K: Ag + + ē → Ag ,

2H2O+2 ē → H2 + 2OH - .

İlk reaksiyonun potansiyeli daha yüksektir, dolayısıyla katotta gümüş iyonlarının indirgenmesi meydana gelir.

(+) A: 2H 2 O – 4 ē O2+4H+ ,

NO 3 anyonu oksitlenmez.

G veya litre olarak l.

Görevler

5. Elektroliz reaksiyonlarını inert elektrotlara kaydedin ve elektrolit çözeltilerinin elektrolizi sırasında katotta elde edilen maddenin kütlesini ve anotta salınan gazın hacmini hesaplayın, eğer elektroliz süresi 20 dakika ise, akım gücü BEN=2A, eğer akım çıkışı V t =%100 ise. İnert anotu görevde belirtilen metalle değiştirirken elektrotlarda hangi maddeler açığa çıkacak?