Количественные соотношения при электролизе

Количественные расчеты процессов электролиза осуществляются на основании законов М. Фарадея.

Первый закон Фарадея.

Масса вещества, выделяющегося на электроде при электролизе, пропорциональна количеству прошедшего через раствор электричества.

m = k · Q,

где m – масса восстановленного или окисленного вещества (г); k – коэффициент пропорциональности (электрохимический эквивалент) (г/Кл); Q – количество электричества, прошедшего через электролит (Кл).

Напомним, что кулон (Кл) – количество электричества, проходящее по проводнику при силе тока 1 ампер (А) за время 1 с.

Количество электричества Q рассчитывается как произведение силы тока I в амперах на время t в секундах.

Q = I · t.

Электрохимический эквивалент (k) представляет собой массу вещества, которая восстанавливается на катоде или окисляется на аноде при прохождении через раствор 1 Кл электричества. Величину электрохимического эквивалента можно рассчитать по формуле:

k ,

где M_экв. – молярная масса эквивалента этого вещества (г/моль); F – постоянная Фарадея.

Постоянная Фарадея представляет собой количество электричества, необходимое для выделения из раствора 1 моль эквивалентов вещества (F = 96500 Кл/моль). Это количество электричества равно заряду 1 моль (6,02 ∙ 10 ²³) электронов.

Молярная масса эквивалента для элемента, в свою очередь, может быть найдена как частное от деления молярной массы элемента на его валентность:

M_экв = _.

Например, молярные массы эквивалентов для серебра, меди и алюминия будут, соответственно, равны:

M_экв (Ag) = = = = 108 г/моль,

M_экв (Ag) = = = = 108 г/моль,

M_экв (Cu) = = = = 32 г/моль,

M_экв (Al) = = = = 9 г/моль.

При пропускании через раствор 96500 Кл электричества на катоде выделится, соответственно, 108 г серебра, 32 г меди или 9 г алюминия.

Таким образом, при количественных расчетах процесса электролиза можно пользоваться следующими формулами:

m = k · Q = k ∙ I · τ,

m = I· τ.

Второй закон Фарадея.

Массы окисляющихся и восстанавливающихся на электродах веществ, при пропускании через раствор одного и того же количества электричества, пропорциональны молярным массам их эквивалентов.

Полезно иметь в виду, что если для разряда одного однозарядного иона (например, Na⁺, Cl^–) требуется 1 электрон, то для выделения из раствора электролита 1 моль таких же ионов, требуется число электронов, равное числу Авогадро – 6,02·10²³ (1 моль электронов). Это количество электронов как раз и имеет общий заряд, равный 96500 Кл. Соответственно, для разряда 1 моль двухзарядных ионов, потребуется 2 моль электронов, или количество электричества, равное 2 · 96500 Кл и т.д.

Используя вышеприведенные формулы, можно производить ряд расчетов, связанных с процессом электролиза, например:

 вычислять количества веществ, выделяемых или разлагаемых определенным количеством электричества;

 находить силу тока по количеству выделившегося вещества и времени, затраченному на его выделение;

 устанавливать, сколько времени потребуется для выделения определенного количества вещества при заданной силе тока.