9. Электролиз. Законы Фарадея

Электролиз – это совокупность процессов, протекающих в электрохимической ячейке, при прохождении через нее электрического тока. Количественная оценка электродных процессов при электролизе проводится по законам Фарадея:

1. количество вещества, участвующего в электрохимических превращениях при электролизе, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит;

2. при электрохимическом превращении различных веществ одним и тем же количеством электричества массы полученных продуктов пропорциональны их химическим эквивалентам.

Химический эквивалент – масса вещества, выделившегося при прохождении 1 Кл электричества:

(9.1)

Здесь M – молекулярная масса вещества, г/моль, z – число электронов, участвующих в процессе, F=96485 Кл/моль – число Фарадея.

Согласно законам Фарадея масса вещества, прореагировавшего при электролизе, определяется выражением

(9.2)

где I – сила тока, А; t – время, с; а It – количество электричества, Кл; отношение называется числом грамм-эквивалентов (г-экв).

Число Фарадея F – это количество электричества, необходимое для выделения (разложения) 1 г-экв любого вещества. Оно не зависит от природы вещества, величины тока, формы и материала электрода.

Пониманию законов Фарадея, числа Фарадея и эквивалентной массы способствуют следующие рассуждения. Из анализа катодного процесса разряда водорода

(9.3)

следует, что для разряда одного иона водорода требуется количество электричества, равное заряду электрона

Для разряда 1 моля ионов водорода (число Авогадро) требуется количество электричества, называемое числом Фарадея

На практике число Фарадея часто выражают в Ач:

Эквивалентная масса водорода равна 1, поэтому закон Фарадея для процесса (9.3) запишется:

(9.4)

Сравнивая процесс, например, разряда на катоде ионов меди

с процессом разряда водорода (9.3), можно видеть, что эквивалентным 1 молю ионов водорода является моля ионов меди. Поэтому эквивалентная масса меди равна .

При протекании на электроде нескольких электрохимических реакций только часть электричества будет затрачена на каждую из электродных реакций. В законе Фарадея это учитывается введением в уравнение (9.2) доли электричества, приходящегося на конкретную реакцию, которая называется выходом по току, b_i:

(9.5)

При использовании законов Фарадея необходимо, прежде всего, знать какие реакции протекают на электродах. Например, при электролизе раствора CuSO₄ с инертным платиновым анодом на нем разряжаются не анионы , а ионы OH^–

При этом диссоциирует вода

и суммарным анодным процессом является реакция разложения воды с выделением газообразного кислорода:

При этом в растворе уменьшается концентрация соли, вместо нее появляется серная кислота, концентрация которой увеличивается. На катоде в реальных электролизерах протекают два процесса. Один из них – разряд ионов меди

и масса получившейся меди определяется законом Фарадея (9.5)

Другой катодный процесс

являющийся суммой реакции разряда ионов водорода

и диссоциации воды

приводит к образованию газообразного водорода. Количество выделившегося водорода (моль)

При этом .