Количественные аспекты электролиза

• Электрический чайник по требляет 2,2 кВт электроэнергии от сети

с напряжением 220 В. Чему равна сила тока, протекающего через чайник?

•Через проводник протекает ток силой 1А. Какой заряд пройдёт через поперечное сечение проводника за 2 с?

Часто важно знать, сколько времени нужно проводить электролиз, чтобы получить определённую массу реагента. Иногда приходится решать обратную задачу: какая масса вещества выделится за определённое время при определённой силе тока I?

Для решения этой задачи из силы тока и времени вычисляют прошедший через электролизёр заряд q (в кулонах):

q = I · t

Далее записывают полуреакции окисления и восстановления и рассматривают электроны в них как полноценный компонент реакции. Заряд одного моля электронов равен 96 500 Кл. Эту величину называют постоянной Фарадея: F = 96 500 Кл/моль.

Пример. Сколько времени нужно пропускать через электролизёр c сульфатом меди ток силой 10 А, чтобы получить 1 кг меди?

Решение: n(Cu) = 1000 г : 64 г/моль = 15,6 моль

0

Cu2+ + 2e– = Cu

n(e–) = 2n(Cu) = 2 · 15,6 = 31,2 (моль)

q = n(e–) · F = 31,2 моль · 96 500 Кл/моль = 3 · 106 Кл Ответ. Чтобы пропустить такой заряд, нужно t = q/I =

= 3 · 106 Кл/10 Кл/c = 3 · 105 c. Это примерно 3,5 суток.

Из этого примера видно, что электролиз — процесс медленный, и ускорить его, увеличивая силу тока, довольно трудно. Через электрический чайник протекает электрический ток силой 10 А. В лаборатории трудно получить силу тока больше 30 А, так как при таких силах тока начинают разогреваться контакты.

Выполните задания 1 и 2 после параграфа.

Иногда нужно посчитать затраты энергии на проведение электролиза. КПД электролизёра никогда не бывает равным 100 %. Часть энергии идёт на преодоление электрического сопротивления раствора и превращается в тепло, которое разогревает электролизуемый раствор.

217

Напоминаем, что при прохождении тока через проводник затрачиваемая мощность P = U Ч I, а затраченная энергия H = U Ч I Ч t соответ-

ственно, где U — напряжение на концах проводника, а I — сила тока, протекающего через него. При этом часть напряжения U затрачивается на электролиз (при меньшем напряжении между электродами электролиз просто не пойдёт), а часть — на преодоление электрического сопротивления. Напряжение электролиза рассчитывают так же, как и ЭДС гальванического элемента. Например, чтобы рассчитать напряжение электролиза сульфата меди

электролиз

CuSO4 + H2O Cu + H2SO4 + O2 ,

нужно из редокс-потенциала пары O2/H2O (окислителя при электролизе) вычесть редокс-потенциал пары Cu2+/Cu (окислителя, сопряжённого восстановителю при электролизе). Получается, что в кислой среде для проведения этого процесса нужно напряжение не менее +1,23 – (+0,345) = = 0,885 В. Если проводить электролиз, скажем, при 2 В, то КПД электролизёра h составит 0,885/2 = 0,44.

Выполните задание 3 после параграфа.

Сопротивление растворов электролитов относительно велико. Чтобы повысить КПД электролизёра, т. е. минимизировать энергию, направленную на преодоление электрического сопротивления, нужно уменьшить это сопротивление. Для этого: а) увеличивают площадь электродов; б) располагают электроды как можно ближе друг к другу; в) обеспечивают перемешивание раствора.

1.Сколько времени нужно проводить электролиз раствора KCl при токе 20 А, чтобы получить 100 г бертолетовой соли KClO3?

2.Сколько времени нужно проводить электролиз воды током 10 А, чтобы получить 400 л водорода (н. у.)?

3.Оцените КПД электролизёра, в котором при напряжении между электродами 5 В проводят процесс

электролиз

KCl + 3H2O KClO3 + 3H2

4. Чтобы заполнить воздушный шар, способный поднять человека массой 70 кг, нужно не менее 70 м3 водорода. Сколько времени нужно проводить электролиз раствора серной кислоты током 50 А, чтобы получить такой объём водорода?

218