Електроліз. Закони Фарадея

При електролізі на електродах безперервно протікають окиснювально-відновні процеси; на катоді —процес відновлення, на аноді — окиснення. Продукти цих реакцій або відкладаються на електродах, або виступають у вторинні реакції (взаємодіють між собою, з молекулами розчинника або з речовиною електроду), або накопичуються в розчині у електродів. Протікання первинних анодних і катодних процесів підкоряється законам, встановленим англійським ученим М. Фарадєєм (1834).

1. Маса речовини m, що виділяється на електроді електричним струмом, прямо пропорційна кількості електрики Q, що пройшла через електроліт:

m = kQ Q = kI

де I — сила струму, A;  — час пропускання струму,c; k — електрохімічний еквівалент, рівний кількості речовини (кг), що виділяється при проходженні 1 кулона (Кл) або 1 ампер-секунди

(А-с) електрики:

m = kI

2 Маси різних речовин, що виділяються однією і тією ж кількістю електрики, прямо пропорційні їх хімічним еквівалентам:

m ₁ / m ₂ = E₁ / E ₂.

Для виділення I кг-eкв речовини потрібно пропустити через електроліт одну і ту ж кількість електрики. Його позначають буквою F і називають числом Фарадея (фарадеем).

F = 9,65. 10⁷ Кл. Для 1 г-eкв F = 9,65.10⁴ Кл.

З пропорції E / F = k / l можна визначити величину електрохімічного еквівалента k = E / F.

Химичний еквівалент Е визначають по формулі E = M / n ,

де М — молекулярная маса; п — заряд іона. ( Точніше п — зміна заряду іона під час електролізу).

Тоді формула k = (M/n) (1/F) є математичним виразом другого закону Фарадея: електрохімічні еквіваленти різних речовин прямо пропорційні їх хімічним еквівалентам.

Підставив у в рівняння значення k одержимо формулу, яка об’єднує обидва закони Фарадея:

m = (M / nF) I

При практичному проведенні електролізу завжди деяка частка електричної енергії витрачається на побічні процеси, наприклад, на виділення разом з металом водню тощо.

Важливою характеристикою рентабельності роботи установки для проведення електролізу є

вихід по струму (  % ):

 = (m _пр / m _теор) 100 ,

де m_пр— маса фактично виділеної речовини на електроді при електролізі;

m_теор — маса речовини, яка повинна була виділитися відповідно до закону Фарадея.

Для обчислення виходу по струму можна користуватися і іншою формулою

 = (Q_теор / Q_пр ) 100 ,

Q_теор — кількість електрики, необхіднa за законом Фарадея для виділення даної кількості речовини;

Q_np — кількість електрики, практично витрачена на виділення тієї ж кількості речовини.

На процес електролізу істотно впливає щільність струму, тобто величина струму, що доводиться на одиницю робочої поверхні електроду.

Звичайно щільність струму i виражають в А/см² або А/дм²:

і = І / S

S- площа поверхні електроду.

Приклад 6. Струм, проходячи через розчин кислоти, виділяє за 6 хв 120 см³ водню, зміряних при 17°С під тиском 98910 Па. Розрахувати силу струму.

Розв’язок 1Обчислюємо масу водню, що виділився, по рівнянню Менделєєва.

M(H₂) pV 2,016. 98910 . 0,12.10^-3

m(H₂) = ------------- = ------------------------------ = 9,924.10^-3 г

RT 8,314 . 290