4.2 Використання Закону Фарадея

Закон Фарадея використовується в електроаналітичній хімії, при складанні технологічних процесів та при енерго-економічному обгрунтуванні техпроцесів.

При виконанні матеріальних розрахунків за законом Фарадея можна визначити час електролізу (τ), товщину шару металевого покриття (δ), швидкість процесу g [г/год.], або δ/τ [мкм/год.]:

τ = ρ∙ δ /k∙і∙Вс, (4.6)

δ = k∙і∙ τ Вс/ ρ, (4.7)

g = k∙І∙Вс, (4.8)

δ / τ = k∙ τ ∙Вс/ ρ, (4.9)

де ρ – густина металу, г/м³;

і – щільність струму, А/м². Щільність струму показує, яка сила струму приходиться на одиницю площі (S) поверхні електрода:

і = І/s. (4.10)

ВАРІАНТИ ЗАВДАНЬ ДО КОНТРОЛЬНОЇ РОБОТИ № 2

Варіант № 1

Задача 1. Міднення і сріблення проводять у двох послідовно з'єднаних комірках. Визначити масу міді, що виділилася, якщо срібла осадили 80.4 мг.

Задача 2. Деталі нікелюються в стаціонарних ваннах при катодній щільності струму і_к = 3,0 А/дм² і виході за струмом 96%. Поверхня деталей, розташованих на завантажувальному приладі, дорівнює 0,9 м². Визначити:

– електрохімічний еквівалент нікелю; силу струму що споживається ванною;

– швидкість осадження металу на катоді в мкм/год;

– масу нікелю, що виділилася на деталях, і товщину покриття при тривалості процесу 30 хвилин (ρ_Ni = 8,9 г/см³).

Варіант № 2

Задача 1. Через розчини хлоридів міді та нікелю пропускали однакову кількість електрики. З розчину міді на катоді виділилося 2 г металу. Скільки грамів нікелю виділилося на катоді з другого розчину?

Задача 2. Скільки часу потрібно для розкладання моля води електричним струмом силою 3,4 А? Записати реакцію розкладання води.

Варіант № 3

Задача 1. Через розчини ферум(II) хлориду і ферум(III) хлориду однакової концентрації пропускали струм силою З А протягом 10 хвилин. У якому з розчинів виділилося більше заліза? Відповідь мотивуйте.

Задача 2. При електролізі 1 молярного розчину соляної кислоти струмом 5 А на аноді утворяться хлор і кисень. Вихід за струмом хлору 90%. Який вихід за струмом для кисню? Визначити наскільки за 2 години електролізу зміниться концентрація кислоти в анодному просторі об'ємом 10 літрів.

Варіант № 4

Задача 1. Деталі з поверхнею 6 м² покривають цинком із ціаністого електроліту, для якого оптимальна щільність струму складає 4 А/дм², вихід за струмом для цинку 80%. Яка повинна бути тривалість процесу, щоб забезпечити одержання покриття товщиною 15 мкм. Визначити силу струму, що споживається ванною; швидкість осадження металу на катоді (мкм/год) і масу металу. Густина цинку дорівнює 7,14 г/см³.

Задача 2. Робоча поверхня алюмінієвого катода в електролізері для одержання цинку складає 660980 мм. Тривалість осадження цинку на катоді складає 24 години. Які маса і середня товщина отриманого цинкового катодного листа, якщо щільність струму дорівнює 500 А/м², а вихід цинку за струмом дорівнює 90%?

Варіант № 5

Задача 1. При нікелюванні щільність струму дорівнює 1,5 А/дм². Визначити час, необхідний для нанесення шару товщиною 0,05 мм, якщо вихід за струмом склав 90%. Густина металу 8,9 г/см³. Який об'єм водню виділиться за час нікелювання при нормальних умовах?

Задача 2. При пропусканні струму силою 1,5 А протягом 10 годин на катоді виділилося 17,78 мг металу. Визначити хімічний еквівалент металу. Яка кількість електрики була витрачена?

Варіант № 6

Задача І. Струм йде послідовно через ряд водяних розчинів АgNO₃; СuSO₄; КІ; НСЮ₄.

Скільки виділиться міді, йоду і водню, якщо срібла виділилося в першій комірці 0,1079 г?

Задача 2. При нікелюванні заліза щільність струму дорівнює 5 А/дм². Скільки часу потрібно для нанесення шару товщиною 0,05 мм, якщо вихід за струмом склав 94% (густина нікелю – 8,9 г/см³)?

Варіант № 7

Задача 1. Скільки часу необхідно для повного окиснення манганату калію (К₂МnO₄), що міститься в 200 мл розчину з концентрацією 1 моль/л, до перманганату, якщо через розчин пропускати струм силою 2 А?

Задача 2. Деталі нікелюється при катодній щільності струму 3,0 А/дм² і виході за струмом 96%. Поверхня деталей, що покривається, дорівнює 0,9 м². Визначити електрохімічний еквівалент нікелю, силу струму, що споживається ванною, масу нікелю, що виділився на деталях і товщину покриття при тривалості процесу 45 хвилин. Густина нікелю – 8,9 г/см³.

Варіант № 8

Задача 1. З хлорного електролізера при навантаженні силою струму 22 кА за 24 години отримано 5450 л електролітичного лугу, що містить 138 г/л NaOH. Яке значення електрохімічного еквівалента і виходу за струмом для лугу? Сумарна реакція, що протікає в апараті:

NaСl + Н₂O → NaOН + ½ H₂ +½ Cl₂ ± e.

Задача 2. Електролітичне осадження цинкового покриття товщиною 18 мкм виконують в сульфатному електроліті при катодній густині струму 2 А/дм² із виходом за струмом 98%. Яка необхідна тривалість процесу цинкування? Густина цинку 7,15 г/см.

Варіант № 9

Задача 1, Визначити, скільки виділиться хрому на катоді при електролізі водяного розчину СгО₃ з Н₂SО₄, якщо на аноді виділиться 2 літра кисню (використовується нерозчинний анод). Вихід за струмом хрому прийняти рівним 13%.

Задача 2. При проходженні струму через розчин нікель сульфату на катоді виділяється нікель і водень. Визначити вихід за струмом для нікелю, якщо після пропущення 1 А∙год виділилося 0,00155 моля водню.

Варіант № 10

Задача 1. При електролізі розчину мідного купоросу з нерозчинним анодом на останньому виділиться кисень і утвориться сірчана кислота. Написати сумарну реакцію та виразити кількість кислоти, що утвориться, в залежності від об'єму кисню, що виділився, при нормальних умовах.

Задача 2. Якщо при електролізі повареної солі відокремити катодний простір від анодного, то в катодному просторі одержують луг, а в анодному -хлор. Написати сумарну реакцію. Визначити вихід лугу за струмом, якщо катодний розчин об’ємом 70.5 л після електролізу протягом 6 годин силою струму 1000 А містив 118 г лугу на кожен літр.

Варіант № 11

Задача 1. При електролізі кислого розчину сульфату амонію при низькій температурі на аноді утвориться (NH₄)₂S₂O₈. Визначити кількість електрики, яка пішла на одержання одного моля (NH₄)₂S₂O₈, якщо вихід за струмом складає 75%.

Задача 2. Через який час виділяться 25 дм³ гримучого газу (об’єм виміряний при нормальних умовах) при електролізі розчину їдкого натру з нерозчинним анодом, якщо сила струму дорівнює 0,2 А.

Варіант № 12

Задача 1. При електролізі розчину цинк сульфату з нерозчинним анодом на останньому виділяється кисень і утворюється сірчана кислота. Визначити, яка кількість кислоти утвориться при виділенні 1 л кисню. На скільки грамів збільшиться при цьому вага катода, якщо вихід цинку за струмом складає 93%.

Задача 2. При осадженні індію на деталі з поверхнею 32 дм² в електроліті, що містить індій у вигляді In³⁺, за 35 хв процесу приріст ваги на деталях склав 0,165 г, щільність струму досягала 2 А/дм². Який вихід за струмом і середня товщина покриття? Густина індію – 7,3 г/см³.

Варіант № 13

Задача 1. При електролізі розчину мідного купоросу з нерозчинним анодом виділяється кисень і утворюється сірчана кислота. Яка кількість кислоти і кисню виділяться при пропусканні струму 5 А протягом 3 годин?

Задача 2. При електролізі води сила струму склала 1000 А. Вихід за струмом 97%. Знайдіть продуктивність електролізера за годину по газах при нормальних умовах.

Варіант № 14

Задача 1. Якщо при електролізі розчину сульфату натрію з нерозчинним анодом відокремити анодний простір від катодного, то в катодній камері буде накопичуватися луг, а в анодній - кислота. Визначити концентрацію кислоти і лугу, якщо при силі струму 4 А електроліз продовжувався 10 годин. Об'єм католіта склав 5 л, аноліта – 8 л.

Задача 2. Катодна щільність струму при електроекстракції кадмію 45 А/м². Час осадження – 1 доба. Вихід за струмом склав 88%. Розрахуйте товщину осадженого металу, якщо густина Сd – 8,65 г/см³ .

Варіант № 15

Задача 1. При пропусканні струму силою 1,5 А за 10 год на катоді виділилося 17,78 мг металу. Визначити хімічний еквівалент металу. Яка кількість електрики була витрачена?

Задача 2. У ванні нікелювання встановлені розчинні нікелеві аноди з габаритами (750250) мм і товщиною 10 мм у кількості 10 штук. Анодна щільність струму досягає 2 А/дм², вихід за струмом 100%. Визначити масу нікелю, що розчинився, і товщину анодів через 16 годин. Густина нікелю 8,9 г/см³.

Варіант № 16

Задача 1. Яка тривалість електролітичного осадження шару олова товщиною 10 мкм із: 1) сірчанокислого електроліту, для якого катодна густина струму дорівнює 4,0 А/дм², вихід за струмом для олова 90% і олово знаходиться в розчині у виді Sn(II); 2) з лужних електролітів при і_к = 3 А/дм², Вс=65%, і олово знаходиться в розчині у виді Sn(IV)? У якому з електролітів швидкість осадження олова вища і чому? ρ = 11 г/см³ .

Задача 2. Який об'єм гримучого газу утвориться при електролізі розчину NaОН силою струму 3 А протягом 4 годин? Визначити електрохімічний еквівалент гримучого газу і швидкість утворення (л/ год). Сумарна реакція:

Н₂O →Н₂ +½O₂, ±2F.

Варіант № 17

Задача 1. Скільки часу потрібно пропускати струм силою 1,5 А, щоб виділити з розчину NОН 1 л сухого гримучого газу при температурі 0°С та тиску 100 кПа?

Н₂O →Н₂ +½O₂, ±2F.

Задача 2. Через розчини ферум(II) хлориду і ферум(III) хлориду однакової концентрації пропускали струм силою 3 А протягом 10 хвилин. В якому із розчинів виділилося більше заліза? Відповідь мотивуйте.