3 Количественные расчёты в электролизе

Так как образование продуктов в ходе электролиза является следствием протекающих реакций, в основе расчетов лежат основные стехиометрические законы.

Применяемые в расчетах законы Фарадея – это частный случай применения закона эквивалентов к электрохимическим реакциям.

Объединенный закон Фарадея имеет вид

m(х) =

где, m(х) – масса окисленного или восстановленного вещества при электролизе в граммах,

М [f экв(х)х] – молярная масса эквивалента этого вещества,

I – сила тока (в амперах),

τ – время электролиза (в секундах),

F – число Фарадея равное 96500 Кл.

Если в реакции окисляются или восстанавливаются газообразные вещества, то в полученное уравнение вместо масс подставляются соответствующие значения объемов.

Пример – рассчитать массу меди, которая выделится на катоде при электролизе раствора сульфата меди в течение 2 часов при силе тока в 100 А.

Решение: Cu²⁺ + 2e ® Cu, f_экв (Cu) = 1/2.

Подставляя в уравнение соответствующие значения получаем:

m(Cu) = = 237,063 г.

4 Аккумуляторы

Аккумуляторы – устройства позволяющие многократно повторять операции их зарядки и разрядки. Теоретически обратимым, после разрядки, может быть любой гальванический элемент, но восстановленная емкость для большинства гальванических элементов невелика.

Наиболее лучшими эксплуатационными характеристиками обладают следующие аккумуляторы:

1) кислотные – свинцовые,

2) щелочные – никель–кадмиевые, железо–кдмиевые и серебряно–цинковые аккумуляторы.

Разберем химические процессы, протекающие в ходе работы данных аккумуляторов:

1) Свинцовый аккумулятор

Электроды свинцового аккумулятора выполнены в виде ячеистых пластин из свинцового сплава; ячейки заполнены смесью свинцового глета (PbO) с глицерином. После заполнения аккумулятора электролитом (H₂SO₄) оксид свинца превращается в сульфат. При зарядке протекает электролиз, а при разрядке работает гальванический элемент.

Зарядка аккумулятора – окислительно-восстановительная реакция протекающая принудительно под действием электрического тока. На электродах протекают следующие реакции:

Анод (+): PbSO₄ + 2H₂O - 2e = PbO₂ + SO₄^2– + 4H⁺ ,

Катод (–): PbSO₄ + 2e = Pb + SO₄^2-.

Разрядка аккумулятора – превращение энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию. При замыкании внешней цепи электроны с анода (Pb) переходят на электроды, заполненные PbO₂ (катод):

Анод (+): Pb + SO₄^2-- 2e = PbSO₄ ,

Катод (–): PbO₂ + SO₄^2– + 4H⁺ + 2e = PbSO₄ + 2H₂O.

Суммарное уравнение:

разрядка ®

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O, ЭДС = 2,0В.

¬ зарядка

При разрядке аккумулятора расходуется серная кислота и образуется вода с плотность примерно в два раза меньшей, что приводит в свою очередь к уменьшению плотности электролита. На измерении плотности электролита основан один из методов контроля заряда аккумулятора.

К основным преимуществам свинцового аккумулятора относятся большая электрическая емкость и устойчивость в работе при многократных циклах перезарядки. Основные недостатки – массивность и токсичность свинца и его соединений.