Объединенный закон фарадея для электролиза: Закон Фарадея для электролиза – формула и примеры

Закон Фарадея для электролиза – формула и примеры

4.3

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 254.

4.3

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 254.

В 1836 году Майкл Фарадей опубликовал выведенные математически количественные характеристики электролиза. Обнаруженные взаимосвязи между количеством прошедшего через электролит электричества и количеством выделившегося при этом вещества впоследствии были названы законами Фарадея для электролиза.

Первый закон

Если пропускать через раствор медного купороса электрический ток в течение определённого количества времени, то на катоде выделяется небольшое количество меди. Однако если пустить ток большей силы, за такое же количество времени на катоде образуется большее количество меди. При увеличении времени и одинаковой силе тока также увеличивается количество меди.

Рис. 1. Майкл Фарадей.

Фарадей установил взаимосвязь массы вещества, силы тока и времени. Математически эта взаимосвязь выражается следующим образом:

m = kIt,

где:

• m – масса вещества;
• k – электрохимический эквивалент;
• I – сила тока;
• t – время.

Электрохимический эквивалент – это масса вещества, образованная при прохождении через электролит тока в 1 А за одну секунду. Выражается как соотношение массы вещества к количеству электричества или г/Кл.

Произведение силы тока и времени выражает количество электричества: q = It. Это электрический заряд, измеряемый в кулонах (один ампер к одной секунде). Электрический заряд отражает способность тела быть источником электромагнитного поля и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Соответственно, уравнение Фарадея приобретает вид:

m = kq.

Рис. 2. Первый закон Фарадея.

Первый закон электролиза Фарадея: масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству электрического тока, пропущенного через электролит.

Второй закон

Фарадей, пропуская электрический ток одинаковой силы через различные электролиты, заметил, что массы веществ на электродах неодинаковы. Взвесив выделившиеся вещества, Фарадей сделал вывод, что вес зависит от химической природы вещества.

Например, на каждый грамм выделенного водорода приходилось 107,9 г серебра, 31,8 г меди, 29,35 г никеля.

На основе полученных данных Фарадей вывел второй закон электролиза: для определённого количества электричества масса химического элемента, образовавшегося на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента. Она равна массе одного эквивалента – количеству вещества, реагирующему или замещающему 1 моль атомов водорода в химических реакциях:

μ_eq = μ/z,

где:

• μ – молярная масса вещества;
• z – число электронов на один ион (валентное число ионов).

Для выделения одного моля эквивалента затрачивается одинаковое количество электричества – 96485 Кл/моль. Это число называется числом Фарадея и обозначается буквой F.

Согласно второму закону, электрохимический эквивалент прямо пропорционален эквивалентной массе вещества:

k = (1/F) μ_eq или k = (1/zF)μ.

Рис. 3. Второй закон Фарадея.

Два закона Фарадея можно привести к общей формуле: m = (q / F) ∙ (μ/z).

Что мы узнали?

Фарадей, проводя реакцию электролиза разных веществ, вывел два закона. Согласно первому закону, масса вещества, осевшего на электрод, прямо пропорциональная количеству электричества, пропущенного через электролит: m = kq. Второй закон отражает взаимосвязь электрохимического эквивалента и эквивалентной массы вещества: k = (1/F) μ_eq. Электрохимический эквивалент – количество выделившегося вещества при прохождении единицы электричества. Эквивалентная масса – количество вещества, реагирующее с 1 молем водорода.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

• Лиза Шифр

  4/5

• Евгений Пшеничный

  5/5

• Татьяна Батарон

  4/5

Оценка доклада

4.3

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 254.

---

А какая ваша оценка?

Закон Фарадея для электролиза: формулы

Электрический ток, проходящий через растворы электролитов, способствует разложению веществ и дает возможность получать химически чистые материалы. Данный процесс получил наименование электролиза, нашедшего широкое применение в промышленном производстве. Физические преобразования проводников, находящихся в жидкости, объясняет закон Фарадея для электролиза, на основании которого анод выполняет функцию положительного электрода, а катод – отрицательного. С помощью него осуществляется очистка металлов от примесей и выполняется нанесение тонких покрытий, защищающих металлические поверхности.

Содержание

Суть процесса электролиза

Электролизом называются процессы окислительно-восстановительных реакций, протекающие под принудительным воздействием электрического тока. Для его выполнения используется специальная емкость с электролитическим раствором, куда погружаются металлические штыри, соединенные с наружным источником питания.

Электрод, соединенный с полюсом отрицательного значения источника тока, считается катодом. Именно в данном месте частицы электролита восстанавливаются. Другой электрод подключается к плюсовому полюсу и носит название анода. На этом участке вещество электрода или частицы электролита окисляются. Химические реакции на этом участке происходят по-разному, в зависимости от материала анода и состава электролитического раствора. Поэтому, как утверждает химия, электроды по отношению к электролиту могут быть инертными или растворимыми.

К категории инертных относятся аноды, изготовленные из материала, не окисляющегося во время электролиза. В качестве примера можно привести графитовые или платиновые электроды. Растворимыми являются практически все остальные виды металлических анодов, подверженных окислению в ходе электролитической реакции.

Электролитами чаще всего служат различные виды растворов или расплавов, внутри которых происходит хаотичное движение заряженных частиц – ионов. Когда на них воздействует электрический ток, они начинают двигаться в определенном направлении: катионы – к катоду, анионы – к аноду. Попадая на электроды, они теряют свои заряды и оседают на них.

Таким образом, на катоде и аноде происходит накопление так называемых суммарных продуктов, состоящих из электрически нейтральных веществ. Весь процесс электролиза выполняется под напряжением, подаваемым на электроды. Данное напряжение U_эл-за является типичным примером разности потенциалов, требующейся для обеспечения нормального течения электролитических реакций. Чисто теоретически это напряжение принимает вид формулы: U_эл-за = Е_а – Е_к, в которой Е_а и Е_к являются потенциалами химических реакций, происходящих на аноде и катоде.

Существует определенная связь между количеством электричества, протекавшего через раствор, и количеством вещества, выделенного в период электролитической реакции. Данное явление было описано английским физиком Фарадеем и оформлено в виде двух законов.

Первый закон Фарадея

Данный закон был выведен ученым экспериментальным путем. Он определяет пропорциональную зависимость между массой вещества, образующегося на электроде и зарядом, проходящим через электролитический раствор.

Эту пропорцию наглядно отображает формула m=k х Q=k х I х t, где k является коэффициентом пропорциональности или электрохимическим эквивалентом, Q – заряд, прошедший через электролит, t – время прохождения заряда, m – масса вещества, образовавшегося на электроде в результате реакции.

Первый закон Фарадея служит для определения количества первичных продуктов, образовавшихся в процессе электролиза на электродах. Масса этого вещества составляет суммарную массу всех ионов, попавших на электрод. Это подтверждается формулой m=m0 х N = m0 х Qq0 = m0q0 х I х t, в которой m0 и q0 соответственно являются массой и зарядом единичного иона. N=Qq0 – определяет количество ионов, попавших на электрод за время прохождения заряда Q через раствор электролита.

Следовательно, величина электрохимического эквивалента k представляет собой соотношение массы иона m0 используемого вещества и заряда q0 этого иона. Известно, что величина заряда иона составляет произведение валентности n этого вещества и элементарного заряда е, то есть, q0 = n х e. Исходя из этого, электрохимический эквивалент k будет выглядеть следующим образом: k = m0q0 = m0 х NAn х e х NA = 1F х μn. В этой формуле NA является постоянной Авогадро, μ – молярной массой данного вещества. F = e х NA является постоянной Фарадея и составляет 96485 Кл/моль.

Числовое значение данной величины равняется заряду, который должен быть пропущен через раствор электролита, для того чтобы на электроде выделился 1 моль вещества с одинаковой валентностью. Рассматриваемый закон Фарадея для электролиза примет вид еще одной формулы: m = 1F х μn х I х t.

Второй закон Фарадея

Следующий закон ученого Фарадея описывает, как электрохимический эквивалент будет зависеть от атомной массы вещества и его валентности. У этого коэффициента будет прямая пропорциональная зависимость с атомным весом и обратно пропорциональная – с валентностью вещества. С введением данной величины, второй закон Фарадея формулируется как пропорция электрохимических эквивалентов вещества и собственных химических эквивалентов этих веществ.

Если значения электрохимических эквивалентов взять за k1, k2, k3…kn, а химические эквиваленты принять за х1, х2, х3…xn, то k1/x1 = k2/x2 = k3/x3…kn/xn. Данное соотношение является постоянной величиной, одинаковой для любых используемых веществ: с = k/x и составляет 0,01036 мг-экв/к.

Именно такое количество вещества в миллиграмм-эквивалентах выделяется на электродах за период прохождения в электролите электрического заряда, равного одному кулону.

Следовательно, второй закон Фарадея можно представить в виде формулы: k = cx. Если данной выражение использовать вместе с первым законом Фарадея, то в результате получится следующее выражение: m = kq = cxq = cxlt. Здесь категория с представляет собой универсальную постоянную, в размере 0,00001036 г-экв/к. Подобная формулировка дает возможность понять, что одни и те же токи, пропущенные через одинаковый промежуток времени в двух различных электролитах, выделят из них вещества с соблюдением рассмотренного химического эквивалента.

Поскольку x = A/n, то масса выделяемого вещества будет выглядеть как m = cA/nlt, с соблюдением прямой пропорции с атомным весом и обратной пропорции с валентностью.

Законы электролиза Фарадея

Законы электролиза Фаради  : выражают количественные соотношения на основе электрохимических исследований, опубликованных Майклом Фарадеем в 1834 году.

Резюме

[скрыть]

• 1 Введение
• 2 Первый закон Фарадея (первый закон электролиза)
• 3 Второй закон Фарадея  (второй закон электролиза)
• 4 Единый закон Фарадея  (Единый закон электролиза)
• 5 Источников

Введение

Жидкости являются проводниками электрического тока (электролиты, проводники второго рода), если под действием внешнего электрического поля в них может происходить упорядоченное движение ионов.
Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, создаваемом электродами, то есть проводниками, прикрепленными к полюсам источника электрической энергии . Положительный электрод называется анодом, а отрицательный электрод называется катодом. Положительные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательные ионы (анионы) движутся к аноду. Прохождение электрического тока в электролитах сопровождается явлениями электролиза, отрыва в электродах составных частей растворенных веществ или др., возникающих в результате вторичных реакций в электродах.

Первый закон Фарадея (первый закон электролиза)

Масса M вещества , выходящего из электрода, прямо пропорциональна электрическому заряду Q, который проходит через электролит, если непрерывный ток силой I прошел через него за время t .

Коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Этот коэффициент численно равен массе вещества, выделяющегося при единице электрический заряд проходит через электролит и зависит от химической природы вещества.

Второй закон Фарадея (второй закон электролиза)

Электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам

Где C – некоторая универсальная константа для всех элементов, а kx – химический эквивалент

Здесь A — атомная масса элемента (в кг/моль), z — его валентность. Так что

Бытие

Постоянная Фарадея, также известная как число Фарадея.

Единый закон Фарадея (Единый закон электролиза)

m = M (X / z *) It / F →  (96 500 C = 1 Фарадей (F)) It 900 физический смысл F, поскольку именно при M = A/z число Фарадея F = Q. Количество вещества, равное 1/z моля, называется грамм-эквивалентом. При z = 1 грамм-эквивалент вещества равен одному молю. Постоянная Фарадея численно равна электрическому заряду, который необходимо пропустить через электролит, чтобы из электрода вышел грамм-эквивалент вещества.

 

Рубрики Учебные заметки по физике

Абдулла Сэм

Я преподаватель, исследователь и писатель. Я пишу об учебных предметах, чтобы улучшить обучение студентов колледжей и университетов. Я пишу высококачественные учебные заметки, в основном, о технологиях, играх, образовании, а также о решениях / советах и ​​​​хитростях. Я человек, который помогает студентам приобретать знания, компетентность или добродетель.

Единая теория Фарадея… электричества? (1833)

Это второй из серии постов, описывающих исследования суперэкспериментатора Майкла Фарадея (1791-1867) в электричество и магнетизм. В первом посте этой серии я обсуждал его первую статью о его исследованиях в области электричества, в которой он продемонстрировал эффект, теперь известный как индукция Фарадея, при котором изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрические токи.

Фарадей был, по сути, одним из первых физиков, активно искавших «единую теорию» природы, в которой все силы природы выражаются как различные проявления единой фундаментальной силы. Его открытие индукции было необходимым шагом в объединении электричества и магнетизма, а более поздние работы продемонстрируют связь между световыми волнами и магнетизмом (к чему мы вернемся в следующем посте).

Исследование, описанное в третьей статье Фарадея, однако, включает в себя унификацию более элементарного типа. В этой статье Фарадей пытается устранить все сомнения относительно идеи о том, что различные источники электричества являются проявлениями одной и той же фундаментальной силы!

Сегодня эта идея настолько фундаментальна, что почти никогда не упоминается на уроках естествознания. Мы знаем, что все электрические явления являются результатом присутствия (и движения) электрических зарядов, обычно электронов, протекающих в электрическом проводнике. Но электрон не будет идентифицирован экспериментально до 1896, а во времена Фарадея электрические явления подразделялись на три широкие категории. К «обычному» электричеству относились статическое электричество, молния и электричество, вызываемое механическими средствами. «Вольтово» электричество производилось под действием гальванической батареи и больше всего ассоциировалось с химическим действием, таким как электролиз. (Фарадей также окажет значительное влияние на электролиз.) «Животное» электричество вырабатывается определенными видами животных, такими как «торпеда» (электрический скат) и «гимнотус» (электрический нож-рыба).

В дополнение к этим трем недавно были обнаружены два дополнительных способа генерирования электричества: магнитоэлектричество (индукция Фарадея) и термоэлектричество (электричество, генерируемое при воздействии разницы температур на соединение двух металлов).

Электрические явления были еще плохо изучены во времена Фарадея, и эти различные формы электричества на первый взгляд казались совершенно разными. Например, «обычное» электричество (статическое электричество) создает силу притяжения/отталкивания, тогда как для «животного» электричества такой силы не наблюдалось. К тому времени, когда Фарадей проводил свои исследования, кажется, что исследователи и философы пришли к общему мнению, что различные методы производства электричества приводят к одному и тому же электрическому «веществу»; однако оставались затяжные сомнения. По словам самого Фарадея,

Ход электрических исследований, которые я имел честь представить Королевскому обществу, привел меня к точке, в которой для дальнейшего продолжения моих исследований было важно, чтобы не осталось никаких сомнений в идентичности или отличии электричества, возбуждаемого различными способами. Совершенно верно, что Кавендиш, Волластон, Колладон и другие, в свою очередь, сняли некоторые из величайших возражений против признания тождества обычного, животного и гальванического электричества, и я полагаю, что философы обычно считают эти электричества одним и тем же. Но, с другой стороны, верно также и то, что точность экспериментов Волластона была отвергнута, и что один из них, который на самом деле не является доказательством химического разложения под действием обычного электричества, был выбран несколькими экспериментаторами в качестве проверки химических свойств. действие. Также факт, что многие философы все еще проводят различия между электричеством из разных источников; или, по крайней мере, сомневаются в том, что их личность доказана. Сэр Гемфри Дэви, например, в своей статье о «Торпедо» полагал вероятным, что будет найдено особое электричество животного происхождения; и, ссылаясь на это, в связи с обычным электричеством, гальваническим электричеством и магнетизмом, сказал: «Различия могут быть установлены при изучении различных модификаций или свойств электричества в этих различных формах и т. д.». В самом деле, мне достаточно сослаться на последний том «Философских трудов», чтобы показать, что вопрос ни в коей мере не считается решенным.

Можно подозревать, хотя я ни в коем случае не уверен в этом, что часть возражений против отождествления животного электричества с другими формами была отчасти связана с сопротивлением механистическому взгляду на живых существ, т. е. взгляду, что живые существа состоят из того же «вещества», из которого сделано все остальное.

Фарадей, поразительно основательный экспериментатор, решил сравнить различные источники электричества. Его эксперименты были сосредоточены на «обычном» и «гальваническом» электричестве, но он также обобщил соответствующие эксперименты других с различными источниками электричества. Во времена Фарадея существовал ряд эффектов, которые можно было связать с действием электричества, и Фарадей классифицировал их следующим образом:

Различные явления, проявляемые электричеством, в целях сравнения могут быть объединены в две главы; а именно те, которые связаны с электричеством напряжения, и те, которые относятся к электричеству в движении. Это различие в настоящее время принимается не как философское, а просто как удобное. Действие электричества напряжения в состоянии покоя либо притяжение, либо отталкивание на ощутимых расстояниях. Эффекты электрических токов можно рассматривать как 1-е, выделение тепла; 2-й, Магнетизм; 3-е, химическое разложение; 4-е, физиологические явления; 5-й, Искра.

Влияние токов легко объяснимо. При прохождении электрического тока по проводу провод нагревается, т. е. «выделение тепла». «Магнетизм» относится к закону Ампера, то есть к способности электрического тока отклонять магнитную стрелку. «Химическое разложение», конечно же, относится к способности использовать электрические токи для таких реакций, как электролиз. «Физиологические явления» относятся к способности тока «при сильном токе поражать всю систему животных, а при слабом поражать язык и глаза». «Искра», конечно же, относится к разряду видимого света через электрическую искру.

Далее Фарадей описывает ряд экспериментов, которые он лично провел в отношении «гальванического» электричества и «обычного» электричества, и обобщает результаты других исследователей, касающиеся других типов. Отметим только один из них, демонстрирующий строгое внимание Фарадея к деталям: разряд гальванического электричества через нагретый воздух.

Уже было хорошо известно, что «обычное» электричество может легче передаваться через воздушную щель, если воздух нагрет; Фарадей решил выяснить, будет ли «гальваническое» электричество также демонстрировать повышенную передачу через нагретый воздух. Его аппарат показан ниже, как с оригинальной фигурой Фарадея, так и с моей реконструкцией:

По сути, между положительным и отрицательным полюсами батареи образуется электрическая цепь, разрываемая только небольшим воздушным зазором. В установку также вставлен «аппарат разложения», который используется для электрического возбуждения химических реакций (описанных ниже). Фарадей, опять же, по его собственным словам:

В описанном состоянии в точке a не происходило разложения, но когда пламя спиртовки было приложено к двум платиновым концам в точке e , чтобы сделать их ярко-красными, произошло разложение; был установлен нагретый воздух. При повышении температуры точек и паяльной трубкой разряд делался еще более свободным, и разложение происходило мгновенно. При удалении источника тепла ток немедленно прекращался. При расположении концов проводов очень близко друг к другу и параллельно друг другу, но не касаясь, эффекты, возможно, были получены легче, чем раньше. При использовании более крупной гальванической батареи их также можно было получить более свободно.

Будучи еще более тщательным, Фарадей заменил свой химический прибор гальванометром в качестве второго подтверждения того, что при нагревании протекал ток.

Возможно, стоит взглянуть и на его аппарат для разложения:

Гораздо более удобное и эффективное устройство для химического разложения с помощью обычного электричества состоит в следующем. На стеклянной пластине рис. 2, наложенный поверх, но приподнятый над листом белой бумаги, чтобы не мешали тени, положить два куска фольги а, б; один из них соедините изолированным проводом с или проводом и шнуром с машиной, а другой g — с разгрузочной цепью или отрицательным проводом; возьмите два куска тонкой платиновой проволоки, согните, как показано на рис. 3, чтобы часть d, f была почти вертикальной, а все целое опиралось на три точки опоры p, e, f; расположите их, как на рис. 2; тогда точки p,n становятся разлагающимися полюсами. Таким образом, поверхности контакта, насколько это возможно, могут быть получены по желанию, и связь может быть разорвана или возобновлена ​​в одно мгновение, а вещества, на которые воздействуют, исследуются с предельной легкостью.

Каплю раствора для разложения можно поместить, соединяя полюса p и n, тем самым замыкая электрическую цепь.

Любопытно, что он откладывает описание устройства намного позже в статье, когда изучает способность «обычного» электричества вызывать химические реакции. Используя «пластинчатую электрическую машину», Фарадей зарядил ряд лейденских банок «обычным» электричеством, а затем разрядил его через свой разлагающий аппарат. Его машина «вызвала осаждение такого количества меди на конце p, что он выглядел как медная проволока; никаких видимых изменений в n не произошло». Ряд других химических разложений производился также с помощью «обычного» электричества.

Один аспект его электрического устройства показался мне любопытным. Чтобы разрядить свои лейденские банки, он подключил заземляющий провод к, как представляется, довольно рискованной розетке:

Хорошая разгрузочная цепочка была устроена путем металлического соединения достаточно толстого провода сначала с металлическими газовыми трубами дома, затем с металлическими газовыми трубами, принадлежащими общественным газовым заводам Лондона; и, наконец, металлические водопроводные трубы Лондона.

Думаю, для Фарадея это сработало, но я бы не подумал разрядить сбор статического электричества где-нибудь рядом с источником горючего газа!

Фарадей обобщил современное состояние анализа различных источников электричества в следующей таблице:

Как уже отмечалось, многие из этих результатов были получены другими исследователями. Кроме того, на столе много белых пятен. Тем не менее Фарадей чувствовал себя комфортно, заявляя:0019 . Явления пяти приведенных родов или видов различаются не по своему характеру, а только по степени; и в этом отношении изменяются пропорционально изменчивым обстоятельствам количества и интенсивности , которые можно по желанию изменить почти в любом из видов электричества, так же как это происходит между одним видом электричества и другим.

Цитата Фарадея выдвигает на первый план еще одну любопытную проблему научных исследований его эпохи, которая сейчас редко рассматривается: фундаментальной меры электричества еще не существовало. В самом деле, как мы только что отметили, все еще не было согласия относительно того, существует ли был «фундаментальным» типом электричества, не говоря уже о каком-либо соглашении о том, как его количественно определить.

Фарадей ясно понимал, что различие в источниках электричества связано с разным количеством электричества в разных источниках. Но без стандартной единицы измерения электрического поведения их было бы нелегко сравнивать. Нигде в статье не обсуждается единица электрического потенциала (Вольт) или единица силы тока (Ампер), хотя работа Ампера упоминается, а гальваническая батарея названа в честь ее первооткрывателя Вольта.

Чтобы решить эту проблему, Фарадей предпринял несколько серьезных попыток сравнить количество электричества, производимого гальванической батареей и «обычной» батареей, и эти попытки были описаны во второй половине его статьи. Фарадей сравнил силы гальванической и обычной батареи по их влиянию на гальванометр и химические реакции. Его выводы:

Отсюда следует, что как в магнитном отклонении , так и в химической силе ток электричества стандартной гальванической батареи за восемь ударов часов был равен току машины, развившейся за тридцать оборотов.

Из этого также следует, что для этого случая электрохимического разложения, а вероятно и для всех случаев, что химическая сила, как и магнитная сила, прямо пропорциональна абсолютному количеству электричества, которое проходит .

Очевидно, это была одна из первых попыток разобраться с универсальным измерением электричества!

Эта демонстрация идентичной природы различных проявлений электричества была не первой и не последней в усилиях Фарадея по объединению. В будущих публикациях мы увидим некоторые другие интересные результаты, связанные с тем, что можно было бы назвать «единой теорией Фарадея».