Законы электролиза Фарадея

Физические законы электрохимии

Законы электролиза Фарадея представляют собой количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1833 году. ^[1]^[2]^[3]

Первый закон

Майкл Фарадей сообщил, что масса ( $m$ ) вещества, осажденного или выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду ( $Q$ ; единицы СИ — ампер- секунды или кулоны ). ^[3]

$м\propto Q\quad \ подразумевает \quad {\frac {m}{Q}}=Z$

Здесь константа пропорциональности $Z$ называется электрохимическим эквивалентом (ЭХЭ) вещества. Таким образом, ЭХЭ можно определить как массу вещества, отложенного или выделившегося на единицу заряда.

Второй закон

Фарадей обнаружил, что когда одинаковое количество электрического тока проходит через различные электролиты, соединенные последовательно, массы веществ, осаждаемых или высвобождаемых на электродах, прямо пропорциональны их соответствующему химическому эквиваленту/ эквивалентному весу ( $E$ ). ^[3] Это оказывается молярной массой ( $M$ ), деленной на валентность ( $v$ ).

{\begin{align}&m\propto E;\quad E={\frac {\text{молярная масса}}{\text{валентность}}}={\frac {M}{v}}\\&\подразумевает m_{1}:m_{2}:m_{3}:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \\&\подразумевает Z_{1}Q:Z_{2}Q:Z_{3}Q:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \\&\подразумевает Z_{1}:Z_{2}:Z_{3}:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \end{align}}

Вывод

Одновалентному иону требуется 1 электрон для разряда, двухвалентному иону требуется 2 электрона для разряда и т. д. Таким образом, если течет $x$ электронов, атомы разряжаются. ${\tfrac {x}{v}}$

Таким образом, масса $m,$ выброшенная из баллона , равна $m={\frac {xM}{vN_{\rm {A}}}}={\frac {QM}{eN_{\rm {A}}v}}={\frac {QM}{vF}}$

$N A$ — постоянная Авогадро ;
$Q = xe$ — полный заряд, равный числу электронов ( $x$ ), умноженному на элементарный заряд $e$ ;
$F$ — постоянная Фарадея .

Математическая форма

Законы Фарадея можно суммировать следующим образом:

Z={\frac {m}{Q}}={\frac {1}{F}}\left({\frac {M}{v}}\right)={\frac {E}{F}}

где $M$ — молярная масса вещества (обычно указывается в единицах СИ — граммах на моль), а $v$ — валентность ионов .

Для первого закона Фарадея $M, F, v$ являются константами; таким образом, чем больше значение $Q$ , тем больше будет $m .$

Согласно второму закону Фарадея, $Q, F, v$ являются константами; таким образом, чем больше значение (эквивалентного веса), тем больше будет $m .$ ${\tfrac {M}{v}}$

В простом случае электролиза при постоянном токе $Q = It$ , что приводит к

m={\frac {ItM}{Fv}}

а затем к

n={\frac {It}{Fv}}

где:

$n$ — количество выделившегося вещества («число молей»): $n={\tfrac {m}{M}}$
$t$ — общее время подачи постоянного тока.

Для случая сплава, компоненты которого имеют различную валентность, имеем

$m={\frac {It}{F\times \sum _{i}{\frac {w_{i}v_{i}}{M_{i}}}}}$

где $w i$ представляет собой массовую долю $i$ -го элемента .

В более сложном случае переменного электрического тока полный заряд $Q$ представляет собой электрический ток $I (τ),$ проинтегрированный по времени $τ$ :

Q=\int _{0}^{t}I(\tau )\,d\tau

Здесь $t$ — общее время электролиза. ^[4]

Приложения

Гальванопокрытие — процесс, при котором на поверхность предмета с помощью электрического тока наносится тонкий слой металла.
Электрохимические элементы — генерируют электрическую энергию в результате химических реакций.
Электротипия — процесс, используемый для создания металлических копий дизайнов путем нанесения металла на форму с помощью гальванопокрытия.
Электроэкстракция — процесс извлечения металлов из растворов с использованием электрического тока.
Электроформовка — процесс нанесения металла на форму или подложку для создания металлических деталей.
Анодирование — процесс, в результате которого поверхность металла покрывается прочным коррозионно-стойким оксидным слоем.
Проводящие полимеры — органические полимеры , проводящие электричество.
Электролиз воды — процесс, в котором электрический ток используется для расщепления молекул воды на водород и кислород .
Электролитические конденсаторы — тип конденсатора , в котором в качестве одной из пластин используется электролитический раствор.

Смотрите также

Ссылки

^ Фарадей, Майкл (1834). "об электрическом разложении". Philosophical Transactions of the Royal Society . 124 : 77–122. doi :10.1098/rstl.1834.0008. S2CID 116224057.
^ Эл, Розмари Джин; Айде, Аарон (1954). «Электрохимические законы Фарадея и определение эквивалентных весов». Журнал химического образования . 31 (май): 226–232. Bibcode : 1954JChEd..31..226E. doi : 10.1021/ed031p226.
^ abc "Законы электролиза Фарадея | химия". Encyclopedia Britannica . Получено 2020-09-01 .
^ Для аналогичного рассмотрения см. Strong, FC (1961). "Законы Фарадея в одном уравнении". Журнал химического образования . 38 (2): 98. Bibcode :1961JChEd..38...98S. doi :10.1021/ed038p98.

Дальнейшее чтение

Сервэй, Мозес и Мойер, Современная физика , третье издание (2005), принципы физики.
Эксперимент с законами Фарадея

[1] Фарадей, Майкл (1834). "об электрическом разложении". Philosophical Transactions of the Royal Society . 124 : 77–122. doi :10.1098/rstl.1834.0008. S2CID 116224057.

[2] Эл, Розмари Джин; Айде, Аарон (1954). «Электрохимические законы Фарадея и определение эквивалентных весов». Журнал химического образования . 31 (май): 226–232. Bibcode : 1954JChEd..31..226E. doi : 10.1021/ed031p226.

[:0-3] "Законы электролиза Фарадея | химия". Encyclopedia Britannica . Получено 2020-09-01 .

[4] Для аналогичного рассмотрения см. Strong, FC (1961). "Законы Фарадея в одном уравнении". Журнал химического образования . 38 (2): 98. Bibcode :1961JChEd..38...98S. doi :10.1021/ed038p98.