Меню

Законы фарадея выход по току применение электролиза

2 Количественные законы электролиза. Выход по току

Законы Фарадея.

Законы электролиза были установлены выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 30-х г. XIX В.

Первый закон электролиза: масса вещества, прореагировавшего на электродах (выделившегося или разложившегося), прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через раствор (или расплав) электролита.

Математическое выражение закона

m = kЭQ = kIt или V = kЭQ = kIt,

где kЭ – коэффициент пропорциональности или электрохимический эквивалент;

Q – количество электричества, прошедшего через электролит, Кл;

m (V) – массы и объёмы веществ, претерпевших превращения, г (л);

t – время прохождения тока, с.

Второй закон электролиза: при электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к электрохимическому превращению эквивалентных количеств веществ:

где m1, m2 и V1,V2 – массы и объёмы веществ, претерпевающих изменения в процессе электролиза ;

МЭ1, МЭ2 и VЭ1, VЭ2 – массы эквивалентов и эквивалентные объёмы (н.у.) веществ, претерпевающих превращения.

Измерениями установлено, что для превращения одного эквивалента вещества необходимо количество электричества, равное округленно 96500 Кл.ам. электричества. Эту величину называют числом Фарадея и обозначают буквой F.

Из второго закона Фарадея следует, что если Q = F, m = МЭ или V= VЭ, то:

Можно записать уравнение, объединяющее первый и второй законы Фарадея:

.

Выход по току.

При электролизе во многих случаях выделяется меньше вещества, чем должно получиться по законам Фарадея. Этo oбъяcняeтcя тeм, чтo, нaряду c ocнoвными элeктрoдными прoцeccaми oкиcлeния и вoccтaнoвлeния, практически всегда протекают побочные реакции. К их числу можно отнести взаимодействие образовавшихся при электролизе веществ с элeктрoлитoм, выдeлeниe, нaряду c мeтaллoм, нa кaтoдe вoдoрoдa и другие. Кроме того, часть электрической энергии тратится на преодоление сопротивления электролита. Поэтому для экономической оценки процесса электролиза вводят такие понятия, как выход по току и расход энергии на получение единицы продукции энергии.

Выход по току рассчитывается как степень отклонения массы фактически прореагировавшего на электроде вещества mфакт от теоретически рассчитанной по закону Фарадея mтеор:

3 Практическое применение электролиза

3.1 Покрытие металлов слоем другого металла при помощи электролиза (гальваностегия).

Для предохранения металлов от окисления, а также для прида­ния изделиям прочности и лучшего внешнего вида их покрывают тонким слоем благородных металлов (золото, серебро) или малоокисляющимися металлами (хром, никель).

Предмет, подлежащий гальваниче­скому покрытию, тщательно очищают, полируют и обезжиривают, после чего погружают в качестве катода в гальваническую ванну. Электролитом является раствор соли металла, которым осуще­ствляется покрытие. Анодом служит пла­стина из того же металла.

Например, при никилировании электролитом служит водный раствор вещества, содержащего никель (сернокислый никель NiS04), катодом является предмет, подвергающийся покрытию. Величина тока, пропускаемого через ванну, должна соответствовать величине покрываемой поверхности. После покрытия предмет выни­мают из ванны, сушат и полируют.

Толщину слоя металлического покрытия вычисляют по формуле

где h – толщина покрытия, мкм;

ρ – плотность металла, г/см 3 ;

ВТвыход металла по току, %;

mЭ – молярная масса эквивалента металла, г/моль;

F – постоянная Фарадея, Кл;

τ – продолжительность электролиза, с.;

iК – катодная плотность тока, А/см 2 .

Источник

Закон 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.

Майкл Фарадей

Рис. 1. Майкл Фарадей.

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

  • 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:

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.

Читайте также:  Как создается электрический ток в полупроводниках

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 – 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:

Второй закон Фарадея

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) μeq. Электрохимический эквивалент – количество выделившегося вещества при прохождении единицы электричества. Эквивалентная масса – количество вещества, реагирующее с 1 молем водорода.

Тест по теме

  • Масса вещества, выделившегося при электролизе, равна количеству электрического тока, пропущенного через электролит
  • Масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству электрического тока, пропущенного через электролит
  • Для определённого количества электричества масса химического элемента, образовавшегося на электроде, равна эквивалентной массе элемента
  • Для определённого количества электричества масса химического элемента, образовавшегося на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.3 . Всего получено оценок: 140.

Не понравилось? — Напиши в комментариях, чего не хватает.

Содержание

  1. Первый закон
  2. Второй закон
  3. Что мы узнали?

Бонус

  • Гидролиз солей
  • Гидролиз
  • Электролиз
  • Классификация химических реакций
  • Электролиз расплавов
  • Электролиз воды Закон Фарадея для электролиза
  1. 1. Юрий Острогов 1,441
  2. 2. Капитан Немо 521
  3. 3. Игорь Проскуренко 195
  4. 4. Павел НикитинПавел Никитин 191
  5. 5. Витя Зан-Дин-Юн 190
  6. 6. Валерия Кириллова 157
  7. 7. Веселый Утконос 148
  8. 8. Angry Elk 130
  9. 9. Полина Михеева 116
  10. 10. Филипп БарышниковФилипп Барышников 115
  1. 1. Игорь Проскуренко 23,736
  2. 2. Кристина 1Кристина Волосочева 19,120
  3. 3. EkaterinaEkaterina 18,721
  4. 4. Юлия БроЮлия Бронникова 18,580
  5. 5. Darth VaderDarth Vader 17,856
  6. 6. Алина СайбельАлина Сайбель 16,787
  7. 7. Мария НиколаевнаМария Николаевна 15,775
  8. 8. Лариса СамодуроваЛариса Самодурова 15,735
  9. 9. LizaLiza 15,165
  10. 10. Дмитрий ПрошинTorkMen 14,876

Самые активные участники недели:

  • 1. Виктория Нойманн — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 2. Bulat Sadykov — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 3. Дарья Волкова — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.

Три счастливчика, которые прошли хотя бы 1 тест:

  • 1. Наталья Старостина — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 2. Николай З — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.
  • 3. Давид Мельников — подарочная карта книжного магазина на 500 рублей.

Карты электронные(код), они будут отправлены в ближайшие дни сообщением Вконтакте или электронным письмом.

Источник

Электролиз расплавов, электролиз растворов. Электролиз с растворимым и нерастворимым анодом.Законы Фарадея.Выход по оку.Применение электролиза.

Сущность электролиза. Анодные и катодные процессы.

Для осуществления электролиза к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока присоединяют катод, а к положительному полюсу — анод, после чего погружают их в электролизер с раствором или расплавом электролита

В результате электролиза на электродах (катоде и аноде) выделяются соответствующие продукты восстановления и окисления, которые в зависимости от условий могут вступать в реакции с растворителем, материалом электрода и т.п., так называемые вторичные процессы

Восстановительный процесс на катоде в водных растворах:

1)Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом, больше, чем у водорода, расположены в ряду стандартных электродных потенциалов после него: Cu2+;Zn2+;Cr3+;Fe2+;…; до Pt4+. При электролизе они почти полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.

2)Катионы металлов с малой величиной стандартного электродного потенциала (металлы начала ряда Li + ;Na + ;K + ;Rb + ;…; до Al 3+ включительно). При электролизе на катоде они не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды.

3)Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом меньшим, чем у водорода, но большим, чем у алюминия (Mn 2+ ;Zn 2+ ;Cr 3+ ;Fe 2+ ;…; до H). При электролизе эти катионы, характеризующиеся средними значениями электроноакцепторной способности, на катоде восстанавливаются одновременно с молекулами воды.

4)При электролизе кислородосодержащих кислот и их солей (SO4 2- ; NO3 — ;PO4 3- и т.п.) с максимальной степенью окисления неметалла на аноде окисляются не анионы, а молекулы воды с выделением кислорода.

Читайте также:  Определить показания ваттметра в электрической цепи переменного тока

Катодные и анодные процессы могут протекать на поверхности раздела металл — агрессивная среда как территориально раздельно, так и на одних и тех же участках, чередуясь во времени. Энергетически более выгодным является пространственное разделение анодных и катодных реакций, поэтому в большинстве случаев эти процессы локализуются на различных участках. Катодный и анодный процессы строго эквивалентны, и поэтому торможение одного процесса вызывает такое же замедление другого.

При переходе в раствор какого-либо количества ионов металла освобождается соответствующее количество электронов, которое должно быть поглощено при катодном процессе. Это поглощение происходит чаще всего за счет выделения водорода (процессы с водородной деполяризацией):

Коррозионный процесс чаще всего развивается таким образом, что катодные и анодные процессы пространственно разделены вследствие неоднородности поверхности металла или состава среды.

В катодных покрытиях металл покрытия в коррозионной среде более электроположителен, чем сталь, поэтому в возможном коррозионном процессе покрытие является катодом, а сталь — анодом. К металлам катодного покрытия на стали относятся хром, никель, свинец, медь и другие металлы, более благородные, чем железо.

В анодных покрытиях металл покрытия в данной среде более электроотрицателен, чем сталь, поэтому в возможном коррозионном процессе покрытие является анодом, а сталь — катодом. Такие покрытия образуют цинк, кадмий, алюминий и другие менее благородные, чем железо, металлы.

При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно протекают два процесса:
анодный – окисление металла: Ме0 – ne—Men+
и катодный – восстановление ионов водорода: 2Н++2ē→Н2
или молекул кислорода, растворенного в воде: О2+Н2О+4ē→ОН-

Электролиз расплавов, электролиз растворов. Электролиз с растворимым и нерастворимым анодом.Законы Фарадея.Выход по оку.Применение электролиза.

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, который происходит на электродах во время прохождения электрического тока через расплав или раствор.

Электролиз-еще один способ получения чистых металлов и не металлов.Кроме того электролиз можно провести и в домашних условиях.Нужен источник тока два электрода и конечно электролит.Электролит это раствор который проводит электрический ток.

Различают электролиз растворов и электролиз расплавов. Оба эти процесса существенно отличаются друг от друга. Отличие — в наличии растворителя. При электролизе растворов кроме ионов самого вещества в процессе учавствуют ионы растворителя. При электролизе расплавов — только ионы самого вещества.
Для того, чтобы получить нужный продукт (газ, металл или неметалл), нужно правильно выбрать электрод и раствор электролита.
Электродами могут служить любые материалы, проводящие электрический ток. В основном применяют металлы и сплавы, из неметаллов электродами могут служить, например, графитовые стержни (или углерод). Реже в качестве электрода используют жидкости.
Электрод, заряженный положительно — анод. Электрод, заряженный отрицательно — катод. При электролизе происходт окисление анода (он растворяется) и восстановление катода. Именно поэтому анод следует брать таким, чтобы его растворение не повлияло на химический процесс, протекающий в растворе или расплаве. Такой анод называют инертным электродом. В качестве инертного анода можно взять графит (углерод) или платину.
В качестве катода можно взять металлическую пластину (она не будет растворяться). Подойдёт медь, латунь, углерод (или графит), цинк, железо, алюминий, нержавейка.

Электролиз расплавов:

При электролизе расплавов в процессе учавствуют только ионы вещества, которое подвергается электролизу. Например, если подвергнуть электролизу расплав поваренной соли (NaCl), то на аноде будет выделяться тот же газ — хлор, а вот на катоде вместо водорода будет восстанавливаться чистый металл — натрий (Na). Именно таком способом в промышленности получают металлический натрий и другие щелочные и щелочноземельные металлы. Таким же образом получают другие щелочные металлы (калий (K), литий (Li), кальций (Ca)), проводя ток через расплавы их солей.

Электролизом называют процессы, протекающие под действием электрического тока на электродах, погруженных в расплав или раствор электролита. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую.

· Первый закон электролиза Фарадея: масса вещества, осаждённого на электроде при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, переданного на этот электрод. Под количеством электричества имеется в виду электрический заряд, измеряемый, как правило, в кулонах.

· Второй закон электролиза Фарадея: для данного количества электричества (электрического заряда) масса химического элемента, осаждённого на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента. Эквивалентной массой вещества является его молярная масса, делённая на целое число, зависящее от химической реакции, в которой участвует вещество.

Законы Фарадея можно записать в виде следующей формулы:

· m — масса осаждённого на электроде вещества в граммах

Читайте также:  Расчет силы тока в схеме

· Q — полный электрический заряд, прошедший через вещество

· F = 96 485,3383(83) Кл·моль −1 — постоянная Фарадея

· M — молярная масса вещества

· z — валентное число ионов вещества (число электронов на один ион).

· Выход по току– это выраженное в процентах отношение количества

· фактически затраченного электричества (Qфакт) к теоретически необходимому(Qтеор):

Электролиз растворов электролитов проводить энергетически выгоднее,чем расплавов так как электролиты –соли и щелочи – плавятся при очень высоких температурах .

Элктролиз широко используется для получения наиболее активных металлов(щелочных,щелочно-земельных,алюминия магния),некоторых активных неметаллов (фтор,хлор) и сложных веществ (гидрокида натрия и калия).

Источник



Электролиз. Законы Фарадея

date image2014-02-12
views image18742

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Электролизом называют процессы, протекающие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока через электролиты.

При электролизе на электродах непрерывно протекают окислительно-восстановительные реакции. На катоде (К(-)) происходит процесс восстановления, на аноде (А(+)) – процесс окисления. Продукты этих реакций или откладываются на электродах, или вступают во вторичные реакции (взаимодействуют между собой, с молекулами растворителя или с веществом электрода), или накапливаются в растворе у электродов. Течение первичных анодных и катодных реакций подчиняется законам Фарадея.

Первый закон Фарадея: масса вещества m, выделяемая на электроде электрическим током, пропорциональная количеству электричества Q, прошедшему через электролит:

m = kQ, но Q =It (9.16)

где I – сила тока, А; t – время пропускание тока, с.

k – коэффициент пропорциональности, равный количеству вещества, выделяемого при прохождении одного кулона (Кл) электричества (электрохимический эквивалент).

Второй закон Фарадея: массы различных веществ, выделенных одним и тем же количеством электричества, пропорциональных их химическим эквивалентам (Мэ):

Для выделения 1 грамма эквивалента вещества требуется пропустить через электролит одно и тоже количество электричества, равное приблизительно 96500 Кл (число Фарадея). Следовательно:

Подставив последнее уравнение в (9.17), получим формулу, объединяющую оба закона Фарадея.

Соотношение (9.18) используют в расчетах процессов при электролизе. При практическом проведении электролиза всегда некоторая часть электрической энергии затрачивается на побочные процессы. Важной характеристикой рентабельности установки для проведения электролиза (электролизера) является выход по току (h, %):

где mпр – масса фактически выделенного вещества; mтеор – масса вещества, которая должна была выделиться в соответствии с законом Фарадея.

На процесс электролиза существенно влияет плотность тока, то есть сила тока, приходящаяся на единицу рабочей поверхности электрода.

Рассмотрим процессы, протекающие на катоде и аноде. Если электролиз идет в расплаве соли, то на катоде выделяется металл, а на аноде газ аниона.

Например, электролиз расплава хлорида натрия приводит к восстановлению ионов Na + до металлического натрия на катоде (отрицательном электроде)

и окислению хлорид ионов Cl – до газообразного хлора на аноде (положительном электроде)

Если электролиз идет в растворе соли, то помимо катиона металла и аниона в растворе находятся ионы H + и OH + :

При наличии нескольких видов ионов или недиссоциированных молекул электрохимически активных веществ возможно протекание нескольких электродных реакций. На катоде, прежде всего, протекает реакция с наиболее положительным потенциалом. Поэтому при катодном восстановлении возможно три случая:

Катионы металлов, стоящие в ряду напряжения от Li + до Al 3+ включительно не восстанавливаются на катоде, вместо них выделяется водород:

Катионы металлов, находящиеся в ряду напряжения от Al 3+ до H + (включительно) восстанавливаются одновременно с молекулами воды, что связано с более высокой поляризацией (перенапряжением) при выделении водорода, чем поляризацией (перенапряжением) разряда многих металлов:

Катионы металлов, стоящие в ряду напряжения после водорода полностью восстанавливаются на катоде:

На аноде в первую очередь реагируют наиболее сильные восстановители – вещества, имеющие наиболее отрицательные потенциалы.

На нерастворимом аноде (уголь, графит, платина, иридий) анионы кислородсодержащих кислот не окисляются, а окисляется вода с образованием кислорода:

Анионы бескислородных кислот (Cl — , I — , Br — , S 2- и т.д.) окисляются до простых веществ (Cl2, I2, Br2, S и т. д.) при высокой плотности тока. При малой плотности тока выделяется только кислород, а при выравнивании потенциала и протекают обе реакции.

На растворимом аноде идет процесс растворения самого анода, например, Сu +- 2e ® Cu 2+ .

Электролиз применяют в:

1) металлургии для получения меди, цинка, кобальта, марганца и других металлов;

2) в химической промышленности электролизом получают газообразный хлор, водород, кислород, щелочи, окислители (пероксид водорода, перманганат калия, хлораты и другие);

3) получение гальванопокрытий: никелирование, меднение, цинкование, хромирование;

4) электрохимическая анодная обработка металлов и сплавов для придания изделиям определенной формы.

Источник