Faradėjaus elektrolizės dėsniai

Faradėjaus elektrolizės dėsniai yra kiekybiniai ryšiai, pagrįsti Michaelio Faradėjaus elektrocheminiais tyrimais, kuriuos jis paskelbė 1836 m.

Šie dėsniai nustato ryšį tarp išskiriamų medžiagų kiekio elektrolizės metu ir per elektrolitą praeinančios elektros kiekį. Faradėjaus dėsniai yra du. Mokslinėje literatūroje ir vadovėliuose yra įvairių šių dėsnių formuluočių.

Elektrolizė — praėjimo metu iš elektrolito išsiskiriančios jį sudarančios medžiagos elektros… Pavyzdžiui, elektros srovei tekant per šiek tiek parūgštintą vandenį, vanduo suskaidomas į sudedamąsias dalis – dujas (deguonį ir vandenilį).

Iš elektrolito išsiskiriančios medžiagos kiekis yra proporcingas per elektrolitą praeinančios elektros energijos kiekiui, tai yra srovės stiprumo sandaugai, padauginus iš laiko, per kurį ši srovė teka, sandaugai. Todėl elektrolizės reiškinys gali būti naudojamas išmatuoti srovės stiprumą ir nustatyti dabartiniai vienetai.

Elektrolitas — tirpalas ir paprastai sudėtingas skystis, praleidžiantis elektros srovę.Akumuliatoriuose elektrolitas yra sieros rūgšties tirpalas (švine) arba kaustinės kalio arba kaustinės sodos (geležies-nikelio) tirpalas. Galvaniniuose elementuose bet kokių cheminių junginių (amoniako, vario sulfato ir kt.) tirpalai taip pat tarnauja kaip elektrolitas.

Michaelas Faradėjus (1791–1867)

Michaelas Faradėjus (1791–1867) – anglų fizikas, šiuolaikinės elektromagnetinių reiškinių doktrinos įkūrėjas. Savo darbinį gyvenimą jis pradėjo kaip mokinys knygrišystės dirbtuvėse. Jis gavo tik pradinį išsilavinimą, bet savarankiškai studijavo mokslą ir dirbo chemiko Devi laborantu, tapo puikiu mokslininku, vienu didžiausių eksperimentinių fizikų.

Farradėjus atsivėrė elektromagnetinės indukcijos reiškinys, elektrolizės dėsniai, sukūrė elektrinių ir magnetinių laukų doktriną ir klojo šiuolaikinių elektromagnetinio lauko koncepcijų pagrindai… Jis buvo pirmasis mokslininkas, turėjęs idėją apie elektromagnetinių reiškinių vibracinį, banginį pobūdį.

Pirmasis Faradėjaus elektrolizės dėsnis

Medžiagos, kuri elektrolizės metu nusėda ant elektrodo, masė yra tiesiogiai proporcinga tam elektrodui perduotos (per elektrolitą) elektros kiekiui. Elektros kiekis reiškia elektros krūvio kiekį, paprastai matuojamą pakabučiuose.

Antrasis Faradėjaus elektrolizės dėsnis

Esant tam tikram elektros kiekiui (elektros krūviui), cheminio elemento, kuris elektrolizės metu bus nusodintas ant elektrodo, masė yra tiesiogiai proporcinga to elemento ekvivalentinei masei. Medžiagos ekvivalentinė masė yra jos molinė masė, padalinta iš sveikojo skaičiaus, priklausomai nuo cheminės reakcijos, kurioje dalyvauja medžiaga.

Arba

Dėl to paties elektros energijos kiekio elektrolizės metu ant elektrodų išsiskiria lygiavertė skirtingų medžiagų masė. Norint išlaisvinti vieną molį bet kurios medžiagos ekvivalento, reikia išleisti tiek pat elektros energijos, būtent 96485 C. Ši elektrocheminė konstanta vadinama Faradėjaus numeris.

Faradėjaus dėsniai matematine forma

• m – ant elektrodo nusėdusios medžiagos masė;

• Q – viso pakabučiuose esančio elektros krūvio, praleisto elektrolizės metu, vertė;

• F = 96485,33 (83) C / mol - Faradėjaus skaičius;

• M – elemento molinė masė g/mol;

• z — medžiagos jonų valentinis skaičius (elektronų vienam jonui);

• M / z – ant elektrodo užteptos medžiagos ekvivalentinė masė.

Taikant pirmąjį Faradėjaus elektrolizės dėsnį, M, F ir z yra konstantos, todėl kuo daugiau Q, tuo daugiau bus m.

Pagal antrąjį Faradėjaus elektrolizės dėsnį Q, F ir z yra konstantos, taigi kuo daugiau M / z, tuo daugiau bus m.

Nuolatinei srovei turime

• n yra ant elektrodo išsiskyrusių molių skaičius (medžiagos kiekis): n = m / M.

• t – nuolatinės srovės pratekėjimo per elektrolitą laikas. Kintamosios srovės atveju bendras įkrovimas sumuojamas laikui bėgant.

• t – bendras elektrolizės laikas.

Faradėjaus dėsnių taikymo pavyzdys

Būtina parašyti elektrocheminių procesų prie katodo ir anodo lygtį elektrolizės metu natrio sulfato vandeniniam tirpalui su inertiniu anodu. Problemos sprendimas bus toks. Tirpale natrio sulfatas išsiskirs pagal šią schemą:

Standartinis elektrodo potencialas šioje sistemoje yra toks:

Tai daug neigiamas potencialo lygis nei vandenilio elektrodui neutralioje terpėje (-0,41 V). Todėl ant neigiamo elektrodo (katodo) elektrocheminė vandens disociacija prasidės nuo vandenilio ir hidroksido jonų išsiskyrimo pagal šią schemą:

O prie neigiamo krūvio katodo artėjantys teigiamai įkrauti natrio jonai kaupsis šalia katodo, gretimoje tirpalo dalyje.

Ant teigiamo elektrodo (anodo) įvyks elektrocheminė vandens oksidacija, dėl kurios išsiskirs deguonis pagal šią schemą:

Šioje sistemoje standartinis elektrodo potencialas yra +1,23 V, o tai gerokai mažesnis už standartinį elektrodo potencialą, esantį šioje sistemoje:

Neigiamai įkrauti sulfato jonai, judantys link teigiamai įkrauto anodo, kaupsis erdvėje šalia anodo.