10.11. Количественное описание электролиза. Законы фарадея

Основными законами электролиза, установленными в 1833-1834 гг., являются законы Фарадея, отражающие общий закон сохранения массы в условиях электрохимической реакции.

Согласно 1-му закону, масса вещества, восстановленного на катоде или окисленного на аноде, пропорциональна количеству прошедшего через раствор или расплав электричества:

где m – масса окисленного или восстановленного вещества;

М_экв – молярная масса эквивалентов окислителя или восстановителя;

Q – количество электричества, прошедшего через электролит;

k – коэффициент пропорциональности.

Согласно 2-му закону, количество окисляющихся или восстанавливающихся на электродах веществ при пропускании одного и того же количества электричества пропорционально молярным массам их эквивалентов:

Объединив оба закона, получим:

где F – постоянная Фарадея, равная 96 485 Кл/моль.

Так как количество электричества Q равно произведению силы тока на время, то

Если I ∙ τ = 1 Кл, то

m = М_экв / 96 485 = Е_экв,

где Е_экв – электрохимический эквивалент вещества.

Электрохимический эквивалент вещества характеризует собой массу вещества, которое восстанавливается на катоде или окисляется на аноде при прохождении через электролит 1 Кл электричества.

10.12. Применение электролиза

Посредством электролиза можно сравнительно просто получать некоторые вещества. Регулируя силу тока, можно управлять скоростью и направленностью процессов электролиза; осуществлять его как в самых «мягких», так и в предельно «жёстких» условиях окисления или восстановления, получая сильнейшие окислители и воссатновители.

Посредством электролиза получают водород Н₂ и кислород О₂ из воды, хлор Cl₂ – из водных растворов хлорида натрия NaCl, фтор F₂ – из расплава KF в KF · 2HF.

При помощи электролиза получают щелочные и щелочно-земельные металлы, а также бериллий, магний, алюминий, титан, цинк, медь, висмут, сурьму, никель, кобальт, марганец, хром, серебро, цирконий, молибден, кадмий, олово, вольфрам, свинец, золото, уран и др. цветные и благородные металлы.

Электролиз используют для очистки металлов от примесей (электролитического рафинирования¹), для анодирования² и окраски алюминия, обессоливания воды, обработки поверхностей металлических изделий, в гальванопластике³, гальваностегии⁴, электросинтезе.

2. Растворимость кислот, оснований и солей в воде

(при комнатной температуре)

Ионы	Н+	NН4+	Nа+	К+	Мg2+	Са2+	Ва2+
OН–		–	Р	Р	Н	М	Р
Сl–	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
Вr–	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
I–	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
S2–	Р	* *	Р	Р	–	М	Р
NО3–	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
РО43–	Р	–	Р	Р	Н	Н	Н
SО42–	Р	Р	Р	Р	Р	М	Н
СrО42–	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Н
МnО4–	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Н
СН3СОО–	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
СО32–	Р	Р	Р	Р	М	Н	Н
NО2–	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р

Р - хорошо растворимое вещество

(растворяется > 1 г в 100 г воды; с > 0,1 моль/л)

М - малорастворимое вещество

(растворяется от 0,1 до 1 г в 100 г воды; с 0,1 – 0,001 моль/л)

Н - практически нерастворимое вещество

(растворяется < 0,1 в 100 г воды; с < 0,001 моль/л)

Аl3+	Pb2+	Fe2+	Fe3+	Cu2+	Zn2+	Ag+	Ионы
Н	Н	Н	Н*	Н	Н	–	OН–
Р	М	Р	Р	Р	Р	Н	Сl–
Р	М	Р	Р	Р	Р	Н	Вr–
Р	М	Р	?	–	Р	Н	I–
–	Н	Н	–	Н	Н	Н	S2–
Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	NО3–
Н	Н	Н	Н	Н	Н	Н	РО43–
Р	Н	Р	Р	Р	Р	М	SО42–
?	Н	–	Н	М	М	Н	СrО42–
Р	Р	–	–	–	Р	М	МnО4–
–	Р	Р	–	Р	Р	М	СН3СОО–

– - вещество в воде разлагается (соль гидрализуется

? - нет достоверных данных о существовании вещества

* - в воде превращается в нерастворимое соединение FеО(ОН)

** - гидролизуется без образования осадка до NН₄НS и NН₃ · Н₂О