11.10 Законы Фарадея

Изучая процесс электролиза, английский учёный М. Фарадей установил количественные соотношения при электролизе, которые выражаются двумя законами.

Первый закон Фарадея: массы веществ, выделяющихся на электродах при электролизе, прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита .

Второй закон Фарадея: одинаковые количества электричества выделяют на электродах массы различных веществ, пропорциональные молярным массам их эквивалентов.

Для выделения одного моля эквивалентов любого вещества необходимо одно и то же количество электричества, равное 96500 Кл, называемое числом Фарадея (F).

Оба закона Фарадея можно выразить общей формулой

M_ЭК × I t

m = ----------------, где (6)

F

m - масса выделившегося на электроде вещества, г;

M_ЭК – молярная масса эквивалентов вещества, г/моль;

I – сила тока в амперах, А;

t – продолжительность электролиза в секундах, с;

F – число Фарадея, равное 96500 Кл.

Если I = 1А, t = 1 с и, следовательно, Q = I t = 1Кл, то М_ЭК/F называется молярной массой электрохимического эквивалента вещества – это масса вещества, выделившегося на электроде током силой в 1 А в течение 1 с или количеством электричества 1 Кл.

М_ЭК для элементов определяется как

М_ЭК = М/В, где (7)

М – молярная масса элемента, г/моль;

В – валентность элемента.

Если на электродах выделяются газообразные вещества, то вместо формулы (6) можно воспользоваться

V_ЭК × I t

V = --------------, где (8)

F

V – объём выделившегося на электроде газообразного вещества, л;

V_ЭК – объём моля эквивалентов газообразного вещества при н.у. Так, объём моля эквивалентов водорода (н.у.) равен половине объёма моля молекул водорода V_ЭК (H₂) = 11,2 л, а V_ЭК (О₂) = 5,6 л.

При электролизе во многих случаях наряду с основными процессами окисления и восстановления протекают параллельные реакции, например, реакция образовавшегося вещества с электродом или электролитом, выделением на катоде наряду с металлом водорода. Это приводит к тому, что масса вещества, полученного при электролизе, часто меньше той, которая соответствует количеству электричества, прошедшего через электролит.

Отношение массы реально выделенного вещества на электроде (m₁) к теоретической (m), умноженной на 100, называется выходом по току h

m₁ × 96500

h = ---------------- × 100% (9).

M_ЭК × I t

Приведём несколько примеров решения задач.

Пример 1. Определить массу меди, которая выделится на катоде при электролизе раствора сульфата меди (II) в течении 20 мин. при силе тока 4 А. Составить схему электролиза водного раствора CuSO₄.

Решение. Определим М_ЭК (Cu) = М (Cu)/В = 63,54/2 = 31,77 г/моль и подставив в формулу (6), числовые значения М_ЭК (Cu), I и t (1200 с), получим массу меди, которая должна выделиться на катоде

31,77 × 4 ×1200

m = -------------------- = 1,58 г.

96500

Схема электролиза раствора CuSO₄

CuSO₄ Û Cu²⁺ + SO₄^2-

катод (-) Cu²⁺ + 2`e ® Cu⁰ | 2

анод (+) 2H₂O - 4`e ® O₂ + 4H⁺| 1

2Cu²⁺ + 2H₂O ® 2Cu⁰ + O₂ + 4H⁺

или 2CuSO₄ + 2H₂O ® 2Cu⁰ + O₂ + 2H₂SO₄