Законы Фарадея. Выход по току

В 1933г. английский ученый Фарадей открыл законы, определяющие зависимость между количеством прошедшего электричества и количеством вещества, испытавшего химические превращения на электроде.

Первый закон Фарадея: масса вещества, образующегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству прошедшего через электролизер электричества:

m = kQ,

где m – количество вещества в граммах; Q – количество электричест-ва в кулонах (Кл), Q = It; I – сила тока в амперах (A); t – время в секундах; k – электрохимический эквивалент вещества, выражающий количество вещества, прореагировавшего в результате протекания единицы количества электричества.

Второй закон Фарадея: в последовательно включенных электролизерах массы выделившихся на электродах веществ прямо пропорциональны их эквивалентным массам:

m₁ : m₂ : m₃ = Э₁ : Э₂ : Э₃,

где Э – эквивалентная масса.

Если масса одного из превращенных веществ при прохождении определенного количества электричества оказалась равной его эквивалентной массе (m₁ = Э₁), то и для других веществ окажутся справедливыми равенства: m₂ = Э₂; m₃ = Э₃ и т.д.

Таким образом, для превращения эквивалентной массы любого вещества требуется одно и то же количество электричества, называемое числом Фарадея (F): F = 96500 Кл. На основании второго закона Фарадея можно записать:

k = Э/F.

Объединенное уравнение законов Фарадея:

,

где Э – эквивалентная масса; F – число Фарадея.

Для различных расчетов в электрохимии пользуются уравнениями, выражающими законы Фарадея. На законах Фарадея основан самый точный способ измерения количества электричества, прошедшего через электрическую цепь. Он заключается в определении количества вещества, выделившегося при электролизе на электроде. Для этого служат приборы, называемые кулонометрами. Использование кулонометров дает возможность опреде­лить долю полезно затраченного тока, т.е. тока, израсходованного на получение полезного продукта.

Объединенное уравнение законов Фарадея впоследствии было уточнено добавлением величины, названной выходом по току ŋ.

.

Выход по току – это отношение фактически полученного при электролизе вещества к теоретически рассчитанному количеству. Обычно выход по току ŋ выражается в процентах.

.

Можно иначе рассчитать выход по току:

Q^/ / Q ×100 %,

где Q^/ – количество полезно затраченного элект­ричества; Q – общее количество электричества, прошедшего через цепь.

Лабораторная работа № 4 электролиз водных растворов солей

Порядок выполнения работы. Клеммы "+", "-" выпрямителя соедините соответственно с клеммами стенда с надписью «Вход» длинными проводами. Короткими проводами соедините клеммы с надписью «Выход» с электродами, закрепленными в крышке. В химический стакан налейте соответствующий электролит, закройте крышкой с электродами. Для измерения силы тока по амперметру переведите рычаг на стенде в максимальное положение. Угольные электроды, бывшие в употреблении, тщательно зачистите наждачной бумагой.

Напишите отчет по следующей схеме:

1. Зарисуйте прибор, в котором осуществляется электролиз.

2. Напишите уравнения реакций, происходящих на аноде и катоде, и ответьте на вопросы соответствующего опыта.

3. Вычислите массу вещества, выделившегося на катоде и аноде, с учетом времени электролиза и показаний амперметра (время электролиза определяется преподавателем).

4. Вычислите выход по току (определите вес угольного стержня до опыта и после).

Опыт 1. Электролиз водного раствора сульфата натрия с инертным анодом.

Опустите в стакан с раствором сульфата натрия угольные электроды, соединенные с клеммами стенда. Что наблюдается на аноде и катоде? В катодное пространство капните несколько капель фенолфталеина. Как изменилась окраска раствора? Наличие какой среды подтверждает фенолфталеин? В анодное пространство капните несколько капель лакмуса. Как изменилась окраска раствора? Наличие какой среды подтверждает лакмус? Напишите уравнение реакций катодного и анодного процессов, протекающих при электролизе водного раствора сульфата натрия. Какой газ выделяется на катоде, аноде?

Опыт 2. Электролиз водного раствора сульфата цинка с инертным анодом.

Опустите в стакан с раствором сульфата цинка угольные электроды, соединенные с клеммами стенда. Что наблюдается на аноде и катоде? В анодное пространство капните несколько капель лакмуса. В какой цвет окрашивается раствор в анодном пространстве, почему? Какой газ выделяется на аноде и катоде?

Опыт 3. Электролиз раствора сульфата меди с активным анодом.

В стакан с водным раствором сульфата меди опустите угольный и медный электроды, соединенные с клеммами стенда. Какие процессы осуществляются на катоде и аноде? Напишите уравнения реакций. Выньте электроды и поменяйте их местами: медный электрод сделайте катодом, а угольный с имеющимся налетом меди – анодом. Какие процессы осуществляются на аноде и катоде? Напишите уравнения реакций. Какой газ выделяется на графитовом аноде после исчезновения медного налета?

Опыт 4. Электролиз водного раствора сульфата никеля с инертным анодом.

Опустите в стакан с водным раствором сульфата никеля угольные электроды, соединенные с клеммами стенда. Какое вещество выделяется на катоде? Какие газообразные вещества выделяются на катоде и аноде? Напишите уравнения реакций катодного и анодного процессов.