Электролиз. Законы Фарадея

Электролиты

Это вещества, при растворении (или плавлении) которых составляющие их молекулы распадаются на части (обычно на две), имеющие электрический заряд; то есть на частицы, называемые ионами.

Если создать в растворе электролита электрическое поле, на ионы будут действовать силы, и в случае отсутствия препятствий к их движению возникнет электрический ток, текущий через раствор. Раствор электролита – жидкость, разумеется! – налит в сосуд, в который вставлены электроды. Сосуд называется электролитической ванной, положительно заряженный электрод – анодом, а отрицательно – соответственно, катодом.

Явление электролиза

Рассмотрим подробнее электролиз, то есть процесс, протекающий в такой ванне: заряженные частицы подходят к электродам и отдают лишние или получают недостающие электроны. В большинстве случаев недостает электронов ионам какого-нибудь металла, подойдя к катоду (поэтому такие положительно заряженные ионы называют катионами), ионы металла получают электроны и уже в виде полноценных атомов… осаждаются на катод. Таким образом, масса катода растет со временем, его можно периодически взвешивать для того, чтобы определять, сколько металла на катоде прибыло. Попробуем разобраться, чем это количество обусловлено.

Если за время $τ$ масса катода увеличилась на $m$, то на катод осело количество атомов $N = \frac{N_Am}{\mu}$, где $N_A$ – число Авогадро, а $\mu$ – масса моля металла. Пусть заряд иона $ke$, где $k$ – натуральное число, а $е$ – заряд протона, тогда ионы металла перенесли заряд $qm = Nke$, такой же заряд противоположного знака перенесли анионы, а если выразить его величину через силу тока в ванне, то $I = \frac{qm}{τ} = \frac{N_Amke}{\mu τ}$, а значит осевшая на катоде масса $m =\frac {Iτ \mu}{N_Ake} = Iτ[\frac{\frac{\mu}{k}}{N_Ae}]$.

Законы электролиза

Полученная формула «подтверждает» два закона, открытых в середине XIX века великим английским физиком Фарадеем:

1. Количество вещества $m$, образовавшегося на электроде при электролизе, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через электролит $Iτ$, т.е. $m = \const Iτ, потому как для конкретного металла выражение в квадратных скобках является константой.

2. Для данного количества электричества (электрического заряда $Iτ$) масса химического элемента, осажденного на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента, то есть его молярной массе $\mu$ , деленной на целое число $k$, зависящее от химической реакции, в которой был получен электролит. Грубо говоря, $k$ – это валентность металла в данной реакции или заряд иона металла, выраженный в единицах заряда протона.

Электролиз +

И вот сейчас вроде бы можно испытать известную гордость: если Фарадей, открывший эти законы, великий (правда, он еще много чего другого наоткрывал!), то и мы вроде бы не лыком шиты, раз смогли их так изящно, в две строчки, обосновать. Ан нет, увы нам: Фарадей потому и великий, что во времена, когда ничего не было известно ни об электронах, ни об ионах, ни о числах Авогадро и многом-многом прочем, он своим гениальным прозрением сумел так осознать и осмыслить огромное количество экспериментального материала, наработанного собственным денным и нощным трудом, что все результаты подчинилось двум несложным правилам, осветившим ярким факелом дорогу дальнейшего развития и физики, и химии. Это все равно что покорить Эверест и посмотреть фильм о покорении Эвереста, так вот мы – просто зрители, но хоть понимаем, про что кино, и то хорошо.

Применим полученные знания к решению задачи.

Задача

В процессе электролиза под действием тока плотностью 300 А/м2 на электроде выделился слой меди толщиной 0,03 мм. В течение какого времени протекал процесс?

Дано:
$d=3\cdot10-5$ м
$j=300$ А/м2
$τ$ = $?$

Решение

Для решения воспользуемся вторым законом Фарадея. Если площадь электрода $S$, плотность меди $ρ$, то выделившаяся при электролизе масса $m = ρSd = jSτ[\frac{\frac{μ}{2}}{N_Ae}]$, поскольку в данных обстоятельствах сила тока $I = jS$, а валентность меди равна 2.

Кроме того, согласно справочнику плотность меди $ρ =8,9 \cdot 103$ кг/м3, а масса моля меди $\mu = 0,0635$ кг/моль.

Следовательно, $τ = \frac{2ρdN_Ae}{j\mu}$, т.е. $τ = \frac{2\cdot8,9\cdot103\cdot3\cdot10-5\cdot6\cdot1023\cdot1,6\cdot10-19}{300\cdot63,5\cdot10-3} = 27\cdot102$ с = $45$ мин.

Ответ: $τ = \frac{2ρdN_Ae}{j\mu} = 45$ минут.

Не знаете, сколько стоит статья по физике на заказ? Обратитесь к нашим экспертам!

Тест по теме «Электролиз. Законы Фарадея»