12.1.4. Законы Фарадея

Количественные законы электролиза, открытые М. Фарадеем, выражают связь между количеством прошедшего через электролит электричества, массой и химической природой веществ, претерпевших превращение на электродах.

1. Массы (m) веществ выделяемых на электродах при электролизе пропорциональны количеству электричества (q) прошедшего через электролит.

2. Массы различных веществ, подвергшихся электрохимическому превращениюх в результате прохождения через электролит одного и того же количества электричества, пропорциональны химическим эквивалентам (Э) этих веществ.

3. Для выделения из раствора электролита одного грамм-эквивалента любого вещества нужно пропустить через раствор F=96500 Кл электричества.

Математически законы Фарадея можно записать в виде одного уравнения:

(12.6)

(коэффициент называется электрохимическим эквивалентом).

Законы Фарадея записываются также в другой форме:

(12.7)

В случае определения объема выделившегося газа (на катоде, аноде) при электролизе используется следующая формула:

(12.8)

В приведенных уравнениях:

m – масса восстановленного или окисленного вещества, кг;

I – сила тока, пропускаемого через электролизер, А;

M – молярная масса восстановленного или окисленного внещества, кг/моль;

V – объем выделившегося газа, м³;

– объем, занимаемый 1 молем газа при нормальных условиях.

12.2. Примеры решения задач

Пример 1.

Составить электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе водного раствора сульфата меди с использованием:

а) инертных электродов;

б) медных электродов.

Решение.

CuSO₄ диссоциирует в растворе по уравнению:

а) для инертных электродов:

На катоде происходит восстановление ионов меди и образуется медь по реакции: , т.к. Cu расположен в ряду напряжений правее водорода.

На аноде окисляется вода и образуется кислород по реакции: .

Составляем уравнения полуреакций:

б) для медных электродов:

Медь выделяется на катоде, анод растворяется, а количество CuSO₄ в растворе в течении всего процесса остается неизменным.

Таким образом, на катоде так же как и в случае инертных электродов восстанавливается медь: , а на аноде происходит окисление меди (растворение анода) по реакции:

Составляем уравнения полуреакций:

Пример 2.

Составить электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе расплава хлорида калия.

Решение.

КCl в расплаве диссоциирует по уравнению:

На катоде происходит восстановление ионов калия и образуется калий по реакции: .

На аноде окисляются ионы хлора и образуется хлор по реакции: .

Составляем уравнения полуреакций:

Пример 3.

Составить электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе:

а) расплава гидроксида калия;

б) раствора гидроксида калия с инертными (нерастворимыми) электродами.

Решение.

KOH диссоциирует по уравнению:

а) для расплава гидроксида калия:

На катоде происходит восстановление ионов калия и образуется калий по реакции: .

На аноде окисляются анионы и образуется кислород по реакции: .

Составляем уравнения полуреакций:

б) для раствора гидроксида калия с инертными (нерастворимыми) электродами:

Так как калий расположен в ряду напряжений левее водорода, то на катоде происходит восстановление воды и образуется водород по реакции: .

На аноде окисляются анионы и образуется кислород по реакции: .

Составляем уравнения полуреакций:

Таким образом электролиз раствора гидроксида калия сводится к электролизу воды.

Пример 4.

Определить массу металлического никеля, выделившегося на катоде при пропускании через раствор сульфата никеля NiSO₄ тока силой 5 ампер в течение 10 минут?

Решение.

Воспользовавшись формулой (12.7), запишем:

В указанной формуле:

M=58,69 г/моль – молярная масса никеля;

n=2 – число электронов, участвующих в процессе окисления-восстановления;

I=5 A – сила тока, пропускаемого через электролизер;

– время протекания тока.

Пример 5.

При электролизе раствора сульфата меди подается ток силой 10 А и используется медный анод массой 9 г. Сколько времени может протекать электролиз до полного растворения анода?

Решение.

Воспользуемся формулой (12.7). Выразим из нее время:

В указанной формуле:

M=63,5 г/моль – молярная масса меди;

n=2 – число электронов, участвующих в процессе окисления-восстановления;

I=10 A – сила тока, пропускаемого через электролизер;

m=9 г – масса анода (масса меди, которая восстановится на катоде.

Пример 6.

Сколько времени нужно пропускать через раствор кислоты ток силой 8 А, чтобы получить 10 л водорода (при н. у.)?

Решение.

Воспользовавшись формулой (12.8), выразим из нее время:

.

Пример 7.

Сколько граммов KOH образовалось у катода при электролизе раствора K₂SO₄, если на аноде выделилось 11,2 л кислорода, измеренного при нормальных условиях?

Решение.

При электролизе K₂SO₄ на катоде и аноде протекают следующие процессы:

Из уравнения реакции видно, что n=4, соответственно на один моль кислорода выделяется 4 моля KOH. 11,2 л кислорода составляют . Тогда KOH образуется 2 моль или , где M=56 г/моль – молярная масса гидроксида калия.

Пример 8.

Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен – 2,41 В. Вычислите концентрацию ионов магния в моль/л.

Решение.

Стандартный потенциал магния берем из приложения Д.

Задача решается на основании уравнения Нернста (12.4):