Количественные характеристики электролиза

Соотношения между количеством электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита, и количеством вещества, выделившегося при электролизе, были открыты английским физиком М. Фарадеем в 30-х годах XIX века и сформулированы в виде законов.

1-й закон Фарадея: масса вещества, испытавшего электрохимическое превращение на электроде, прямо пропорциональна количеству прошедшего электричества:

где m – масса вещества, г; M_э – молярная масса эквивалента вещества, г/моль; I – сила тока, А; τ – время процесса, с; F – постоянная Фарадея, равная 96485 Кл/моль.

Единицы количества электричества: 1 фарадей = 96485 кулонов = 26,8 ампер-часа; 1 ампер-час (а-ч) = 3600 кулонов.

Один фарадей электричества выделяет один моль эквивалента вещества. Количество вещества, выделяемого одним кулоном электричества, называется электрохимическим эквивалентом данного вещества.

Произведение силы тока (I) на время (τ) равняется количеству электричества (Q), прошедшего через цепь.

Молярную массу эквивалента вещества (M_э) можно рассчитать исходя

из молярной массы вещества (М) и количества электронов, участвующих в

электродном процессе (n):

Для расчёта количества выделяющихся при электролизе газов удобнее пользоваться эквивалентным объёмом:

где V – объём выделяющегося газа, л; V_э – объем одного моля эквивалента газа, л/моль.

Объем одного моля эквивалента газа рассчитывается путем деления молярного объема газа на число электронов, участвующих в полуреакции получении соответствующего газа на электроде.

Пример 6. Определите массу и объем продуктов электролиза раствора хлорида меди (II) с инертными электродами, если через раствор пропустили ток силой 2А в течение 1 часа.

Решение:

Суммарное уравнение электролиза: CuCl₂ Сu + Сl₂

Расчет массы и объема продуктов электролиза:

Пример 7. Найти объем кислорода (условия нормальные), который выделится при пропускании тока силой 6А в течение 30 мин через водный раствор KOH.

Решение: При вычислении объемов выделившихся газов воспользуемся уравнением:

,

Поскольку объем одного моля эквивалента кислорода равен 5,6 л/моль, то получим

2-й закон Фарадея: массы прореагировавших на электродах веществ, при постоянном количестве электричества, относятся друг к другу как их молярные массы эквивалентов:

При электролизе во многих случаях выделяется меньше вещества, чем

должно получиться по законам Фарадея. Это объясняется тем, что наряду с основными электродными процессами окисления и восстановления практически всегда протекают побочные реакции (взаимодействие образовавшихся при электролизе веществ с электролитом, выделение наряду с металлом на катоде водорода и др.). Кроме того, часть электрической энергии тратится на преодоление сопротивления электролита.

Поэтому для экономической оценки процесса электролиза вводят такие понятия, как выход по току и расход энергии на получение единицы продукции энергии.

Выход по току – это выраженное в процентах отношение количества

фактически затраченного электричества (Qфакт) к теоретически необходимому(Qтеор):

Иногда в задачах используется выход по току, рассчитанный как степень отклонения массы фактически прореагировавшего на электроде вещества (mфакт) к теоретически рассчитанной по закону Фарадея (mтеор):

Пример 8.. При электролизе водного раствора АgNO₃ с нерастворимым анодом в течение 50 мин. при силе тока в 3,0 А на катоде выделилось 9,6 г серебра. Вычислить выход по току.

Решение:

Выход по току находим как , где

Совместим обе формулы и проведем вычисление:

.

Выход по энергии – это количество электрической энергии (выраженное в кВт·час), затраченное на весовую единицу полученного продукта:

где I – сила тока, А; τ – продолжительность процесса электролиза, ч;

U – рабочее напряжение, В; m – масса полученного продукта, г.

Толщину слоя металлического покрытия вычисляют по формуле:

где h – толщина покрытия, мкм; ρ – плотность металла, г/см³; В_Т – выход металла по току, %; m_Э – молярная масса эквивалента металла, г/моль;

F – постоянная Фарадея, Кл или А-ч; τ – продолжительность электролиза, с. или час; i_К – катодная плотность тока, А/см².

Плотность некоторых металлов равна:

цинка – 7, 1 г/см³, олова – 7, 3 г/см³, меди – 8, 9 г/см³, никеля – 8, 8 г/см³.

Пример 9. Сколько времени нужно пропускать ток силой 2,0 А через раствор сульфата никеля, чтобы покрыть металлическую пластинку с площадью поверхности равной 200 см² слоем никеля, толщиной 0,01 мм, если плотность никеля 8,9 г/см³. Выход по току составляет 90 %.

Решение:

Объем покрытия: V= S×h = 200 × 0,001 = 0.2 см³

Масса покрытия: m_факт = V × r = 0,2 × 8,9 = 1,78 г.

Молярная масса эквивалента никеля M_э = 29,345 г/моль.

Из уравнения выразим время:

= 3251 с = 54,19 мин.

Пример 10. Определите толщину слоя платины (в миллиметрах), нанесенной на другой металл гальваническим методом. Исходный электролит H₂[PtCl₆]. Площадь поверхности металлической пластинки 250 см², плотность пластины 21,47 г/см². Время электролиза 45 мин, ток силой 0,2 А, выход по току составляет 90%.

Решение:

Зная выход по току, определяем количество выделенного при электролизе вещества:

Тогда объем покрытия: и толщина слоя: .

---

Дата добавления: 2015-12-08