Законы электролиза Фарадея
- 1 year ago
- 0
- 0
Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах , который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита .
Электролиз является одним из лучших способов золочения или покрытия металла медью, золотом.
Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле , которое создаётся электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Катодом при электролизе называется отрицательный электрод, анодом — положительный . Положительные ионы — катионы (ионы металлов , водородные ионы, ионы аммония и др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду.
Реакции, происходящие при электролизе на электродах, называются вторичными. Первичными являются реакции диссоциации в электролите. Разделение реакций на первичные и вторичные помогло Майклу Фарадею установить законы электролиза.
С точки зрения химии, электролиз — окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита.
Электролиз широко применяется в современной промышленности . В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия , меди, водорода , диоксида марганца , пероксида водорода . Большое количество металлов извлекается из руд и подвергается переработке с помощью электролиза ( электроэкстракция , электрорафинирование ). Также электролиз является основным процессом, благодаря которому функционирует химический источник тока .
Электролиз находит применение в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции, электрофлотации).
Применяется для получения многих веществ (металлов, водорода, хлора и др.), при нанесении металлических покрытий ( гальваностегия ), воспроизведении формы предметов ( гальванопластика ).
В 1832 году Фарадей установил, что масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду , прошедшему через электролит:
Если через электролит пропускается в течение времени постоянный ток с силой тока , то
Коэффициент пропорциональности называется электрохимическим эквивалентом вещества . Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.
где — постоянная Фарадея .
Электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их молярным массам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую валентность.
Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы иона к его валентности . Поэтому электрохимический эквивалент
где — постоянная Фарадея .
Второй закон Фарадея записывается в следующем виде:
Не все вещества будут электролизироваться при пропускании электрического тока. Существуют некоторые закономерности и правила.
Катионы активных металлов | Катионы менее активных металлов | Катионы неактивных металлов |
---|---|---|
Li + , Cs + , Rb + , K + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + , Mg 2+ , Be 2+ , Al 3+ | Mn 2+ , Cr 3+ , Zn 2+ , Ga 3+ , Fe 2+ , Cd 2+ , In 3+ , Tl + , Co 2+ , Ni 2+ , Mo 4+ , Sn 2+ , Pb 2+ | Bi 3+ , Cu 2+ , Ag + , Hg 2+ , Pd 3+ , Pt 2+ , Au 3+ |
Тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением водорода | В водном растворе восстанавливается металл (при малой концентрации катионов в растворе — металл и водород) | Легко разряжаются, и восстанавливается только металл |
Анионы кислородсодержащих кислот и фторид-ион | Гидроксид-ионы ; анионы бескислородных кислот (кроме F − ) |
---|---|
PO 4 3− , CO 3 2− , SO 4 2− , NO 3 − , NO 2 − , ClO 4 − , F − | OH − , Cl − , Br − , I − , S 2− |
Тяжело разряжаются (только из расплавов), в водном растворе электролизу подвергается вода с выделением кислорода | Легко разряжаются |
Активные металлы, менее активные металлы и неактивные металлы в расплавах ведут себя одинаково.
Соль активного металла и бескислородной кислоты | Соль активного металла и кислородсодержащей кислоты | Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион |
---|---|---|
K(-): A(+): Вывод: |
K(-): A(+): Вывод: |
K(-): A(+): Вывод: |
Соль активного металла и бескислородной кислоты | Соль активного металла и кислородсодержащего кислотного остатка | Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион |
---|---|---|
K(-): A(+): Вывод: |
K(-): A(+): Вывод: |
K(-): A(+): Суммарно: Вывод: |
Соль менее активного металла и бескислородной кислоты | Соль менее активного металла и кислородсодержащей кислоты | Гидроксид |
---|---|---|
K(-): A(+): Вывод: |
K(-): A(+): Вывод: |
Невозможно: гидроксиды неактивных металлов нерастворимы в воде |
Для запоминания катодных и анодных процессов в электрохимии существует следующее мнемоническое правило:
В первой строке все слова начинаются с гласной буквы, во второй — с согласной.
Или проще:
Электролиз в газах, при наличии ионизатора, заключается в том, что при прохождении через них постоянного электрического тока наблюдается выделение веществ на электродах. Законы Фарадея в газах не действительны, но существуют несколько закономерностей: