Przeczytaj

Reakcje zachodzące z wymianą elektronówelektronelektronów rządzą się swoimi prawami. Są zdefiniowane jednoznacznie za pomocą wzorów, które z powodzeniem stosuje się do rozwiązywania problemów matematycznych, związanych z procesami elektrolizy.

Elektroliza polega na przemianie chemicznej, wywołanej przepływem prądu elektrycznego. Przebiega w środowisku, w którym znajdują się substancje zdolne do rozpadu na jony. Dlatego w dużym uproszczeniu można powiedzieć, że elektroliza jest zjawiskiem rozpadu związków chemicznych na jony.

Podstawowe prawa elektrolizy zostały sformułowane przez Michaela Faraday'a. Określają związek pomiędzy ładunkiem elektrycznym, przepływającym przez roztwór, a masą substancji wydzielonej na elektrodach, w wyniku oddziaływania ładunków z substancją.

bg‑gray3

Prawa elektrolizy

ROj7LLSJMzKwA

Czarno-biała fotografia portretowa Michaela Faradaya. Na zdjęciu jest starszy mężczyzna, ma siwe włosy, ubrany jest w garnitur z muchą. — Michael Faraday
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Michael Faraday (22.09.1791‑25.09.1867) był angielskim fizykiem i chemikiem. W 1834 r. sformułował dwa prawa, zwane obecnie prawami Faraday'a. Faraday zdefiniował także stałą fizyczną, która oznacza ładunek elektryczny przypadający na jeden mol elektronów. Stała ta, nazwana stałą Faraday'a, została obliczona w następujący sposób:

{F = N}_{A} e

gdzie:

$F$ – stała Faraday'a;
$N_{A}$ – stała Avogadra [ ${6,02 · 10}^{23} \frac{1}{mol}$ ];
$e$ – ładunek elektronu [ $1,06 {\cdot 10}^{- 19} C$ ].

Podstawiając wartości do wzoru, otrzymujemy równanie:

{F = 6,02 · 10}^{23} \frac{1}{mol} · 1,06 {\cdot 10}^{- 19} C = 96485,33 \frac{C}{mol}

bg‑gray1

Stała Faraday'a wynosi zatem $96485,33 \frac{C}{mol}$

I prawo elektrolizy

Masa substancji wydzielonej na elektrodzieelektrodaelektrodzie, w wyniku procesu elektrolizyelektrolizaelektrolizy, jest wprost proporcjonalna do ładunku przepływającego przez elektrolitelektrolitelektrolit.

m = k · I · t = k · Q

gdzie:

k – równoważnik elektrochemicznyrównoważnik elektrochemicznyrównoważnik elektrochemiczny;
I – natężenie prądu $[A]$ ;
t – czas trwania elektrolizy $[s]$ ;
m – masa substancji wydzielonej na elektrodzie $[g]$ ;
Q – ładunek elektryczny $[C]$ $(Q = I \cdot t)$ .

Równoważnikiem elektrochemicznymrównoważnik elektrochemicznyRównoważnikiem elektrochemicznym nazywamy wartość, która jest równa masie substancji, wydzielonej przy przepływie przez elektrolit ładunku elektrycznego równego $1 C$ . Wzór na równoważnik elektrochemiczny zapisujemy w następujący sposób:

k = \frac{M}{n · F}

gdzie:

k – równoważnik elektrochemiczny [ $\frac{g}{C}$ ];
M – masa molowa substancji wydzielonej na elektrodzie [ $\frac{g}{mol}$ ];
n – liczba elektronów biorąca udział w reakcji, w której powstaje 1 mol substancji o masie molowej M;
F – stała Faradaya [ $96485,33 \frac{C}{mol}$ ].

Przykład 1

Oblicz masę miedzi wydzielonej na elektrodzie podczas elektrolizy wodnego roztworu ${CuCl}_{2}$ , prowadzonej prądem o natężeniu 35 A w czasie pięciu godzin. Do rozwiązania zadania niezbędne jest obliczenie równoważnika elektrochemicznego.

Zapisz równania elektrolizy.

{CuCl}_{2} \to {Cu}^{2 +} + 2 {Cl}^{-}

K (-) {Cu}^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu

A (+) 2 {Cl}^{-} \to {Cl}_{2} + 2 e^{-}

Oblicz równoważnik elektrochemiczny, czyli masę substancji wydzielonej na elektrodzie (w tym przypadku miedzi) przy przepływie przez elektrolit ładunku elektrycznego $1 C$ .

k = \frac{M}{n · F}

M_{Cu} = 63,55 \frac{g}{mol}

k = \frac{63,55 \frac{g}{mol}}{2 \cdot 96485,33 \frac{C}{mol}} = 3,29 \cdot 10^{- 4} \frac{g}{C}

Oblicz masę miedzi, korzystając z pierwszego prawa Faradaya, które mówi, że masa substancji wydzielonej na elektrodzie, w wyniku procesu elektrolizy, jest wprost proporcjonalna do ładunku przepływającego przez elektrolit. Skorzystaj ze wzoru:

m_{Cu} = k \cdot I \cdot t

m_{Cu} = 3,29 \cdot 10^{- 4} \frac{g}{C} \cdot 35 A \cdot 18000 s = 207,47 g

Podczas procesu elektrolizy wydzieli się 207,47 g miedzi.

bg‑gray1

II prawo elektrolizy

Masy różnych substancji wydzielone na elektrodach podczas przepływu jednakowego ładunku elektrycznego są proporcjonalne do ich równoważników elektrochemicznych.

\frac{m_{1}}{m_{2}} = \frac{k_{1}}{k_{2}}

gdzie:

$m_{1}$ – masa pierwszej substancji wydzielonej na elektrodzie;
$m_{2}$ – masa drugiej substancji wydzielonej na elektrodzie;
$k_{1}$ – równoważnik elektrochemiczny pierwszej substancji;
$k_{2}$ – równoważnik elektrochemiczny drugiej substancji.

Przykład 2

W czasie elektrolizy wodnego roztworu ${CuCl}_{2}$ na katodzie wydzieliło się 95,32 g miedzi. Jaka jest masa chloru wydzielonego na anodzie?

Zapisz równania elektrolizy.
${CuCl}_{2} \to {Cu}^{2 +} + 2 {Cl}^{-}$

K (-) {Cu}^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu

A (+) 2 {Cl}^{-} \to {Cl}_{2} + 2 e^{-}

Zapisz wszystkie dane z zadania.
$m_{Cu} = 95,32 g$
$M_{Cu} = 63,55 \frac{g}{mol}$
$M_{{Cl}_{2}} = 70,89 \frac{g}{mol}$
Z II prawa elektrolizy wiesz, że masa różnych substancji wydzielone na elektrodach podczas przepływu jednakowego ładunku elektrycznego są proporcjonalne do ich równoważników elektrochemicznych.
$\frac{m_{Cu}}{m_{{Cl}_{2}}} = \frac{k_{Cu}}{k_{{Cl}_{2}}}$
Przekształć wzór, aby móc obliczyć masę chloru wydzielonego na katodzie.
$m_{{Cl}_{2}} {= m}_{Cu} · \frac{k_{{Cl}_{2}}}{k_{Cu}}$
Zapisz wzory na równoważniki elektrochemiczne obu substancji.
$k_{Cu} = \frac{M_{Cu}}{n · F}$
$k_{{Cl}_{2}} = \frac{M_{{Cl}_{2}}}{n · F}$
Przez roztwór płynie prąd o jednakowym natężeniu, a w reakcji biorą udział dwa elektrony.
$n = 2$
$F = 96485,33 \frac{C}{mol}$
Oblicz równoważniki elektrochemiczne obu substancji.
$k_{{Cl}_{2}} = \frac{70,89 \frac{g}{mol}}{2 · 96485,33 \frac{C}{mol}} = 3,67 \cdot 10^{- 4} \frac{g}{C}$
$k_{Cu} = \frac{63,55 \frac{g}{mol}}{2 · 96485,33 \frac{C}{mol}} = 3,29 \cdot 10^{- 4} \frac{g}{C}$
Oblicz masę wydzielonego chloru.
$m_{{Cl}_{2}} = 95,32 g· \frac{3,67 \cdot 10^{- 4} \frac{g}{C}}{3,29 \cdot 10^{- 4} \frac{g}{C}} = 106,76 g$
Masa chloru wydzielonego na anodzie wynosi 106,76 g.

Słownik

elektron

(gr. ḗlektron „bursztyn”) cząstka elementarna o masie $m_{e} = 0,510 998902 (21) \frac{M e V}{c^{2}}$ ( $9,109 38188 (72) \cdot 10^{- 31} k g$ ) i ładunku elektrycznym $e = 0 - 1,602 176462 (63) \cdot 10^{- 19} C$

elektroda

(gr. ḗlektron „bursztyn”, hodós „droga”) element przewodzący prąd

elektroliza

(gr. ḗlektron „bursztyn”, lýsis „rozłożenie”) podstawowy proces elektrochemiczny, który polega na chemicznej przemianie składników elektrolitu (a często i materiału elektrod) i przebiega na elektrodach pod wpływem przepływu prądu elektrycznego

elektrolit

(gr. ḗlektron „bursztyn”, lytós „rozpuszczalny”) chem. przewodnik elektryczny jonowy (zwany też przewodnikiem drugiego rodzaju), w którym poruszające się jony przenoszą ładunki elektryczne i przewodzenie prądu zawsze jest związane z transportem masy

równoważnik elektrochemiczny

wartość równa masie substancji wydzielonej przy przepływie przez elektrolit ładunku elektrycznego $1 C$

Bibliografia

M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.

Wprowadzenie

Film samouczek

Prawa elektrolizy

I prawo elektrolizy

II prawo elektrolizy

Słownik

Bibliografia