Калкулатор за електролиза - Масово отлагане (Закон на Фарадей)

Какво представлява калкулаторът за електролиза?

Калкулаторът за електролиза определя масата на метал, отложен върху електрод или разтворен от него по време на електролиза. Електролизата е процес, при който електрически ток предизвиква химична реакция, която не би протекла сама. Калкулаторът прилага закона на Фарадей за електролизата, като използва тока, времето и свойствата на избрания метал.

Как се изчислява масата при електролиза: формула на закона на Фарадей

Законът на Фарадей гласи, че масата на веществото, получено на електрод, е пропорционална на количеството електричен заряд, което преминава през него. Зарядът е равен на тока, умножен по времето, затова формулата обикновено се записва така:

$m = \frac{I \times t \times M}{z \times F}$

• m — маса на полученото или разтвореното вещество, в грамове
• I — ток, в ампери (A)
• t — време, в секунди (s)
• M — моларна маса на веществото, в грамове на мол (g/mol)
• z — валентност, броят на електроните, прехвърляни от всеки йон
• F — константа на Фарадей, 96 485 кулона на мол (C/mol)

Константата на Фарадей е наречена на английския учен Майкъл Фарадей. Тя е електричният заряд, пренасян от един мол електрони.

Защо валентността има значение

Валентността зависи от заряда на йона. Медният йон Cu²⁺ се нуждае от два електрона, за да се превърне в меден атом, затова валентността му е 2. Сребърният йон Ag⁺ се нуждае само от един електрон, затова валентността му е 1. Златният йон Au³⁺ се нуждае от три електрона, затова валентността му е 3. По-високата валентност означава, че за всеки атом са необходими повече електрони, затова при едно и също количество заряд се отлага по-малка маса.

Моларна маса и валентност на разпространени метали

Пример с решение

Ток от 1 ампер преминава през разтвор на меден сулфат в продължение на 1 час (3 600 секунди). Колко мед се отлага на катода — електрода, на който протича редукция?

• I = 1 А
• t = 3 600 сек
• M = 63,55 g/мол (мед)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96 485 C/мол

$m = \frac{1 \times 3600 \times 63.55}{2 \times 96485} = \frac{228780}{192970} \approx 1.18557 \text{ g}$

Отлагат се около 1,19 грама мед.

Втори пример: ток от 2 ампера преминава през разтвор на сребърен нитрат в продължение на 10 минути (600 секунди). Среброто има моларна маса 107,87 g/мол и валентност 1.

$m = \frac{2 \times 600 \times 107.87}{1 \times 96485} \approx 1.34160 \text{ g}$

Отлагат се около 1,34 грама сребро — повече, отколкото в примера с медта, главно защото среброто има по-ниска валентност.

Как се използва калкулаторът

Въведете тока в ампери и времето в секунди, след което изберете метал от списъка. Резултатът се обновява автоматично. Обичайни преобразувания на времето: 1 минута = 60 секунди, 1 час = 3 600 секунди, 1 ден = 86 400 секунди.

Приложения на електролизата

При галваничното покритие един метал се покрива с тънък слой от друг, например бижута се покриват със злато, а стоманени детайли — с никел, за да се предпазят от корозия. При рафинирането на метали електролизата се използва за пречистването им; така рафинираната мед може да достигне чистота над 99,9%. При електроизвличането метали като цинка се извличат от разтвор, получен от раздробена руда. Алуминият се произвежда по същия начин, но от алумина, разтворен в разтопена сол, вместо във вода. При електролизата на водата тя се разделя на водород и кислород — метод, използван за производството на водородно гориво.

Законът на Фарадей дава теоретичната максимална маса. При реалните процеси обикновено се отлага малко по-малко, тъй като част от тока предизвиква странични реакции вместо основната реакция. Това съотношение се нарича токова ефективност и обикновено е 90–98% при промишленото галванично покритие.

История на закона на Фарадей

През 1800 г. Алесандро Волта създава първата батерия, като така за първи път дава на учените постоянен източник на електрически ток. През същата година Уилям Никълсън и Антъни Карлайл я използват, за да разделят водата на водород и кислород — ранна демонстрация на електролиза. Между 1807 и 1808 г. Хъмфри Дейви използва електролиза, за да изолира няколко елемента, включително калий и натрий.

Майкъл Фарадей, който е работил като асистент на Дейви, провежда прецизни експерименти върху електролизата в началото на 1830-те години. През 1832 и 1834 г. той публикува два закона, описващи точната зависимост между електричния заряд и масата на полученото вещество. Той въвежда и термините електрод, анод, катод и йон — думи, които и днес се използват в химията.

Често задавани въпроси

Как се изчислява масата, отложена при електролиза? Умножете тока по времето, за да получите общия заряд, умножете го по моларната маса на веществото, след което разделете на произведението от валентността и константата на Фарадей: m = (I × t × M) / (z × F).

Какво представлява константата на Фарадей? Тя е електричният заряд, пренасян от един мол електрони, приблизително 96 485 кулона на мол.

Каква е разликата между анода и катода? Анодът е електродът, на който протича окисление и се губят електрони. Катодът е електродът, на който протича редукция и се приемат електрони. Когато метал се отлага от разтвор, той се образува на катода.

Влияе ли температурата върху резултата от изчислението? Температурата не присъства в закона на Фарадей, затова не променя изчислената маса. Тя може да повлияе върху реалната ефективност на процеса, тъй като по-високите температури често ускоряват страничните реакции.

Кои метали поддържа този калкулатор? Мед, сребро, злато, цинк, никел, желязо и алуминий, всеки със зададените си стандартна моларна маса и валентност. За всеки друг метал същата формула работи, ако са известни моларната му маса и валентността.

Защо действително отложената маса може да се различава от изчислената стойност? Законът на Фарадей приема, че целият ток участва в основната реакция. На практика част от тока се губи в странични реакции или съпротивление, затова реалните отлагания обикновено са малко по-леки от изчислената стойност. Съотношението между действителната и теоретичната маса се нарича токова ефективност.

Източници

1. Faraday, M. (1834). „Experimental Researches in Electricity. Seventh Series.“ Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 124, 77–122.
2. Bard, A. J., & Faulkner, L. R. (2000). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (2-ро изд.). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10-о изд.). Oxford University Press.