Kalkulátor elektrolýzy - Hmotnostní depozice (Faradayův zákon)

Co je kalkulačka elektrolýzy?

Kalkulačka elektrolýzy vypočítá hmotnost kovu vyloučeného na elektrodě nebo rozpuštěného z elektrody během elektrolýzy. Elektrolýza je proces, při kterém elektrický proud vynucuje chemickou reakci, jež by sama neproběhla. Kalkulačka používá Faradayův zákon elektrolýzy a zohledňuje proud, čas a vlastnosti zvoleného kovu.

Jak vypočítat hmotnost vyloučenou elektrolýzou: vzorec podle Faradayova zákona

Faradayův zákon říká, že hmotnost látky vzniklé na elektrodě je úměrná velikosti elektrického náboje, který jí prochází. Náboj se rovná součinu proudu a času, takže vzorec se obvykle zapisuje takto:

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

• m — hmotnost vzniklé nebo rozpuštěné látky v gramech
• I — elektrický proud v ampérech (A)
• t — čas v sekundách (s)
• M — molární hmotnost látky v gramech na mol (g/mol)
• z — mocenství, tedy počet elektronů přenesených na jeden ion
• F — Faradayova konstanta, 96 485 coulombů na mol (C/mol)

Faradayova konstanta je pojmenována po anglickém vědci Michaelu Faradayovi. Představuje elektrický náboj nesený jedním molem elektronů.

Proč záleží na mocenství

Mocenství závisí na náboji iontu. Iont mědi Cu²⁺ potřebuje dva elektrony, aby se stal atomem mědi, takže jeho mocenství je 2. Iont stříbra Ag⁺ potřebuje pouze jeden elektron, takže jeho mocenství je 1. Iont zlata Au³⁺ potřebuje tři elektrony, takže jeho mocenství je 3. Vyšší mocenství znamená, že na jeden atom je potřeba více elektronů, a proto se při stejném náboji vyloučí menší hmotnost.

Molární hmotnost a mocenství běžných kovů

Příklad výpočtu

Proud 1 ampéru prochází roztokem síranu měďnatého po dobu 1 hodiny (3 600 sekund). Kolik mědi se vyloučí na katodě, elektrodě, na níž probíhá redukce?

• I = 1 A
• t = 3 600 s
• M = 63,55 g/mol (měď)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96 485 C/mol

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

Vyloučí se přibližně 1,19 gramu mědi.

Druhý příklad: proud 2 ampérů prochází roztokem dusičnanu stříbrného po dobu 10 minut (600 sekund). Stříbro má molární hmotnost 107,87 g/mol a mocenství 1.

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

Vyloučí se přibližně 1,34 gramu stříbra, tedy více než v příkladu s mědí, především proto, že stříbro má nižší mocenství.

Jak kalkulačku používat

Zadejte proud v ampérech a čas v sekundách a poté ze seznamu vyberte kov. Výsledek se aktualizuje automaticky. Běžné převody času: 1 minuta = 60 sekund, 1 hodina = 3 600 sekund, 1 den = 86 400 sekund.

Aplikace elektrolýzy

Galvanické pokovování nanáší na jeden kov tenkou vrstvu jiného kovu, například zlato na šperky nebo nikl na ocelové součásti za účelem ochrany proti korozi. Rafinace kovů využívá elektrolýzu k jejich čištění; takto rafinovaná měď může dosáhnout čistoty přes 99,9 %. Elektrolýza vylučuje zinek z roztoku připraveného z rozdrcené rudy. Stejným způsobem se vyrábí hliník, avšak z oxidu hlinitého rozpuštěného v lázni roztavené soli namísto ve vodě. Elektrolýza vody štěpí vodu na plynný vodík a kyslík; tato metoda se používá k výrobě vodíkového paliva.

Faradayův zákon udává teoretickou maximální hmotnost. Skutečné procesy obvykle vyloučí o něco méně, protože část proudu pohání vedlejší reakce namísto hlavní reakce. Tento poměr se nazývá proudová účinnost a při průmyslovém pokovování obvykle činí 90–98%.

Historie Faradayova zákona

V roce 1800 sestrojil Alessandro Volta první baterii, čímž vědcům poprvé poskytl stálý zdroj elektrického proudu. V témže roce ji William Nicholson a Anthony Carlisle použili k rozštěpení vody na vodík a kyslík, což byla raná ukázka elektrolýzy. V letech 1807 až 1808 použil Humphry Davy elektrolýzu k izolaci několika prvků včetně draslíku a sodíku.

Michael Faraday, který pracoval jako Davyho asistent, prováděl na začátku 1830. let pečlivé pokusy s elektrolýzou. V letech 1832 a 1834 zveřejnil dva zákony popisující přesný vztah mezi elektrickým nábojem a hmotností vzniklé látky. Zavedl také termíny elektroda, anoda, katoda a ion, které se v chemii používají dodnes.

Často kladené otázky

Jak vypočítáte hmotnost vyloučenou během elektrolýzy? Vynásobte proud časem, abyste získali celkový náboj, ten vynásobte molární hmotností látky a výsledek vydělte součinem mocenství a Faradayovy konstanty: m = (I × t × M) / (z × F).

Co je Faradayova konstanta? Je to elektrický náboj nesený jedním molem elektronů, přibližně 96 485 coulombů na mol.

Jaký je rozdíl mezi anodou a katodou? Anoda je elektroda, na níž probíhá oxidace a dochází ke ztrátě elektronů. Katoda je elektroda, na níž probíhá redukce a elektrony se přijímají. Když se kov vylučuje z roztoku, vzniká na katodě.

Ovlivňuje teplota výsledek výpočtu? Teplota se ve Faradayově zákoně nevyskytuje, takže vypočtenou hmotnost nemění. Může však ovlivnit skutečnou účinnost procesu, protože vyšší teploty často urychlují vedlejší reakce.

Které kovy tato kalkulačka podporuje? Měď, stříbro, zlato, zinek, nikl, železo a hliník, každý se svou standardní molární hmotností a mocenstvím. U jakéhokoli jiného kovu funguje stejný vzorec, pokud jsou známy jeho molární hmotnost a mocenství.

Proč se může skutečná hmotnost vyloučeného kovu lišit od vypočtené hodnoty? Faradayův zákon předpokládá, že veškerý proud směřuje do hlavní reakce. V praxi se část proudu spotřebuje na vedlejší reakce nebo překonání odporu, takže skutečně vyloučené množství bývá o něco menší než vypočtená hodnota. Poměr skutečné a teoretické hmotnosti se nazývá proudová účinnost.

Reference

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. vydání). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P. a de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. vydání). Oxford University Press.