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. Je to elektrický náboj, který nese jeden mol elektronů. Její naměřená hodnota je 96 485,33212 C/mol; kalkulačka ji zaokrouhluje na 96 485.

Proč záleží na mocenství

Mocenství závisí na náboji iontu. Ion mědi Cu²⁺ potřebuje dva elektrony, aby se stal atomem mědi, takže jeho mocenství je 2. Ion stříbra Ag⁺ potřebuje pouze jeden elektron, takže jeho mocenství je 1. Ion 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

Níže uvedené molární hmotnosti jsou standardní atomové hmotnosti zveřejněné Komisí IUPAC pro izotopové zastoupení a atomové hmotnosti, zaokrouhlené na dvě desetinná místa. Například měď má 63,546 a stříbro 107,8682.

Praktický příklad

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 používat kalkulačku

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 pokrývá jeden kov tenkou vrstvou jiného, například pozlacování šperků nebo niklování ocelových dílů jako ochrana proti korozi. Rafinace kovů využívá elektrolýzu k čištění kovů, například mědi. Elektrolytická extrakce získává kovy, například zinek a hliník, z rozpuštěných rud. Elektrolýza vody rozkládá vodu na plynný vodík a kyslík, což je metoda používaná k výrobě vodíkového paliva.

Faradayův zákon udává teoretickou maximální hmotnost. Skutečné procesy obvykle vyloučí o něco méně, protože část proudu pohání vedlejší reakce místo hlavní. Poměr skutečné a teoretické hmotnosti se nazývá proudová účinnost.

Historie Faradayova zákona

Elektrolýza se stala možnou, když baterie poskytla vědcům stálý elektrický proud. První experimentátoři ji používali k rozkladu vody na vodík a kyslík. Humphry Davy s její pomocí izoloval nové prvky, včetně draslíku a sodíku.

Michael Faraday, který pracoval jako Davyho asistent, prováděl na počátku třicátých let devatenáctého století (od roku 1830) pečlivé pokusy s elektrolýzou. Zveřejnil dva zákony popisující přesný vztah mezi elektrickým nábojem a hmotností vzniklé látky. V roce 1834 převzal slova anoda, katoda a ion, která navrhl učenec William Whewell. Tato slova 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. National Institute of Standards and Technology. CODATA Value: Faraday constant. NIST: Faradayova konstanta — F = 96 485,332 12 C/mol.
2. IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights. Standard Atomic Weights. CIAAW: atomové hmotnosti — standardní atomové hmotnosti Cu, Ag, Au, Zn, Ni, Fe a Al.
3. Cambridge University Library, Epsilon. Faraday to William Whewell, 15 May 1834. Faradayův dopis 720 — Faraday převzal názvy anoda, katoda a ion na Whewellovu radu.