Elektrolyse Kalkulator - Masseafsætning (Faradays Lov)

Hvad er en elektrolyseberegner?

En elektrolyseberegner finder massen af et metal, der aflejres på eller opløses ved en elektrode under elektrolyse. Elektrolyse er en proces, hvor en elektrisk strøm bruges til at fremtvinge en kemisk reaktion, som ikke ville ske af sig selv. Beregneren anvender Faradays lov om elektrolyse ved hjælp af strømstyrken, tiden og egenskaberne for det valgte metal.

Sådan beregnes massen ved elektrolyse: Faradays lov

Faradays lov fastslår, at massen af et stof, der dannes ved en elektrode, er proportional med den elektriske ladning, der passerer gennem den. Ladningen er lig med strømstyrken multipliceret med tiden, så formlen skrives normalt således:

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

• m — massen af det dannede eller opløste stof i gram
• I — strømstyrken i ampere (A)
• t — tiden i sekunder (s)
• M — stoffets molarmasse i gram pr. mol (g/mol)
• z — valensen, antallet af elektroner, der overføres pr. ion
• F — Faradaykonstanten, 96.485 coulomb pr. mol (C/mol)

Faradaykonstanten er opkaldt efter den engelske videnskabsmand Michael Faraday. Det er den elektriske ladning, som ét mol elektroner bærer. Den målte værdi er 96.485,33212 C/mol, og beregneren afrunder den til 96.485.

Hvorfor valensen er vigtig

Valensen afhænger af ionens ladning. En kobberion, Cu²⁺, skal bruge to elektroner for at blive til et kobberatom, så dens valens er 2. En sølvion, Ag⁺, skal kun bruge én elektron, så dens valens er 1. En guldion, Au³⁺, skal bruge tre elektroner, så dens valens er 3. En højere valens betyder, at der kræves flere elektroner pr. atom, så der aflejres mindre masse for den samme ladningsmængde.

Molarmasse og valens for almindelige metaller

Molarmasserne nedenfor er de standardatomvægte, som IUPAC's kommission for isotopforekomster og atomvægte har offentliggjort, afrundet til to decimaler. For eksempel er kobber 63,546, og sølv er 107,8682.

Regneeksempel

En strøm på 1 ampere går gennem en kobbersulfatopløsning i 1 time (3.600 sekunder). Hvor meget kobber aflejres ved katoden, den elektrode hvor reduktionen finder sted?

• I = 1 A
• t = 3.600 s
• M = 63,55 g/mol (kobber)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96.485 C/mol

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

Der aflejres cirka 1,19 gram kobber.

Et andet eksempel: En strøm på 2 ampere går gennem en sølvnitratopløsning i 10 minutter (600 sekunder). Sølv har en molarmasse på 107,87 g/mol og en valens på 1.

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

Der aflejres cirka 1,34 gram sølv, hvilket er mere end i kobbereksemplet, hovedsageligt fordi sølvs valens er lavere.

Sådan bruger du beregneren

Indtast strømstyrken i ampere og tiden i sekunder, og vælg derefter et metal fra listen. Resultatet opdateres automatisk. Almindelige tidsomregninger: 1 minut = 60 sekunder, 1 time = 3.600 sekunder, 1 dag = 86.400 sekunder.

Anvendelser af elektrolyse

Galvanisering belægger ét metal med et tyndt lag af et andet, for eksempel forgyldning af smykker eller fornikling af stålkomponenter for at modstå korrosion. Metalraffinering bruger elektrolyse til at rense metaller som kobber. Elektrolytisk udvinding henter metaller som zink og aluminium ud af opløste malme. Vandelektrolyse spalter vand til brint og ilt, en metode, der bruges til at fremstille brint som brændstof.

Faradays lov angiver den teoretisk maksimale masse. I virkelige processer aflejres der som regel lidt mindre, fordi en del af strømmen driver sidereaktioner i stedet for hovedreaktionen. Forholdet mellem faktisk og teoretisk masse kaldes strømudbytte.

Faradays lovs historie

Elektrolyse blev mulig, da batteriet gav forskerne en stabil elektrisk strøm. Tidlige eksperimentatorer brugte den til at spalte vand til brint og ilt. Humphry Davy brugte den til at isolere nye grundstoffer, blandt andet kalium og natrium.

Michael Faraday, der havde arbejdet som Davys assistent, udførte omhyggelige forsøg med elektrolyse i begyndelsen af 1830'erne. Han offentliggjorde to love, der beskriver det nøjagtige forhold mellem elektrisk ladning og massen af det stof, der dannes. I 1834 tog han ordene anode, katode og ion i brug, foreslået af den lærde William Whewell. Disse ord bruges stadig i kemien i dag.

Ofte stillede spørgsmål

Hvordan beregner man den masse, der aflejres under elektrolyse? Multiplicer strømstyrken med tiden for at finde den samlede ladning, multiplicer den med stoffets molarmasse, og divider derefter med valensen gange Faradaykonstanten: m = (I × t × M) / (z × F).

Hvad er Faradaykonstanten? Den er den elektriske ladning, der bæres af ét mol elektroner, cirka 96.485 coulomb pr. mol.

Hvad er forskellen på anoden og katoden? Anoden er den elektrode, hvor oxidation finder sted, og elektroner afgives. Katoden er den elektrode, hvor reduktion finder sted, og elektroner optages. Når et metal aflejres fra en opløsning, dannes det ved katoden.

Påvirker temperaturen beregningens resultat? Temperatur indgår ikke i Faradays lov, så den ændrer ikke den beregnede masse. Den kan påvirke processens virkelige effektivitet, eftersom højere temperaturer ofte fremskynder sidereaktioner.

Hvilke metaller understøtter denne beregner? Kobber, sølv, guld, zink, nikkel, jern og aluminium, hver med sin standardmolarmasse og valens indbygget. For alle andre metaller fungerer den samme formel, hvis molarmassen og valensen er kendt.

Hvorfor kan den faktiske aflejrede masse afvige fra den beregnede værdi? Faradays lov antager, at al strømmen går til hovedreaktionen. I praksis går noget af strømmen tabt til sidereaktioner eller modstand, så virkelige aflejringer er normalt lidt lettere end den beregnede værdi. Forholdet mellem den faktiske og den teoretiske masse kaldes strømudbytte.

Referencer

1. National Institute of Standards and Technology. CODATA Value: Faraday constant. NIST: Faradaykonstanten — F = 96.485,332 12 C/mol.
2. IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights. Standard Atomic Weights. CIAAW: atomvægte — standardatomvægte for Cu, Ag, Au, Zn, Ni, Fe og Al.
3. Cambridge University Library, Epsilon. Faraday to William Whewell, 15 May 1834. Faradays brev 720 — Faraday tog navnene anode, katode og ion i brug efter Whewells råd.