Υπολογιστής Ηλεκτρόλυσης - Εναπόθεση Μάζας (Νόμος του Faraday)

Τι είναι ένας υπολογιστής ηλεκτρόλυσης;

Ένας υπολογιστής ηλεκτρόλυσης υπολογίζει τη μάζα ενός μετάλλου που εναποτίθεται ή διαλύεται σε ένα ηλεκτρόδιο κατά την ηλεκτρόλυση. Η ηλεκτρόλυση είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα για να προκαλέσει μια χημική αντίδραση, η οποία δεν θα συνέβαινε από μόνη της. Ο υπολογιστής εφαρμόζει τον νόμο του Faraday για την ηλεκτρόλυση, χρησιμοποιώντας το ρεύμα, τον χρόνο και τις ιδιότητες του επιλεγμένου μετάλλου.

Πώς υπολογίζεται η μάζα κατά την ηλεκτρόλυση: ο τύπος του νόμου του Faraday

Ο νόμος του Faraday ορίζει ότι η μάζα μιας ουσίας που παράγεται σε ένα ηλεκτρόδιο είναι ανάλογη με την ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που διέρχεται από αυτό. Το φορτίο ισούται με το ρεύμα επί τον χρόνο, επομένως ο τύπος συνήθως γράφεται ως εξής:

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

• m — μάζα της ουσίας που παράγεται ή διαλύεται, σε γραμμάρια
• I — ένταση ρεύματος, σε αμπέρ (A)
• t — χρόνος, σε δευτερόλεπτα (s)
• M — γραμμομοριακή μάζα της ουσίας, σε γραμμάρια ανά mol (g/mol)
• z — σθένος, δηλαδή ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται ανά ιόν
• F — σταθερά του Faraday, 96.485 κουλόμπ ανά mol (C/mol)

Η σταθερά του Faraday πήρε το όνομά της από τον Άγγλο επιστήμονα Michael Faraday. Είναι το ηλεκτρικό φορτίο που μεταφέρει ένα mol ηλεκτρονίων.

Γιατί έχει σημασία το σθένος

Το σθένος εξαρτάται από το φορτίο του ιόντος. Ένα ιόν χαλκού, Cu²⁺, χρειάζεται δύο ηλεκτρόνια για να μετατραπεί σε άτομο χαλκού, επομένως το σθένος του είναι 2. Ένα ιόν αργύρου, Ag⁺, χρειάζεται μόνο ένα ηλεκτρόνιο, επομένως το σθένος του είναι 1. Ένα ιόν χρυσού, Au³⁺, χρειάζεται τρία ηλεκτρόνια, επομένως το σθένος του είναι 3. Μεγαλύτερο σθένος σημαίνει ότι απαιτούνται περισσότερα ηλεκτρόνια ανά άτομο, επομένως εναποτίθεται μικρότερη μάζα για την ίδια ποσότητα φορτίου.

Γραμμομοριακή μάζα και σθένος κοινών μετάλλων

Λυμένο παράδειγμα

Ρεύμα 1 αμπέρ διέρχεται από διάλυμα θειικού χαλκού για 1 ώρα (3.600 δευτερόλεπτα). Πόσος χαλκός εναποτίθεται στην κάθοδο, δηλαδή στο ηλεκτρόδιο όπου πραγματοποιείται αναγωγή;

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

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

Εναποτίθενται περίπου 1,19 γραμμάρια χαλκού.

Ένα δεύτερο παράδειγμα: ρεύμα 2 αμπέρ διέρχεται από διάλυμα νιτρικού αργύρου για 10 λεπτά (600 δευτερόλεπτα). Ο άργυρος έχει γραμμομοριακή μάζα 107,87 g/mol και σθένος 1.

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

Εναποτίθενται περίπου 1,34 γραμμάρια αργύρου, περισσότερα από ό,τι στο παράδειγμα με τον χαλκό, κυρίως επειδή το σθένος του αργύρου είναι μικρότερο.

Πώς χρησιμοποιείται ο υπολογιστής

Εισαγάγετε την ένταση του ρεύματος σε αμπέρ και τον χρόνο σε δευτερόλεπτα και, στη συνέχεια, επιλέξτε ένα μέταλλο από τη λίστα. Το αποτέλεσμα ενημερώνεται αυτόματα. Συνήθεις μετατροπές χρόνου: 1 λεπτό = 60 δευτερόλεπτα, 1 ώρα = 3.600 δευτερόλεπτα, 1 ημέρα = 86.400 δευτερόλεπτα.

Εφαρμογές της ηλεκτρόλυσης

Η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση καλύπτει ένα μέταλλο με λεπτό στρώμα άλλου μετάλλου, όπως στην επιχρύσωση κοσμημάτων ή στην επινικέλωση χαλύβδινων εξαρτημάτων για προστασία από τη διάβρωση. Η διύλιση μετάλλων χρησιμοποιεί ηλεκτρόλυση για τον καθαρισμό τους· ο χαλκός που διυλίζεται με αυτόν τον τρόπο μπορεί να φτάσει σε καθαρότητα πάνω από 99,9%. Η ηλεκτρανάκτηση απομακρύνει μέταλλα όπως ο ψευδάργυρος από διάλυμα που παρασκευάζεται από θρυμματισμένο μετάλλευμα. Το αλουμίνιο παράγεται με τον ίδιο τρόπο, αλλά από αλουμίνα διαλυμένη σε λουτρό τηγμένου άλατος αντί για νερό. Η ηλεκτρόλυση του νερού διασπά το νερό σε αέριο υδρογόνο και οξυγόνο, μια μέθοδο που χρησιμοποιείται για την παραγωγή καυσίμου υδρογόνου.

Ο νόμος του Faraday δίνει τη θεωρητική μέγιστη μάζα. Οι πραγματικές διεργασίες συνήθως εναποθέτουν ελαφρώς μικρότερη ποσότητα, επειδή μέρος του ρεύματος προκαλεί παράπλευρες αντιδράσεις αντί για την κύρια αντίδραση. Αυτός ο λόγος ονομάζεται απόδοση ρεύματος και συνήθως είναι 90–98% στη βιομηχανική επιμετάλλωση.

Ιστορία του νόμου του Faraday

Το 1800, ο Alessandro Volta κατασκεύασε την πρώτη μπαταρία, προσφέροντας για πρώτη φορά στους επιστήμονες μια σταθερή πηγή ηλεκτρικού ρεύματος. Την ίδια χρονιά, οι William Nicholson και Anthony Carlisle τη χρησιμοποίησαν για να διασπάσουν το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο, σε μια πρώιμη επίδειξη της ηλεκτρόλυσης. Μεταξύ 1807 και 1808, ο Humphry Davy χρησιμοποίησε την ηλεκτρόλυση για να απομονώσει αρκετά στοιχεία, μεταξύ των οποίων το κάλιο και το νάτριο.

Ο Michael Faraday, ο οποίος είχε εργαστεί ως βοηθός του Davy, διεξήγαγε προσεκτικά πειράματα σχετικά με την ηλεκτρόλυση στις αρχές της δεκαετίας του 1830. Το 1832 και 1834 δημοσίευσε δύο νόμους που περιέγραφαν την ακριβή σχέση μεταξύ του ηλεκτρικού φορτίου και της μάζας της παραγόμενης ουσίας. Εισήγαγε επίσης τους όρους ηλεκτρόδιο, άνοδος, κάθοδος και ιόν, οι οποίοι εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται στη χημεία μέχρι σήμερα.

Συχνές ερωτήσεις

Πώς υπολογίζεται η μάζα που εναποτίθεται κατά την ηλεκτρόλυση; Πολλαπλασιάστε την ένταση του ρεύματος επί τον χρόνο για να βρείτε το συνολικό φορτίο, πολλαπλασιάστε το αποτέλεσμα επί τη γραμμομοριακή μάζα της ουσίας και, στη συνέχεια, διαιρέστε με το γινόμενο του σθένους επί τη σταθερά του Faraday: m = (I × t × M) / (z × F).

Τι είναι η σταθερά του Faraday; Είναι το ηλεκτρικό φορτίο που μεταφέρει ένα mol ηλεκτρονίων, περίπου 96.485 κουλόμπ ανά mol.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ ανόδου και καθόδου; Η άνοδος είναι το ηλεκτρόδιο όπου πραγματοποιείται οξείδωση και χάνονται ηλεκτρόνια. Η κάθοδος είναι το ηλεκτρόδιο όπου πραγματοποιείται αναγωγή και προσλαμβάνονται ηλεκτρόνια. Όταν ένα μέταλλο εναποτίθεται από διάλυμα, σχηματίζεται στην κάθοδο.

Επηρεάζει η θερμοκρασία το αποτέλεσμα του υπολογισμού; Η θερμοκρασία δεν εμφανίζεται στον νόμο του Faraday, επομένως δεν μεταβάλλει την υπολογιζόμενη μάζα. Μπορεί να επηρεάσει την πραγματική απόδοση της διεργασίας, καθώς οι υψηλότερες θερμοκρασίες συχνά επιταχύνουν τις παράπλευρες αντιδράσεις.

Ποια μέταλλα υποστηρίζει αυτός ο υπολογιστής; Χαλκό, άργυρο, χρυσό, ψευδάργυρο, νικέλιο, σίδηρο και αλουμίνιο, καθένα με την τυπική γραμμομοριακή μάζα και το σθένος του ενσωματωμένα. Για οποιοδήποτε άλλο μέταλλο, ισχύει ο ίδιος τύπος, εφόσον είναι γνωστά η γραμμομοριακή μάζα και το σθένος.

Γιατί μπορεί η πραγματική εναποτιθέμενη μάζα να διαφέρει από την υπολογιζόμενη τιμή; Ο νόμος του Faraday υποθέτει ότι όλο το ρεύμα συμμετέχει στην κύρια αντίδραση. Στην πράξη, μέρος του ρεύματος χάνεται λόγω παράπλευρων αντιδράσεων ή αντίστασης, επομένως οι πραγματικές εναποθέσεις είναι συνήθως λίγο ελαφρύτερες από την υπολογιζόμενη τιμή. Ο λόγος της πραγματικής προς τη θεωρητική μάζα ονομάζεται απόδοση ρεύματος.

Παραπομπές

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 (2η έκδ.). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10η έκδ.). Oxford University Press.