Kalkulator elektrolize - Taloženje mase (Faradayev zakon)

Što je kalkulator elektrolize?

Kalkulator elektrolize izračunava masu metala istaloženog ili otopljenog na elektrodi tijekom elektrolize. Elektroliza je proces u kojem se električnom strujom pokreće kemijska reakcija koja se sama od sebe ne bi dogodila. Kalkulator primjenjuje Faradayev zakon elektrolize, koristeći jakost struje, vrijeme i svojstva odabranog metala.

Kako izračunati masu pri elektrolizi: formula Faradayevog zakona

Faradayev zakon kaže da je masa tvari nastale na elektrodi proporcionalna količini električnog naboja koji kroz nju prolazi. Naboj je jednak umnošku jakosti struje i vremena, pa se formula obično zapisuje ovako:

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

• m — masa nastale ili otopljene tvari, u gramima
• I — jakost struje, u amperima (A)
• t — vrijeme, u sekundama (s)
• M — molarna masa tvari, u gramima po molu (g/mol)
• z — valencija, broj elektrona prenesenih po ionu
• F — Faradayeva konstanta, 96.485 kulona po molu (C/mol)

Faradayeva konstanta nazvana je po engleskom znanstveniku Michaelu Faradayu. Ona predstavlja električni naboj koji nosi jedan mol elektrona.

Zašto je valencija važna

Valencija ovisi o naboju iona. Ion bakra, Cu²⁺, treba dva elektrona da bi postao atom bakra, pa mu je valencija 2. Ion srebra, Ag⁺, treba samo jedan elektron, pa mu je valencija 1. Ion zlata, Au³⁺, treba tri elektrona, pa mu je valencija 3. Veća valencija znači da je po atomu potrebno više elektrona, pa se za istu količinu naboja istaloži manja masa.

Molarna masa i valencija uobičajenih metala

Primjer s rješenjem

Struja jakosti 1 amper prolazi kroz otopinu bakrova sulfata tijekom 1 sata (3.600 sekundi). Koliko se bakra istaloži na katodi, elektrodi na kojoj se odvija redukcija?

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

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

Istaloži se približno 1,19 grama bakra.

Drugi primjer: struja jakosti 2 ampera prolazi kroz otopinu srebrova nitrata tijekom 10 minuta (600 sekundi). Srebro ima molarnu masu 107,87 g/mol i valenciju 1.

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

Istaloži se približno 1,34 grama srebra, više nego u primjeru s bakrom, ponajprije zato što srebro ima nižu valenciju.

Kako upotrebljavati kalkulator

Unesite jakost struje u amperima i vrijeme u sekundama, a zatim odaberite metal s popisa. Rezultat se automatski ažurira. Uobičajene pretvorbe vremena: 1 minuta = 60 sekundi, 1 sat = 3.600 sekundi, 1 dan = 86.400 sekundi.

Primjene elektrolize

Galvanizacija oblaže jedan metal tankim slojem drugoga, primjerice pozlaćivanjem nakita ili niklanjem čeličnih dijelova radi otpornosti na koroziju. Rafiniranje metala koristi elektrolizu za pročišćavanje metala; tako rafinirani bakar može doseći čistoću veću od 99,9 %. Elektrodobivanje izdvaja metale poput cinka iz otopine dobivene od usitnjene rude. Aluminij se proizvodi na isti način, ali iz glinice otopljene u kupelji rastaljene soli, a ne u vodi. Elektrolizom vode voda se razlaže na vodik i kisik, što je postupak koji se upotrebljava za proizvodnju vodikovog goriva.

Faradayev zakon daje teorijski najveću masu. U stvarnim se procesima obično istaloži nešto manje jer dio struje pokreće sporedne reakcije umjesto glavne reakcije. Taj se omjer naziva strujna učinkovitost i u industrijskoj je galvanizaciji obično 90–98%.

Povijest Faradayevog zakona

Godine 1800 Alessandro Volta izradio je prvu bateriju, čime su znanstvenici prvi put dobili stalan izvor električne struje. Iste su godine William Nicholson i Anthony Carlisle upotrijebili bateriju za razlaganje vode na vodik i kisik, što je bio rani prikaz elektrolize. Između 1807 i 1808 Humphry Davy upotrijebio je elektrolizu za izolaciju nekoliko elemenata, među njima kalija i natrija.

Michael Faraday, koji je radio kao Davyjev pomoćnik, početkom 1830-ih proveo je pažljive pokuse o elektrolizi. Godine 1832 i 1834 objavio je dva zakona koji opisuju točan odnos između električnog naboja i mase nastale tvari. Uveo je i termine elektroda, anoda, katoda i ion, koji se i danas upotrebljavaju u kemiji.

Često postavljana pitanja

Kako se izračunava masa istaložena tijekom elektrolize? Pomnožite jakost struje s vremenom da biste dobili ukupni naboj, taj rezultat pomnožite s molarnom masom tvari, a zatim podijelite s umnoškom valencije i Faradayeve konstante: m = (I × t × M) / (z × F).

Što je Faradayeva konstanta? To je električni naboj koji nosi jedan mol elektrona, približno 96.485 kulona po molu.

Koja je razlika između anode i katode? Anoda je elektroda na kojoj se odvija oksidacija i na kojoj se gube elektroni. Katoda je elektroda na kojoj se odvija redukcija i na kojoj se primaju elektroni. Kada se metal izdvaja iz otopine, nastaje na katodi.

Utječe li temperatura na rezultat izračuna? Temperatura se ne pojavljuje u Faradayevom zakonu pa ne mijenja izračunatu masu. Može utjecati na stvarnu učinkovitost procesa jer više temperature često ubrzavaju sporedne reakcije.

Koje metale ovaj kalkulator podržava? Bakar, srebro, zlato, cink, nikal, željezo i aluminij, za koje su ugrađene standardne molarne mase i valencije. Za bilo koji drugi metal vrijedi ista formula ako su poznate njegova molarna masa i valencija.

Zašto se stvarna istaložena masa može razlikovati od izračunate vrijednosti? Faradayev zakon pretpostavlja da sva struja sudjeluje u glavnoj reakciji. U praksi se dio struje gubi na sporedne reakcije ili električni otpor, pa su stvarne naslage obično nešto manje od izračunate vrijednosti. Omjer stvarne i teorijske mase naziva se strujna učinkovitost.

Reference

1. Faraday, M. (1834). „Eksperimentalna istraživanja elektriciteta. Sedma serija.” Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 124, 77–122.
2. Bard, A. J. i Faulkner, L. R. (2000). Elektrokemijske metode: osnove i primjene (2. izdanje). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P. i de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. izd.). Oxford University Press.