Kalkulator Elektrolisis - Deposisi Jisim (Hukum Faraday)

Apakah kalkulator elektrolisis?

Kalkulator elektrolisis menentukan jisim logam yang terenap atau terlarut pada elektrod semasa elektrolisis. Elektrolisis ialah proses yang menggunakan arus elektrik untuk memaksa tindak balas kimia yang tidak akan berlaku dengan sendiri. Kalkulator ini menggunakan hukum elektrolisis Faraday, berdasarkan arus, masa dan sifat logam yang dipilih.

Cara mengira jisim elektrolisis: formula hukum Faraday

Hukum Faraday menyatakan bahawa jisim bahan yang dihasilkan pada elektrod berkadar dengan jumlah cas elektrik yang melaluinya. Cas bersamaan dengan arus didarab dengan masa, jadi formulanya biasanya ditulis seperti berikut:

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

• m — jisim bahan yang dihasilkan atau dilarutkan, dalam gram
• I — arus, dalam ampere (A)
• t — masa, dalam saat (s)
• M — jisim molar bahan, dalam gram per mol (g/mol)
• z — valensi, iaitu bilangan elektron yang dipindahkan bagi setiap ion
• F — pemalar Faraday, 96,485 coulomb per mol (C/mol)

Pemalar Faraday dinamakan sempena ahli sains Inggeris Michael Faraday. Pemalar ini ialah cas elektrik yang dibawa oleh satu mol elektron.

Mengapa valensi penting

Valensi bergantung pada cas ion. Ion kuprum, Cu²⁺, memerlukan dua elektron untuk menjadi atom kuprum, jadi valensinya ialah 2. Ion perak, Ag⁺, hanya memerlukan satu elektron, jadi valensinya ialah 1. Ion emas, Au³⁺, memerlukan tiga elektron, jadi valensinya ialah 3. Valensi yang lebih tinggi bermaksud lebih banyak elektron diperlukan bagi setiap atom, maka jisim yang terenap bagi jumlah cas yang sama adalah lebih rendah.

Jisim molar dan valensi logam biasa

Contoh pengiraan

Arus sebanyak 1 ampere melalui larutan kuprum sulfat selama 1 jam (3,600 saat). Berapakah kuprum yang terenap pada katod, iaitu elektrod tempat penurunan berlaku?

• I = 1 A
• t = 3,600 s
• M = 63.55 g/mol (kuprum)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96,485 C/mol

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

Kira-kira 1.19 gram kuprum terenap.

Contoh kedua: arus sebanyak 2 ampere melalui larutan argentum nitrat selama 10 minit (600 saat). Perak mempunyai jisim molar 107.87 g/mol dan valensi 1.

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

Kira-kira 1.34 gram perak terenap, lebih banyak daripada contoh kuprum, terutamanya kerana valensi perak lebih rendah.

Cara menggunakan kalkulator

Masukkan arus dalam ampere dan masa dalam saat, kemudian pilih logam daripada senarai. Hasilnya dikemas kini secara automatik. Penukaran masa biasa: 1 minit = 60 saat, 1 jam = 3,600 saat, 1 hari = 86,400 saat.

Kegunaan elektrolisis

Penyaduran elektrik menyalut satu logam dengan lapisan nipis logam lain, seperti menyadur barang kemas dengan emas atau menyadur bahagian keluli dengan nikel untuk menentang kakisan. Penapisan logam menggunakan elektrolisis untuk menulenkan logam; kuprum yang ditapis dengan cara ini boleh mencapai ketulenan melebihi 99.9%. Pengekstrakan secara elektrolisis mengeluarkan logam seperti zink daripada larutan yang dihasilkan daripada bijih yang dihancurkan. Aluminium dihasilkan dengan cara yang sama, tetapi daripada alumina yang dilarutkan dalam mandian garam lebur dan bukannya air. Elektrolisis air menguraikan air menjadi gas hidrogen dan oksigen, iaitu kaedah yang digunakan untuk menghasilkan bahan api hidrogen.

Hukum Faraday memberikan jisim maksimum secara teori. Proses sebenar biasanya menghasilkan mendapan yang sedikit lebih rendah kerana sebahagian arus menggerakkan tindak balas sampingan dan bukannya tindak balas utama. Nisbah ini dipanggil kecekapan arus, dan biasanya ialah 90–98% dalam penyaduran industri.

Sejarah hukum Faraday

Pada 1800, Alessandro Volta membina bateri pertama, lalu memberikan sumber arus elektrik yang tetap kepada ahli sains buat kali pertama. Pada tahun yang sama, William Nicholson dan Anthony Carlisle menggunakannya untuk menguraikan air menjadi hidrogen dan oksigen, sebagai salah satu demonstrasi awal elektrolisis. Antara 1807 dengan 1808, Humphry Davy menggunakan elektrolisis untuk mengasingkan beberapa unsur, termasuk kalium dan natrium.

Michael Faraday, yang pernah bekerja sebagai pembantu Davy, menjalankan eksperimen teliti tentang elektrolisis pada awal tahun-tahun 1830-an. Pada 1832 dan 1834, beliau menerbitkan dua hukum yang menerangkan hubungan tepat antara cas elektrik dengan jisim bahan yang dihasilkan. Beliau juga memperkenalkan istilah elektrod, anod, katod dan ion, yang masih digunakan dalam kimia pada masa ini.

Soalan lazim

Bagaimanakah jisim yang terenap semasa elektrolisis dikira? Darabkan arus dengan masa untuk mendapatkan jumlah cas, darabkan hasil itu dengan jisim molar bahan, kemudian bahagi dengan hasil darab valensi dan pemalar Faraday: m = (I × t × M) / (z × F).

Apakah pemalar Faraday? Pemalar ini ialah cas elektrik yang dibawa oleh satu mol elektron, kira-kira 96,485 coulomb per mol.

Apakah perbezaan antara anod dengan katod? Anod ialah elektrod tempat pengoksidaan berlaku dan elektron hilang. Katod ialah elektrod tempat penurunan berlaku dan elektron diperoleh. Apabila logam terenap daripada larutan, logam itu terbentuk pada katod.

Adakah suhu mempengaruhi hasil pengiraan? Suhu tidak muncul dalam hukum Faraday, jadi suhu tidak mengubah jisim yang dikira. Suhu boleh mempengaruhi kecekapan sebenar proses kerana suhu yang lebih tinggi sering mempercepat tindak balas sampingan.

Logam manakah yang disokong oleh kalkulator ini? Kuprum, perak, emas, zink, nikel, besi dan aluminium, masing-masing dengan jisim molar piawai serta valensi yang tersedia dalam kalkulator. Bagi logam lain, formula yang sama boleh digunakan jika jisim molar dan valensinya diketahui.

Mengapakah jisim sebenar yang terenap mungkin berbeza daripada nilai yang dikira? Hukum Faraday mengandaikan bahawa semua arus digunakan untuk tindak balas utama. Dalam amalan, sebahagian arus hilang akibat tindak balas sampingan atau rintangan, jadi mendapan sebenar biasanya sedikit lebih ringan daripada nilai yang dikira. Nisbah jisim sebenar kepada jisim teori dipanggil kecekapan arus.

Rujukan

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