Kalkulator Elektrolizy - Osadzanie Masy (Prawo Faradaya)

Czym jest kalkulator elektrolizy?

Kalkulator elektrolizy oblicza masę metalu osadzonego na elektrodzie lub rozpuszczonego na niej podczas elektrolizy. Elektroliza to proces, w którym prąd elektryczny wymusza reakcję chemiczną, która nie zaszłaby samoczynnie. Kalkulator stosuje prawo elektrolizy Faradaya, wykorzystując natężenie prądu, czas oraz właściwości wybranego metalu.

Jak obliczyć masę w elektrolizie: wzór prawa Faradaya

Prawo Faradaya stwierdza, że masa substancji powstającej na elektrodzie jest proporcjonalna do ilości ładunku elektrycznego, który przez nią przepływa. Ładunek jest równy iloczynowi natężenia prądu i czasu, dlatego wzór zwykle zapisuje się następująco:

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

• m — masa powstałej lub rozpuszczonej substancji, w gramach
• I — natężenie prądu, w amperach (A)
• t — czas, w sekundach (s)
• M — masa molowa substancji, w gramach na mol (g/mol)
• z — wartościowość, czyli liczba elektronów przekazywanych na jeden jon
• F — stała Faradaya, 96 485 kulombów na mol (C/mol)

Stała Faradaya nosi nazwę na cześć angielskiego naukowca Michaela Faradaya. Jest to ładunek elektryczny przenoszony przez jeden mol elektronów.

Dlaczego wartościowość ma znaczenie

Wartościowość zależy od ładunku jonu. Jon miedzi, Cu²⁺, potrzebuje dwóch elektronów, aby stać się atomem miedzi, dlatego jego wartościowość wynosi 2. Jon srebra, Ag⁺, potrzebuje tylko jednego elektronu, więc jego wartościowość wynosi 1. Jon złota, Au³⁺, potrzebuje trzech elektronów, zatem jego wartościowość wynosi 3. Większa wartościowość oznacza, że na każdy atom potrzeba więcej elektronów, dlatego przy tej samej ilości ładunku osadza się mniejsza masa.

Masa molowa i wartościowość często stosowanych metali

Przykład obliczeniowy

Prąd o natężeniu 1 ampera przepływa przez roztwór siarczanu miedzi przez 1 godzinę (3 600 sekund). Ile miedzi osadza się na katodzie, czyli elektrodzie, na której zachodzi redukcja?

• I = 1 A
• t = 3 600 s
• M = 63,55 g/mol (miedź)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96 485 C/mol

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

Osadza się około 1,19 gramów miedzi.

Drugi przykład: prąd o natężeniu 2 amperów przepływa przez roztwór azotanu srebra przez 10 minut (600 sekund). Srebro ma masę molową 107,87 g/mol i wartościowość 1.

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

Osadza się około 1,34 gramów srebra, czyli więcej niż w przykładzie z miedzią, głównie dlatego, że srebro ma mniejszą wartościowość.

Jak korzystać z kalkulatora

Wprowadź natężenie prądu w amperach oraz czas w sekundach, a następnie wybierz metal z listy. Wynik jest aktualizowany automatycznie. Typowe przeliczenia czasu: 1 minuta = 60 sekund, 1 godzina = 3 600 sekund, 1 dzień = 86 400 sekund.

Zastosowania elektrolizy

Galwanizacja pokrywa jeden metal cienką warstwą innego metalu, na przykład złoceniem biżuterii lub niklowaniem elementów stalowych w celu ochrony przed korozją. Rafinacja metali wykorzystuje elektrolizę do ich oczyszczania; miedź rafinowana w ten sposób może osiągać czystość ponad 99,9%. Elektrolityczne otrzymywanie metali pozwala wydzielać z roztworu takie metale jak cynk, z roztworu przygotowanego z rozdrobnionej rudy. Aluminium wytwarza się w podobny sposób, lecz z tlenku glinu rozpuszczonego w kąpieli stopionej soli, a nie w wodzie. Elektroliza wody rozkłada ją na wodór i tlen w stanie gazowym; metoda ta służy do produkcji paliwa wodorowego.

Prawo Faradaya podaje teoretyczną maksymalną masę. W rzeczywistych procesach osadza się zwykle nieco mniej, ponieważ część prądu napędza reakcje uboczne zamiast reakcji głównej. Ten stosunek nazywa się wydajnością prądową i w przemysłowej galwanotechnice wynosi zazwyczaj 90–98%.

Historia prawa Faradaya

W 1800 roku Alessandro Volta zbudował pierwszą baterię, zapewniając naukowcom po raz pierwszy stałe źródło prądu elektrycznego. W tym samym roku William Nicholson i Anthony Carlisle wykorzystali ją do rozdzielenia wody na wodór i tlen, demonstrując po raz pierwszy elektrolizę. W latach 1807–1808 Humphry Davy wykorzystał elektrolizę do wyodrębnienia kilku pierwiastków, w tym potasu i sodu.

Michael Faraday, który wcześniej pracował jako asystent Davy’ego, prowadził na początku lat 1830 staranne doświadczenia nad elektrolizą. W 1832 i 1834 roku opublikował dwa prawa opisujące dokładną zależność między ładunkiem elektrycznym a masą powstałej substancji. Wprowadził także terminy elektroda, anoda, katoda i jon, które są nadal używane w chemii.

Często zadawane pytania

Jak oblicza się masę osadzoną podczas elektrolizy? Pomnóż natężenie prądu przez czas, aby uzyskać całkowity ładunek, następnie pomnóż go przez masę molową substancji, a potem podziel przez iloczyn wartościowości i stałej Faradaya: m = (I × t × M) / (z × F).

Czym jest stała Faradaya? Jest to ładunek elektryczny przenoszony przez jeden mol elektronów, wynoszący w przybliżeniu 96 485 kulombów na mol.

Jaka jest różnica między anodą a katodą? Anoda to elektroda, na której zachodzi utlenianie i następuje utrata elektronów. Katoda to elektroda, na której zachodzi redukcja i następuje przyjmowanie elektronów. Gdy metal osadza się z roztworu, powstaje na katodzie.

Czy temperatura wpływa na wynik obliczeń? Temperatura nie występuje w prawie Faradaya, dlatego nie zmienia obliczonej masy. Może wpływać na rzeczywistą wydajność procesu, ponieważ wyższa temperatura często przyspiesza reakcje uboczne.

Jakie metale obsługuje ten kalkulator? Miedź, srebro, złoto, cynk, nikiel, żelazo i aluminium, każde ze standardową masą molową i wartościowością zapisanymi w kalkulatorze. W przypadku dowolnego innego metalu działa ten sam wzór, jeśli znane są jego masa molowa i wartościowość.

Dlaczego rzeczywista masa osadzonego metalu może różnić się od wartości obliczonej? Prawo Faradaya zakłada, że cały prąd jest wykorzystywany w reakcji głównej. W praktyce część prądu jest tracona na reakcje uboczne lub opór, dlatego rzeczywiste osady są zwykle nieco lżejsze od wartości obliczonej. Stosunek masy rzeczywistej do teoretycznej nazywa się wydajnością prądową.

Piśmiennictwo

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. i Faulkner, L. R. (2000). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (2. wyd.). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P., i de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. wyd.). Oxford University Press.