Calculator de Electroliză - Depunere de Masă (Legea lui Faraday)

Ce este un calculator pentru electroliză?

Un calculator pentru electroliză determină masa metalului depus pe un electrod sau dizolvat la acesta în timpul electrolizei. Electroliza este un proces care folosește un curent electric pentru a forța o reacție chimică ce nu s-ar produce spontan. Calculatorul aplică legea electrolizei a lui Faraday, folosind intensitatea curentului, timpul și proprietățile metalului ales.

Cum se calculează masa în electroliză: formula legii lui Faraday

Legea lui Faraday afirmă că masa unei substanțe produse la un electrod este proporțională cu cantitatea de sarcină electrică care trece prin acesta. Sarcina este egală cu intensitatea curentului înmulțită cu timpul, astfel că formula se scrie de obicei astfel:

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

• m — masa substanței produse sau dizolvate, în grame
• I — intensitatea curentului, în amperi (A)
• t — timpul, în secunde (s)
• M — masa molară a substanței, în grame pe mol (g/mol)
• z — valența, numărul de electroni transferați pentru fiecare ion
• F — constanta lui Faraday, 96.485 coulombi pe mol (C/mol)

Constanta lui Faraday poartă numele savantului englez Michael Faraday. Ea reprezintă sarcina electrică transportată de un mol de electroni.

De ce contează valența

Valența depinde de sarcina ionului. Un ion de cupru, Cu²⁺, are nevoie de doi electroni pentru a deveni un atom de cupru, astfel că valența sa este 2. Un ion de argint, Ag⁺, are nevoie de un singur electron, astfel că valența sa este 1. Un ion de aur, Au³⁺, are nevoie de trei electroni, astfel că valența sa este 3. O valență mai mare înseamnă că sunt necesari mai mulți electroni pentru fiecare atom, astfel că pentru aceeași cantitate de sarcină se depune o masă mai mică.

Masa molară și valența metalelor comune

Exemplu de calcul

Un curent de 1 amper trece printr-o soluție de sulfat de cupru timp de 1 oră (3.600 secunde). Ce cantitate de cupru se depune la catod, electrodul la care are loc reducerea?

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

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

Se depun aproximativ 1,19 grame de cupru.

Un al doilea exemplu: un curent de 2 amperi trece printr-o soluție de nitrat de argint timp de 10 minute (600 secunde). Argintul are o masă molară de 107,87 g/mol și o valență de 1.

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

Se depun aproximativ 1,34 grame de argint, mai mult decât în exemplul cuprului, în principal deoarece valența argintului este mai mică.

Cum se utilizează calculatorul

Introduceți intensitatea curentului în amperi și timpul în secunde, apoi alegeți un metal din listă. Rezultatul se actualizează automat. Conversii uzuale ale timpului: 1 minut = 60 secunde, 1 oră = 3.600 secunde, 1 zi = 86.400 secunde.

Aplicații ale electrolizei

Galvanizarea acoperă un metal cu un strat subțire dintr-un alt metal, de exemplu prin placarea bijuteriilor cu aur sau a pieselor din oțel cu nichel pentru a rezista coroziunii. Rafinarea metalelor folosește electroliza pentru purificarea metalelor; cuprul rafinat astfel poate atinge o puritate de peste 99,9 %. Electroextracția extrage metale precum zincul dintr-o soluție obținută din minereu zdrobit. Aluminiul se produce în același mod, dar din alumină dizolvată într-o baie de săruri topite, nu în apă. Electroliza apei separă apa în hidrogen și oxigen gazos, metodă utilizată pentru producerea combustibilului pe bază de hidrogen.

Legea lui Faraday oferă masa teoretică maximă. În procesele reale se depune de obicei puțin mai puțin, deoarece o parte din curent declanșează reacții secundare în locul reacției principale. Acest raport se numește randament de curent și este de obicei de 90–98% în galvanizarea industrială.

Istoria legii lui Faraday

În 1800, Alessandro Volta a construit prima baterie, oferindu-le oamenilor de știință, pentru prima dată, o sursă constantă de curent electric. În același an, William Nicholson și Anthony Carlisle au folosit-o pentru a separa apa în hidrogen și oxigen, într-o demonstrație timpurie a electrolizei. Între 1807 și 1808, Humphry Davy a folosit electroliza pentru a izola mai multe elemente, inclusiv potasiul și sodiul.

Michael Faraday, care lucrase ca asistent al lui Davy, a efectuat experimente minuțioase asupra electrolizei la începutul anilor 1830. În 1832 și 1834, a publicat două legi care descriau relația exactă dintre sarcina electrică și masa substanței produse. Tot el a introdus termenii electrod, anod, catod și ion, utilizați și astăzi în chimie.

Întrebări frecvente

Cum se calculează masa depusă în timpul electrolizei? Înmulțiți intensitatea curentului cu timpul pentru a obține sarcina totală, înmulțiți rezultatul cu masa molară a substanței, apoi împărțiți la produsul dintre valență și constanta lui Faraday: m = (I × t × M) / (z × F).

Ce este constanta lui Faraday? Este sarcina electrică transportată de un mol de electroni, aproximativ 96.485 coulombi pe mol.

Care este diferența dintre anod și catod? Anodul este electrodul la care are loc oxidarea și se pierd electroni. Catodul este electrodul la care are loc reducerea și se câștigă electroni. Când un metal se depune din soluție, acesta se formează la catod.

Temperatura afectează rezultatul calculului? Temperatura nu apare în legea lui Faraday, astfel că nu modifică masa calculată. Ea poate afecta randamentul real al procesului, deoarece temperaturile mai ridicate accelerează adesea reacțiile secundare.

Ce metale acceptă acest calculator? Cupru, argint, aur, zinc, nichel, fier și aluminiu, fiecare cu masa molară standard și valența incluse. Pentru orice alt metal, aceeași formulă funcționează dacă masa molară și valența sunt cunoscute.

De ce ar putea să difere masa depusă efectiv de valoarea calculată? Legea lui Faraday presupune că întregul curent este consumat de reacția principală. În practică, o parte din curent se pierde prin reacții secundare sau rezistență, astfel că depunerile reale sunt de obicei puțin mai ușoare decât valoarea calculată. Raportul dintre masa efectivă și masa teoretică se numește randament de curent.

Referințe

1. Faraday, M. (1834). „Cercetări experimentale în domeniul electricității. A șaptea serie.” Tranzacțiile filozofice ale Societății Regale din Londra, 124, 77–122.
2. Bard, A. J. și Faulkner, L. R. (2000). Metode electrochimice: fundamente și aplicații (ediția a 2-a). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (ediția a 10-a). Oxford University Press.