Kalkulačka elektrolýzy - Hmotnostná depozícia (Faradayov zákon)

Čo je kalkulačka elektrolýzy?

Kalkulačka elektrolýzy vypočíta hmotnosť kovu vylúčeného na elektróde alebo rozpusteného na elektróde počas elektrolýzy. Elektrolýza je proces, pri ktorom sa elektrický prúd používa na vynútenie chemickej reakcie, ktorá by sama neprebehla. Kalkulačka uplatňuje Faradayov zákon elektrolýzy a používa pritom prúd, čas a vlastnosti zvoleného kovu.

Ako vypočítať hmotnosť pri elektrolýze: vzorec Faradayovho zákona

Faradayov zákon hovorí, že hmotnosť látky vytvorenej na elektróde je úmerná množstvu elektrického náboja, ktorý ním prejde. Náboj sa rovná súčinu prúdu a času, preto sa vzorec zvyčajne zapisuje takto:

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

• m — hmotnosť vytvorenej alebo rozpustenej látky v gramoch
• I — elektrický prúd v ampéroch (A)
• t — čas v sekundách (s)
• M — molárna hmotnosť látky v gramoch na mol (g/mol)
• z — valencia, počet elektrónov prenesených na jeden ión
• F — Faradayova konštanta, 96 485 coulombov na mol (C/mol)

Faradayova konštanta je pomenovaná podľa anglického vedca Michaela Faradaya. Je to elektrický náboj prenášaný jedným mólom elektrónov.

Prečo je valencia dôležitá

Valencia závisí od náboja iónu. Ión medi Cu²⁺ potrebuje dva elektróny, aby sa stal atómom medi, takže jeho valencia je 2. Ión striebra Ag⁺ potrebuje iba jeden elektrón, takže jeho valencia je 1. Ión zlata Au³⁺ potrebuje tri elektróny, takže jeho valencia je 3. Vyššia valencia znamená, že na jeden atóm je potrebných viac elektrónov, a preto sa pri rovnakom množstve náboja vylúči menšia hmotnosť.

Molárna hmotnosť a valencia bežných kovov

Vyriešený príklad

Prúd s veľkosťou 1 ampéra prechádza roztokom síranu meďnatého počas 1 hodiny (3 600 sekundy). Koľko medi sa vylúči na katóde, teda na elektróde, na ktorej prebieha redukcia?

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

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

Vylúči sa približne 1,19 gramu medi.

Druhý príklad: prúd s veľkosťou 2 ampéry prechádza roztokom dusičnanu strieborného počas 10 minút (600 sekúnd). Striebro má molárnu hmotnosť 107,87 g/mol a valenciu 1.

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

Vylúči sa približne 1,34 gramu striebra, čo je viac než v príklade s meďou, najmä preto, že striebro má nižšiu valenciu.

Ako používať kalkulačku

Zadajte prúd v ampéroch a čas v sekundách a potom zo zoznamu vyberte kov. Výsledok sa aktualizuje automaticky. Bežné prevody času: 1 minúta = 60 sekúnd, 1 hodina = 3 600 sekúnd, 1 deň = 86 400 sekúnd.

Využitie elektrolýzy

Galvanické pokovovanie pokrýva jeden kov tenkou vrstvou iného kovu, napríklad pri pozlátení šperkov alebo pri niklovaní oceľových súčiastok na ochranu pred koróziou. Pri elektrolytickom rafinovaní sa elektrolýza používa na čistenie kovov; takto rafinovaná meď môže dosiahnuť čistotu viac ako 99,9 %. Pri elektrolytickom získavaní kovov sa kovy, napríklad zinok, získavajú z roztoku pripraveného z rozdrvenej rudy. Hliník sa vyrába rovnakým spôsobom, ale z oxidu hlinitého rozpusteného v roztavenej soľnej lázni namiesto vody. Elektrolýza vody rozkladá vodu na vodík a kyslík, čo je metóda používaná na výrobu vodíkového paliva.

Faradayov zákon udáva teoretickú maximálnu hmotnosť. V skutočných procesoch sa zvyčajne vylúči o niečo menej, pretože časť prúdu poháňa vedľajšie reakcie namiesto hlavnej reakcie. Tento pomer sa nazýva prúdová účinnosť a pri priemyselnom pokovovaní zvyčajne dosahuje 90–98%.

História Faradayovho zákona

V roku 1800 zostrojil Alessandro Volta prvú batériu, čím vedcom po prvýkrát poskytol stály zdroj elektrického prúdu. V tom istom roku ju William Nicholson a Anthony Carlisle použili na rozklad vody na vodík a kyslík, čo bola jedna z prvých ukážok elektrolýzy. V rokoch 1807 až 1808 použil Humphry Davy elektrolýzu na izoláciu viacerých prvkov vrátane draslíka a sodíka.

Michael Faraday, ktorý pracoval ako Davyho asistent, uskutočnil začiatkom tridsiatych rokov 1830 storočia dôkladné pokusy s elektrolýzou. V rokoch 1832 a 1834 publikoval dva zákony opisujúce presný vzťah medzi elektrickým nábojom a hmotnosťou vytvorenej látky. Zaviedol aj termíny elektróda, anóda, katóda a ión, ktoré sa v chémii používajú dodnes.

Najčastejšie otázky

Ako vypočítate hmotnosť vylúčenú počas elektrolýzy? Vynásobte prúd časom, čím získate celkový náboj, ten vynásobte molárnou hmotnosťou látky a potom výsledok vydeľte súčinom valencie a Faradayovej konštanty: m = (I × t × M) / (z × F).

Čo je Faradayova konštanta? Je to elektrický náboj prenášaný jedným mólom elektrónov, približne 96 485 coulombov na mol.

Aký je rozdiel medzi anódou a katódou? Anóda je elektróda, na ktorej prebieha oxidácia a elektróny sa odovzdávajú. Katóda je elektróda, na ktorej prebieha redukcia a elektróny sa prijímajú. Keď sa kov vylučuje z roztoku, vzniká na katóde.

Ovplyvňuje teplota výsledok výpočtu? Teplota sa vo Faradayovom zákone nevyskytuje, takže nemení vypočítanú hmotnosť. Môže však ovplyvniť skutočnú účinnosť procesu, pretože vyššie teploty často urýchľujú vedľajšie reakcie.

Ktoré kovy táto kalkulačka podporuje? Meď, striebro, zlato, zinok, nikel, železo a hliník, pričom pre každý z nich je nastavená štandardná molárna hmotnosť a valencia. Pri akomkoľvek inom kove možno použiť rovnaký vzorec, ak sú známe jeho molárna hmotnosť a valencia.

Prečo sa môže skutočná hmotnosť vylúčeného kovu líšiť od vypočítanej hodnoty? Faradayov zákon predpokladá, že všetok prúd smeruje do hlavnej reakcie. V praxi sa časť prúdu spotrebuje na vedľajšie reakcie alebo na prekonanie odporu, takže skutočné vylúčené množstvo býva o niečo menšie než vypočítaná hodnota. Pomer skutočnej a teoretickej hmotnosti sa nazýva prúdová účinnosť.

Referencie

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