Kalkulator elektrolize - Masovna depozicija (Faradayev zakon)

Kaj je kalkulator elektrolize?

Kalkulator elektrolize izračuna maso kovine, ki se med elektrolizo izloči na elektrodi ali se z nje raztopi. Elektroliza je proces, pri katerem električni tok povzroči kemijsko reakcijo, ki se sama od sebe ne bi zgodila. Kalkulator uporablja Faradayev zakon elektrolize ter tok, čas in lastnosti izbrane kovine.

Kako izračunati maso pri elektrolizi: formula Faradayevega zakona

Faradayev zakon pravi, da je masa snovi, nastale na elektrodi, sorazmerna količini električnega naboja, ki steče skozi elektrodo. Naboj je enak zmnožku toka in časa, zato se enačba običajno zapiše:

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

• m — masa nastale ali raztopljene snovi v gramih
• I — električni tok v amperih (A)
• t — čas v sekundah (s)
• M — molska masa snovi v gramih na mol (g/mol)
• z — valenca, število elektronov, ki jih prenese posamezni ion
• F — Faradayeva konstanta, 96.485 kulombov na mol (C/mol)

Faradayeva konstanta je poimenovana po angleškem znanstveniku Michaelu Faradayu. To je električni naboj, ki ga nosi en mol elektronov.

Zakaj je valenca pomembna

Valenca je odvisna od naboja iona. Bakrov ion Cu²⁺ potrebuje dva elektrona, da postane atom bakra, zato je njegova valenca 2. Srebrov ion Ag⁺ potrebuje le en elektron, zato je njegova valenca 1. Zlati ion Au³⁺ potrebuje tri elektrone, zato je njegova valenca 3. Višja valenca pomeni, da je za vsak atom potrebnih več elektronov, zato se pri enaki količini naboja izloči manjša masa.

Molska masa in valenca pogostih kovin

Primer izračuna

Tok 1 amper teče skozi raztopino bakrovega sulfata 1 uro (3.600 sekund). Koliko bakra se izloči na katodi, elektrodi, na kateri poteka redukcija?

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

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

Izloči se približno 1,19 grama bakra.

Drugi primer: tok 2 amperov teče skozi raztopino srebrovega nitrata 10 minut (600 sekund). Srebro ima molsko maso 107,87 g/mol in valenco 1.

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

Izloči se približno 1,34 grama srebra, kar je več kot v primeru bakra, predvsem zato, ker ima srebro nižjo valenco.

Kako uporabljati kalkulator

Vnesite tok v amperih in čas v sekundah, nato s seznama izberite kovino. Rezultat se posodobi samodejno. Pogoste pretvorbe časa: 1 minuta = 60 sekund, 1 ura = 3.600 sekund, 1 dan = 86.400 sekund.

Uporaba elektrolize

Pri galvanizaciji se ena kovina prevleče s tanko plastjo druge, na primer nakit z zlatom ali jekleni deli z nikljem za zaščito pred korozijo. Pri elektrolitskem rafiniranju se kovine očistijo; tako prečiščen baker lahko doseže več kot 99,9 % čistote. Pri elektrolitskem pridobivanju se kovine, kot je cink, pridobivajo iz raztopine, pripravljene iz zdrobljene rude. Aluminij se pridobiva na enak način, vendar iz glinice, raztopljene v kopeli staljene soli, in ne iz vode. Pri elektrolizi vode se voda razcepi na vodik in kisikova plina; ta metoda se uporablja za proizvodnjo vodika kot goriva.

Faradayev zakon podaja teoretično največjo maso. V resničnih procesih se običajno izloči nekoliko manjša masa, ker del toka poganja stranske reakcije namesto glavne. To razmerje se imenuje tokovni izkoristek in pri industrijski galvanizaciji običajno znaša 90–98%.

Zgodovina Faradayevega zakona

Leta 1800 je Alessandro Volta izdelal prvo baterijo in znanstvenikom prvič omogočil stalen vir električnega toka. Istega leta sta jo William Nicholson in Anthony Carlisle uporabila za razcep vode na vodik in kisik, kar je bil zgodnji prikaz elektrolize. Med letoma 1807 in 1808 je Humphry Davy z elektrolizo izoliral več elementov, med njimi kalij in natrij.

Michael Faraday, ki je delal kot Davyjev pomočnik, je v zgodnjih 1830-ih letih izvedel natančne poskuse z elektrolizo. V letih 1832 in 1834 je objavil dva zakona, ki opisujeta natančno povezavo med električnim nabojem in maso nastale snovi. Uvedel je tudi izraze elektroda, anoda, katoda in ion, ki se v kemiji uporabljajo še danes.

Pogosta vprašanja

Kako izračunate maso, izločeno med elektrolizo? Pomnožite tok s časom, da dobite celotni naboj, ta zmnožek pomnožite z molsko maso snovi, nato pa delite z zmnožkom valence in Faradayeve konstante: m = (I × t × M) / (z × F).

Kaj je Faradayeva konstanta? To je električni naboj, ki ga nosi en mol elektronov, približno 96.485 kulombov na mol.

Kakšna je razlika med anodo in katodo? Anoda je elektroda, na kateri poteka oksidacija in se izgubljajo elektroni. Katoda je elektroda, na kateri poteka redukcija in se elektroni pridobivajo. Ko se kovina izloča iz raztopine, nastane na katodi.

Ali temperatura vpliva na rezultat izračuna? Temperatura se v Faradayevem zakonu ne pojavlja, zato ne spremeni izračunane mase. Vpliva pa lahko na dejanski izkoristek procesa, saj višje temperature pogosto pospešijo stranske reakcije.

Katere kovine podpira kalkulator? Baker, srebro, zlato, cink, nikelj, železo in aluminij, vsaka s svojo standardno molsko maso in valenco, ki sta vgrajeni. Za katero koli drugo kovino velja ista enačba, če sta znani njena molska masa in valenca.

Zakaj se lahko dejanska masa izločene kovine razlikuje od izračunane vrednosti? Faradayev zakon predpostavlja, da ves tok sodeluje pri glavni reakciji. V praksi se del toka izgubi zaradi stranskih reakcij ali upornosti, zato so mase dejansko izločene kovine običajno nekoliko manjše od izračunane vrednosti. Razmerje med dejansko in teoretično maso se imenuje tokovni izkoristek.

Viri

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