Закон фарадея объединенный

Главная / Закон фарадея объединенный

Закон фарадея объединенный

Законы Фарадея количественно описывают закономерности, наблюдающиеся при электролизе — процессе превращения различных веществ при прохождении электрического тока через электролит. Они открыты в 1833-34 гг. английским ученым М. Фарадеем (M. Faraday, 1791 — 1867) в результате анализа опытных данных, полученных им при изучении электролиза различных веществ.

Первый закон: масса m вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна количеству электричества (заряду Q ), прошедшего через электролит: m = kQ , где k — коэффициент пропорциональности, называемый электрохимическим эквивалентом вещества и зависящий от природы вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении заряда, равного 1 Кл, и выражается в кг/Кл. Элементы, проявляющие в химических соединениях различную валентность, имеют несколько значений электрохимического эквивалента.

Второй закон: электрохимические эквиваленты различных веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:

,

где A / n — химический эквивалент;

A — атомная или молекулярная масса ионов, нейтрализующихся на электроде;

n — валентность иона;

F — некоторая постоянная величина, называемая числом Фарадея, одинаковая для всех веществ ( одновалентных).

Законы Фарадея можно выразить одним соотношением — объединенным законом Фарадея:

,

где I — сила тока;

t — время прохождения тока.

Из объединенного закона Фарадея следует, что число Фарадея равно заряду, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется 1 моль вещества в расчете на единицу валентности этого вещества. Опытным путем было установлено, что F = 96,5 кКл/моль.

Объединенный закон Фарадея можно вывести, исходя из представлений о том, что каждый ион при электролизе переносит заряд q , кратный некоторому элементарному заряду е : q = n е , где n — валентность иона. Полный заряд, перенесенный N ионами, равен: Q = Nq = N n e . Если m о — масса одного иона, то вся масса вещества, выделившегося на электроде:

,

где N А = 6,023·10 23 моль -1 .

Таким образом, мы получаем объединенный закон.

При этом число Фарадея оказывается равным F = N A e. Именно по этой формуле еще в 1874 г. был вычислен элементарный заряд — заряд электрона:

e = 96,5 Ч 10 3 /(6,023 Ч 10 23 ) = 1,6 Ч 10 -19 Кл.

Законы Фарадея были проверены в различных условиях электролиза: при больших и малых силах тока, при высоких и низких температурах, при различных давлениях, при одновременном выделении нескольких веществ на электродах, при проведении электролиза в различных растворителях и в расплавах, при различных концентрациях электролита. Отклонения от закона Фарадея, которые иногда наблюдаются, объясняются тем, что в некоторых электролитах кроме ионной проводимости присутствует еще и электронная проводимость.

Электролиз широко используется в промышленности для производства различных веществ: хлора (мировой объем » 30 млн. тонн в год), щелочи ( » 35млн. тонн в год), алюминия ( » 15 млн. тонн в год). Он также используется для рафинирования металлов (степень чистоты 99,9 %); для синтеза некоторых органических соединений; в гальванопластике для получения слоев металлов достаточной толщины с целью воспроизводства формы предмета; в гальваностегии для получения тонких слоев с целью защиты от коррозии, для повышения износостойкости, в декоративных целях.

Схема электролитической установки показана на рис. 1.

Схема электролитической установки

В некоторой емкости находится электролит и проводящие электроды различной формы (металлические или графитовые). Электроды подключены к источнику тока. Для измерения силы тока используется амперметр (А), а для измерения напряжения — вольтметр (V). Плотность тока j = I / S , где I — сила тока, а S — площадь электродов. В зависимости от площади электродов плотность тока может составлять (10 — 10 4 ) А / м 2 . Напряжение на ванне (2 — 5) В. При последовательном соединении нескольких ванн напряжение составляет (200 — 400) В. В промышленных элетролизерах ток может достигать 100 кА.

1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.5.

2. Киреев В.А. Курс физический химии.- М.: Химия, 1975.

www.heuristic.su

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Объединенный закон

Объединенный закон для газов. [1]

Объединенный закон Бугера-Ламберта — Бера вполне справедлив только для монохроматического излучения, поэтому строгим является его применение в спектрофотометрии. В фотоколориметрии, где измерения проводятся с помощью светофильтров, выделяющих сравнительно узкий интервал длин волн, этот закон применим лишь с большим или меньшим приближением в зависимости от степени постоянства величины D в данном интервале длин волн. [2]

Объединенный закон Бугера-Ламберта — Бера многократно проверялся на опытах и его можно считать строго установленным. Однако на практике могут наблюдаться отклонения, которые происходят за счет несоблюдения закона Бера. Закон Бера справедлив для весьма разбавленных растворов и поэтому область его применения ограничена. [3]

Объединенный закон Вант-Гоффа имеет следующую формулировку: осмотическое давление разбавленного раствора равно тому газовому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно в виде газа при той же температуре занимало тот же объем, что и раствор. [4]

Объединенный закон Бугера-Ламберта — Бера многократно проверялся на опытах и его можно считать строго установленным. Однако на практике могут наблюдаться отклонения, которые происходят за счет несоблюдения закона Бера. Закон Бера справедлив для весьма разбавленных растворов и поэтому область его применения ограничена. [5]

Согласно объединенному закону Бой ля — Мариотта — Гей-Люссака pV / T const, откуда V / T con t / p Но, как / T lga, где а-угол наклона прямой к оси абсцисс. [6]

Выведите объединенный закон Бойля — Мариотта — Гей-Люссака. [7]

Из объединенного закона Фарадея (20.4) легко понять физический смысл постоянной Фарадея. Q, прошедший через электролит, равен постоянной Фарадея. Следовательно, постоянная Фарадея численно равна электрическому заряду, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется 1 моль одновалентного вещества. Законы Фарадея впервые навели на мысль о том, что любой электрический заряд состоит из целого числа атомов электричества элементарных зарядов. [8]

Из объединенного закона Фарадея (20.4) легко понять физический смысл постоянной Фарадея. Если m — M / Z, то заряд Q, прошедший через электролит, равен постоянной Фарадея. Следовательно, постоянная Фарадея численно равна электрическому заряду, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется 1 моль одновалентного вещества. [9]

Формула объединенного закона Бойля — Мариотта и Гей-Люссака дает возможность определять какой-либо из параметров при переходе от одного состояния к другому, если известно, как изменились значения других параметров. [10]

Чтобы использовать объединенный закон газового состояния , сравним между собой состояния данной массы воздуха при заданных ( р, V, T) и нормальных ( ро, VQ, То) условиях. [11]

Чтобы использовать объединенный закон газового состояния , сравним между собой состояния данной массы воздуха при заданных ( pit Vlt 7) и нормальных ( р0, У0, Г0) условиях. [12]

Воспользоваться формулой объединенного закона электролиза и уравнением Клапейрона — Менделеева. [13]

Воспользоваться формулой объединенного закона электролиза и уравнением Менделеева — Клапейрона. [14]

www.ngpedia.ru

Электролиты, закон Фарадея

Электролиты

Явление выделения электрическим током химических составных частей проводника при прохождении тока называется электролизом.

Электролиз может протекать не во всех проводниках. К числу проводников, в которых электролиз не протекает, относят металлы, уголь и другие соединения (Это проводники первого рода). Проводники, в которых электролиз возможен, называют проводниками второго рода или электролитами. К электролитам относят большое количество водных растворов кислот, солей, некоторые жидкие и твердые соединения.

Явление электролиза часто сопровождается химическими реакциями (вторичные реакции), которые не связаны с прохождением тока. В ходе электролиза на отрицательном полюсе (катоде) всегда выделяются металлы и водород, на положительном полюсе (аноде) — остаток химического соединения. Составные части электролита выделяются только на электродах. Явление выделения составных частей электролита на электродах при прохождении электрического тока было исследовано М. Фарадеем.

Явление электролиза отражает тот факт, что молекулы растворенного вещества в электролите существуют как две части: ион с положительным знаком и ион с отрицательным знаком. Под воздействием внешнего электрического поля эти ионы движутся: положительные ионы в сторону катода, отрицательные ионы в сторону анода. Тогда, когда отрицательный ион достигнет анода, то он отдает свой заряд электроду. Следовательно, некоторое количество электронов проходят по внешней цепи. Ион становится нейтральным и выделяется на аноде, как атом или молекула. Положительный ион забирает у катода некоторое количество электронов (столько, сколько ему требуется для нейтрализации), выделяется на катоде.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Ионы, которые несут отрицательный заряд и выделяются на аноде, были названы Фарадеем анионами, положительно заряженные ионы получили название — катионов.

Законы Фарадея

Фарадей установил экспериментальным путем два основных закона электролиза. В соответствии с первым законом, масса вещества $(m)$, которая выделяется на одном из электродов, прямо пропорциональна заряду $(q)$, который прошел через электролит:

где $K$ — электрохимический эквивалент, который отличается для разных электролитов. $K$ равен массе электролита, которая выделяется при прохождении заряда $q=1Kл$. Основной единицей измерения электрохимического коэффициента является $\frac<кг><Кл>$.

Кроме того, Фарадей заметил, что электрохимический эквивалент всегда пропорционален молярной массе вещества ($\mu $) и обратно пропорционален валентности $(Z)$. Отношение $\frac<\mu >$ называют химическим эквивалентом вещества.

В соответствии со вторым законом Фарадея: электрохимический эквивалент прямо пропорционален химическому эквиваленту для избранного вещества:

где $C=\frac<1>$ — величина постоянная для всех веществ, $F$ — постоянная Фарадея.

Первый и второй законы Фарадея часто выражают одной формулой, а именно:

Эмпирическим путем получено, что в СИ $F=9,65<\cdot 10>^4\frac<Кл><моль>$ — фундаментальная физическая постоянная, отражающая отношение электрохимических и физических свойств вещества. Причем известно, что:

Лень читать?

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

где $q_e$ — заряд электрона, $N_A$ — постоянная Авогадро.

Объяснить законы Фарадея можно с точки зрения ионной проводимости. Допустим, что количество ионов, которое выделяется на одном из электродов при электролизе равно $\nu $, заряд одного из ионов равен $q_1$. Следовательно, суммарный заряд, который прошел через электролит, равен:

Пусть масса одного иона равна $m_1$, тогда масса вещества, которая выделяется на электроде, равна:

Выразим из (5) $\nu $, получим:

Подставим (7) в (6), имеем:

Выражение (8) не что иное как первый закон Фарадея, где:

Сравним выражения (2) и (9), получим, что:

В выражении (10) мы получили, что заряд иона в электролите пропорционален валентности вещества $(Z)$. Этот результат показывает, что заряды ионов кратны между собой. Минимальный заряд, равный заряду электрона, имеют ионы одновалентных веществ.

Задание: Найдите скорость $v,$ с которой увеличивается слой вещества, являющегося проводником второго рода на плоской поверхности электрода в процессе электролиза при прохождении тока, плотность которого равна $j$. Считать, что электролит имеет валентность равную $Z$, плотность $\rho ,\ молярную\ массу\ \mu .$

Решение:

В качестве основы решения задачи применим объединенный закон Фарадея:

где $q=It$, $I$ — сила тока, текущего через электролит, $t$ — время, которое тек ток. Если считать, что осаждение никеля идет равномерно по поверхности металла, то массу выделившегося вещества запишем как:

\[m=\rho Sh\ \left(1.2\right),\]

где $\rho $ — плотность никеля, $S$ — площадь поверхности металла, $h$ — толщина слоя никеля. Силу тока, выразим через его плотность:

Подставим в выражение (1.1) силу тока из (1.3) и массу из (1.2), получим:

В том случае, если плотность тока постоянна, то скорость ($v=\frac$) увеличения слоя никеля так же постоянна. Разделим обе части выражения (1.4) на время, имеем:

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

spravochnick.ru

,

где m1 – масса вещества (1) образовавшегося или подвергнутого превращению вещества: mэкв1.— его эквивалентная масса;m2 – масса вещества (2) образовавшегося , mэкв2.— его эквивалентная масса;

3. Объединенный закон Фарадея:

Масса электролита, подвергшаяся превращению при электролизе, а также масса образующихся на электродах веществ прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит, и эквивалентным массам соответствующих веществ.

Этот закон выражается следующим уравнением:

где m – масса образовавшегося или подвергнутого превращению вещества: mэкв.— его эквивалентная масса; I – сила тока, t — время в секундах, F = 96500 кл – число Фарадея, (или t — время в часах, то F = 26,8 А·ч); ВТ – выход по току.

Или при вычислении объемов выделившихся газов:

V – объем выделившегося газа (л);Vэкв.— эквивалентный объем (л/моль). Поскольку при нормальных условиях эквивалентный объем водорода равен 11,2 л/моль, а кислорода – 5,6 л/моль.

Выход вещества по току

При электролизе возможно протекание нескольких реакций параллельно — основной и побочной, чтобы учесть влияния побочной реакций, было введено понятие «выход по току». Выход по току – отношение количества теоретически необходимого для получения того или иного количества электричества (по закону Фарадея) к практически затраченному количеству электричества. С целью уменьшения затрат электроэнергии на побочные электрохимические реакции и повышения по току стремятся проводить электролиз в таких условиях, при которых затруднено разложение растворителя, т.е. велика поляризация при окислении или восстановлении растворителя (например перенапряжение кислорода или водорода). Это достигается повышением плотности тока, изменением температуры электролита, подбором материала электролита и т. д.

Выход по току оценивает ту часть количества пропущенного электричества, которая приходится на долю данной электродной реакции:

,

где — количество электричества, расходуемое на данную реакцию;— общее количество пропущенного электричества.

Выход по току можно определить как отношение количества полученного в результате электрохимических реакций продукта () к тому количеству, которое должно образоваться теоретически (), если бы все количество электричества расходовалось только на данную реакцию:

Существуют системы, в которых все количество пропущенного электричества расходуется лишь на одну электродную реакцию, то ВТ=1 или 100%. Такие электрохимические системы используются для измерения пропущенного электричества и называются «кулонометрами».

Применение электролиза

Электролиз широко применяется в различных отраслях промышленности. В химической промышленности электролизом получают такие важные продукты как хлор и щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, перманганат калия, органические соединения, химически чистые водород, кислород, фтор и ряд других ценных продуктов.

Электролитическое выделение металла из раствора называется электроэкстракцией. Руда или обогащенная руда — кон­центрат подвергается обработке определенными ре­агентами, в результате которой металл переходит в раствор. После очистки от примесей раствор направляют на электролиз. Металл выделяется на катоде и в большинстве случаев характеризуется высокой чистотой. Этим методом получают главным образом цинк, медь и кадмий.

В цветной металлургии электролиз используется для рафинирования металлов, для извлечения металлов из руд. Электролитическому рафинированию металлы подвергают для удаления из них примесей и для перевода содер­жащихся в них компонентов в удобные для переработки продукты. Из металла, подлежащего очистке, отливают пластины и поме­щают их в качестве анодов в электролизер. При прохождении тока металл подвергается анодному растворению — переходит в виде катионов в раствор. Далее катионы металла разряжаются на ка­тоде, образуя компактный осадок чистого металла. Содержащиеся в аноде примеси либо остаются нерастворенными, выпадая в виде анодного шлама, либо переходят в электролит, откуда пе­риодически или непрерывно удаляются. К числу металлов, получаемых электролизом расплавленных сред относятся алюминий, магний, цирконий, титан, уран, бериллий и ряд других металлов.

Электролиз применяют во многих отраслях машиностроения, радиотехники, электронной, полиграфической промышленности для нанесения тонких покрытий металлов на поверхность изделий для защиты их от коррозии, придания декоративного вида, повышения износостойкости, жаростойкости, получения металлических копий.

studfiles.net

1.4. Законы Фарадея (законы электролиза)

Связь между количеством выделившегося при электролизе веществ и количеством электричества, прошедшего через электролит, выражается двумя законами Фарадея.

Первый закон Фарадея. Масса вещества, выделившегося на электроде при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит:

где m — масса вещества, г; k – электрохимический эквивалент, т.е. масса вещества, выделившаяся при прохождении одного кулона электричества, г/Кл; Q – количество электричества, Кл (Q = It, где I — сила тока, t — время, с).

Второй закон Фарадея. Одинаковое количество электричества выделяет при электролизе на электродах эквивалентные массы различных веществ. Для выделения одного моля эквивалента любого вещества необходимо затратить одно и то же количество электричества, а именно 96485 Кл, называемое числом Фарадея.

Тогда электрохимический эквивалент:

,

где Mэкв — молярная масса химического эквивалента вещества (иона)  , г/моль экв.

Из первого и второго законов Фарадея вытекает объединенное уравнение:

;

. (4)

1.5. Примеры решения задач

Пример 1. Написать уравнения электрохимических процессов, происходящих на аноде (анод инертный) и катоде при электролизе раствора бромида меди (II).

Решение. В водном растворе CuBr2 диссоциирует следующим образом:

Стандартный электродный потенциал водородного электрода в нейтральной водной среде:

Это значительно отрицательнее потенциала системы:

Cu 2+ + 2e → Cu 0 (+0,34В).

Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое осаждение меди:

На аноде будет происходить окисление ионов брома, приводящее к выделению газообразного брома:

поскольку электрохимическое окисление воды:

из нейтральных сред может протекать при потенциалах не менее (+1,23 В), что выше стандартного электродного потенциала, характеризующего выделение газообразного брома (+1,07 В).

Пример 2. Написать уравнения электрохимических процессов, происходящих на аноде и катоде при электролизе раствора сульфата натрия (анод инертный).

Решение. В водном растворе Na2SO4 диссоциирует следующим образом:

Стандартный электродный потенциал системы:

Na + + ē → Na 0 (–2,71 В)

значительно отрицательнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (–0,41 В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое разложение воды с выделением водорода:

а ионы натрия, приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство).

На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, приводящее к выделению кислорода:

поскольку отвечающей этой системе стандартный электродный потенциал (+1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (+2,01 В), характеризующий систему:

Сульфат-ионы, движущиеся при электролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве.

Пример 3. Написать уравнения электрохимических процессов, происходящих на катоде и аноде при электролизе раствора сульфата цинка с цинковым анодом.

Решение. В водном растворе ZnSO4 диссоциирует следующим образом:

Zn 2+ + 2ē → Zn 0 (–0,76 В)

близок к потенциалу водородного электрода в нейтральной водной среде (– 0,41 В), поэтому на катоде будут совместно протекать два процесса восстановления:

На аноде возможно протекание трех окислительных процессов: электрохимического окисления воды, приводящего к выделению кислорода (+1,23 В), окисления сульфат-ионов (+2,01 В) и окисления материала анода, т.е. цинка (–0,76 В). Сравнение электродных потенциалов систем позволяет сделать вывод об окислении анода и выделении ионов цинка в раствор:

Пример 4. Определить массу цинка, которая выделится на катоде при электролизе сульфата цинка в течение одного часа при токе 26,8 А, если выход по току цинка равен 50 %.

Решение. Расчет ведем согласно объединенному уравнению из законов Фарадея (4). Масса моля эквивалента (химический эквивалент вещества) цинка в ZnSO4 равна (65,38 / 2) = 32,69 г/моль экв. Не забыв выразить время в секундах, подставим в уравнение закона Фарадея все известные значения и определим массу цинка, которая должна выделиться (при условии, если весь ток будет израсходован на выделение цинка):

m = (32,69 ∙ 26,8 ∙ 3600) / 96485 = 32,69 г.

Так как выход по току цинка составляет 50%, то практически на катоде выделится цинка:

Пример 5. Рассчитать ток при электролизе раствора в течение 1 ч 40 мин 25 с, если на катоде выделилось 1,4 л водорода, измеренного при нормальных условиях.

Решение. Из формулы (4) выразим силу тока:

.

Так как количество водорода дано в единицах объема, то отношение m/Э заменяем отношением VH2/Vэкв H2 , где VH2 — объем водорода, л; Vэкв H2 — объем одного моля эквивалента водорода. Объем моля эквивалента водорода при нормальных условиях равен половине моля молекул водорода Vэкв H2 = 22,4/2 = 11,2 л, так как моль любого газа в нормальных условиях занимает объем, равный 22,4 л, а в процессе электрохимического восстановления водорода участвуют два электрона. Подставив в приведенную формулу числовые значения, получим:

= 2 А.

Смотрите так же:

  • Правило лото кено Тиражная лотерея "KENO" / "КЕНО" в Казахстане Во время розыгрыша, с помощью лототрона, определяется выигрышная комбинация — 20 чисел от 1 до 80. Чтобы выиграть главный приз – 10 000 000 тенге, Вам достаточно угадать всего половину выпавших номеров! Стоимость ставки — 100 тенге. Вы сами […]
  • Как проверить значение в реестре Как проверить значение в реестре Профиль | Отправить PM | Цитировать Часто работаю с разными компьютерами, и приходится для удобства на всех запускать такой вот reg-файл (Для отключения постоянных запросов UAC): Собственно вопрос - можно ли сделать проверку в батнике, которая бы […]
  • Штраф за несвоевременную сдачу отчёта по есв Отчет по ЕСВ - 2018 Тема: Единый социальный взнос. Варіант українською: Звіт ЄСВ. 06. Часто задaваемые вопросы oб отчетности плательщиков ЕСВ 12. Разъяснения и аналитика по теме " Отчет по ЕСВ ": ·02· 27.03.2018 Bидeo Материальная помощь: предоставление, налогообложение, oтpажение в […]
  • Правило вживання артикля Article in English Спочатку з’ясуємо, що ж таке артикль: Якщо говорити простими словами, артикль – це своєрідний «ярличок», супутник іменника. Він стоїть перед ним, і дає зрозуміти, що це – саме іменник, а не дієслово або прислівник. Іноді з артиклем дуже важко розібратися. Тому що в […]
  • Переходы правила отбора Правила отбора. Мультиплетность спектров и спин электрона. Молекулярные спектры Целью данной исследовательской работы является ознакомление с такими понятиями как мультиплетность спектров, молекулярные спектры и правила отбора. При этом все эти три понятия взаимосвязаны. Например без […]
  • Правило превращения Краткие правила игры в шахматы ШАХМАТНАЯ ДОСКА И НОТАЦИЯ Шахматы - игра для двоих. Один игрок (Белые) использует фигуры белого цвета, а второй игрок (Черные) обычно играет фигурами черного цвета. Доска разделена на 64 маленьких черных и белых квадратика (поля). Существует система […]
  • Приказ минобрнауки россии от 26122013 1408 Приказ минобрнауки россии от 26122013 1408 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ от 26 декабря 2013 г. N 1408 ОБ УТВЕРЖДЕНИИ ПРИМЕРНЫХ ПРОГРАММ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ ВОДИТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ СООТВЕТСТВУЮЩИХ КАТЕГОРИЙ И ПОДКАТЕГОРИЙ Во исполнение […]
  • Основное правило степени Свойства степени Напоминаем, что в данном уроке разбираются свойства степеней с натуральными показателями и нулём. Степени с рациональными показателями и их свойства будут рассмотрены в уроках для 8 классов. Степень с натуральным показателем обладает несколькими важными свойствами, […]