Законы электролиза

Процессы электролиза подчиняются законам Фарадея:

Первый закон:

Масса электролита, подвергшаяся химическому превращению, а также массы веществ, выделившихся на электродах, прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшему через расплав или раствор электролита.

Второй закон:

При пропускании одинакового количества электричества через растворы или расплавы различных электролитов масса веществ, выделяющихся на электродах, пропорциональна их химическим эквивалентам.

Для расчетов используют объединенное уравнение законов Фарадея:

где m – масса электролита, подвергшаяся химическому превращению, или масса вещества, выделившегося на электроде, г; М_э – молярная масса эквивалентов вещества, г/моль; J – сила тока, А; t - время электролиза, с; F – число Фарадея (96500 Кл/моль).

Молярная масса эквивалентов вещества рассчитывается по формуле:

где М – молярная масса вещества, г/моль;

n – число электронов, участвующих в электродном процессе.

Для расчета объемов газообразных продуктов электролиза в законе Фарадея молярная масса эквивалентов вещества М_э заменяется на молярный объем эквивалента газа при нормальных условиях (V_э), который рассчитывается по формуле:

где 22,4 – это объем, который занимает 1 моль любого газа при нормальных условиях, л; n – число , отданных или принятых 1 моль газа.

При проведении электролиза в реальных условиях, вследствие побочных процессов масса вещества, выделившегося на электроде, оказывается меньше массы, рассчитанной по закону Фарадея. Отношение массы вещества, полученной при электролизе (m_практ.) к массе вещества, рассчитанной по закону Фарадея (m_теор.), выраженное в процентах, называется выходом по току (Вт):

Пример 1. Составьте электронные уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе раствора CuSO₄. Определите массу меди и объем газа, выделившихся на электродах при прохождении тока силой 5 А в течение 2 часов.

Решение. В водном растворе CuSO₄ диссоциирует по схеме

CuSO₄ ® Cu²⁺ + SO₄^2–

При электролизе раствора соли CuSO₄ на катоде будут восстанавливаться ионы Cu²⁺, а на аноде – окисляться молекулы воды.

Катод (–): Cu²⁺ + 2 ® Cu 2

Анод (+): 2Н₂О - 4 ® О₂ + 4Н⁺ 1

Суммарная реакция: 2CuSO₄ + 2H₂O ® 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

Молекулы H₂SO₄ образуются в результате побочной реакции между ионами Н⁺ и кислотными остатками SO₄^2–, которые накапливаются у поверхности анода.

Масса меди, выделившейся на катоде:

Объем кислорода, выделившегося на аноде:

Ответ: m_(Сг)=11,85 г;

Пример 2. Составьте схему электролиза водного раствора соли NaCl и рассчитайте массу образовавшегося на катоде гидроксида натрия, если на аноде выделилось 1,12 л газа.

Решение. В водном растворе NaCl диссоциирует по схеме:

NaCl ® Na⁺ + Cl^–

При электролизе раствора NaCl на катоде будет восстанавливаться водород из молекул воды, а на аноде – окисляться ионы Cl^– до газообразного Cl₂:

Катод (–): 2Н₂О + 2 ® Н₂ + 2ОН^– 1

Анод (+): 2Cl^– - 2 ® Cl₂ 1

Суммарная реакция: 2NaCl + 2H₂O ® H₂ + 2NaOH + Cl₂

Молекулы NaОН образуются в результате взаимодействия ионов ОН^– с ионами Na⁺, которые накапливаются у поверхности катода.

Молярный объем эквивалента хлора:

Количество эквивалентов хлора:

Так как на электродах выделяется одинаковое количество эквивалентов веществ, то

n_э(NaOH) = 0,1 моль.

Масса образовавшегося NaOH:

n_(NaOH) = M_э(NaOH)×n_э(NaOH) = 40 × 0,1 = 4 г.

Ответ: 4 г.

Пример 3. Определите массу цинка, который выделится на катоде при электролизе сульфата цинка в течение 1 часа при токе 26,8 А, если выход цинка по току равен 58%. Составьте схему электродных процессов.

Решение. Согласно закону Фарадея масса выделившегося цинка:

С учетом выхода по току практически выделившаяся масса цинка:

Схема электролиза раствора ZnSO₄:

ZnSO₄ ® Zn²⁺ + SO₄^2–

Катод (–): Zn²⁺ + 2 ® Zn

2H₂O + 2 ® H₂ + 2OH^–

Анод (+): 2H₂O - 4 ® O₂ + 4H⁺ 1

Cуммарная реакция:

2ZnSO₄ + 4H₂O ® Zn + H₂ + Zn(OH)₂ + O₂ + 2H₂SO₄

Низкий выход по току цинка объясняется тем, что одновременно с цинком на катоде восстанавливаются молекулы воды и часть электричества расходуется на этот процесс.

Ответ: 18,96 г.