Заряд и электролиз

8 заданий

Электроны как реагент

linkОпора

Урок 95. Заряд, поле и потенциал — электрический заряд и закон Кулона, работа электрических сил, потенциал и напряжение, ток, закон Ома и мощность; заряд моля электронов — постоянная Фарадея
Урок 25. Количество вещества и стехиометрическая модель — моль, частицы, молярная масса, коэффициенты реакции. Степень протекания реакции и её связь с изменением количеств компонентов

Алюминий, из которого сделана банка из-под газировки, получают электролизом: через расплав оксида пропускают ток, и на катоде ионы \(\ce{Al^3+}\) принимают электроны. Ток здесь — реагент, и его количество можно посчитать так же, как массу. В уроке 95 мы ввели заряд, ток и постоянную Фарадея; теперь применим их к электролизу.

functionsЗакон Фарадея

Заряд, прошедший за время \(t\) при постоянном токе \(I\), равен \(Q = It\) (урок 95). Моль электронов несёт заряд \(F = eN_\text{A} = 96\,485\) Кл, поэтому через цепь прошло \(n_e = Q/F\) моль электронов. Если на восстановление одной частицы нужно \(z\) электронов (\(\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}\): \(z = 2\)), то превратилось

\[n = \frac{n_e}{z} = \frac{Q}{zF} = \frac{It}{zF}\ \text{моль вещества}, \qquad m = nM = \frac{ItM}{zF}.\]

Масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна прошедшему заряду (первый закон Фарадея), а при одинаковом заряде массы разных веществ пропорциональны \(M/z\) (второй закон).

edit_noteСколько электричества на магний

Магний получают электролизом расплава хлорида магния: \(\ce{Mg^2+ + 2e- -> Mg}\). Для 1,00 кг магния нужно \(\dfrac{1000}{24{,}31}\cdot2\cdot96\,485 = 7{,}94\cdot10^{6}\) Кл. При токе 100 кА это заняло бы 79 секунд — промышленные электролизёры действительно работают при токах в сотни килоампер.

infoИз истории

Законы электролиза открыл Майкл Фарадей в 1833–1834 годах. Вместе с философом Уильямом Уэвеллом он придумал и слова, которыми мы пользуемся: электрод, анод, катод, ион, электролит. Электролиз расплава оксида алюминия в криолите изобрели независимо в 1886 году совсем молодые Чарльз Холл в США и Поль Эру во Франции. До этого алюминий стоил дороже серебра: Наполеон III подавал почётным гостям алюминиевые приборы, а верхушку монумента Вашингтону (1884) отлили из алюминия как из драгоценного металла.

Выход по току и баланс электронов

На электроде часто идут побочные процессы: при осаждении цинка из кислого раствора на катоде выделяется и водород. Выход по току — доля заряда, пошедшая на нужный процесс; поскольку масса пропорциональна заряду,

\[\eta = \frac{m_\text{факт}}{m_\text{теор}} = \frac{Q_\text{нужн}}{Q_\text{полн}}.\]

Электроны не накапливаются: сколько их принято на катоде, столько же отдано на аноде. Это материальный баланс электролиза. При электролизе воды на каждый моль \(\ce{O2}\) на аноде (\(\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}\)) приходится 2 моль \(\ce{H2}\) на катоде (по 2 электрона на молекулу), отсюда соотношение объёмов газов 2 : 1.

infoЧто выделяется при электролизе водных растворов

Вода сама может принимать и отдавать электроны, поэтому у ионов соли есть конкурент. На катоде восстанавливаются ионы металлов, стоящих в ряду потенциалов правее водорода (\(\ce{Cu^2+}\), \(\ce{Ag+}\)); ионы активных металлов (\(\ce{Na+}\), \(\ce{Mg^2+}\), \(\ce{Al^3+}\)) остаются в растворе, а выделяется водород — поэтому алюминий и магний получают из расплавов. Металлы средней активности (цинк, никель) выделяются вместе с водородом, и выход по току меньше 100 %. На аноде из концентрированных растворов хлоридов выделяется хлор, из сульфатов и нитратов — кислород. Почему именно так, объяснят потенциалы (уроки 98 и 99).

push_pinГлавное

Количество электричества \(Q = It\); моль электронов несёт заряд \(F = 96\,485\) Кл. На электроде превращается \(n = Q/(zF)\) моль вещества, \(m = ItM/(zF)\), где \(z\) — число электронов на частицу. Выход по току — доля заряда, пошедшая на нужный процесс. Материальный баланс электролиза — баланс электронов: сколько отдано на аноде, столько принято на катоде.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.