Заряд и электролиз

8 заданий

Электроны как реагент

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, как массу.

Заряд, прошедший за время \(t\) при токе \(I\): \(Q = It\) (кулоны = ампер·секунды). Заряд одного моля электронов — постоянная Фарадея \(F = eN_A = 96\,485\) Кл/моль. Значит, через цепь прошло \(Q/F\) моль электронов. Если ион принимает \(z\) электронов,

\[n = \frac{Q}{zF}, \qquad m = \frac{ItM}{zF}\qquad\text{(закон Фарадея)}.\]

edit_noteСколько электричества на алюминий

Для 1 кг алюминия нужно \(\dfrac{1000}{26{,}98}\cdot3\cdot96\,485 = 1{,}07\cdot10^{7}\) Кл — при напряжении 4–5 В это около 12–15 кВт·ч. Поэтому алюминиевые заводы строят рядом с электростанциями.

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 — обоим было по 22–23 года. 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:

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

Сколько электронов принято на катоде, столько же отдано на аноде: при электролизе воды на каждый моль \(\ce{O2}\) (4 электрона) приходится 2 моль \(\ce{H2}\) (по 2 электрона). 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 получают из расплава. 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.

push_pinГлавное

Количество электричества \(Q = It\); моль электронов несёт заряд \(F = 96\,485\) Кл (постоянная Фарадея). На электроде превращается \(n = Q/(zF)\) моль вещества, 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 %.