Законы электролиза Фарадея

Физические законы электрохимии

Майкл Фарадей .

Законы электролиза Фарадея представляют собой количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1833 году. ^{[1] [2] [3]}

Первый закон

Майкл Фарадей сообщил, что масса ( м ) вещества, осажденного или выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду ( Q ; единицы СИ — ампер -секунды или кулоны ). ^[3]

$${\displaystyle m\propto Q\quad \implies \quad {\frac {m}{Q}}=Z}$$

Здесь константа пропорциональности Z называется электрохимическим эквивалентом (ЭКЕ) вещества. Таким образом, ECE можно определить как массу осажденного или высвободившегося вещества на единицу заряда.

Второй закон

Фарадей обнаружил, что при пропускании одинакового количества электрического тока через разные последовательно соединенные электролиты массы веществ, осаждающихся или выделяющихся на электродах, прямо пропорциональны их соответствующему химическому эквиваленту/ эквивалентному весу ( Е ). ^[3] Это оказывается молярная масса ( M ), деленная на валентность ( v )

${\displaystyle {\begin{aligned}&m\propto E;\quad E={\frac {\text{molar mass}}{\text{valence}}}={\frac {M}{v}}\\&\implies m_{1}:m_{2}:m_{3}:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \\&\implies Z_{1}Q:Z_{2}Q:Z_{3}Q:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \\&\implies Z_{1}:Z_{2}:Z_{3}:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \end{aligned}}}$

Вывод

Одновалентному иону для разряда требуется 1 электрон, двухвалентному иону для разряда требуется 2 электрона и так далее. Таким образом, если x- электроны текут, атомы разряжаются. ${\displaystyle {\tfrac {x}{v}}}$

Таким образом, выбрасываемая масса m равна

$${\displaystyle m={\frac {xM}{vN_{\rm {A}}}}={\frac {QM}{eN_{\rm {A}}v}}={\frac {QM}{vF}}}$$

• N _A – постоянная Авогадро ;
• Q = xe — общий заряд, равный числу электронов ( x ), умноженному на элементарный заряд e ;
• F — постоянная Фарадея .

Математическая форма

Законы Фарадея можно резюмировать следующим образом:

${\displaystyle Z={\frac {m}{Q}}={\frac {1}{F}}\left({\frac {M}{v}}\right)={\frac {E}{F}}}$

где M — молярная масса вещества (обычно выражается в единицах системы СИ — граммах на моль), а v — валентность ионов .

Для первого закона Фарадея M, F, v — константы; таким образом, чем больше значение Q , тем больше будет m .

Для второго закона Фарадея Q, F, v являются константами; таким образом, чем больше значение (эквивалентного веса), тем больше будет m . ${\displaystyle {\tfrac {M}{v}}}$

В простом случае электролиза при постоянном токе Q = It , что приводит к

${\displaystyle m={\frac {ItM}{Fv}}}$

а затем

${\displaystyle n={\frac {It}{Fv}}}$

где:

• n — количество выделившегося вещества («число молей»): ${\displaystyle n={\tfrac {m}{M}}}$
• t — общее время подачи постоянного тока.

Для случая сплава, компоненты которого имеют разную валентность, имеем

$${\displaystyle m={\frac {It}{F\times \sum _{i}{\frac {w_{i}v_{i}}{M_{i}}}}}}$$

где w _i представляет собой массовую долю i - го элемента.

В более сложном случае переменного электрического тока полный заряд Q представляет собой электрический ток I ( τ ) , проинтегрированный по времени τ :

${\displaystyle Q=\int _{0}^{t}I(\tau )\,d\tau }$

Здесь t – общее время электролиза. ^[4]

Смотрите также

• Электролиз
• Закон индукции Фарадея
• Уравнение Тафеля

Рекомендации

1. Фарадей, Майкл (1834). «Об электрическом разложении». Философские труды Королевского общества . 124 : 77–122. дои : 10.1098/rstl.1834.0008. S2CID  116224057.
2. Эл, Розмари Джин; Иде, Аарон (1954). «Электрохимические законы Фарадея и определение эквивалентных весов». Журнал химического образования . 31 (май): 226–232. Бибкод : 1954JChEd..31..226E. дои : 10.1021/ed031p226.
3. "Законы электролиза Фарадея | химия" . Британская энциклопедия . Проверено 1 сентября 2020 г.
4. Аналогичную трактовку см. в Strong, FC (1961). «Законы Фарадея в одном уравнении». Журнал химического образования . 38 (2): 98. Бибкод : 1961ЖЧЭд..38...98С. дои : 10.1021/ed038p98.

дальнейшее чтение

• Сервей, Моисей и Мойер, Современная физика , третье издание (2005 г.), принципы физики.
• Поэкспериментируйте с законами Фарадея.