חוקי האלקטרוליזה של פאראדיי

חוקי האלקטרוליזה של פאראדיי הם קשרים כמותיים המבוססים על המחקר האלקטרוכימי של מייקל פאראדיי, שפרסם ב-1836.

חוקים אלו קובעים את הקשר בין כמות החומרים המשתחררים במהלך אלקטרוליזה וכמות החשמל שעברה דרך האלקטרוליט. חוקי פאראדיי הם שניים. בספרות המדעית ובספרי הלימוד קיימים ניסוחים שונים של חוקים אלו.

הַפרָדָה חַשְׁמָלִית - שחרור מהאלקטרוליט של החומרים המרכיבים אותו במהלך המעבר חַשְׁמַל... לדוגמה, כאשר זרם חשמלי עובר במים מחומצנים מעט, המים מתפרקים לחלקים המרכיבים אותם - גזים (חמצן ומימן).

כמות החומר המשתחררת מהאלקטרוליט היא פרופורציונלית לכמות החשמל העוברת דרך האלקטרוליט, כלומר תוצר עוצמת הזרם כפול הזמן שבו זורם זרם זה. לכן, תופעת האלקטרוליזה יכולה לשמש למדידת עוצמת הזרם ולקביעה יחידות נוכחיות.

אלקטרוליט - תמיסה ובדרך כלל נוזל מורכב המוליך זרם חשמלי.בסוללות, האלקטרוליט הוא תמיסה של חומצה גופרתית (בעופרת) או תמיסה של אשלג קאוסטית או סודה קאוסטית (בברזל-ניקל). בתאים גלווניים, תמיסות של תרכובות כימיות כלשהן (אמוניה, נחושת גופרתית וכו') משמשות גם כאלקטרוליט.

מייקל פאראדיי (1791 - 1867)

מייקל פאראדיי (1791 - 1867) - פיזיקאי אנגלי, מייסד הדוקטרינה המודרנית של תופעות אלקטרומגנטיות. הוא החל את חיי העבודה שלו כשוליה בבית מלאכה לכריכת ספרים. הוא קיבל השכלה יסודית בלבד, אך למד מדעים באופן עצמאי ועבד כעוזר מעבדה של הכימאי דווי, הוא הפך למדען גדול, מגדולי הפיזיקאים הניסויים.

פאראדיי נפתח תופעה של אינדוקציה אלקטרומגנטית, חוקי האלקטרוליזה, פיתחו את הדוקטרינה של שדות חשמליים ומגנטיים והניחו יסודות של מושגי שדה אלקטרומגנטי מודרניים... הוא היה המדען הראשון שיש לו את הרעיון של טבע הגל הרטט של תופעות אלקטרומגנטיות.

החוק הראשון של פאראדיי לאלקטרוליזה

המסה של חומר שתשקע על אלקטרודה במהלך האלקטרוליזה עומדת ביחס ישר לכמות החשמל המועברת לאותה אלקטרודה (הועברה דרך האלקטרוליט). כמות החשמל מתייחסת לכמות המטען החשמלי, הנמדדת בדרך כלל בתליונים.

החוק השני של פאראדיי לאלקטרוליזה

עבור כמות נתונה של חשמל (מטען חשמלי), המסה של יסוד כימי שיושקע על אלקטרודה במהלך האלקטרוליזה עומדת ביחס ישר למסה המקבילה של אותו יסוד. המסה המקבילה של חומר היא המסה המולרית שלו חלקי מספר שלם, בהתאם לתגובה הכימית שבה החומר מעורב.

אוֹ

אותה כמות חשמל מובילה לשחרור מסות שוות של חומרים שונים על האלקטרודות במהלך האלקטרוליזה. כדי לשחרר שומה אחת של שווה ערך של כל חומר, יש צורך להוציא את אותה כמות חשמל, כלומר 96485 C. קבוע אלקטרוכימי זה נקרא מספר פאראדיי.

חוקי פאראדיי בצורה מתמטית

• m היא מסת החומר המופקד על האלקטרודה;

• Q הוא הערך של המטען החשמלי הכולל בתליונים, שעבר במהלך האלקטרוליזה;

• F = 96485.33 (83) C/mol — מספרו של פאראדיי;

• M היא המסה המולרית של היסוד ב-g/mol;

• z - מספר ערכיות של יונים של חומר (אלקטרונים ליון);

• M / z - מסה שווה של החומר המופעל על האלקטרודה.

מיושמים על החוק הראשון של פאראדיי של אלקטרוליזה, M, F ו-z הם קבועים, כך שככל שיש יותר Q, כך יהיה יותר m.

במונחים של חוק האלקטרוליזה השני של פאראדיי, Q, F ו-z הם קבועים, כך שככל שיש יותר M/z, כך יהיה יותר m.

לזרם ישר יש לנו

• n הוא מספר השומות (כמות החומר) המשתחררות על האלקטרודה: n = m / M.

• t הוא זמן המעבר של זרם ישר דרך האלקטרוליט. עבור זרם חילופין, סך המטען מסוכם לאורך זמן.

• t הוא זמן האלקטרוליזה הכולל.

דוגמה ליישום חוקי פאראדיי

יש צורך לכתוב את משוואת התהליכים האלקטרוכימיים בקתודה ובאנודה במהלך האלקטרוליזה של תמיסה מימית של נתרן גופרתי עם אנודה אינרטית. הפתרון לבעיה יהיה כדלקמן. בתמיסה, נתרן סולפט יתנתק לפי הסכימה הבאה:

פוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטי במערכת זו הוא כדלקמן:

זוהי רמת פוטנציאל שלילית הרבה יותר מאשר עבור אלקטרודת מימן במדיום ניטרלי (-0.41 V). לכן, על האלקטרודה השלילית (קתודה), הפירוק האלקטרוכימי של המים יתחיל עם שחרור מימן ויון הידרוקסיד לפי הסכימה הבאה:

ויוני הנתרן הטעונים בחיוב המתקרבים לקתודה הטעונה שלילית יצטברו ליד הקתודה, בחלק הסמוך של התמיסה.

חמצון אלקטרוכימי של מים יתרחש על האלקטרודה החיובית (אנודה), מה שיוביל לשחרור חמצן, על פי התוכנית הבאה:

במערכת זו, פוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטי הוא +1.23 וולט, שהוא הרבה מתחת לפוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטי שנמצא במערכת הבאה:

יוני סולפט טעונים שליליים הנעים לעבר האנודה הטעונה חיובית יצטברו בחלל הסמוך לאנודה.