Faraday elektrolízis törvényei

Faraday elektrolízistörvényei Michael Faraday 1836 -ban publikált elektrokémiai tanulmányain alapuló kvantitatív összefüggések . [1] [2]

Történelem és jelentősége

Faraday, az elektromosság különböző megnyilvánulásai közötti mennyiségi összefüggések megállapítására törekedve, kísérleti kutatásba kezdett az elektrolízissel kapcsolatban, 1833-1834 - ben felfedezte annak törvényeit (bevezetve a mai napig fennmaradt terminológiát ezen a területen). Ezek a törvények komoly érvként szolgáltak az anyag és az elektromosság diszkrétsége mellett. [3] Ezen túlmenően e törvényszerűségek felfedezése természetesen nagy gyakorlati jelentőséggel bírt az elektrokémia és a technológia szempontjából.

Fizikai jelentés

A modern nézőpontból, amelynek létrejöttéhez Faraday felfedezése történelmileg hozzájárult, az elektrolízis törvényeinek jelentése abból adódik, hogy egy anyag atom- vagy molekulaszerkezettel rendelkezik, és egy bizonyos kémiai anyag atomjai vagy molekulái ugyanaz, és ezért azonos tömegű, ugyanez vonatkozik az elektrolitokban áramhordozó szerepet játszó ionokra is, amelyek az elektrolízis során az elektródákon kisülnek (oxidálódnak vagy redukálódnak). Azonos tömeg mellett az azonos típusú ionoknak is ugyanaz a töltése, amely diszkrét, és mindig az elektrontöltés többszöröse (bár különböző ionoknál eltérő előjelű is lehet).

Így amikor egy bizonyos mennyiségű elektromosság áthalad egy elektródán, ez egyrészt szigorúan meghatározott számú elektron áthaladását, másrészt egy bizonyos típusú, szigorúan meghatározott számú ion kisülését jelenti (amely megegyezik az elosztott elektronok számával az ilyen típusú ionok töltésével). Így egy adott típusú atomok, molekulák vagy ionok tömegének és az elemi töltés (elektrontöltés) nagyságának ismeretében közvetlenül arányos kapcsolat jön létre az elektródán áthaladó elektromosság mennyisége és az elektród tömege között. anyag szabadul fel rajta. [4] [5]

Röviden, a Faraday-törvények fizikai jelentése modern nézőpontból az elektromos töltés megmaradásának törvényére redukálódik, a töltésdiszkrétség tényével ("kvantálás") és a fizikai azonosság tényével (beleértve a mindig azonos tömeget) kombinálva. ). Tekintettel a különböző izotópok létezésére , ez nem teljesen szigorú kijelentés; minden izotópra külön-külön (vagy monoizotóp elemekre) szigorú, a „természetes izotópkeverékre” pedig csak átlagosan igaz, ami inkább geológiai tény, illetve adott esetben egyes izotóp-összetétel különbsége miatt. a „szokásos” ok miatt az atomtömegek eltérhetnek a szokásos átlagos (standard) értékektől; lásd atomtömeg . Ugyanez vonatkozik természetesen a molekulatömegekre is. A legkönnyebb elemek kivételével azonban az atomtömeg ingadozása az izotóp-összetétel bármely (az ésszerű élettartamú izotópok korlátain belül) ingadozása esetén viszonylag kicsi.

Kémiai szempontból az elektrolízis olyan reakcióknak tekinthető (az elektródák közelében), amelynek egyik résztvevője egy elhanyagolható (az atomokhoz képest majdnem nulla) tömegű, egyébként reakciókban szinte viselkedő elektron (elektronok). ugyanaz, mint a többi résztvevő - atomok, molekulák, ionok. Ebben az esetben elektromos mérőműszerek segítségével (az elektrontöltés ismeretében) kvantitatívan mérhető az elektronok áramlása az egyik reakciótartományba az egyik elektródán keresztül, és a második reakcióterületről való távozása egy másik elektródán keresztül. Ezt nevezhetjük a kémia szempontjából a Faraday-törvények fő jelentésének (vagy ha úgy tetszik, levezetési módjának).

A törvények megfogalmazása

A tankönyvekben és a tudományos irodalomban több változata is megtalálható Faraday elektrolízis-törvényeinek megfogalmazásában. Például így fogalmazhatók meg:

Faraday elektrolízis első törvénye: Az elektrolízis során az elektródán lerakódott anyag tömege egyenesen arányos az adott elektródára átvitt elektromosság mennyiségével. Az elektromosság mennyisége az elektróda felületén áthaladó teljes elektromos töltést jelenti. [6] Ezt a következő képlettel fejezzük ki: , ahol az elektrokémiai megfelelője . $m=kQ$ $k$

Faraday elektrolízis második törvénye: adott mennyiségű elektromosság (elektromos töltés) esetén az elektródán felszabaduló kémiai elem vagy anyag tömege [7] egyenesen arányos az elem vagy anyag egyenértékű tömegével. Egy anyag ekvivalens tömege a kémiában általában a moláris tömege , osztva egy egész számmal, attól függően, hogy az anyag milyen kémiai reakcióban vesz részt; ebben az esetben az ekvivalens az ion kisülése során képződött anyag moláris tömege, osztva az ionok töltéseinek összegével (elemi egységekben mérve), ami ennek az anyagnak egy molekuláját vagy atomját eredményezi. Abban az esetben, ha atomi anyag szabadul fel az elektródán, az ekvivalens egyszerűen az atomtömege osztva az ion töltésével (lásd még Elektrokémiai ekvivalens ).

Matematikai jelölés

Faraday törvényei a következő képlettel írhatók fel:

m\ =\ \left({Q \over F}\right)\left({M \over z}\right),

ahol:

$m$ az elektródán lerakódott anyag tömege,
$K$ az anyagon áthaladó teljes elektromos töltés
$F=96485,332$ C mol −1 Faraday állandója , _
$M$ - az ion moláris tömege (például a rézion moláris tömege = 63,5 g / mol), ${\ce {Cu+))$
$z$ - egy anyag ionjainak vegyértékszáma (az iononkénti felesleges vagy hiányzó elektronok száma).

Vegye figyelembe, hogy ez a kivált anyag egyenértékű tömege . $M/z$

Faraday első törvényéhez és konstansok, tehát minél nagyobb a , annál nagyobb lesz az értéke . $M,\,F$ $z$ $K$ $m$

Faraday második törvényéhez , és konstansok, tehát minél nagyobb az érték (ekvivalens tömeg), annál nagyobb lesz az érték . $Q,\,F$ $z$ $M/z$ $m$

A legegyszerűbb esetben egyenáramot használunk , és az elektrolízis során a rendszeren áthaladó teljes elektromos töltés: , ami a tömeg kifejezéséhez vezet: $K=Ez$

m\ =\ \left({It \over F}\right)\left({M \over z}\right)

, ahol SI- ben történő számításkor az áram dimenziója amper , a töltés dimenziója pedig coulomb (más szóval amper-másodperc). Gyakorlati célokra más töltési mértékegységek is használhatók, például az amperóra (3600 C-nak felel meg), de ebben az esetben óvatosnak kell lennie a megfelelő szorzó bevezetésekor (mint általában más fizikai rendszerek használatakor). egységek, például CGS , ahol a Faraday-állandó számértéke természetesen eltérő lesz).

én

K

vagy az anyag mennyiségére :

n\ =\ \left({It \over F}\right)\left({1 \over z}\right),

ahol:

$n$ - kiosztott anyagmennyiség ("molok száma") :, $n=m/M$
$t$ - egyenáram működési ideje.

A váltakozó elektromos áram bonyolultabb esetében az áram teljes töltése időben összegződik : $K$ $I(\tau )$ $t$

Q=\int _{0}^{t}I(\tau )\ d\tau .

Itt - teljes elektrolízis idő, időváltozó, aktuális idő, áram az idő függvénye . [8] Könnyen belátható, hogy a váltakozó áram képlete egyszerűen azoknak az értékeknek az összege, amelyeket az egyenáram képletével kapunk kis ideig (ami intuitív módon nyilvánvaló, mivel az áram "majdnem" nincs ideje rövid időn belül változtatni). $t$ $\tau$ $én$ $\tau$ $d\tau$ $d\tau$

Itt azonnal meg kell jegyezni, hogy a fenti megfogalmazás és a benne foglalt mennyiségek értelmezése egy monoatomos egyszerű anyag elektródán történő kicsapódása esetére készült (különösen jól és közvetlenül alkalmas a lerakódás esetére. olyan anyag katódja, amely az elektrolízis során redukálódik - sója, bázisa vagy fém-oxidja oldatából vagy olvadékából). Más egyszerű anyagok (mondjuk oxigén vagy klór) felszabadulása legalább feltételesen értelmezhető (függetlenül attól, hogy mi az ilyen reakció valódi mechanizmusa), egy atomi anyag (atomos oxigén vagy klór) kezdeti felszabadulásaként értelmezhető, és csak akkor egy többatomos (kétatomos) molekula kialakulása - de már ebben az esetben is óvatosnak kell lennünk az újraszámításnál, ha tudni akarjuk a kapott végső molekuláris anyag mennyiségét (tehát mondjuk a molekuláris oxigén egyenértéke egyenlő lesz moláris tömege osztva 4-gyel, és klór - a moláris tömeg osztva kettővel). Még bonyolultabbak az elektrolízis során végbemenő reakciók, ha valamilyen összetett (többatomos) ion oldatában (vagy olvadékában) van, amikor a felszabaduló anyag nemcsak töltésében, hanem atomi összetételében is különbözik az iontól; emellett anyagkeverékek is felszabadulhatnak (mint például a szulfátolvadékok elektrolízise során), és az oldatok elektrolízise során gyakran előfordul egy reakció oldószer részvételével, és a végső anyagok összetételében jelentősen eltérhetnek. emiatt. Mindenesetre, ha a végtermék tömegére (vagy anyagmennyiségére) vagyunk kíváncsiak, akkor a képletben pontosan a molekulatömeget és azoknak az ionoknak a teljes töltését kell használnunk, amelyek kisütésük után az elődjei voltak; mindazonáltal az ekvivalens és egyenértékű tömeg fogalma ezekre az esetekre is következetesen és meglehetősen szigorúan definiálható. Több anyag szétválasztásának esetét az alábbiakban részletesebben tárgyaljuk .

Önmagukban Faraday törvényei és azok képlete szigorúak és alapvetőek. Ez nem mindig jelenti a gyakorlati alkalmazásuk egyszerűségét. Ez azt jelenti, hogy a gyakorlatban úgy tűnhet, mintha pontatlanul működnének. Például, ha a katód és az anód tér elválasztása nem megfelelő, az elektrolízis termékei (az oldaton keresztüli diffúzió vagy a gázfázisban való keveredés következtében) érintkezhetnek, és bizonyos körülmények között reakcióba léphetnek egymással, beleértve a kiindulási anyag képződését is, miközben a gyakorlati hozam kisebb lesz, mint a Faraday törvényei szerint számított, ami természetesen nem maguknak a törvényeknek a lazaságát jelenti, hanem csak az elválasztás tökéletlenségét. az elektrolízis termékei és egyéb reakciók feltételezése, beleértve a fordított reakciókat is.

A Faraday-törvények pontossága azonban, amint azt fentebb már említettük , vagy a tiszta izotópokra korlátozódik, vagy „átlagosan”, egy közönséges természetes izotópkeverék esetében, vagyis az izotópösszetétel ingadozása miatt kis mértékben látható. eltérések figyelhetők meg a Faraday-törvényektől (azonban formálisan nem szabványos izotóp-összetétel esetén egyszerűen a megfelelően korrigált atomi (vagy alacsonyabb molekulatömeget) kell használni); emellett a gyakorlatban a legtöbbször - bár nem mindig ( !) - az atomtömeg ingadozása az izotópösszetétel különbségei miatt kicsi - lásd az általános atomtömeget .

Ráadásul szigorúan véve nem az ion atomtömegéről kell beszélni, hanem a katódon már redukált fém atomtömegéről (vagy az anódnál oxidálva felszabaduló atomgázról). De a tömegkülönbség ebben az esetben csak egy vagy több elektron tömege, ami gyakorlatilag elhanyagolható (nagyságrendileg 1/1000 vagy kisebb) egy atom vagy ion tömegéhez képest. Igaz, komplex (többatomos) ion elektródáján történő kisülés esetén (lásd alább) a végtermék általában kémiai összetételében is különbözik, ami azt jelenti, hogy a tömegkülönbség már meglehetősen jelentős, ill. akkor a végtermék molekulatömegét kell használni a számításban, ha a tömege az, ami érdekel minket (és mondjuk nem nehéz megfigyelni és nem halmozódik fel – vagyis nem igazán létezik egy adott pillanatban egy időben - az instabil köztes termékek tömege; ami valójában csak formálisan összegezhető, mint valami múltbeli tömegáramlás, különösen mivel a specifikus reakciómechanizmus és a konkrét valós intermedierek meglehetősen nehezen tanulmányozhatók, sőt ismeretlenek).

Több anyag elkülönítésének esete

Az elektrolízis során egy vagy több különböző anyag szabadulhat fel egy elektródán. Ez utóbbi esetenként szükséges (amikor a reakció nem mehet másképp, mint több különböző termék egyidejű felszabadulásával egy elektródán - ami jellemző pl. oxigéntartalmú savak sóinak olvadékainak elektrolízisére vagy maguk ezekből a savakból), és gyakran az adott reakciókörülményektől függően (beleértve a keverékek összetételét is, ha elektrolízisükről beszélünk, adott esetben az oldószertől és annak mennyiségétől, ha elektrolízisről beszélünk). megoldásról). Emellett időben egymás után különböző arányban szabadulhatnak fel különböző anyagok, például először a (túlnyomórészt) kevésbé aktív fémet, majd oldatban való kimerülését követően az aktívabb fémet lehet helyreállítani; formai szempontból - Faraday törvényeihez képest - ez az eset a végeredményben nem tér el az egyidejű szelekció esetétől (különböző időpontokban eltér a felszabadulás sebességében, azonban minden időpontban Faraday törvényeit az alábbi megfogalmazásban be kell tartani) .

m_{1}/\left({M_{1} \over z_{1}}\right)+m_{2}/\left({M_{2} \over z_{2}}\right) +m_{3}/\left({M_{3} \over z_{3}}\right)+\dots \ =\ {Q \over F},

ahol, amint az könnyen látható, a bal oldalon egyszerűen az összes kibocsátott anyag egyenértékeinek összege látható; M 1 , M 2 stb. - az összes felszabaduló anyag moláris (molekuláris vagy atomi, az egyes termékektől függően) tömege, függetlenül attól, hogy hány szabadul fel, egyszerre vagy egymás után, és z 1 , z 2 stb. - az összes töltés (elemi töltési egységekben) azon ionok mennyiségét, amelyeket ki kell kisütni az egyes termékek előállításához (a fémkivonás konkrét esetben egyszerűen az egyes fémek atomtömege és az adott fémion töltése oldatban; Ugyanazon elem különböző ionjainak jelenléte esetén mindegyiket külön-külön, külön kifejezésben kell figyelembe venni). A Q -t természetesen a fent leírt módon számítjuk ki arra az esetre, ha egy anyag az elektródán szabadul fel.

AC eset

A váltakozó áram fentebb tárgyalt esete gyakorlatilag többé-kevésbé jól alkalmazható változó erősségű, de állandó irányú áramra. Bár itt előfordulhatnak bizonyos bonyodalmak, amelyek azonban nem befolyásolják a Faraday-féle törvényeket, mint olyanokat, különös tekintettel azok megfogalmazására, amelyek több elektrolízis termék esetében alkalmazhatók. Az a tény, hogy az áramerősség megváltoztatásának egyik fő tényezője az alkalmazott potenciálkülönbség változása lehet, és ennek változása erősen befolyásolhatja a felszabaduló termékek frakcióit egészen egyesek kis potenciálon történő kibocsátásának befejezéséig. és fordítva. Összességében azonban az összes termék esetében továbbra is teljesülnek Faraday törvényei.

Irányváltó áram esetén a dolog bonyolultabb és alapvetőbb lehet. Bár bizonyos esetekben közvetlenül minden jól működik (csak az integrálban, az I negatív értékei a végső Q csökkenést adják ). Bizonyos esetekben azonban, amikor az áram iránya megváltozik, az elektróda anyaga reagálhat (feloldódhat), ami állandó áramirány mellett soha nem oldódna fel; és még inert elektródákkal is megindulhatnak a közbenső termékek reakciói (főleg az áram irányának kellően gyors változása esetén), amelyek állandó áramirány mellett nem mennének tovább. Formális (alapvetően is) értelemben a Faraday-törvények továbbra is érvényben vannak, de itt már szinte mindig megvan a sokféle anyag részvételének esete (figyelembe véve azokat a köztes termékeket is, amelyeket nem is mindig könnyű előre megjósolni). ), és a Faraday-törvények formája szinte soha nem lesz a legegyszerűbb esetének legegyszerűbb formája (még ha erre külön is vigyáznak, ezt gyakran nehéz lesz elérni). $Q=\int I(t)dt$

Meglehetősen gyorsan változó váltóáram esetén ráadásul az egyik és a másik elektródán áthaladó áram általában nem esik egybe egymással. De akkor figyelembe veheti az egyes elektródákon áthaladó töltést külön-külön (és ennek eredményeként hosszú időn keresztül az elektródákon áthaladó töltések szinte pontosan egyenlőek lesznek). Megfelelően gyors váltakozó áram esetén fontos a reakciók sebessége, valamint a termékek eltávolításának sebessége (ez lehetővé teszi a különböző reakciók kimeneti arányának szabályozását a váltakozó áram frekvenciájával). Ennek ellenére a Faraday-törvények általában teljesülnek (bár a termékek izotópos összetétele ebben az esetben változhat, mint az egyenáramú elektrolízisnél).

Jegyzetek

↑ Faraday, Michael (1834). Az elektromos bomlásról . A Királyi Társaság filozófiai tranzakciói . 124 , 77-122. DOI : 10.1098/rstl.1834.0008 . Archiválva az eredetiből, ekkor: 2018-09-11 . Letöltve: 2020-10-13 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó )
↑ Ehl, Rosemary Gene; Ihde, Aaron. Faraday elektrokémiai törvényei és az egyenértékű súlyok meghatározása // Journal of Chemical Education : folyóirat. - 1954. - 1. évf. 31 , sz. május . - P. 226-232 . doi : 10.1021 / ed031p226 . - .
↑
TSB :
- Michael Faraday archiválva : 2022. május 3. a Wayback Machine -nél
- FARADAY TÖRVÉNYEI
↑ Szintén fordítva, az arányossági együttható - a Faraday-állandó - ismeretében kísérletileg meg lehet határozni a benne szereplő állandókat - az elektrontöltést, és az Avogadro-számot, valamint az egyes anyagok atom- és molekulatömegét.
↑ A valóságban gyakran előfordul, hogy az elektrolízis során egyszerre több különböző anyag szabadul fel az elektródákra, és ezek az anyagok azonnal további kémiai reakciókba is léphetnek. Maguk az elektrolízis törvényei azonban igazak maradnak, különösen, ha több anyag szabadul fel, a Faraday-törvény összesen működik rájuk - az összes felszabaduló anyag ekvivalenseinek teljes száma fog hatni egy felszabaduló anyag ekvivalenseinek száma helyett. A felszabaduló anyagok további átalakításai bonyolítják a gyakorlati képet, de alapvetően nem változtatnak rajta. Ezenkívül bizonyos esetekben az ilyen komplikációk kicsik, vagy gyakorlatilag egyáltalán nem merülnek fel ésszerű hibákon belül.
↑ Ez a készítmény arra az esetre érvényes, ha egy anyag az elektródán szabadul fel (és nem több, egyidejűleg vagy egymás után). Több anyag felszabadulása esetén arról beszélünk, hogy az elektrolízis során ténylegesen felszabaduló összes anyagból összesen hány ekvivalens szabadult fel az elektródán.
↑ Az elektródán felszabaduló anyag nem feltétlenül egyszerű , hiszen az elektrolízis során nemcsak egyatomos, hanem többatomos (komplex) ionok is kisüthetnek, mint például az NH 4 + . Ez utóbbi esetben azonban az elektródán végbemenő reakció valamivel bonyolultabbnak bizonyul, különösen az oldatban történő elektrolízis során, de a felszabaduló anyagok teljes ekvivalenseinek számát továbbra is ugyanaz a törvény határozza meg.
↑ Hasonló kezeléshez lásd: Strong, FC Faraday's Laws in One Equation // Journal of Chemical Education : folyóirat. - 1961. - 1. évf. 38 , sz. 2 . — 98. o . doi : 10.1021 / ed038p98 .

Linkek

Serway, Moses és Moyer, Modern Physics , harmadik kiadás (2005).

Lásd még

Szótárak és enciklopédiák	Britannica (online)

Elektrolízissel kapcsolatos cikkek

Az elektrolízis kezdetei	Kémiai áramforrások Faraday törvényei Szabványos elektródapotenciál

Elektrolitikus folyamatok

Elektrolízissel nyert anyagok	Alumínium fémes kalcium Klór Fluor Hidrogén fém lítium Magnézium fém kálium fémes nátrium Nátrium-hidroxid Cink
Lásd még	Elektrokémia