Gyakorlati munka 3 az elektrolízis számítása

Elektromos áram folyása elektrolitokon keresztül. Faraday elektrolízis törvényei.

Amikor áram folyik keresztül néhány megoldást, például egy kénsav-oldattal, vízzel bontjuk alkotórészeire - a hidrogén és oxigén szabadul fel a lemezekre csatlakozik rendre a pozitív és a negatív akkumulátor pólusok. Azok az ilyen megoldások, amelyek kémiailag bomlanak, amikor egy áram áthalad rajta, elektrolitoknak nevezik, és az anyag elektromos árammal való bomlási folyamatát elektrolízisnek nevezzük. Az elektrolitba áramló vezetékek elektrolitba merülnek, elektrodiáknak nevezik: a pozitív elektród az anód, a negatív elektród a katód. Az elektrolit, például a hidrogén és az oxigén bomlástermékei a kísérletben folyamatosan felszabadulnak az elektródákon, miközben az áram folyik. A felszabadított anyag tömegét meg lehet mérni. Ha olyan oldatot választ, amelyben a felszabaduló anyag az elektródon szilárd maradék formájában települ, akkor ez a tömeg nehézség nélkül mérhető. Például ha a réz-szulfát oldatát áterzi, akkor a réz leülepszik a katódra. Ez a jelenség könnyen megfigyelhető, ha a katód szénből készül - a felszabadult réz vöröses rétege látható lesz a szén fekete felületén. A katód mérése a kísérlet előtt és után meg tudjuk határozni a kicsapódott fém tömegét. A mérések azt mutatják, hogy az elektródon felszabaduló anyag tömege a jelenlegi szilárdságtól és az elektrolízis időtartamától függ. Az áramkörnek különböző időintervallumokra történő lezárása után látható, hogy a felszabadított anyag tömege arányos az áram átadási idejével. Továbbá a felszabaduló anyag tömege arányos a jelenlegi erősséggel. Így kiderül, hogy a felszabadított anyag tömege arányos az áram termékeivel és az elektrolízis idejével. Mindez lehetővé tette, hogy Faraday megfogalmazni egy fontos törvény, amely az ő nevét viseli: a tömege anyag felszabadulása után az elektród arányos a díj, vagy a villamosenergia-mennyiség áthaladt az elektrolit. Ez Faraday első törvénye. Ha m - tömeg és a kibocsátott anyagok, I - áramerősség, t - idő elektrolízis, q - a teljes töltés halad át a fürdő a t idő, tudjuk írni az első Faraday-törvény az alábbiak szerint:

m = Kq = KIt, ahol K az arányossági együttható.

Feltételezve, hogy ebben a képletben a q = 1 töltés, akkor azt kapjuk, hogy a K együttható egyenlő a töltet által 1C1-ben kibocsátott anyag tömegével, vagy pedig az 1A áram által 1 s-ban kibocsátott anyag tömegével. Faraday vizsgálatai azt mutatták, hogy a K értéke minden egyes anyag esetében jellemző. A K mennyiséget egy adott anyag elektrokémiai egyenértékének nevezzük. Így azt tapasztaljuk, hogy egy anyag elektrokémiai egyenértéke az elektrolízis során felszabaduló anyag tömege az oldaton átáramló villamos energia egy párja által.

A különböző anyagok elektrokémiai ekvivalensei alapvetően különböznek egymástól. A válasz arra a kérdésre - milyen tulajdonságokat az anyag függ annak kémiai egyenértékű, meghozta a következő fontos törvény, amely szintén telepítve van a tapasztalat Faraday (Faraday második törvénye): Elektrokémiai ekvivalens különböző anyagok arányosak a Móltömegük és fordítottan arányos a számok fejezik ki kémiai vegyérték. Ez a törvény lehet érteni a következő példa: Molekulatömeg ezüst egyenlő 0,1079 kg / mol, a vegyértékének - 1. Moláris tömeg cink 0,0654 kg / mol, vegyértéke - 2. Ezért a második törvénye Faraday elektrokémiai ekvivalens ezüst és a cinket úgy kell kezelni, mint: = 3,30

Ha még mindig jelöli K [kg / C] elektrokémiai ekvivalens anyagot keresztül M [kg / mol] - moláris tömege, és n - vegyértéke (n = 1, 2, ...), a második Faraday-törvény lehet átírni :

Itt 1 / F jelöli az arányossági együtthatót, amely univerzális állandó, vagyis ugyanaz az érték az összes anyag esetében. Az F mennyiséget Faraday-konstansnak nevezzük. A kísérletileg megállapított érték: F = 96484 Cl / mol. Az anyag móltömegének az M / n vegyértékéhez viszonyított arányát az anyag kémiai ekvivalensének nevezik. Ez az arány azt mutatja, hogy egy adott anyag mennyisége szükséges egy mól hidrogén kémiai vegyületekben való helyettesítésére. Egyértékű anyagokban a kémiai ekvivalens számszerűen egyenlő a móltömeggel. Ezzel a koncepcióval a második Faraday-törvényt a következőképpen fejezhetjük ki: az anyagok elektrokémiai ekvivalensei arányosak kémiai ekvivalensével. Most lehetséges a Faraday törvényeinek egyetlen képlet formájában történő kifejtése: m = q = Ez, ahol m az anyag elektromágneses áthaladásakor felszabaduló anyag tömege. Ez Faraday együttes törvénye. Ez a képlet egyszerű fizikai jelentéssel bír. Az m = M / n-t tesszük, vagyis az adott anyag kémiai ekvivalensének tömegét vesszük. Ezután kapjuk meg az F = q értéket. Ez azt jelenti, hogy a Faraday-konstans számszerűen egyenlő a q töltéssel, amelyet minden elektroliton át kell vezetni, hogy az elektródákat az anyagból egy vegyi ekvivalens mennyiséggel elkülönítsük. Az elektrolízis technikai alkalmazást talál olyan folyamatokban, mint a tiszta fémek, elektrolizálás, elektroformálás, elektrolitikus módszer.

Feladat: Ha tudjuk, hogy a kémiai ekvivalens a hidrogén 1.045 ∙ 10 -8 kg / Cl, kiszámítja a klór elektrokémiai egyenértékét. A klór valenciája 1, a klór és a hidrogén relatív atomtömege 35,45 és 1,008.

Gyakorlati munkaszám 3:

A lemezek ezüstözöttségét j = 0,5 A / dm 2 áramsűrűséggel végezzük. Ebben az esetben, t = 5 óra időtartamra, m tömeg = 2 kg ezüst szabadul fel. Keresse meg a lemezek területét. Elektrokémiai egyenérték ezüst K = 1,118 × 10 -6 kg / Cl.

Írja le az összes fizikai mennyiség numerikus értékét és mértékegységét, fordítsa le az értékek többszöröseit és többszörösét egész számokra.

Használja az első Faraday-törvény képletét.

Az áramerősség, az áramsűrűség és a lemezterület vonatkozásában a képletet használjuk: I = j × S

Kombinálja a két fenti képletet, ismerteti a lemez ismeretlen területeit ismert mennyiségekkel, helyettesíti a számértékeket és kiszámítja.

Az alumíniumgyártáshoz használt elektrolitikus fürdőt 25000 A-ra tervezték. Az alumínium elektrolízisét 4,8 V-os működési feszültségen végzik a fürdőben. A jelenlegi hatékonyság 86%. Az elektrokémiai egyenérték K = 0,335 g / A × h. Mennyi alumíniumot állít elő naponta? Mi az 1 kg alumíniumra jutó villamosenergia-fogyasztás?

Írja le az összes fizikai mennyiség numerikus értékét és mértékegységét, fordítsa le az értékek többszöröseit és többszörösét egész számokra.

Használja az első Faraday-törvény képletét, figyelembe véve a hatékonyságot: m = ηKIt, η - hatékonyság

Használja az aktuális A = UIt működésének képletét, mivel egyenlő az elfogyasztott villamos energiával.

Az elektromos fogyasztás a következő képlet segítségével érhető el: γ =, ahol γ - az áramfogyasztás.

Végezze el a kapott értékek méretének ellenőrzését.

Alatt milyen feszültség legyen víz elektrolízis készülék hatásfoka 80%, hogy a villamosenergia-költségeket nem több, mint 965 kJ oxigén Evolved egy 1 literes térfogatú alatt 200 kPa nyomáson hőmérsékleten 300K? A Faraday-konstans, az oxigénérték és a moláris gáz konstans értéke 96500 Ci / mol; 2; 8,31 J / (mól × K).

Írja le az összes fizikai mennyiség numerikus értékét és mértékegységét, fordítsa le az értékek többszöröseit és többszörösét egész számokra.

A keresett stresszt az alábbi képletből fejtjük ki: hasznos = qU, ahol E az hasznos energia, amely közvetlenül az oxigén szabadul fel.

Attól a ténytől függően, hogy a hatékonyságot a következő képlet határozza meg: η =, ebből a képletből kifejezve hasznos.

Keresse meg a töltés nagyságát a kombinált Faraday-törvényből: m =, azt fejezi ki q.

A képletek helyettesítve a képleteket a stressz képletére (c pont), kapjuk meg a feszültség képletét. Ebben a képletben a feszültség mellett az oxigén szabadul fel.

A felszabadult oxigén tömegét a Mendeleev-Clapeyron-egyenletből lehet kifejezni: pV = RT, M = 32 × 10-3 kg / mol az oxigén móltömege.

A képletben a masszáknak a képletben a stressz helyettesítve kapjuk meg a végső képletet, helyettesítsük a számértékeket és kiszámoljuk.

Végezze el a kapott értékek méretének ellenőrzését.

A termék nikkelezésére 1 óra alatt lerakódott egy nikkelréteg, amelynek vastagsága l = 0,01 mm volt. Határozzuk meg a j sűrűséget, ha a nikkel atomtömege A = 0,0587 kg / mol, a vegyérték n = 2, a nikkel sűrűsége ρ = 8,9 × 10 3 kg / m 3.

Írja le az összes fizikai mennyiség numerikus értékét és mértékegységét, fordítsa le az értékek többszöröseit és többszörösét egész számokra.

Használja a kombinált Faraday-törvényt: m =

A c pontból a c pontból származó képlet helyettesítője.

Expresszálja az aktuális sűrűséget, helyettesíti a számértékeket és kiszámolja.

Végezze el a kapott értékek méretének ellenőrzését.

A kénsavoldat elektrolízise 37 watt fogyaszt. Határozza meg az elektrolit ellenállását, ha 50 perc alatt 0,3 g hidrogént szabadítanak fel. A létesítmény hatékonysága 80%. Faraday-konstans 96,5 × 10 3 Cl / mol. Az atomtömeg és a hidrogénvegyérték 1,0 × 10-3 kg / mol, illetve 1. Megjegyzés:

Írja le az összes fizikai mennyiség numerikus értékét és mértékegységét, fordítsa le az értékek többszöröseit és többszörösét egész számokra.

Használja a kombinált Faraday-törvényt: m =, ahol η a létesítmény hatékonysága.

Használja a képleteket - Ohm törvény: I =, teljesítmény: P = U × I

Express a hatalom erejét a kombinált Faraday-törvényből.

A d) pont képletének kombinálásával kifejezzük az elektrolit szükséges ellenállását.

Helyezze a képletet a képlet pontjából a f. Ellenállás ellen.

Helyettesítő számértékek és kiszámítás.

Végezze el a kapott értékek méretének ellenőrzését.

Az első Faraday-törvény megfogalmazása.

Formázza Faraday második törvényét.

Formázza Faraday egységes törvényét.

Mi az anyag kémiai megfelelője?

Mi a Faraday állandó?

Adja meg a Faraday-konstans számértékét és mértékegységét.

Melyik elektródot nevezik anódnak, és mi a katód?

Hogyan tudod mérni a kibocsátott anyag tömegét?

Jelölje meg, hogy milyen technológiai folyamatokban alkalmazza az elektrolízist, és röviden ismertesse, hogy mi történik ezekkel a folyamatokkal.