Faradayevi zakoni elektrolize
Faradayevi zakoni elektrolize kvantitativni su odnosi temeljeni na elektrokemijskom istraživanju Michaela Faradaya koje je objavio 1836. godine.
Ovi zakoni određuju odnos između količine otpuštenih tvari tijekom elektrolize i količina elektriciteta koja je prošla kroz elektrolit. Faradayeva zakona su dva. U znanstvenoj literaturi iu udžbenicima postoje različite formulacije ovih zakona.
Elektroliza — oslobađanje iz elektrolita njegovih sastavnih tvari tijekom prolaska struja… Na primjer, kada električna struja prolazi kroz blago zakiseljenu vodu, voda se razgrađuje na svoje sastavne dijelove — plinove (kisik i vodik).
Količina tvari koja se oslobađa iz elektrolita proporcionalna je količini električne energije koja prolazi kroz elektrolit, odnosno umnošku jakosti struje i vremena tijekom kojeg ta struja teče. Stoga pojava elektrolize može poslužiti za mjerenje jakosti struje i određivanje trenutne jedinice.
elektrolit — otopina i općenito složena tekućina koja provodi električnu struju.U baterijama je elektrolit otopina sumporne kiseline (u olovu) ili otopina kaustične potaše ili kaustične sode (u željezo-niklu). U galvanskim ćelijama kao elektrolit služe i otopine bilo kojih kemijskih spojeva (amonijak, bakrov sulfat itd.).
Michael Faraday (1791. - 1867.)
Michael Faraday (1791. — 1867.) — engleski fizičar, utemeljitelj moderne doktrine elektromagnetskih pojava. Radni vijek započeo je kao šegrt u knjigovežačkoj radionici. Stekao je samo osnovno obrazovanje, ali samostalno proučavajući znanost i radeći kao laborant kod kemičara Devija, postao je veliki znanstvenik, jedan od najvećih eksperimentalnih fizičara.
Farraday je otvorio fenomen elektromagnetske indukcije, zakone elektrolize, razvio nauk o električnom i magnetskom polju i položio temelji modernih koncepata elektromagnetskog polja… Bio je prvi znanstvenik koji je imao ideju o vibracijskoj, valnoj prirodi elektromagnetskih pojava.
Faradayev prvi zakon elektrolize
Masa tvari koja će se istaložiti na elektrodi tijekom elektrolize izravno je proporcionalna količini elektriciteta koja je prenesena na tu elektrodu (prošla kroz elektrolit). Količina elektriciteta odnosi se na količinu električnog naboja, obično mjeren u privjescima.
Faradayev drugi zakon elektrolize
Za određenu količinu elektriciteta (električni naboj), masa kemijskog elementa koji će se taložiti na elektrodi tijekom elektrolize izravno je proporcionalna ekvivalentnoj masi tog elementa. Ekvivalentna masa tvari je njezina molarna masa podijeljena s cijelim brojem, ovisno o kemijskoj reakciji u kojoj tvar sudjeluje.
Ili
Ista količina elektriciteta dovodi do oslobađanja ekvivalentnih masa različitih tvari na elektrodama tijekom elektrolize. Za oslobađanje jednog mola ekvivalenta bilo koje tvari potrebno je utrošiti istu količinu elektriciteta, točnije 96485 C. Ta elektrokemijska konstanta naziva se Faradayev broj.
Faradayevi zakoni u matematičkom obliku
-
m je masa tvari taložene na elektrodi;
-
Q je vrijednost ukupnog električnog naboja u privjescima, koji je prošao tijekom elektrolize;
-
F = 96485,33 (83) C / mol — Faradayev broj;
-
M je molarna masa elementa u g/mol;
-
z — valentni broj iona tvari (elektroni po ionu);
-
M/z — ekvivalentna masa tvari nanesene na elektrodu.
Primijenjeno na prvi Faradayev zakon elektrolize, M, F i z su konstante, pa što je više Q, to će biti više m.
U smislu Faradayeva drugog zakona elektrolize, Q, F i z su konstante, pa što je više M / z, to će biti više m.
Za istosmjernu struju imamo
-
n je broj molova (količina tvari) otpuštenih na elektrodi: n = m / M.
-
t je vrijeme prolaska istosmjerne struje kroz elektrolit. Za izmjeničnu struju, ukupni naboj se zbraja tijekom vremena.
-
t je ukupno vrijeme elektrolize.
Primjer primjene Faradayevih zakona
Potrebno je napisati jednadžbu elektrokemijskih procesa na katodi i anodi tijekom elektrolize vodene otopine natrijevog sulfata s inertnom anodom. Rješenje problema bit će sljedeće. U otopini će natrijev sulfat disocirati prema sljedećoj shemi:
Standardni potencijal elektrode u ovom sustavu je sljedeći:
To je mnogo negativnija razina potencijala nego za vodikovu elektrodu u neutralnom mediju (-0,41 V). Stoga će na negativnoj elektrodi (katodi) započeti elektrokemijska disocijacija vode oslobađanjem vodika i hidroksidnog iona prema sljedećoj shemi:
A pozitivno nabijeni ioni natrija koji se približavaju negativno nabijenoj katodi nakupit će se u blizini katode, u susjednom dijelu otopine.
Na pozitivnoj elektrodi (anodi) doći će do elektrokemijske oksidacije vode, što će dovesti do oslobađanja kisika, prema sljedećoj shemi:
U ovom sustavu, standardni potencijal elektrode je +1,23 V, što je znatno ispod standardnog potencijala elektrode koji se nalazi u sljedećem sustavu:
Negativno nabijeni sulfatni ioni koji se kreću prema pozitivno nabijenoj anodi nakupit će se u prostoru blizu anode.