Электролиз. Законы Фарадея. Практическое применение электролиза

Электролиз

Так как протекание тока в жидкостях связано с переносом вещества, при таком токе имеет место процесс электролиза.

Определение. Электролиз – процесс, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, при которых на электродах выделяется вещество.

Вещества, которые в результате подобных расщеплений обеспечивают ионную проводимость, называются электролитами. Такое название предложил английский физик Майкл Фарадей (рис. 4).,

Электролиз позволяет получать из растворов вещества в достаточно чистом виде, поэтому его применяют для получения редких материалов, как натрий, кальций… в чистом виде. Этим занимается так называемая электролитическая металлургия.

 

Законы Фарадея. Практическое применение электролиза

В первой работе по электролизу 1833 года Фарадей представил свои два закона электролиза. В первом речь шла о массе вещества, выделяющегося на электродах:

Первый закон Фарадея гласит, что эта масса, выделяющегося на электродах, пропорциональна заряду, прошедшему через электролит:

Здесь роль коэффициента пропорциональности играет величина – электрохимический эквивалент. Это табличная величина, которая уникальна для каждого электролита и является его главной характеристикой. Размерность электрохимического эквивалента:

Физический смысл электрохимического эквивалента – масса, выделившаяся на электроде при прохождении через электролит количества электричества в 1 Кл.

Если вспомнить формулы из темы о постоянном токе:

То можно представить первый закон Фарадея в виде:

Второй закон Фарадея непосредственно касается измерения электрохимического эквивалента через другие константы для конкретно взятого электролита:

Здесь: – молярная масса электролита; – элементарный заряд; – валентность электролита; – число Авогадро.

Величина называется химическим эквивалентом электролита. То есть, для того чтобы знать электрохимический эквивалент, достаточно знать химический эквивалент, остальные составляющие формулы являются мировыми константами.

Исходя из второго закона Фарадея, первый закон можно представить в виде:

Фарадей предложил терминологию этих ионов по признаку того электрода, к которому они движутся. Положительные ионы называются катионами, потому что они движутся к отрицательно заряженному катоду, отрицательные заряды называются анионами как движущиеся к аноду.

Вышеописанное действие воды по разрыву молекулы на два иона называется электролитической диссоциацией.

Помимо растворов, проводниками второго рода могут быть и расплавы. В этом случае наличие свободных ионов достигается тем, что при высокой температуре начинаются очень активные молекулярные движения и колебания, в результате которых и происходит разрушение молекул на ионы.

 

Практическое применение электролиза

Первое практическое применение электролиза произошло в 1838 году русским ученым Якоби. С помощью электролиза он получил оттиск фигур для Исаакиевского собора. Такое применение электролиза получило название гальванопластика. Другой сферой применения является гальваностегия – покрытие одного металла другим (хромирование, никелирование, золочение и т.д., рис. 5)

Рис. 5. Примеры гальванопластики и гальваностегии соответственно (Источник), (Источник)

Также электролиз применяется в металлургии для выплавки редких металлов в чистом виде (алюминий, натрий, кальций, магний).

На следующем уроке мы разберем методику решения задач на тему «Электрический ток в жидкостях».

 

4.3 Применение электролиза

Применение электролиза в технике (сообщение учащегося). (

1. Гальваностегия - декоративное или антикоррозийное покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, омеднение, золочение).
2. Гальванопластика - электролитическое изготовление металлических копий, рельефных предметов. Этим способом были сделаны фигуры для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.
3. Электрометаллургия-получение чистых металлов при электролизе расплавленных руд (Al, Na, Mg, Be).
4. Рафинирование металлов - очистка металлов от примесей

 

5. Проверка понимание и осмысления нового материала, и применение нового материала на практике

1. Какие вещества называются электролитами?

2. Дайте определение:электрической диссоциации;степени диссоциации;рекомбинацией.

3. Какой процесс называется электролизом? Кто и когда открыл?

4. Сформулируйте закон Фарадея?

5. Физический смысл электрохимического эквивалента вещества и постоянной Фараде

1) Почему нельзя прикасаться к неизолированным электрическим проводам голыми руками? (Влага на руках всегда содержит раствор различных солей и является электролитом поэтому создает хороший контакт между проводами и кожей)

2) Почему для гальванического покрытия изделия чаще используют никель и хром? (большая химическая стойкость, механическая прочность и после полировки дают красивый блеск)

3) Почему провода осветительной сети обязательно имеют резиновую оболочку, а провода, предназначенные для сырых помещений кроме того, еще просмолены снаружи?

(так как влага на проводах представляет электролит и является проводником, а это может привести к короткому замыканию и пожару)

Примеры и разбор решения заданий:

1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи равна 0,3 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 7 минут?

Решение: Сила тока равна отношению заряда ко времени, в течение которого этот электрический заряд прошёл по цепи:

Подставив числовые значения, переведя время в СИ, получим q = 126 Кл.

Ответ: q = 126 Кл.

2. В процессе электролиза из водного раствора хлорида железа-2 выделилось 840 мг железа. Какой заряд прошёл через электролитическую ванну?

Решение:

q = 840 · 10^-6· 1,6 · 10^-19 · 2 · 6,02 · 10²³ / 0,056 = 2880 Кл.

Ответ: q = 2880 Кл.

Задачи

В процессе электролиза под действием тока плотностью 300 на электроде выделился слой меди толщиной 0,03 мм. В течении какого времени протекал этот электролиз?

Эта задача прежде всего на первый закон Фарадея. Его и запишем:        Плотность меди табличная величина, которая равна 9 . Объем же слоя меди можно выразить через его толщину и площадь: Силу тока так же свяжем с его плотностью. Плотность тока определяется как: , , ,     Электрохимический эквивалент также является табличной величиной и для меди он равен 0,3 .

.1Сколько цинка получено при электролизе раствора ZnSO4, если была затрачена энергия 2 кВт*ч? Разность потенциалов между зажимами ванны 2 В. Постоянная Фарадея 9,65*104 Кл/моль. А. 0,22 кг Б. 1,22 кг В. 2,22 кг Г. 3,22 кг   ТЕСТЫ 5.Определите толщину слоя меди, выделившейся за 5 ч при электролизе медного купороса, если плотность тока равна 0,8 А/дм2. А. 1,3 *10­5 м Б. 2,3*10­5 м В. 4,3*10­5 м Г. 5,3*10­5 м 6.Амперметр, включённый последовательно с электролитической ванной, показывает ток I0 = 1,5 А. Какую поправку надо внести в показания амперметра, если за время t = 10 мин на катоде отложилась масса меди m = 0,316 г? Эл/литический эквивалент меди k = 3,3*10­7 кг/Кл. А. 0,1 А Б. 0,2 А В. 0,3 А Г. 0,4 А 7.Какими заряженными частицами создаётся эл ток в электролитах? А. положительными и отрицательными ионами Б. электронами В. Дырками Г. электронами и дырками 6.При электролизе раствора ZnSO4 была затрачена энергия 20 ГВт*ч. Определите массу выделившегося цинка, если напряжение на зажимах ванны 4 В. А. 312 г Б. 412 г В. 512 г Г. 612 г 7.Определите массу серебра, выделившегося на катоде при электролизе азотнокислого серебра за 2 ч, если к ванне приложено напряжение 1,2 В, а сопротивление ванны равно 5 Ом. А. 1,9 г Б. 2,9 г В. 3,9 г Г. 4,9

6 Рефлексия. «Что узнали? Что поняли? Что не поняли?»

8. Домашнее задание §113 решить № А1,А2 с.379