Định luật Faraday về điện phân

Định luật điện phân của Faraday là các mối quan hệ định lượng dựa trên nghiên cứu điện hóa của Michael Faraday, mà ông đã xuất bản năm 1836.

Các định luật này xác định mối quan hệ giữa lượng chất được giải phóng trong quá trình điện phân và điện lượng đi qua bình điện phân. Định luật Faraday là hai. Trong các tài liệu khoa học và trong sách giáo khoa, có những cách diễn đạt khác nhau về các định luật này.

điện phân - giải phóng khỏi chất điện phân của các chất cấu thành của nó trong quá trình đi qua điện… Ví dụ, khi một dòng điện chạy qua nước bị axit hóa nhẹ, nước bị phân hủy thành các thành phần cấu thành của nó — khí (oxy và hydro).

Lượng chất được giải phóng khỏi chất điện phân tỷ lệ thuận với lượng điện chạy qua chất điện phân, nghĩa là tích của cường độ dòng điện nhân với thời gian dòng điện này chạy qua. Vì vậy, hiện tượng điện phân có thể dùng để đo cường độ dòng điện và xác định đơn vị hiện tại.

chất điện phân - một dung dịch và nói chung là một chất lỏng phức tạp dẫn điện.Trong pin, chất điện phân là dung dịch axit sunfuric (trong chì) hoặc dung dịch kali ăn da hoặc xút ăn da (trong sắt-niken). Trong các tế bào mạ điện, dung dịch của bất kỳ hợp chất hóa học nào (amoniac, đồng sunfat, v.v.) cũng đóng vai trò là chất điện phân.

Michael Faraday (1791 - 1867)

Michael Faraday (1791 — 1867) — Nhà vật lý người Anh, người sáng lập học thuyết hiện đại về hiện tượng điện từ. Anh ấy bắt đầu cuộc đời làm việc của mình với tư cách là người học việc trong một xưởng đóng sách. Anh ta chỉ được giáo dục tiểu học, nhưng đã nghiên cứu khoa học một cách độc lập và làm trợ lý phòng thí nghiệm cho nhà hóa học Devi, anh ta trở thành một nhà khoa học vĩ đại, một trong những nhà vật lý thực nghiệm vĩ đại nhất.

Farraday mở ra hiện tượng cảm ứng điện từ, định luật điện phân, phát triển học thuyết về điện trường và từ trường và đặt cơ sở của các khái niệm trường điện từ hiện đại… Ông là nhà khoa học đầu tiên có ý tưởng về bản chất dao động, sóng của các hiện tượng điện từ.

Định luật Faraday đầu tiên của điện phân

Khối lượng của một chất sẽ kết tủa trên một điện cực trong quá trình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chuyển sang điện cực đó (dẫn qua chất điện phân). Lượng điện đề cập đến lượng điện tích, thường được đo bằng mặt dây chuyền.

Định luật Faraday thứ hai của điện phân

Đối với một lượng điện (điện tích) nhất định, khối lượng của một nguyên tố hóa học sẽ được lắng đọng trên một điện cực trong quá trình điện phân tỷ lệ thuận với khối lượng tương đương của nguyên tố đó. Khối lượng tương đương của một chất là khối lượng mol của nó chia cho một số nguyên, tùy thuộc vào phản ứng hóa học mà chất đó tham gia.

Hoặc

Cùng một lượng điện dẫn đến sự giải phóng các khối lượng tương đương của các chất khác nhau trên các điện cực trong quá trình điện phân. Để giải phóng một mol đương lượng của bất kỳ chất nào, cần phải tiêu tốn cùng một lượng điện, cụ thể là 96485 C. Hằng số điện hóa này được gọi là số Faraday.

Định luật Faraday ở dạng toán học

• m là khối lượng chất lắng đọng trên điện cực;

• Q là giá trị của tổng điện tích trong các mặt dây chuyền, được truyền trong quá trình điện phân;

• F = 96485,33 (83) C/mol—Số Faraday;

• M là khối lượng mol của nguyên tố tính bằng g/mol;

• z - số hóa trị của các ion của một chất (electron trên mỗi ion);

• M/z — khối lượng đương lượng của chất đưa vào điện cực.

Áp dụng cho định luật điện phân đầu tiên của Faraday, M, F và z là các hằng số, vì vậy Q càng nhiều thì m sẽ càng lớn.

Theo định luật Faraday thứ hai của điện phân, Q, F và z là các hằng số, vì vậy M/z càng nhiều thì m càng nhiều.

Đối với dòng điện một chiều ta có

• n là số mol (lượng chất) thoát ra trên điện cực: n = m/M.

• t là thời gian dòng điện một chiều chạy qua bình điện phân. Đối với dòng điện xoay chiều, tổng điện tích được tính tổng theo thời gian.

• t là tổng thời gian điện phân.

Ví dụ áp dụng định luật Faraday

Viết phương trình các quá trình điện hóa ở cực âm và cực dương trong quá trình điện phân dung dịch natri sunfat với cực dương trơ. Giải pháp cho vấn đề sẽ như sau. Trong dung dịch, natri sunfat sẽ phân ly theo sơ đồ sau:

Thế điện cực chuẩn trong hệ thống này như sau:

Đây là mức điện thế âm hơn nhiều so với điện cực hydro trong môi trường trung tính (-0,41 V). Do đó, trên điện cực âm (cực âm), quá trình phân ly điện hóa của nước sẽ bắt đầu bằng việc giải phóng ion hydro và hydroxit theo sơ đồ sau:

Và các ion natri tích điện dương tiến đến cực âm tích điện âm sẽ tích tụ gần cực âm, ở phần liền kề của dung dịch.

Quá trình oxy hóa điện hóa của nước sẽ xảy ra trên điện cực dương (cực dương), dẫn đến giải phóng oxy, theo sơ đồ sau:

Trong hệ thống này, thế điện cực tiêu chuẩn là +1,23 V, thấp hơn nhiều so với thế điện cực tiêu chuẩn được tìm thấy trong hệ thống sau:

Các ion sunfat tích điện âm di chuyển về phía cực dương tích điện dương sẽ tích tụ trong không gian gần cực dương.