Elektrochemia
- prawa elektrolizy Faraday’a
Zadania
Elektrochemia
- prawa elektrolizy Faraday’a
Zadania
I prawo Faraday’a
•
Masa substancji wydzielonej na elektrodach podczas elektrolizy jest proporcjonalna
do natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy
• m = k·I·t
– m – masa wydzielonej substancji [g]
– I – natężenie prądu [A]
– t – czas trwania elektrolizy [s]
– q - ładunek [C]
– k – współczynnik proporcjonalności, zwany równoważnikiem elektrochemicznym
• k = M/(z·F)
– M – masa molowa
– z – ładunek jonu
– F - stała Faradaya [kulomb/mol]
• oznacza całkowity ładunek elektryczny jednego mola elektronów F = N
A
e:
– N
A
- stała Avogadra,
– e - ładunek elektronu =
1,6021917(70)×10
-19
C
• F = 96 487,03 ± 1,6 C/mol ~ 96 500 C/mol.
q
Przykład 1.
•
Ile gramów miedzi wydzieli się na katodzie platynowej podczas elektrolizy
wodnego roztworu Cu(NO
3
)
2
prądem o natężeniu 1A w czasie 9650 sekund?
– Dane:
I = 1 A
t = 9650 s
M
Cu
=63,5 g/mol
F = 96 500 C
– Szukane: m = ?
– Rozwiązanie:
• reakcja na katodzie: Cu
2+
+2e = Cu →
z = 2
• m = kIt
= [M/(zF)]·It = [
63,5
/(
2
·
96 500
)]·
1
·
9650
=3,17 g
– Odpowiedź: Na katodzie wydzieli się 3,17 g miedzi
Przykład 2.
•
Elektrolizę wodnego roztworu CuSO
4
prowadzono przez 1,5 godziny prądem o
natężeniu 5 A. Jaka jest wartość ładunku który przepłynął przez roztwór?
– Dane: t = 1,5 h = 90 min. = 5400 s, I = 5A
– Szukane: q=?
– Rozwiązanie:
q = I·t
q = 5· 5400 = 27000 C
– Odpowiedź: Przez roztwór przepłynął ładunek o wartości 27000C.
Przykład 3.
•
Roztwór wodny zawierający 1 mol Cu(NO
3
)
2
i 1 mol AgNO
3
poddano elektrolizie
na elektrodach platynowych przepuszczając ładunek równy 1,5F. Ile gramów
substancji wydzieliło się na katodzie?
– Dane:
Wzrost właściwości utleniających kationów
K, Na, Ca, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H
2
, Cu, Hg, Ag, Au
q = 1,5 F
– Rozwiązanie:
Ag
+
+ e = Ag → do wydzielenia 1 mola srebra potrzebny jest ładunek = 1F
Cu
2+
+ 2e = Cu → z = 2
W roztworze znajduje się 1 mol jonów Ag
+
, które dzięki przepływającemu ładunkowi
wydzielają się całkowicie na katodzie, m
Ag
= 108g
Pozostały ładunek = 1,5F -1F = 0,5 F zostaje przeznaczony na wydzielenia miedzi:
m
Cu
= 63,5g/2F·0,5F = 16 g
– Odpowiedź: Na katodzie wydzieliło się 108g srebra i 16g miedzi.
II. Prawo Faraday’a
•
Gdy ładunek, czyli I·t = const.: stosunek masy substancji wydzielonej na
1. elektrodzie do masy substancji wydzielonej na elektrodzie 2. ma się jak stosunek
współczynników proporcjonalności k:
•
m
1
/m
2
= k
1
/k
2
→
m
1
/m
2
= M
1
z
2
/M
2
z
1
→
n
1
z
1
= n
2
z
2
Przykład 1.
←k = M/(z·F)
• Podczas elektrolizy wodnego roztworu AgNO
3
wydzieliło się 21,6g srebra. Ile
gramów miedzi wydzieliłby ten sam ładunek elektryczny przepływający przez roztwór
zawierający jony Cu
2+
?
- Dane: m
Ag+
= 21,6g, M
Ag
= 108g/mol, n
1
– ilość moli srebra,
z
1
= 1
, M
Cu
= 63,5g/mol,
n
2
– ilość moli miedzi,
z
2
= 2
- Szukane: m
Cu
= ?
- Rozwiązanie:
Ag
+
+
e
= Ag
Cu
2+
+
2e
= Cu
n
1
= 21,6/108=0,2 mola
n
1
z
1
= n
2
z
2
0,2·1= n
2
·2 n
2
= 0,1
m
Cu
= n
2
·M
Cu
m
Cu
= 6,35 g
- Odpowiedź: Ten sam ładunek elektryczny wydzieliłby 6,35 g.
Przykład 2.
•
Jeżeli na anodzie wydzieliło się w czasie elektrolizy stopionego KOH 11,2 dm
3
tlenu (w warunkach normalnych), to jaka jest ilość wydzielonego na katodzie
potasu?
– Dane:
V
tlenu
= 11,2 dm
3
, n
1
– liczba moli tlenu,
z
1
= 4
, n
2
– liczba moli potasu,
z
1
= 1
,
M
K
= 39,1g/mol
– Szukane: m
K
= ?
– Rozwiązanie:
Anoda: 4OH
-
= O
2
+
4e
+ 2 H
2
O
Katoda: K
+
+
e
= K
W warunkach normalnych 1 mol gazu - 22,4 dm
3
n
1
- 11,2 dm
3
→n
1
= 0,5 mola
n
1
z
1
= n
2
z
2
0,5mola·4= n
2
·1 n
2
=2 mole
m
K
= M
K
· n
2
m
K
= 78,2g
– Odpowiedź: Na katodzie wydzieliło się 78,2 g potasu
Zadania
•
Zadanie 1. Jak długo musi przepływać prąd o natężeniu 1A przez rozcieńczony roztwór
H
2
SO
4
, aby wydzielić łącznie 0,336 dm
3
gazów (w stanie suchym w warunkach normalnych)?
Odp.: 32 min.
•
Zadanie 2. 500cm
3
wodnego roztworu NaCl poddano elektrolizie. Po jej zakończeniu pH
roztworu wynosiło 12,00. Oblicz, jaką objętość zajęły w warunkach normalnych gazowe
produkty wydzielone podczas tego procesu. Odp.: 0,112 dm
3
•
Zadanie 3. Podczas przepływu prądu o natężeniu 3A w ciągu 100 minut przez roztwór soli
metalu trójwartościowego wydzieliło się 1,68g metalu. Ile wynosi masa atomowa tego
metalu? Odp.: 27g
•
Zadanie 4. Jak długo należy prowadzić elektrolizę prądem o natężeniu 5A roztworu
zawierającego w 5dm
3
2 mole AgNO
3
i 2 mole Cu(NO
3
)
2
, aby wydzielić praktycznie
całkowicie srebro i miedź z tego roztworu, jeśli wydajność prądowa procesu wynosi 90%?
Odp.: ok.. 36h
•
Zadanie 5. Podczas elektrolizy wodnego roztworu KNO
3
na elektrodach wydzieliło się 67,2
dm
3
mieszaniny gazów (w przeliczeniu na warunki normalne). O ile zmniejszyła się objętość
roztworu? Gęstość wody = 1g/cm3 Odp.: 36 cm
3
•
Zadanie 6. Przez roztwór zawierający 1 mol NaCl i 1 mol MgCl
2
przepuszczono ładunek
193000 C. Oblicz o ile gramów wzrosła masa katody? Odp.: 24g.