Содержание

Законы электролиза Фарадея – это… Что такое Законы электролиза Фарадея?

Майкл Фарадей, портрет Томаса Филипса, 1841-1842

Зако́ны электро́лиза Фараде́я являются количественными соотношениями, основанными на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1836 году.[1]

Формулировка законов

В учебниках и научной литературе можно найти несколько версий формулировки законов. В наиболее общем виде законы формулируются следующим образом:

  • Первый закон электролиза Фарадея: масса вещества, осаждённого на электроде при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, переданного на этот электрод. Под количеством электричества имеется в виду электрический заряд, измеряемый, как правило, в кулонах.
  • Второй закон электролиза Фарадея: для данного количества электричества (электрического заряда) масса химического элемента, осаждённого на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента. Эквивалентной массой вещества является его молярная масса, делённая на целое число, зависящее от химической реакции, в которой участвует вещество.

Математический вид

Законы Фарадея можно записать в виде следующей формулы:

где:

  • m — масса осаждённого на электроде вещества в граммах
  • Q — полный электрический заряд, прошедший через вещество
  • F = 96 485,3383(83) Кл·моль−1 — постоянная Фарадея
  • M — молярная масса вещества
  • z — валентное число ионов вещества (число электронов на один ион).

Заметим, что M/z — это эквивалентная масса осаждённого вещества.

Для первого закона Фарадея M, F и z являются константами, так что чем больше величина Q, тем больше будет величина m.

Для второго закона Фарадея Q, F и z являются константами, так что чем больше величина M/z (эквивалентная масса), тем больше будет величина m.

В простейшем случае постоянного тока электролиза приводит к:

и тогда

где:

В более сложном случае переменного электрического тока полный заряд Q тока I() суммируется за время :

Здесь tполное время электролиза. Обратите внимание, что тау используется в качестве переменной, ток I является функцией от тау.[2]

Примечания

  1. Ehl, Rosemary Gene; Ihde, Aaron (1954). «Faraday’s Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights». Journal of Chemical Education 31 (May): 226–232. DOI:10.1021/ed031p226. Bibcode: 1954JChEd..31..226E.
  2. For a similar treatment, see Strong, F. C. (1961). «Faraday’s Laws in One Equation». Journal of Chemical Education 38 (2): 98. DOI:10.1021/ed038p98.

Ссылки

  • Serway, Moses, and Moyer, Modern Physics, third edition (2005).

См. также

Законы электролиза (законы Фарадея) – Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Статьи Рисунки Таблицы О сайте English     ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА (ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ). [c.41]

    Между количеством электричества, прощедшего через электролитический проводник, и количеством вещества, выделив-щегося на электроде, существуют определенные соотношения, выражаемые двумя количественными законами электролиза (законами Фарадея). [c.253]

    Законы электролиза (законы Фарадея) [c.386]

    В первой половине XIX века атомистические представления получают в химии широкое распространение главным образом благодаря работам Дальтона, Гей-Люссака, Авогадро. В то же время в результате исследований Дэви, Фарадея, Берцелиуса и др. было открыто значение электрических сил в образовании химических соединений. Позднее были найдены количественные законы электролиза—законы Фарадея (1830). 

[c.15]


    Исключительно важное значение для электрохимии имело открытие Фарадеем (в тридцатых годах XIX века) законов электролиза. Законы Фарадея по существу создали основу для количественного изучения процессов электролиза. Принятая в настоящее время терминология в области явлений электролиза была введена в науку Фарадеем. [c.12]
Смотреть страницы где упоминается термин Законы электролиза (законы Фарадея): [c.19]   
Смотреть главы в:

Курс физической химии (том 2) -> Законы электролиза (законы Фарадея)

Курс физической химии Том 2 Издание 2 -> Законы электролиза (законы Фарадея)

Физическая и коллоидная химия Учебное пособие для вузов -> Законы электролиза (законы Фарадея)



Смотрите так же термины и статьи:

Законы электролиза (законы Фарадея). Электрохимический эквивалент

Законы электролиза, открытые Фарадеем

Исследование электролиза электролитных растворов и проверка законов Фарадея

Количества веществ, получаемых при электролизе. Законы Фарадея

Применимость закона Фарадея к электролизу расплавленных солей

Фарадей

Фарадея законы

Фарадея законы электролиза

Фарадея электролиза

Фарады

Химические источники электрической энергии. Электродные потенциалы Электролиз. Закон Фарадея

Электролиз законы

Электролиз — 5. Плотность электрического тока, напряжение законы Ома и Фарадея — 6. Выход по току — . Процесс осаждения металлов. Структура гальванического покрытия

Электрохимия Электролиз. Законы Фарадея

Явление электролиза. Законы Фарадея

© 2020 chem21.info Реклама на сайте

Законы электролиза Фарадея | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

В 1833 г. М. Фарадей установил:

Масса вещества, которое выделяется при прохож­дении электрического тока в электролитах на аноде или катоде, прямо пропорциональна заряду, который при этом переносится иона­ми через электролит:

m = kq,

где m

— масса вещества, кг; q — заряд, Кл.

Коэффициент пропорциональности k = m / q называется электрохимическим эквивален­том данного вещества.

Электрохимический эквивален­т вещества показывает, какая масса вещества в килограммах выделяется на электроде при прохождении тока, пере­носящего заряд, равный одному кулону:

k = m / q

Если иметь в виду, что при постоянном токе в цепи q = IΔt, где I — сила тока (ам­пер), а Δt — время прохождения тока (се­кунд), то закон Фарадея можно записать в виде

m = kIΔt.

Исходя из современных представлений, закон для электролиза можно установить тео­ретически. Пусть за время Δ

t через электро­лит переносится заряд q. Заряд одного иона q0i = ne, где n — валентность иона, а e — значение элементарного электрического заря­да. Следовательно, q = neNi, где Ni — коли­чество ионов, которые достигли электрода.

С другой стороны, масса вещества, выде­ляющегося на электроде m = m0iNi, где m0iмасса иона, которая может быть определена по молярной массе вещества M и постоян­ной Авогадро NA:

m0i = M / NA; m = (M / NA) • Ni.

Из уравнения для заряда q = neNi можно определить Ni: Ni =

q / ne. Подставив значения Niв выражение для массы, получаем:

m = (M / neNA) • q,

что также является законом Фарадея для электролиза. Итак, электрохимический эквивалент вещества

k = M / neNA,

где все величины для данного вещества являются постоянными.

В последней формуле значение элемен­тарного заряда e и постоянная Авогадро одинаковы для всех веществ. Их произве­дение назвали постоянной Фарадея:

F = eNA.

Значение постоянной Фарадея:

F = 1,6 • 10-19 Кл • 6,023 • 1023 моль-1 = -9,65 • 104 Кл/моль.

Теперь для электрохимического эквивалента вещества имеем Материал с сайта http://worldofschool.ru

k = (1 / F) • (M / n),

что и является вторым законом для электролиза.

Второй закон электролиза. Электро­химические эквиваленты веществ прямо про­порциональны массам их молей и обратно пропорциональны их валентностям.

Чтобы удобно было решать многие зада­чи, оба закона можно объединить в одном выражении (объединенный закон электролиза):

m = (1 / F) • (M / n) • q,

или

m = (1 / F) • (M / n) • IΔt.

На этой странице материал по темам:
  • Закон фарадея кратко

  • Законы фарадея формулы

  • Второй закон фарадея для электролиза формула

  • Задачи по электролизу физика

  • Конспект на тему закон фарадея

Вопросы по этому материалу:
  • Сформулируйте закон Фарадея для электролиза, запишите его формулу.

  • Запишите формулы объединенного закона электролиза.

  • Что такое постоянная Фарадея?

Законы электролиза Фарадея – Энциклопедия по машиностроению XXL

По закону электролиза Фарадея, количество электричества е, прошедшего через элемент, пропорционально числу п прореагировавших молей электролита и валентности Z иона, переносящего заряд  [c.180]

Из объединенного закона электролиза Фарадея-.  [c.231]

Электрохимическая обработка металлов основывается на законах электролиза, установленных Фарадеем, и на явлении поляризации. Закон Фарадея количественно выражается уравнением  [c.59]


Второй закон Фарадея (второй закон электролиза)  [c.97]

Прохождение тока через растворы электролитов сопровождается переносом вещества. Явления, имеющие место при прохождении тока, подчиняются особым законам электролиза, открытым Фарадеем.  [c.16]

Еще Фарадеем были исследованы законы электролиза, причем была обнаружена сугубо линейная зависимость количества ионов, выделившихся из растворов на электродах, от величины электрического заряда, прошедшего через раствор.  [c.155]

Г. Первый закон электролиза первый закон Фарадея) масса вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду д, прошедшему через электролит  [c.230]

Второй закон электролиза второй закон Фарадея) электрохимические эквиваленты веществ прямо пропорциональны отношениям их атомных (молярных) масс А к валентности т  [c.230]

При протекании тока через электропроводные жидкие растворы (электролиты) происходит процесс электролиза, подчиняющийся законам М. Фарадея. В зависимости от конкретных условий могут наблюдаться такие процессы, как осаждение на катоде тех или иных металлических элементов, входящих в состав электролита, образование на аноде окисных пленок, растворение металла анода и др.  [c.212]

ФАРАДЕЯ ЗАКОНЫ электролиза, см. Электро.гиз.  [c.802]

Электролитические металлические покрытия получают в растворах соответствующих солей путем электролиза. Это покрытия из меди, цинка, кадмия, никеля, хрома, золота или комбинаций металлов. Осаждение металлов протекает по закону Фарадея, который заключается в том, что количество веществ, осажденных или растворенных на электродах, прямо пропорционально их электрохимическим эквивалентам.  [c.74]

Кулонометрический метод. Принцип этого электрохимического метода определения толщины, заключающийся в анодном растворении металла на известной площади с измерением электрического заряда, потребляемого в данном процессе, противоположен принципу электроосаждения. С учетом площади, на которой происходит электролиз, и электрохимического эквивалента металла по закону Фарадея делается простой расчет количество электричества в кулонах, расходуемое в процессе, переводится в толщину растворенного покрытия. Для получения точных результатов расчета необходимо, чтобы растворение происходило с известным постоянным выходом по току на аноде (желательно 100%-ным). Выбранный электролит должен устранить возможность возникновения эффектов пассивации или избыточной поляризации и, кроме того, не оказывать химического воздействия на покрытие при отсутствии электрического тока. Разумеется, важно точно определить площадь анода.  [c.144]


Особенности процесса электролиза определяются объединенным законом Фарадея количество вещества М, выделяющегося на электроде, пропорционально перенесенному заряду q  [c.211]

Первый закон Фарадея устанавливает, что количество выделившегося при электролизе вещества прямо пропорционально количеству электричества, пропущенному через электролит (прямо пропорционально силе тока и времени его действия).  [c.8]

Дк — катодная плотность тока, а/дм . Как уже указывалось, в период разгона катодная плотность тока меняется обычно с 3—5 а/дм до 40—50 а/дм . Расчет времени электролиза. Согласно законам Фарадея  [c.65]

Как и любой электрохимический процесс, электролиз алюминия в расплавленных электролитах подчиняется закону Фарадея, согласно которому теоретически для выделения 1 моля алюминия, равного 27 3 9 г, требуется 26,8 А-ч электричества, или 1 А-ч выделяет 0,336 г алюминия. Величина 0,336 г/(А-ч) называется электрохимическим эквивалентом алюминия.  [c.350]

Основные процессы и параметры ЭХО. Основным электрохимическим процессом ЭХО является процесс растворения анода. Линейная скорость растворения, характеризующая производительность ЭХО, определяется из первого закона Фарадея. После ряда преобразований, учитывающих реальный процесс электролиза, уравнение для линейной скорости растворения анода принимает следующий вид  [c.605]

Выход по току — коэффициент полезного использования тока определяется как отношение количества алюминия, практически наработанного в процессе электролиза, к количеству алюминия, которое должно было выделиться в соответствии с законами Фарадея. Обычно выход по току (Рг) выражается в процентах и характеризуется зависимостью  [c.235]

Анализ процесса электрохимической обработки. Основные соотношения для скорости удаления металла в процессе электрохимической обработки могут быть выведены из законов Фарадея для электролиза.  [c.319]

Если обозначить через W — массу выделившегося или растворившегося вещества, через / — ток и т — продолжительность электролиза, то закон Фарадея можно выразить следующим математическим соотношением  [c.14]

Во времена Фарадея никому не пришла мысль воспользоваться открытыми им законами электролиза для выяснения природы электричества. Интерес к ним возродился в конце столетия в связи с успехами атомно-молекулярной теории. Законы электролиза легко интерпретировались, если предположить, что в растворе, например, Na l в воде с каждым атомом связан определенный заряд, причем эти заряды одинаковы и противоположны по знаку Na” и С1 . Тогда при прохождении через раствор одного и того же количества электричества, равного 96484 Кл. на электродах выделится по молю вещества, т. е. по Л а = 610 атомов.  [c.98]

Механизм прохождения тока в металлах — как в твердом, так и в жидком состоянии — обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с закона . и Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Пр1 мером. могут служить соляные закал .ч-ные ванны с злектронагревом.  [c.187]

Ф. п. применяется в электрохим. расчётах. Названа в честь М. Фарадея (М. Faraday), открывшего осн. законы электролиза. Значение F определялось на основе измерений эл.-хим. эквивалента серебра.  [c.275]

При восстановлении изношенных деталей используют закономерности электрохимических процессов, относящиеся к превращению электрической энергии в химическую. К ним относятся законы электролиза, термодинамические и кинетические закономерности электрохимических процессов. Теоретическое значение массы вещества т (в фаммах), выделившегося на электроде, определяется с помощью объединенного закона М. Фарадея  [c.408]


Исключительное значение для обоснования электрохимического механизма коррозии имели работы выдающихся ученых Деви и Фарадея, устан01вивших законы электролиза, швейцарского химика Де-ля-Рива, объяснившего растворение цинка в кислоте действием микро-гальваничес ких элементов, русских физико-химиков Н. Н. Бекетова, исследо1вавшего в 1865 г, явления вытеснения из растворов одних металлов другими, и Н. Н. Каяндера, пришедшего в 1881 г. к выводу, что растворенные вещества распадаются на составные части, а также шведского химика Аррениуса, сформулировавшего в 1887 г. теорию электролитической диссоциации, и немецкого физико-химика Нернста, опубликовавшего в 1888 г. теорию электродных и диффузионных потенциалов.  [c.5]

Исключительное значение для обоснования электрохимического механизма коррозии имели работы выдающегося английского ученого М. Фарадея, установившего законы электролиза, швейцарского химика А. Де-ля-Рива, объяснившего растворение цинка в кислоте действием микрогальванических элементов, русских фи-зико-химиков Н. Н. Бекетова, исследовавшего в 1865 г. явления вытеснения из растворов одних металлов другими и И. Н. Каян-дера, пришедшего в 1881 г. к выводу, что растворенные вещества распадаются на составные части, а также шведского химика  [c.9]

Важным вкладом в развитие теории электрохимической коррозии были работы английского ученого Фарадея, установившего основные законы электролиза и выдвинувшего, для объяснении явления пассивности металлов, гипотезу о существовании тонкой невидимой пленки, и швейцарского ученого Де Ла Рива, выдвинувшего гипотезу о существовании микрогальваниче-ского элемента.  [c.50]

Фарадей (Faraday) Майкл (1791-1867) — английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле. Учился самостоятельно. Ввел основные понятия электромагнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн. Идею электромагнитного поля А. Эйнштейн рассматривал как самое важное открытие со времен Ньютона и в связи с этим писал Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами . Открыл электромагнитную индукцию. Установил законы электролиза, названные его именем, открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Ввел понятие диэлектрической проницаемости, экспериментально доказал закон сохранения электрического заряда.  [c.28]

Электролиз, Фарадея законы). Наиболее точные непосредственные определения Ф. ч. были выполнены при электроосаждении Ag из раствора AgNOj и выделении J электроокислением растворенного KJ. Ф. ч. F равно произведению величины заряда одновалентного иона (равного заряду электрона) на число ионов в 1 г-экв или молекул в 1 г-мол Авогадро число). В углеродной шкале атомных весов F = 96 491,4 1,1 кулон г-экв.  [c.292]

Объем растворенямч) при электролизе металла (расчетный) Т согласяо первому закону М. Фарадея определяется формулой  [c.5]

Второй закон М. Фарадея определяет, что массы различных-нетал выделпшиеся в результате электролиза при про хождеияя  [c.5]

Электролитический метод восстановления деталей. Электролитический метод восстановления деталей оснп-ван на законах электролиза. Электролиз представляет собой процесс, протекающий в электролитах при пропускании через них электрического тока. Процесс электролитического нанесения металла подчиняется закону Фарадея и определяется по формуле  [c.209]

Электродвижущая сила и КПД топливного элемента. Процесс в гальваническом, а следовательно, и в топливном элементе может считаться обратимьш, если протекающий в замкнутой цепи электрический ток достаточно мал, т. е. внешнее сопротивление велико (при этом джоулева теплота, пропорциональная квадрату плотности тока f, пренебрежимо мала по сравнению с полезной работой, пропорциональной / другие источники необратимости здесь не рассматриваются). В этом случае полезная внешняя работа макс (отнесенная к единице площади рабочей поверхности элемента) за время т равна произведению электродвижущей силы е на электрический заряд — /т, протекающий через элемент акс = вр . По законам электролиза = Fa MZ, где М — число ионов, переносящих заряд Z — валентность иона Fa — коэффициент пропорциональности, называемый константой Фарадея (96 540 кулон моль). Таким образом, макс = Fa MZ. Но согласно уравнению -Тиббса— Гельмгольца при Т = onst, р — onst акс = Л — /2 + + Т ( акс/ Лр.  [c.172]

Ф. п. широко применяется в электрохимических расчётах. Названа в честь М. Фарадея, открывшего основные законы электролиза. Значение F определялось на основе измерений электрохим. эквивалента серебра. ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ, один из эффектов магнитооптики. Заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризов. света, распространяющегося в в-ве вдоль пост. магн. поля, в к-ром находится это в-во. Открыт М. Фарадеем в 1845 и явился первым доказательством прямой связи оптич. и эл.-магн. явлений.  [c.802]

Электроосаждение металлов происходит по законам Фарадея масса металла, образующегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, пропускаемого через раствор, и химическому эквиваленту металла. Из этого следует, что среднюю толщину осаждаемого покрытия данного металла можно легко вычислить, зная силу тока, время нанесе-  [c.86]

Коэфициент полезного действия иногда выражается в %%-х. Фактический вес осадка определяеткя обычно взвешиванием катода до и после электролиза, а теоретический вес осадка рассчитывается по законам Фарадея.  [c.18]

Количество алюминия, выделяющееся при электролизе криолито-глиноземных расплавов, в соответствии с законами Фарадея определяется зависимостью  [c.235]

При электролитическом осаждении металла электрическая энергия расходуется на работу передвижения и разряда ионов на электродах. Протекающие при электролизе процессьГколиче-ственно определяются двумя общеизвестными законами Фарадея. Чтобы присутствующий в водном растворе ион мог разрядиться на электроде, потенциал последнего должен быть выше потенциала выделения ука занного иона. Потенциал разряда металла равен  [c.212]


Катионы легких элементов, располагаясь между атомами металлов, стягивают коллективизированные электроны и частично перекрываются с внешними s-орбиталями соседних металлических атомов, поэтому их номинальные заряды, отвечающие числу коллективизированных электронов (В ” , 0 ” ), понижаются до малых эффективных реальных значений, несколько различающихся при растворении в разных металлах. Соблюдение закона Фарадея при электролизе подтверждает целочисленность зарядов металлических ионов. Исследование электропереноса и многие другие данные указывают на положительный знак зарядов на примесях внедрения, т. е. на образование в металлических растворах катионов N” , О , В . Реальные заряды на катионах легких элементов есть следствие коллективизации их валентных электронов и последующего стягивания к ним электронного газа, что ведет к поляризации многозарядных ионов, приводящей к сильному уменьшению их номинального заряда до малых реальных эффективных значений.  [c.84]

Для многих электроизоляционных материалов характерна ионная электропроводность, связанная с переносом ионов, т.е. явлением электролиза. В ряде случаев электролизу при прохождении через диэлектрик сквозного тока утечки подвергается основное вещество дн-электрика примером может служить обычное стекло, в котором благодаря его прозрачности можно непосредственно наблюдать образование и перенос продуктов электролиза при про-кускании постоянного тока через стекло, нагретое для повышения проводимости (см. ниже), у катода образуются древовидные отложения деядриты) входящих в состав молекул стекла металлов, прежде всего натрия. Еще чаще (по крайней мере, для органических электроизоляционных материалов) встречаются такие случаи, когда молекулы основного вещества диэлектрика не обладают способностью подвергаться диссоциации, но ионная электропроводность возникает благодаря присутствию в материале практически неизбежных загрязнений— примесей воды, солей, кислот, щелочей и пр. Даже весьма малые примеси способны заметно влиять на проводимость диэлектрика поэтому в технике электрической изоляции важное значение имеет чистота исходных продуктов и чистота рабочего места. У диэлектриков с ионным характером электропроводности соблюдаются законы Фарадея количество выделившегося при электролизе вещества пропор-1 ионально количеству прошедшего через материал электричества.  [c.20]


Обобщенный закон фарадея для электролиза. Первый и второй закон фарадея

Для описания процессов в физике и химии есть целый ряд законов и соотношений, полученных экспериментальным и расчетным путем. Ни единого исследования нельзя провести без предварительной оценки процессов по теоретическим соотношениям. Законы Фарадея применяются и в физике, и в химии, а в этой статье мы постараемся кратко и понятно рассказать о всех знаменитых открытиях этого великого ученого.

История открытия

Закон Фарадея в электродинамике был открыт двумя ученными: Майклом Фарадеем и Джозефом Генри, но Фарадей опубликовал результаты своих работ раньше – в 1831 году.

В своих демонстрационных экспериментах в августе 1831 г. он использовал железный тор, на противоположные концы которого был намотан провод (по одному проводу на стороны). На концы одного первого провода он подал питание от гальванической батареи, а на выводы второго подключил гальванометр. Конструкция была похожа на современный трансформатор. Периодически включая и выключая напряжение на первом проводе, он наблюдал всплески на гальванометре.

Гальванометр — это высокочувствительный прибор для измерения силы токов малой величины.

Таким образом было изображено влияние магнитного поля, образовавшегося в результате протекания тока в первом проводе, на состояние второго проводника. Это воздействие передавалось от первого ко второму через сердечник – металлический тор. В результате исследований было обнаружено и влияние постоянного магнита, который двигается в катушке, на её обмотку.

Тогда Фарадей объяснял явление электромагнитной индукции с точки зрения силовых линий. Еще одной была установка для генерирования постоянного тока: медный диск вращался вблизи магнита, а скользящий по нему провод был токосъёмником. Это изобретение так и называется — диск Фарадея.

Ученные того периода не признали идеи Фарадея, но Максвелл взял исследования для основы своей магнитной теории. В 1836 г. Майкл Фарадей установил соотношения для электрохимических процессов, которые назвали Законами электролиза Фарадея. Первый описывает соотношения выделенной на электроде массы вещества и протекающего тока, а второй соотношения массы вещества в растворе и выделенного на электроде, для определенного количества электричества.

Электродинамика

Первые работы применяются в физике, конкретно в описании работы электрических машин и аппаратов (трансформаторов, двигателей и пр.). Закон Фарадея гласит:

Для контура индуцированная ЭДС прямо пропорциональна величине скорости магнитного потока, который перемещается через этот контур со знаком минус.

Это можно сказать простыми словами: чем быстрее магнитный поток движется через контур, тем больше на его выводах генерируется ЭДС.

Формула выглядит следующим образом:

Здесь dФ – магнитный поток, а dt – единица времени. Известно, что первая производная по времени – это скорость. Т.е скорость перемещения магнитного потока в данном конкретном случае. Кстати перемещаться может, как и источник магнитного поля (катушка с током – электромагнит, или постоянный магнит), так и контур.

Здесь же поток можно выразить по такой формуле:

B – магнитное поле, а dS – площадь поверхности.

Если рассматривать катушку с плотнонамотанными витками, при этом в количестве витков N, то закон Фарадея выглядит следующим образом:

Магнитный поток в формуле на один виток, измеряется в Веберах. Ток, протекающий в контуре, называется индукционным.

Электромагнитная индукция – явление протекания тока в замкнутом контуре под воздействием внешнего магнитного поля.

В формулах выше вы могли заметить знаки модуля, без них она имеет слегка иной вид, такой как было сказано в первой формулировке, со знаком минус.

Знак минус объясняет правило Ленца. Ток, возникающий в контуре, создает магнитное поле, оно направлено противоположно. Это является следствием закона сохранения энергии.

Направление индукционного тока можно определить по правилу правой руки или , мы его рассматривали на нашем сайте подробно.

Как уже было сказано, благодаря явлению электромагнитной индукции работают электрические машины трансформаторы, генераторы и двигатели. На иллюстрации показано протекание тока в обмотке якоря под воздействием магнитного поля статора. В случае с генератором, при вращении его ротора внешними силами в обмотках ротора возникает ЭДС, ток порождает магнитное поле направленное противоположно (тот самый знак минус в формуле). Чем больше ток, потребляемый нагрузкой генератора, тем больше это магнитное поле, и тем больше затрудняется его вращение.

И наоборот — при протекании тока в роторе возникает поле, которое взаимодействует с полем статора и ротор начинает вращаться. При нагрузке на вал ток в статоре и в роторе повышается, при этом нужно обеспечить переключение обмоток, но это уже другая тема, связанная с устройством электрических машин.

В основе работы трансформатора источником движущегося магнитного потока является переменное магнитное поле, возникающее в следствие протекания в первичной обмотке переменного тока.

Если вы желаете более подробно изучить вопрос, рекомендуем просмотреть видео, на котором легко и доступно рассказывается Закон Фарадея для электромагнитной индукции:

Электролиз

Кроме исследований ЭДС и электромагнитной индукции ученный сделал большие открытия и в других дисциплинах, в том числе химии.

При протекании тока через электролит ионы (положительные и отрицательные) начинают устремляться к электродам. Отрицательные движутся к аноду, положительные к катоду. При этом на одном из электродов выделяется определенная масса вещества, которое содержится в электролите.

Фарадей проводил эксперименты, пропуская разный ток через электролит и измеряя массу вещества отложившегося на электродах, вывел закономерности.

m – масса вещества, q – заряд, а k – зависит от состава электролита.

А заряд можно выразить через ток за промежуток времени:

I=q/t , тогда q = i*t

Теперь можно определить массу вещества, которое выделится, зная ток и время, которое он протекал. Это называется Первый закон электролиза Фарадея.

Второй закон:

Масса химического элемента, который осядет на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента (молярной массе разделенной на число, которое зависит от химической реакции, в которой участвует вещество).

С учетом вышесказанного эти законы объединяются в формулу:

m – масса вещества, которое выделилось в граммах, n – количество переносимых электронов в электродном процессе, F=986485 Кл/моль – число Фарадея, t – время в секундах, M молярная масса вещества г/моль.

В реальности же из-за разных причин, масса выделяемого вещества меньше чем расчетная (при расчетах с учетом протекающего тока). Отношение теоретической и реальной масс называют выходом по току:

B т = 100% * m расч /m теор

Законы Фарадея внесли существенный вклад в развитие современной науки, благодаря его работам мы имеем электродвигатели и генераторы электроэнергии (а также работам его последователей). Работа ЭДС и явления электромагнитной индукции подарили нам большую часть современного электрооборудования, в том числе и громкоговорители и микрофоны, без которых невозможно прослушивание записей и голосовая связь. Процессы электролиза применяются в гальваническом методе покрытия материалов, что несет как декоративную ценность, так и практическую.

Похожие материалы:

Нравится(0 ) Не нравится(0 )

Эти законы определяют соотношение между массой продукта, образующегося на электроде, и количеством электричества (электрическим зарядом), пропущенным через электролит.

Первый закон Фарадея гласит, что масса вещества, образующегося на электроде, пропорциональна количеству пропущенного электричества. Количественной мерой электрического заряда является единица фарадей. Фарадей – это заряд, который несет на себе один моль электронов или один моль однозарядных ионов.

Напомним, что число – это число Авогадро (см. разд. 4.2).

Разряд ионов серебра на катоде в процессе электролиза раствора нитрата серебра описывается уравнением полуреакции

Следовательно, электрический заряд в 1 фарадей (один моль электронов) разряжает 1 моль ионов серебра, в результате чего образуется 1 моль атомов серебра. Это означает, что пропускание заряда в 2 фарадея приведет к образованию 2 молей атомов серебра, пропускание 3 фарадеев заряда приведет к образованию 3 молей атомов серебра и т.д.

Второй закон Фарадея гласит, что для разряда одного моля какого-либо иона на электроде необходимо пропустить через электролит такое число фарадеев заряда, которое равно числу элементарных зарядов на этом ионе.

Моль 2 моля 1 моль Таким образом, для разряда одного моля ионов на катоде через него необходимо пропустить 2 фарадея заряда (2 моля электронов).

Моль 3 моля I моль

Для разряда одного моля ионов алюминия на катоде через него необходимо пропустить 3 фарадея заряда (3 моля электронов).

Моля 1 моль 2 моля

Для получения одного моля молекул брома в результате разряда двух молей ионов брома на аноде через него необходимо пропустить 2 фарадея заряда. Следовательно, для разряда одного моля ионов брома необходим один фарадей заряда.

Вычислим массу свинца, выделившегося на катоде в результате пропускания тока силой 2 А через расплавленный бромид в течение 30 мин

Выделение свинца на катоде происходит в результате следующей полуреакции:

Итак, 2 фарадея заряда (т. е. 2-96 500 Кл) позволяют получить 1 моль атомов РЬ (т. е. 207 г атомов РЬ). Отсюда

Учтем теперь, что ток силой 2 А, протекая в течение 30 мин, переносит заряд, равный 2-30-60 Кл. Следовательно,

Майкл Фарадей (1791-1867)

Английский химик и физик Майкл Фарадей был выдающимся экспериментатором и прославился как один из первых исследователей природы электричества и магнетизма.

Фарадей не смог получить в детстве систематического образования. В возрасте 14 лет он стал помощником переплетчика. Но вскоре он заинтересовался наукой и, прослушав лекцию знаменитого химика Гемфри Дэви, написал ему и отправил свои записи лекции. Дэви принял его ассистентом в свою лабораторию в Королевском институте в Лондоне. Фарадею было в то время 21 год.

Майкл Фарадей читает рождественскую лекцию в Королевском институте (Лондон, 1955 г.) в присутствии членов королевской семьи: лицом к нему в первом ряду – муж королевы, слева от него – принц Уэльский (впоследствии Эдуард VII), справа от него – герцог Эдинбургский.

В последующие годы Фарадей открыл два новых хлорида углерода. Ему удалось также перевести в жидкое состояние хлор и другие газы. В 1825 г. он сумел выделить бензол и в том же году был назначен заведующим лабораторией. В течение нескольких лет он занимался экспериментальным изучением электролиза и в конце концов сформулировал в 1834 г. свои знаменитые законы электролиза. К этому времени он уже открыл явление электромагнитной индукции.

Фарадей стал президентом Королевского общества и написал несколько книг, в том числе «Экспериментальные исследования по химии и физике» (1858). В 1855 г. из-за ухудшения памяти он вынужден был прекратить исследовательскую работу. В 1867 г. Фарадей умер.

Как уже известно, при электролизе на электродах происходит выделение вещества. Попробуем выяснить, от чего будет зависеть масса это вещества. Масса выделившегося вещества m будет равна произведению массы одного иона m0i на число ионов Ni, которые достигли электрода за промежуток времени равный ∆t: m = m0i*Ni. Масса иона m0i будет вычисляться по следующей формуле:

где М – молярная масса вещества, а Na – постоянная Авогадро.

Число ионов, которые достигнут электрода, вычисляется по следующей формуле:

где ∆q = I*∆t – заряд, прошедший через электролит за время, равное ∆t, q0i – заряд иона.

Для того, чтобы определить заряд иона, используется следующая формула:

где n – валентность, e – элементарный заряд.

Собирая воедино все представленные формулы, получаем формулу для вычисления массы выделившегося на электроде вещества:

Теперь обозначим через k коэффициент пропорциональности между массой вещества и зарядом ∆q.

Этот коэффициент k будет зависеть от природы вещества. Тогда формулу массы вещества можно переписать в следующем виде:

Второй закон Фарадея

Масса вещества, выделившегося на электроде за время, равное ∆t, при прохождении электрического тока пропорциональна силе тока и времени. Коэффициент k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Единицей измерения служит кг/Кл. Разберемся с физическим смыслом электрохимического эквивалента. Так как:

то формулу электрохимического эквивалента можно переписать в следующем виде:

Таким образом, k – отношение массы иона к заряду этого иона.

Для того, чтобы удостовериться в справедливости закона Фарадея, можно провести опыт. Лабораторная установка, необходимая для него, показана на следующем рисунке.

Все три емкости заполнены одинаковым электролитическим раствором. Через них будут протекать различные электрические токи, причем I1 = I2+I3. После включения установки в цепь подождем некоторое время. Потом отключим её и измерим массы веществ, выделившихся на электродах в каждом из сосудов m1, m2, m3. Можно будет убедиться, что массы веществ будут пропорциональны силам тока, которые проходили через соответствующий сосуд.

Из формулы

можно выразить значение заряда электрона

Законыэлектролиза (законыФарадея)

Поскольку прохождение электрического тока через электрохимические системы связано с химическими превращениями, между количеством протекающего электричества и количеством прореагировавших веществ должна существовать определенная зависимость. Она была открыта Фарадеем и получила свое выражение в первых количественных законах электрохимии, названных впоследствии законами Фарадея.

Первый закон Фарадея . Количества веществ, превращённых при электролизе, пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит :

D m =k э q =k э It ,

D m – количество прореагировавшего вещества; k э – некоторый коэффициент пропорциональности; q – количество электричества, равное произведению силы тока I на время t . Еслиq = It = 1, то D m = k э, то есть коэффициент k э представляет собой количество вещества, прореагировавшего в результате протекания единицы количества электричества. Коэффициент k э называется электрохимическим эквивалентом .

Второй закон Фарадея отражает связь, существующую между количеством прореагировавшего вещества и его природой: при постоянном количестве прошедшего электричества массы различных веществ, испытывающие превращение у электродов (выделение из раствора, изменение валентности), пропорциональны химическим эквивалентам этих веществ :

D m i /A i = const .

Можно объединить оба закона Фарадея в виде одного общего закона : для выделения или превращения с помощью тока 1 г-экв любого вещества (1/z моля вещества) необходимо всегда одно и то же количество электричества, называемое числом Фарадея (или фарадеем ):

D m =It = It .

Точно измеренное значение числа Фарадея

F = 96484,52 ± 0,038Кл/г-экв.

Таков заряд, несомый одним грамм-эквивалентом ионов любого вида. Умножив это число на z (число элементарных зарядов иона), получим количество электричества, которое несёт 1 г-ион . Разделив число Фарадея на число Авогадро, получим заряд одного одновалентного иона, равный заряду электрона:

e = 96484,52 / (6,022035 × 10 23) = 1,6021913 × 10 –19 Кл.

Законы, открытые Фарадеем в 1833 г., строго выполняются для проводников второго рода. Наблюдаемые отклонения от законов Фарадея являются кажущимися . Они часто связаны с наличием неучтённых параллельных электрохимических реакций. Отклонения от закона Фарадея в промышленных установках связаны с утечками тока, потерями вещества при разбрызгивании раствора и т.д. В технических установках отношение количества продукта, полученного при электролизе, к количеству, вычисленному на основе закона Фарадея, меньше единицы и называется выходом по току :

В Т = = .

При тщательных лабораторных измерениях для однозначно протекающих электрохимических реакций выход по току равен единице (в пределах ошибок опыта). Закон Фарадея точно соблюдается, поэтому он лежит в основе самого точного метода измерения количества электричества, прошедшего через цепь, по количеству выделенного на электроде вещества. Для таких измерений используюткулонометры . В качестве кулонометров используют электрохимические системы, в которых нет параллельных электрохимических и побочных химических реакций. По методам определения количества образующихся веществ кулонометры подразделяют на электрогравиметрические, газовые и титрационные . Примером электрогравиметрических кулонометров являются серебряный и медный кулонометры. Действие серебряного кулонометра Ричардсона, представляющего собой электролизер

(–) Ag ï AgNO 3 × aq ï Ag (+) ,

основано на взвешивании массы серебра, осевшей на катоде во время электролиза. При пропускании 96500 Кл (1 фарадея) электричества на катоде выделится 1 г-экв серебра (107 г). При пропускании n F электричества на катоде выделяется экспериментально определенная масса (D m к ). Число пропущенных фарадеев электричества определяется из соотношения

n = D m /107 .

Аналогичен принцип действия медного кулонометра.

В газовых кулонометрах продуктами электролиза являются газы, и количества выделяющихся на электродах веществ определяют измерением их объемов. Примером прибора такого типа является газовый кулонометр, основанный на реакции электролиза воды. При электролизе на катоде выделяется водород:

2Н 2 О+2е – =2ОН – +Н 2 ,

а на аноде – кислород:

Н 2 О=2Н + +½ О 2 +2е – V – суммарный объем выделенного газа, м 3 .

В титрационных кулонометрах количество вещества, образовавшегося в процессе электролиза, определяют титриметрически. К этому типу кулонометров относится титрационный кулонометр Кистяковского, представляющий собой электрохимическую систему

(–) Pt ï KNO 3 , HNO 3 ï Ag (+) .

В процессе электролиза серебряный анод растворяется, образуя ионы серебра, которые оттитровывают. Число фарадеев электричества определяют по формуле

n = mVc ,

где m – масса раствора, г;V – объем титранта, пошедший на титрование 1 г анодной жидкости;c –концентрация титранта, г-экв/см 3 .

Электролиз – это физико-химический процесс, осуществляемый в растворах различных веществ при помощи электродов (катода и анода). Существует множество веществ, которые химически разлагаются на составляющие при прохождении через их раствор или расплав электрического тока. Они называются электролитами. К ним относятся многие кислоты, соли и основания. Различают сильные и слабые электролиты, но это деление условно. В некоторых случаях слабые электролиты проявляют свойства сильных и наоборот.

При пропускании тока через раствор или расплав электролита на электродах оседают различные металлы (в случае кислот просто выделяется водород). Используя это свойство, можно подсчитать массу выделившегося вещества. Для подобных экспериментов используют раствор медного купороса. На угольном катоде при пропускании тока можно легко увидеть красный медный осадок. Разница между значениями его масс до и после эксперимента и будет массой осевшей меди. Она зависит от количества электричества, прошедшего через раствор.

Первый закон Фарадея можно сформулировать так: масса вещества m, выделившегося на катоде прямо пропорциональна количеству электричества (электрическому заряду q), прошедшему через раствор или расплав электролита. Этот закон выражается формулой: m=KI=Kqt, где K – коэффициент пропорциональности. Его называют электрохимическим эквивалентом вещества. Для каждого вещества он принимает различные значения. Он численно равен массе вещества, выделившегося на электроде за 1 секунду при силе тока 1 ампер.

Второй закон Фарадея

В специальных таблицах можно посмотреть значения электрохимического для различных веществ. Вы заметите, что эти значения существенно отличаются. Объяснение такому различию дал Фарадей. Оказалось, что электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту. Это утверждение носит название второго закона Фарадея. Его истинность была подтверждена экспериментально.

Формула, выражающая второй закон Фарадея, выглядит так: K=M/F*n, где M – молярная масса, n – валентность. Отношение молярной массы к валентности называется химическим эквивалентом.

Величина 1/F имеет одно и то же значение для всех веществ. F называется постоянной Фарадея. Она равна 96,484 Кл/моль. Эта величина показывает количество электричества, которое нужно пропустить через раствор или расплав электролита, чтобы на катоде осел один моль вещества. 1/F показывает сколько моль вещества осядет на катоде при прохождении заряда в 1 Кл.

Богданов К.Ю. – учебник по физике для 10 класса

§ 46. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ. ЗАКОН ЭЛЕКТРОЛИЗА ФАРАДЕЯ.

Прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, в результате которых выделяются элементы, входящие в состав электролита.

Жидкости, как и твёрдые тела, могут проводить электрический ток. Если переносчиками тока в жидкости служат ионы, то её проводимость называют ионной, а такую жидкость – электролитом.

Ионы при растворении вещества появляются из-за того, что ещё до растворения у многих молекул одна часть обладает избыточным числом электронов, а в другой части их не хватает. Такая молекула, бывшая до растворения электрически нейтральной, при растворении распадается (диссоциирует) на два иона, заряженные равными по модулю, но противоположными по знаку зарядами. Способствуют этому процессу, названному электролитической диссоциацией, полярные молекулы растворителя (например, воды), разрывающие на части (ионы) молекулы растворённого вещества.

Одновременно с электролитической диссоциацией идёт процесс рекомбинации – образование из ионов нейтральных молекул растворённого вещества. Если условия, в которых находится электролит, остаются неизменны, то скоро наступает момент, когда число молекул, распадающихся на ионы в единицу времени, становится равным числу молекул, образовавшихся из ионов в процессе рекомбинации. Таким образом, наступает динамическое равновесие между диссоциацией и рекомбинацией, при котором концентрация ионов остаётся постоянной. При росте температуры динамическое равновесие смещается в сторону электролитической диссоциации и концентрация ионов в электролите растёт.

Положительные и отрицательные ионы в электролите способны перемещаться независимо друг от друга, участвуя, например, в тепловом движении (рис. 46а). Однако при таком беспорядочном движении ионов ток через электролит остаётся равным нулю. Для пропускания тока через электролит в него погружают проводники (рис. 46б), которые называют электродами, создавая с их помощью в электролите электрическое поле. При этом положительный электрод называют анодом, а отрицательный – катодом. Когда между электродами возникает разность потенциалов, движение ионов становится упорядоченным: отрицательные ионы движутся к аноду, а положительные – к катоду.

В отличие от электронной, ионная проводимость сопровождается, переносом вещества (ионов). Соприкасаясь с катодом, положительные ионы получают от него недостающие электроны и становятся электрически нейтральными. При соприкосновении отрицательных ионов с анодом они теряют лишние электроны и тоже становятся нейтральными атомами или молекулами. Таким образом, ток, проходя через электролит, приводит к выделению на электродах веществ, входящих в состав электролита.  Это явление и сопровождающий его процесс разложения электролита при пропускании электрического тока называют электролизом.

Впервые электролиз исследовал М. Фарадей, который экспериментально доказал, что масса, выделяющегося на электроде вещества, пропорциональна величине заряда, протекающего через электролит. Это заключение называют законом электролиза Фарадея, который сейчас можно легко вывести теоретически. Пусть в электролите присутствуют положительные и отрицательные ионы с валентностью n. Тогда заряд каждого положительного иона будет равен ne (e – элементарный заряд). Если при электролизе через электролит прошёл заряд q, то очевидно, что число N положительных ионов, достигших катода равно:

N=q/ne.                              (46.1)

Каждый из положительных ионов, соприкоснувшись с катодом, превращается в нейтральную молекулу (или атом). Если молярная масса вещества, выделяющегося на катоде равна M, то масса mi одной молекулы, ставшей нейтральной на катоде, равна:

mi =M/NA   ,                  (46.2)

где NA – постоянная Авогадро. Из (46.1) и (46.2) следует, что масса m вещества, выделившегося на катоде, равна:


Очевидно, что (46.3) является математической формой записи закона электролиза Фарадея (K – электрохимический эквивалент вещества).

Электролиз широко применяется для очистки металлов от примесей. Таким образом очищают медь и получают алюминий. Кроме того, используя электролиз, можно покрыть металлические предметы тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование и т.п.).

Вопросы для повторения:

·        Что такое электролитическая диссоциация и электролиз?

·        Сформулируйте закон электролиза Фарадея.

 

Рис. 46. Хаотичное (а) и упорядоченное движение ионов электролита в электрическом поле (б).

Обобщенный закон фарадея для электролиза. Электролиз. законы фарадея. Это определение математически выражает формула

Электролит всегда имеет определённое количество ионов со знаками “плюс” и “минус”, получившихся в результате взаимодействия молекул растворённого вещества с растворителем. Когда в нем возникает электрическое поле, ионы начинают двигаться к электродам, положительные устремляются к катоду, отрицательные – к аноду. Дойдя до электродов, ионы отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные атомы и отлагаются на электродах. Чем больше ионов подойдёт к электродам, тем больше будет отложено на них вещества.

К этому заключению мы можем прийти и опытным путём. Пропустим ток через водный раствор и будем наблюдать за выделением меди на угольном катоде. Мы обнаружим, что вначале он покроется едва заметным слоем меди, затем по мере пропускания тока он будет увеличиваться, а при долговременном пропускании тока можно получить на значительной толщины слой меди, к которому легко припаять, например, медный провод.

Явление выделения вещества на электродах во время прохождения тока сквозь электролит называется электролизом.

Пропуская через разные электролизы различные токи и тщательно измеряя массу вещества, выделяющегося на электродах из каждого электролита, английский в 1833 – 1834 гг. открыл два закона для электролиза.

Первый закон Фарадея устанавливает зависимость между массой выделившегося вещества при электролизе и величиной заряда, который прошел через электролит.

Закон этот формулируется следующим образом: масса вещества, которая выделилась при электролизе, на каждом электроде прямо пропорциональна величине заряда, который прошел сквозь электролит:

где m – масса вещества, которое выделилось, q – заряд.

Величина k – электрохимическимй эквивалент вещества. Она характерна для каждого вещества, выделяющегося при электролите.

Если в формуле принять q = 1 кулону, тогда k = m, т.е. электрохимический эквивалент вещества будет численно равняться массе вещества, выделенного из электролита при прохождении заряда в один кулон.

Выражая в формуле заряд через ток I и время t, получим:

Первый закон Фарадея проверяется на опыте следующим образом. Пропустим ток через электролиты А, В и С. Если все они одинаковые, то массы выделенного вещества в А, В и С будут относиться как токи I, I1, I2. При этом количество вещества, выделенного в А, будет равно сумме объемов, выделенных в В и С, так как ток I= I1+ I2.

Второй закон Фарадея устанавливает зависимость электрохимического эквивалента от атомного веса вещества и его валентности и формулируется следующим образом: электрохимический эквивалент вещества будет пропорционален их атомному весу, а также обратно пропорционален его валентности.

Отношение атомного веса вещества к его валентности называется химическим эквивалентом вещества. Введя эту величину, второй закон Фарадея сформулировать можно иначе: электрохимические эквиваленты вещества пропорциональны их собственным химическим эквивалентам.

Пусть электрохимические эквиваленты разных веществ соответственно равны k1 и k2, k3, …, kn, химические же эквиваленты тех же веществ x1 и x2, x23, …, xn, тогда k1 /k2 = x1 /x2, или k1/x1 = k2/x2 = k3/ x3 = … = kn/ xn.

Иначе говоря, отношение величины электрохимического эквивалента вещества к величине того же вещества есть величина постоянная, имеющая для всех веществ одно и то же значение:

Отсюда следует, что отношение k/x является постоянным для всех веществ:

k/x=c = 0, 01036 (мг-экв)/к.

Величина с показывает, сколько миллиграмм-эквивалентов вещества выделяется на электродах во время прохождения через электролит равно 1 кулону. Второй закон Фарадея представлен формулой:

Подставляя полученное выражение для k в первый закон Фарадея, оба можно объединить в одном выражении:

где с – универсальная постоянная, равная 0, 00001036 (г-экв)/к.

Эта формула показывает, что, пропуская одинаковые токи в течение одного и того же промежутка времени через два различных электролита, мы выделим из обоих электролитов количества веществ, относящихся как химические эквиваленты таковых.

Так как x=A/n, то можно написать:

т.е., масса вещества, выделенного на электродах при электролизе, будет прямо пропорциональна его току, времени и обратно пропорциональна валентности.

Второй закон Фарадея для электролиза, так же, как и первый, непосредственно вытекает из ионного характера тока в растворе.

Закон Фарадея, Ленца, а также многих других выдающихся физиков сыграл огромную роль в истории становления и развития физики.

Законыэлектролиза (законыФарадея)

Поскольку прохождение электрического тока через электрохимические системы связано с химическими превращениями, между количеством протекающего электричества и количеством прореагировавших веществ должна существовать определенная зависимость. Она была открыта Фарадеем и получила свое выражение в первых количественных законах электрохимии, названных впоследствии законами Фарадея.

Первый закон Фарадея . Количества веществ, превращённых при электролизе, пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит :

D m =k э q =k э It ,

D m – количество прореагировавшего вещества; k э – некоторый коэффициент пропорциональности; q – количество электричества, равное произведению силы тока I на время t . Еслиq = It = 1, то D m = k э, то есть коэффициент k э представляет собой количество вещества, прореагировавшего в результате протекания единицы количества электричества. Коэффициент k э называется электрохимическим эквивалентом .

Второй закон Фарадея отражает связь, существующую между количеством прореагировавшего вещества и его природой: при постоянном количестве прошедшего электричества массы различных веществ, испытывающие превращение у электродов (выделение из раствора, изменение валентности), пропорциональны химическим эквивалентам этих веществ :

D m i /A i = const .

Можно объединить оба закона Фарадея в виде одного общего закона : для выделения или превращения с помощью тока 1 г-экв любого вещества (1/z моля вещества) необходимо всегда одно и то же количество электричества, называемое числом Фарадея (или фарадеем ):

D m =It = It .

Точно измеренное значение числа Фарадея

F = 96484,52 ± 0,038Кл/г-экв.

Таков заряд, несомый одним грамм-эквивалентом ионов любого вида. Умножив это число на z (число элементарных зарядов иона), получим количество электричества, которое несёт 1 г-ион . Разделив число Фарадея на число Авогадро, получим заряд одного одновалентного иона, равный заряду электрона:

e = 96484,52 / (6,022035 × 10 23) = 1,6021913 × 10 –19 Кл.

Законы, открытые Фарадеем в 1833 г., строго выполняются для проводников второго рода. Наблюдаемые отклонения от законов Фарадея являются кажущимися . Они часто связаны с наличием неучтённых параллельных электрохимических реакций. Отклонения от закона Фарадея в промышленных установках связаны с утечками тока, потерями вещества при разбрызгивании раствора и т.д. В технических установках отношение количества продукта, полученного при электролизе, к количеству, вычисленному на основе закона Фарадея, меньше единицы и называется выходом по току :

В Т = = .

При тщательных лабораторных измерениях для однозначно протекающих электрохимических реакций выход по току равен единице (в пределах ошибок опыта). Закон Фарадея точно соблюдается, поэтому он лежит в основе самого точного метода измерения количества электричества, прошедшего через цепь, по количеству выделенного на электроде вещества. Для таких измерений используюткулонометры . В качестве кулонометров используют электрохимические системы, в которых нет параллельных электрохимических и побочных химических реакций. По методам определения количества образующихся веществ кулонометры подразделяют на электрогравиметрические, газовые и титрационные . Примером электрогравиметрических кулонометров являются серебряный и медный кулонометры. Действие серебряного кулонометра Ричардсона, представляющего собой электролизер

(–) Ag ï AgNO 3 × aq ï Ag (+) ,

основано на взвешивании массы серебра, осевшей на катоде во время электролиза. При пропускании 96500 Кл (1 фарадея) электричества на катоде выделится 1 г-экв серебра (107 г). При пропускании n F электричества на катоде выделяется экспериментально определенная масса (D m к ). Число пропущенных фарадеев электричества определяется из соотношения

n = D m /107 .

Аналогичен принцип действия медного кулонометра.

В газовых кулонометрах продуктами электролиза являются газы, и количества выделяющихся на электродах веществ определяют измерением их объемов. Примером прибора такого типа является газовый кулонометр, основанный на реакции электролиза воды. При электролизе на катоде выделяется водород:

2Н 2 О+2е – =2ОН – +Н 2 ,

а на аноде – кислород:

Н 2 О=2Н + +½ О 2 +2е – V – суммарный объем выделенного газа, м 3 .

В титрационных кулонометрах количество вещества, образовавшегося в процессе электролиза, определяют титриметрически. К этому типу кулонометров относится титрационный кулонометр Кистяковского, представляющий собой электрохимическую систему

(–) Pt ï KNO 3 , HNO 3 ï Ag (+) .

В процессе электролиза серебряный анод растворяется, образуя ионы серебра, которые оттитровывают. Число фарадеев электричества определяют по формуле

n = mVc ,

где m – масса раствора, г;V – объем титранта, пошедший на титрование 1 г анодной жидкости;c –концентрация титранта, г-экв/см 3 .

Что может быть лучше, чем вечером понедельника почитать про основы электродинамики . Правильно, можно найти множество вещей, которые будут лучше. Тем не менее, мы все равно предлагаем Вам прочесть эту статью. Времени занимает не много, а полезная информация останется в подсознании. Например, на экзамене, в условиях стресса, можно будет успешно извлечь из недр памяти закон Фарадея. Так как законов Фарадея несколько, уточним, что здесь мы говорим о законе индукции Фарадея.

Электродинамика – раздел физики, изучающий электромагнитное поле во всех его проявлениях.

Это и взаимодействие электрического и магнитного полей, электрический ток, электро-магнитное излучение, влияние поля на заряженные тела.

Здесь мы не ставим целью рассмотреть всю электродинамику. Упаси Боже! Рассмотрим лучше один из основных ее законов, который называется законом электромагнитной индукции Фарадея .

История и определение

Фарадей, параллельно с Генри, открыл явление электромагнитной индукции в 1831 году. Правда, успел опубликовать результаты раньше. Закон Фарадея повсеместно используется в технике, в электродвигателях, трансформаторах, генераторах и дросселях. В чем суть закона Фарадея для электромагнитной индукции, если говорить просто? А вот в чем!

При изменении магнитного потока через замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток. То есть, если мы скрутим из проволоки рамку и поместим ее в изменяющееся магнитное поле (возьмем магнит, и будем крутить его вокруг рамки), по рамке потечет ток!

Этот ток Фарадей назвал индукционным, а само явление окрестил электромагнитной индукцией.

Электромагнитная индукция – возникновение в замкнутом контуре электрического тока при изменении магнитного потока, проходящего через контур.

Формулировка основного закона электродинамики – закона электромагнитной индукции Фарадея, выглядит и звучит следующим образом:

ЭДС , возникающая в контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф через контур.

А откуда в формуле минус, спросите Вы. Для объяснения знака минус в этой формуле есть специальное правило Ленца . Оно гласит, что знак минус, в данном случае, указывает на то, как направлена возникающая ЭДС. Дело в том, что создаваемое индукционным током магнитное поле направлено так, что препятствует изменению магнитного потока, который вызвал индукционный ток.

Примеры решения задач

Вот вроде бы и все. Значение закона Фарадея фундаментально, ведь на использовании данного закона построена основа почти всей электрической промышленности. Чтобы понимание пришло быстрее, рассмотрим пример решения задачи на закон Фарадея.

И помните, друзья! Если задача засела, как кость в горле, и нет больше сил ее терпеть – обратитесь к нашим авторам! Теперь вы знаете . Мы быстро предоставим подробное решение и разъясним все вопросы!

Основы > Задачи и ответы

Электролиз. Законы Фарадея


1 Найти электрохимический эквивалент натрия. Молярная масса натрия m = 0,023 кг/моль, его валентность z=1. Постоянная Фарадея

Решение:

2 Цинковый анод массы m = 5 г поставлен в электролитическую ванну, через которую проходит ток I =2 А. Через какое время t анод полностью израсходуется на покрытие металлических изделий? Электрохимический эквивалент цинка

Решение:

3 Найти постоянную Фарадея, если при прохож-дении через электролитическую ванну заряда q = 7348 Кл на катоде выделилась масса золота m = 5 г. Химический эквивалент золота А = 0,066 кг/моль.

Решение:
Согласно объединенному закону Фарадея

отсюда

4 Найти элементарный электрический заряд е, если масса вещества, численно равная химическому эквиваленту, содержит N o =N A /z атомов или молекул.

Решение:
Ионы в растворе электролита несут на себе число элементарных зарядов, равное валентности z. При выделении массы вещества, численно равной его химическому эквиваленту, через раствор проходит заряд, численно равный постоянной Фарадея, т. е.

Следовательно, элементарный заряд

5 Молярная масса серебра m 1 =0,108 кг/моль, его валентность z 1 = 1 и электрохимический эквивалент . Найти электрохимический эквивалент золота к2, если молярная масса золота m 2 = 0,197 кг/моль, его валентность z 2 = 3.

Решение:
По второму закону Фарадея имеем

отсюда электрохимический эквивалент золота

6 Найти массы веществ, выделившихся за время t =10ч на катодах трех электролитических ванн, вклю-ченных последовательно в сеть постоянного тока. Аноды в ваннах – медный, никелевый и серебряный – опущены соответственно в растворы CuS O 4, NiS0 4 и AgN0 3 . Плотность тока при электролизе j =40 А/м2, площадь катода в каждой ванне S = 500 см. Электрохимические эквиваленты меди, никеля и серебра

Решение:
Ток в ваннах I=jS. По первому закону Фарадея массы выделившихся при электролизе веществ

7 При никелировании изделий в течение времени t = 2 ч отложился слой никеля толщины l =0,03 мм.
Найти плотность тока при электролизе. Электрохимический эквивалент никеля , его плотность

Решение:

8 Амперметр, включенный последовательно с электролитической ванной, показывает ток Io =1,5А. Какую поправку надо внести в показание амперметра, если за время t =10мин на катоде отложилась масса меди m = 0,316 г? Электрохимический эквивалент меди .

Решение:
По первому закону Фарадея m = kI t , где I-ток в цепи; отсюда I = m /k t =1,6 А, т.е. в показание амперметра надо внести поправку

9 Желая проверить правильность показаний вольтметра, его подключили параллельно резистору с известным сопротивлением R = 30 Ом. Последовательно в общую цепь включили электролитическую ванну, в которой ведется электролиз серебра. За время t =5 мин в этой ванне выделилась масса серебра m = 55,6 мг. Вольтметр показывал напряжение Vo = 6 В. Найти разность между показанием вольтметра и точным значением падения напряжения на резисторе. Электрохимический эквивалент серебра .

Решение:
По первому закону Фарадея m = kl t , где I-ток в цепи. Точное значение падения напряжения на сопротивлении V=IR = mR/k t = 4,91 В. Разность между показанием вольтметра и точным значением падения напряжения

10 Для серебрения ложек через раствор соли серебра в течение времени t =5 ч пропускается ток I =1,8 А. Катодом служат n =12 ложек, каждая из которых имеет площадь поверхности S =50 см2. Какой толщины слой серебра отложится на ложках? Молярная масса серебра m = 0,108 кг/моль, его валентность z= 1 и плотность .

Решение:
Толщина слоя

11 Две электролитические ванны включены последовательно. В первой ванне находится раствор хлористого железа (FeCl 2 ), во второй – раствор хлорного железа (FeCl 3 ). Найти массы выделившегося железа на катодах и хлора на анодах в каждой ванне при прохождении через ванну заряда . Молярные массы железа и хлора .

Решение:
В первой ванне железо двухвалентно (z1=2), во второй – трехвалентно (z2 = 3). Поэтому при прохождении через растворы одинаковых зарядов выделяются различные массы железа на катодах: в первой ванне

во второй ванне

Так как валентность атомов хлора z=1, то на аноде каждой ванны выделяется масса хлора

12 При электролизе раствора серной кислоты (CuS O 4 ) расходуется мощность N=37 Вт. Найти со-противление электролита, если за время t = 50 мин выделяется масса водорода m = 0,3 г. Молярная масса водорода m = 0,001 кг/моль, его валентность z= 1 .

Решение:

13 При электролитическом способе получения никеля на единицу массы расходуется W m = 10 кВт Ч ч/кг электроэнергии. Электрохимический эквивалент никеля . При каком напряжении производится электролиз?

Решение:

14 Найти массу выделившейся меди, если для ее получения электролитическим способом затрачено W= 5 кВт Ч ч электроэнергии. Электролиз проводится при напряжении V =10 В, к.п.д. установки h =75%. Электрохимический эквивалент меди .

Решение:
К.п.д. установки

где q-заряд, прошедший через ванну. Масса выделившейся меди m=kq; отсюда

15 Какой заряд проходит через раствор серной кислоты (CuS O 4 ) за время t =10с, если ток за это время равномерно возрастает от I 1 =0 до I 2 = 4А? Какая масса меди выделяется при этом на катоде? Электрохимический эквивалент меди .

Решение:
Средний ток

Заряд, протекший через раствор,

Нахождение заряда графическим путем показано на рис. 369. На графике зависимости тока от времени заштрихованная площадь численно равна заряду. Масса меди, выделившейся на катоде,

16 При рафинировании меди с помощью электролиза к последовательно включенным электролитическим ваннам, имеющим общее сопротивление R = 0,5 Ом, подведено напряжение V=10 В. Найти массу чистой меди, выделившейся на катодах ванны за время t =10ч. Э.д.с. поляризации e = 6 В. Электрохимический эквивалент меди .

Решение:

17 При электролизе воды через электролитическую ванну в течение времени t = 25 мин шел ток I =20 А. Какова температура t выделившегося кислорода, если он находится в объеме V= 1 л под давлением р = 0,2 МПа? Молярная масса воды m =0,018 кг/моль. Электрохимический эквивалент кислорода .

Решение:

где R= 8,31 Дж/(молъ К)-газовая постоянная.

18 При электролитическом способе получения алюминия на единицу массы расходуется W 1 m = 50 кВт Ч ч/кг электроэнергии. Электролиз проводится при напряжении V1 = 1 6,2 В. Каким будет расход электроэнергии W 2m на единицу массы при напряжении V2 = 8, 1 В?
Решение:

В первой экспериментальной демонстрации электромагнитной индукции (август 1831) Фарадей обмотал двумя проводами противоположные стороны железного тора (конструкция похожа на современный трансформатор). Основываясь на своей оценке недавно обнаруженного свойства электромагнита, он ожидал, что при включении тока в одном проводе особого рода волна пройдёт сквозь тор и вызовет некоторое электрическое влияние на его противоположной стороне. Он подключил один провод к гальванометру и смотрел на него, когда другой провод подключал к батарее. В самом деле, он увидел кратковременный всплеск тока (который он назвал «волной электричества»), когда подключал провод к батарее, и другой такой же всплеск, когда отключал его. В течение двух месяцев Фарадей нашёл несколько других проявлений электромагнитной индукции. Например, он увидел всплески тока, когда быстро вставлял магнит в катушку и вытаскивал его обратно, он генерировал постоянный ток во вращающемся вблизи магнита медном диске со скользящим электрическим проводом («диск Фарадея ») .

Фарадей объяснил электромагнитную индукцию с использованием концепции так называемых силовых линий . Однако, большинство учёных того времени отклонили его теоретические идеи, в основном потому, что они не были сформулированы математически. Исключение составил Максвелл , который использовал идеи Фарадея в качестве основы для своей количественной электромагнитной теории. В работах Максвелла аспект изменения во времени электромагнитной индукции выражен в виде дифференциальных уравнений. Оливер Хевисайд назвал это законом Фарадея, хотя он несколько отличается по форме от первоначального варианта закона Фарадея и не учитывает индуцирование ЭДС при движении. Версия Хевисайда является формой признанной сегодня группы уравнений, известных как уравнения Максвелла .

Закон Фарадея как два различных явления

Некоторые физики отмечают, что закон Фарадея в одном уравнении описывает два разных явления: двигательную ЭДС , генерируемую действием магнитной силы на движущийся провод, и трансформаторную ЭДС , генерируемую действием электрической силы вследствие изменения магнитного поля. Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на этот факт в своей работе О физических силовых линиях в 1861 году. Во второй половине части II этого труда Максвелл даёт отдельное физическое объяснение для каждого из этих двух явлений. Ссылка на эти два аспекта электромагнитной индукции имеется в некоторых современных учебниках. Как пишет Ричард Фейнман:

Таким образом, «правило потока» о том, что ЭДС в цепи равна скорости изменения магнитного потока через контур, применяется независимо от причины изменения потока: то ли потому что поле изменяется, то ли потому что цепь движется (или и то, и другое)…. В нашем объяснении правила мы использовали два совершенно различных закона для двух случаев  –    v × B {\displaystyle {\stackrel {\mathbf {v\times B} }{}}}   для «движущейся цепи» и   ∇ x E = − ∂ t B {\displaystyle {\stackrel {\mathbf {\nabla \ x\ E\ =\ -\partial _{\ t}B} }{}}}   для «меняющегося поля».

Мы не знаем никакого аналогичного положения в физике, когда такие простые и точные общие принципы требовали бы для своего реального понимания анализа с точки зрения двух различных явлений.

Отражение этой очевидной дихотомии было одним из основных путей, которые привели Эйнштейна к разработке специальной теории относительности :

Известно, что электродинамика Максвелла – как её обычно понимают в настоящее время – при применении к движущимся телам приводит к асимметрии, которая, как кажется, не присуща этому явлению. Возьмем, к примеру, электродинамическое взаимодействие магнита и проводника. Наблюдаемое явление зависит только от относительного движения проводника и магнита, тогда как обычное мнение рисует резкое различие между этими двумя случаями, в которых либо одно, либо другое тело находится в движении. Ибо, если магнит находится в движении, а проводник покоится, в окрестности магнита возникает электрическое поле с определенной плотностью энергии, создавая ток там, где расположен проводник. Но если магнит покоится, а проводник движется, то в окрестности магнита никакое электрическое поле не возникает. В проводнике, однако, мы находим электродвижущую силу, для которой не существует соответствующей энергии самой по себе, но которая вызывает – предполагая равенство относительного движения в двух обсуждаемых случаях – электрические токи по тому же направлению и той же интенсивности, как в первом случае.

Примеры подобного рода вместе с неудачной попыткой обнаружить какое-либо движение Земли относительно «светоносной среды» предполагают, что явления электродинамики, а также механики не обладают свойствами, соответствующими идее абсолютного покоя.

Альберт Эйнштейн , К электродинамике движущихся тел

Поток через поверхность и ЭДС в контуре

Закон электромагнитной индукции Фарадея использует понятие магнитного потока Φ B через замкнутую поверхность Σ, который определён через поверхностный интеграл :

Φ = ∬ S B n ⋅ d S , {\displaystyle \Phi =\iint \limits _{S}\mathbf {B_{n}} \cdot d\mathbf {S} ,}

где dS – площадь элемента поверхности Σ(t ), B – магнитное поле, а B ·d S – скалярное произведение B и d S . Предполагается, что поверхность имеет «устье», очерченное замкнутой кривой, обозначенной ∂Σ(t ). Закон индукции Фарадея утверждает, что когда поток изменяется, то при перемещении единичного положительного пробного заряда по замкнутой кривой ∂Σ совершается работа E {\displaystyle {\mathcal {E}}} , величина которой определяется по формуле:

| E | = | d Φ d t | , {\displaystyle |{\mathcal {E}}|=\left|{{d\Phi } \over dt}\right|\ ,}

где | E | {\displaystyle |{\mathcal {E}}|} – величина электродвижущей силы (ЭДС) в вольтах , а Φ B – магнитный поток в веберах . Направление электродвижущей силы определяется законом Ленца .

На рис. 4 показан шпиндель, образованный двумя дисками с проводящими ободами, и проводники, расположенные вертикально между этими ободами. ток скользящими контактами подается на проводящие обода. Эта конструкция вращается в магнитном поле, которое направлено радиально наружу и имеет одно и то же значение в любом направлении. т.е. мгновенная скорость проводников, ток в них и магнитная индукция, образуют правую тройку, что заставляет проводники вращаться.

Сила Лоренца

В этом случае на проводники действует Сила Ампера а на единичный заряд в проводнике Сила Лоренца – поток вектора магнитной индукции B , ток в проводниках, соединяющие проводящие обода, направлен нормально к вектору магнитной индукции, тогда сила действующая на заряд в проводнике будет равна

F = q B v . {\displaystyle F=qBv\,.}

где v = скорости движущегося заряда

Следовательно, сила действующая на проводники

F = I B ℓ , {\displaystyle {\mathcal {F}}=IB\ell ,}

где l длина проводников

Здесь мы использовали B как некую данность, на самом деле она зависит от геометрических размеров ободов конструкции и это значение можно вычислить используя Закон Био - Савара - Лапласа . Данный эффект используется и в другом устройстве называемом Рельсотрон

Закон Фарадея

Интуитивно привлекательный, но ошибочный подход к использованию правила потока выражает поток через цепь по формуле Φ B = B w ℓ, где w – ширина движущейся петли.

Ошибочность такого подхода в том что это не рамка в обычном понимании этого слова. прямоугольник на рисунке образован отдельными проводниками, замкнутыми на обод. Как видно на рисунке ток по обоим проводника течет в одном направлении, т.е. здесь отсутствует понятие “замкнутый контур”

Наиболее простое и понятное объяснение этому эффекту дает понятие сила Ампера . Т.е. вертикальный проводник может быть вообще один, чтобы не вводить в заблуждение. Или же проводник конечной толщины может быть расположен на оси соединяющие обода. Диаметр проводника должен быть конечным и отличатся от нуля чтобы момент силы Ампера был не нулевой.

Уравнение Фарадея – Максвелла

Переменное магнитное поле создаёт электрическое поле, описываемое уравнением Фарадея – Максвелла:

∇ × E = − ∂ B ∂ t {\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}

∇ × {\displaystyle \nabla \times } обозначает ротор E – электрическое поле B – плотность магнитного потока .

Это уравнение присутствует в современной системе уравнений Максвелла , часто его называют законом Фарадея. Однако, поскольку оно содержит только частные производные по времени, его применение ограничено ситуациями, когда заряд покоится в переменном по времени магнитном поле. Оно не учитывает [ ] электромагнитную индукцию в случаях, когда заряженная частица движется в магнитном поле.

В другом виде закон Фарадея может быть записан через интегральную форму теоремы Кельвина-Стокса :

∮ ∂ Σ ⁡ E ⋅ d ℓ = − ∫ Σ ∂ ∂ t B ⋅ d A {\displaystyle \oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=-\int _{\Sigma }{\partial \over {\partial t}}\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} }

Для выполнения интегрирования требуется независимая от времени поверхность Σ (рассматриваемая в данном контексте как часть интерпретации частных производных). Как показано на рис. 6:

Σ – поверхность, ограниченная замкнутым контуром ∂Σ , причём, как Σ , так и ∂Σ являются фиксированными, не зависящими от времени, E – электрическое поле, d – бесконечно малый элемент контура ∂Σ , B – магнитное поле , dA – бесконечно малый элемент вектора поверхности Σ .

Элементы d и dA имеют неопределённые знаки. Чтобы установить правильные знаки, используется правило правой руки , как описано в статье о теореме Кельвина-Стокса . Для плоской поверхности Σ положительное направление элемента пути d кривой ∂Σ определяется правилом правой руки, по которому на это направление указывают четыре пальца правой руки, когда большой палец указывает в направлении нормали n к поверхности Σ.

Интеграл по ∂Σ называется интеграл по пути или криволинейным интегралом . Поверхностный интеграл в правой части уравнения Фарадея-Максвелла является явным выражением для магнитного потока Φ B через Σ . Обратите внимание, что ненулевой интеграл по пути для E отличается от поведения электрического поля, создаваемого зарядами. Генерируемое зарядом E -поле может быть выражено как градиент скалярного поля , которое является решением уравнения Пуассона и имеет нулевой интеграл по пути.

Интегральное уравнение справедливо для любого пути ∂Σ в пространстве и любой поверхности Σ , для которой этот путь является границей.

D d t ∫ A B d A = ∫ A (∂ B ∂ t + v div B + rot (B × v)) d A {\displaystyle {\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\int \limits _{A}{\mathbf {B} }{\text{ d}}\mathbf {A} =\int \limits _{A}{\left({\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}+\mathbf {v} \ {\text{div}}\ \mathbf {B} +{\text{rot}}\;(\mathbf {B} \times \mathbf {v})\right)\;{\text{d}}}\mathbf {A} }

и принимая во внимание div B = 0 {\displaystyle {\text{div}}\mathbf {B} =0} (Ряд Гаусса), B × v = − v × B {\displaystyle \mathbf {B} \times \mathbf {v} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} } (Векторное произведение) и ∫ A rot X d A = ∮ ∂ A ⁡ X d ℓ {\displaystyle \int _{A}{\text{rot}}\;\mathbf {X} \;\mathrm {d} \mathbf {A} =\oint _{\partial A}\mathbf {X} \;{\text{d}}{\boldsymbol {\ell }}} (теорема Кельвина - Стокса), мы находим, что полная производная магнитного потока может быть выражена

∫ Σ ∂ B ∂ t d A = d d t ∫ Σ B d A + ∮ ∂ Σ ⁡ v × B d ℓ {\displaystyle \int \limits _{\Sigma }{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}{\textrm {d}}\mathbf {A} ={\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\int \limits _{\Sigma }{\mathbf {B} }{\text{ d}}\mathbf {A} +\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {v} \times \mathbf {B} \,{\text{d}}{\boldsymbol {\ell }}}

Добавляя член ∮ ⁡ v × B d ℓ {\displaystyle \oint \mathbf {v} \times \mathbf {B} \mathrm {d} \mathbf {\ell } } к обеим частям уравнения Фарадея-Максвелла и вводя вышеприведённое уравнение, мы получаем:

∮ ∂ Σ ⁡ (E + v × B) d ℓ = − ∫ Σ ∂ ∂ t B d A ⏟ induced emf + ∮ ∂ Σ ⁡ v × B d ℓ ⏟ motional emf = − d d t ∫ Σ B d A , {\displaystyle \oint \limits _{\partial \Sigma }{(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B})}{\text{d}}\ell =\underbrace {-\int \limits _{\Sigma }{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {B} {\text{d}}\mathbf {A} } _{{\text{induced}}\ {\text{emf}}}+\underbrace {\oint \limits _{\partial \Sigma }{\mathbf {v} }\times \mathbf {B} {\text{d}}\ell } _{{\text{motional}}\ {\text{emf}}}=-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\int \limits _{\Sigma }{\mathbf {B} }{\text{ d}}\mathbf {A} ,}

что и является законом Фарадея. Таким образом, закон Фарадея и уравнения Фарадея-Максвелла физически эквивалентны.

Рис. 7 показывает интерпретацию вклада магнитной силы в ЭДС в левой части уравнения. Площадь, заметаемая сегментом d кривой ∂Σ за время dt при движении со скоростью v , равна:

d A = − d ℓ × v d t , {\displaystyle d\mathbf {A} =-d{\boldsymbol {\ell \times v}}dt\ ,}

так что изменение магнитного потока ΔΦ B через часть поверхности, ограниченной ∂Σ за время dt , равно:

d Δ Φ B d t = − B ⋅ d ℓ × v = − v × B ⋅ d ℓ , {\displaystyle {\frac {d\Delta \Phi _{B}}{dt}}=-\mathbf {B} \cdot \ d{\boldsymbol {\ell \times v}}\ =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} \cdot \ d{\boldsymbol {\ell }}\ ,}

и если сложить эти ΔΦ B -вклады вокруг петли для всех сегментов d , мы получим суммарный вклад магнитной силы в закон Фарадея. То есть этот термин связан с двигательной ЭДС.

Пример 3: точка зрения движущегося наблюдателя

Возвращаясь к примеру на рис. 3, в движущейся системе отсчета выявляется тесная связь между E – и B -полями, а также между двигательной и индуцированной ЭДС. Представьте себе наблюдателя, движущегося вместе с петлёй. Наблюдатель вычисляет ЭДС в петле с использованием как закона Лоренца, так и с использованием закона электромагнитной индукции Фарадея. Поскольку этот наблюдатель движется с петлей, он не видит никакого движения петли, то есть нулевую величину v × B . Однако, поскольку поле B меняется в точке x , движущийся наблюдатель видит изменяющееся во времени магнитного поля, а именно:

B = k B (x + v t) , {\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {k} {B}(x+vt)\ ,}

где k – единичный вектор в направлении z .

Закон Лоренца

Уравнение Фарадея-Максвелла говорит, что движущийся наблюдатель видит электрическое поле E y в направлении оси y , определяемое по формуле:

∇ × E = k d E y d x {\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {k} \ {\frac {dE_{y}}{dx}}} = − ∂ B ∂ t = − k d B (x + v t) d t = − k d B d x v , {\displaystyle =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=-\mathbf {k} {\frac {dB(x+vt)}{dt}}=-\mathbf {k} {\frac {dB}{dx}}v\ \ ,} d B d t = d B d (x + v t) d (x + v t) d t = d B d x v . {\displaystyle {\frac {dB}{dt}}={\frac {dB}{d(x+vt)}}{\frac {d(x+vt)}{dt}}={\frac {dB}{dx}}v\ .}

Решение для E y с точностью до постоянной, которая ничего не добавляет в интеграл по петле:

E y (x , t) = − B (x + v t) v . {\displaystyle E_{y}(x,\ t)=-B(x+vt)\ v\ .}

Используя закон Лоренца, в котором имеется только компонента электрического поля, наблюдатель может вычислить ЭДС по петле за время t по формуле:

E = − ℓ [ E y (x C + w / 2 , t) − E y (x C − w / 2 , t) ] {\displaystyle {\mathcal {E}}=-\ell } = v ℓ [ B (x C + w / 2 + v t) − B (x C − w / 2 + v t) ] , {\displaystyle =v\ell \ ,}

и мы видим, что точно такой же результат найден для неподвижного наблюдателя, который видит, что центр масс x C сдвинулся на величину x C + v t . Однако, движущийся наблюдатель получил результат под впечатлением, что в законе Лоренца действовала только электрическая составляющая, тогда как неподвижный наблюдатель думал, что действовала только магнитная составляющая.{x_{C}+w/2}{\frac {d}{dx}}B(x+vt)\ v\ dx} = v ℓ [ B (x C + w / 2 + v t) − B (x C − w / 2 + v t) ] , {\displaystyle =v\ell \ \ ,}

и мы видим тот же результат. Производная по времени используется при интегрировании, поскольку пределы интегрирования не зависят от времени. Опять же, для преобразования производной по времени в производную по x используются методы дифференцирования сложной функции.

Неподвижный наблюдатель видит ЭДС как двигательную , тогда как движущийся наблюдатель думает, что это индуцированная ЭДС.

Электрический генератор

Явление возникновения ЭДС, порождённой по закону индукции Фарадея из-за относительного движения контура и магнитного поля, лежит в основе работы электрических генераторов . Если постоянный магнит перемещается относительно проводника или наоборот, проводник перемещается относительно магнита, то возникает электродвижущая сила. Если проводник подключён к электрической нагрузке, то через неё будет течь ток, и следовательно, механическая энергия движения будет превращаться в электрическую энергию. Например, дисковый генератор построен по тому же принципу, как изображено на рис. 4. Другой реализацией этой идеи является диск Фарадея , показанный в упрощённом виде на рис. 8. Обратите внимание, что и анализ рис. 5, и прямое применение закона силы Лоренца показывают, что твёрдый проводящий диск работает одинаковым образом.

В примере диска Фарадея диск вращается в однородном магнитном поле, перпендикулярном диску, в результате чего возникает ток в радиальном плече благодаря силе Лоренца. Интересно понять, как получается, что чтобы управлять этим током, необходима механическая работа. Когда генерируемый ток течёт через проводящий обод, по закону Ампера этот ток создаёт магнитное поле (на рис. 8 оно подписано «индуцированное B» – Induced B). Обод, таким образом, становится электромагнитом , который сопротивляется вращению диска (пример правила Ленца). В дальней части рисунка обратный ток течёт от вращающегося плеча через дальнюю сторону обода к нижней щётке. Поле В, создаваемое этим обратным током, противоположно приложенному полю, вызывая сокращение потока через дальнюю сторону цепи, в противовес увеличению потока, вызванного вращением. На ближней стороне рисунка обратный ток течёт от вращающегося плеча через ближнюю сторону обода к нижней щётке. Индуцированное поле B увеличивает поток по эту сторону цепи, в противовес снижению потока, вызванного вращением. Таким образом, обе стороны цепи генерируют ЭДС, препятствующую вращению. Энергия, необходимая для поддержания движения диска в противовес этой реактивной силе, в точности равна вырабатываемой электрической энергии (плюс энергия на компенсацию потерь из-за трения, из-за выделения тепла Джоуля и прочее). Такое поведение является общим для всех генераторов преобразования механической энергии в электрическую.

Хотя закон Фарадея описывает работу любых электрических генераторов, детальный механизм в разных случаях может отличаться. Когда магнит вращается вокруг неподвижного проводника, меняющееся магнитное поле создаёт электрическое поле, как описано в уравнении Максвелла-Фарадея, и это электрическое поле толкает заряды через проводник. Этот случай называется индуцированной ЭДС. С другой стороны, когда магнит неподвижен, а проводник вращается, на движущиеся заряды воздействует магнитная сила (как описывается законом Лоренца), и эта магнитная сила толкает заряды через проводник. Этот случай называется двигательной ЭДС.

Электродвигатель

Электрический генератор может работать в «обратном направлении» и становиться двигателем. Рассмотрим, например, диск Фарадея. Предположим, постоянный ток течёт через проводящее радиальное плечо от какого-либо напряжения. Тогда по закону силы Лоренца на этот движущийся заряд воздействует сила в магнитном поле B , которая будет вращать диск в направлении, определённым правилом левой руки. При отсутствии эффектов, вызывающих диссипативные потери, таких как трение или тепло Джоуля , диск будет вращаться с такой скоростью, чтобы d Φ B / dt было равно напряжению, вызывающему ток.

Электрический трансформатор

ЭДС, предсказанная законом Фарадея, является также причиной работы электрических трансформаторов. Когда электрический ток в проволочной петле изменяется, меняющийся ток создаёт переменное магнитное поле. Второй провод в доступном для него магнитном поле будет испытывать эти изменения магнитного поля как изменения связанного с ним магнитного потока d Φ B / d t . Электродвижущая сила, возникающая во второй петле, называется индуцированной ЭДС или ЭДС трансформатора . Если два конца этой петли связать через электрическую нагрузку, то через неё потечёт ток.

Закон Фарадея – Chemistry LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Участники и авторства

В каждом электрохимическом процессе, спонтанном или нет, определенное количество электрического заряда передается во время окисления и восстановления.Полураакции, которые мы написали для электродных процессов, включают электроны, несущие этот заряд. Скорость передачи заряда можно измерить с помощью устройства, называемого амперметром.

Амперметр измеряет ток, протекающий в цепи. Единицы измерения тока – амперы (А) (для краткости амперы). В отличие от вольтметра, амперметры позволяют электронам проходить и, по сути, «синхронизируют» их. Затем количество электрического заряда, прошедшего через цепь, можно рассчитать с помощью простого соотношения:

Заряд = ток x время ИЛИ Кулоны = амперы x секунды

Это позволяет связать стехиометрию реакции с электрическими измерениями.Принципы, лежащие в основе этих отношений, были разработаны в первой половине XIX века английским ученым Майклом Фарадеем.

На схеме показано, как можно измерить напряжение и ток для типичного гальванического элемента, но расположение одинаково для любого электрохимического элемента. Обратите внимание, что вольтметр помещается поперек канала для электронов (т. Е. Провода), а амперметр является частью этого канала. Таким образом можно использовать вольтметр хорошего качества, даже если может показаться, что он «замыкает» цепь.Поскольку электроны не могут проходить через вольтметр, они просто продолжают движение по проводу.

И вольтметр, и амперметр поляризованы. На них нанесены отрицательные и положительные клеммы. Электроны «ожидаются» только в одном направлении. Это важно при измерениях постоянного тока (DC), выходящего из (или входящего) электрохимических ячеек.

Закон электролиза Фарадея можно сформулировать так: количество вещества, производимого на каждом электроде, прямо пропорционально количеству заряда, протекающего через элемент.Конечно, это своего рода упрощение. Вещества с различными изменениями окисления / восстановления в отношении электронов / атома или иона не будут производиться в одинаковых молярных количествах. Но если учесть эти дополнительные соотношения, закон верен во всех случаях.

Пример 1

Пример 2

Пример 3

Пример 4

Пример 5

Авторы и указание авторства

Стивен Р.Марсден

Закон электролиза Фарадея – обзор

21.2.1 Электрические элементы

Схема ячейки Даниэля показана на рис. 21.5. Это может быть представлено условным обозначением

Рисунок 21.5. Принципиальная схема ячейки Даниэля.

(21,1) Zn | ZnSO4 | CuSO4 | Cu

где | представляет интерфейс или фазовую границу. При таком представлении ячеек принято считать, что электрод в правой части уравнения (21.1) заряжен положительно относительно того, что слева, если реакция происходит самопроизвольно.

Чтобы понять, как ячейка Даниэля производит потенциал и ток, необходимо рассмотреть основную реакцию, а именно:

(21.2) Zn + CuSO4 (водный) → Cu + ZnSO4 (водный)

, что указывает на то, что цинк реагирует с раствором сульфата меди с образованием раствора сульфата меди и цинка. Обозначение aq указывает на водный раствор соли. Если реакция в уравнении (21.2) происходит в контейнере постоянного объема с использованием 1 кмоль Zn (45 кг Zn), тогда 214 852 кДж тепла должно быть передано из контейнера для поддержания температуры системы на уровне 25 ° C. Эта реакция аналогична реакции горения и должна подчиняться Первому закону термодинамики

(21.3) δQ = dU + δW

, где δ W = 0 в этом случае.

Следовательно,

(21,4) δQoc = −214852 кДж / кмольZn = uCu + uZnSO4 (водный) −uZn − uCuSO4 (водный)

Описанная выше реакция в основном представляет собой реакцию разомкнутого цикла для ячейки Даниэля и δ Q oc представляет собой выделенную энергию холостого хода.Если, как обычно, реакция происходит во время выполнения работы от элемента, то предположим, что ток I течет в течение времени, t , тогда, согласно законам электролиза Фарадея, соотношение количества вещества ( Zn) растворяется до валентности элемента, n / z , пропорционально пройденному электрическому заряду, т.е.

(21,5) n / z∝Q, ien / z = FQ

Когда n / z = 1 кмоль, Q = 96485 кКл (где кКл означает килокуллон), и, следовательно, F = 96485 кКл / кмоль.Это известно как постоянная Фарадея и является произведением числа Авогадро и заряда протона. Теперь, если потенциал между электродами равен E oc , то проделанная работа составит

(21,6) δW = 2EocFvolt.kC / кмоль = 2EocFkJ / кмоль

В ячейке Даниэля потенциал при нуле ток (т.е. в разомкнутой цепи), который называется электродвижущей силой ( ЭДС ) , E oc = 1,107 В при 25 ° C. Если предположить, что ячейка может поддерживать этот потенциал при малых токах, то

δW = 2 × 1.107 × 96485 = 213618 кДж / кмоль.

Если описанная выше реакция протекает изотермически в замкнутой системе, то она должна подчиняться Первому закону, который на этот раз применяется к системе с замкнутым контуром и дает

(21,7) dU = δQ − δW = δQR − δW = δQR − 213618 кДж / кмоль

Теперь изменение внутренней энергии просто связано с происходящими химическими изменениями, и для изотермической реакции оно должно быть равно δ Q oc , определенному в уравнении (21.4), что дает

(21.8) δQR = −214852 + 213618 = −1234 кДж / кмоль.

Это означает, что тепло должно передаваться от ячейки для поддержания постоянной температуры. Эта теплопередача является мерой изменения энтропии, содержащейся в связях продукта (ZnSO 4 ) по сравнению с реагентом (CuSO 4 ), и

(21,9) ΔS = -1230 / 298 = -4,141 кДж / К.

При таком подходе ячейка Даниэля рассматривалась как термодинамическая система – черный ящик. Возможно дальнейшее развитие этого подхода для оценки электрических характеристик элемента.Предположим, что некоторое количество вещества Zn, d n , входит в раствор на отрицательном полюсе, тогда оно будет нести с собой заряд zF d n , где z – валентность (или число заряда реакции в ячейке) Zn, и в данном случае составляет 2. Кулоновские силы в ячейке таковы, что равный и противоположный заряд должен поглощаться медным электродом, и это достигается за счет поглощения ионами меди электронов, которые обтекали внешнюю цепь.Максимальная работа, которую можно выполнить, достигается, если ячейка обратима, а потенциал равен потенциалу холостого хода; таким образом,

(21.10) δW = zFEⅆn

Однако общая работа, которая могла бы быть получена от ячейки, если бы она изменила объем, была бы

(21,11) δW = zFEdn + pdV

, таким образом, применяя Первый закон и предполагая процессы обратимы, дает

(21.12) dU = δQ − δW = TdS − pdV − zFEdn

и, следовательно, выходная электрическая работа составляет

(21.13) −zFEⅆn = ⅆU + pⅆV − Tⅆs = ⅆG = G2 − G1

Для элемента, который самопроизвольно разряжается G 2 < G 1 , и, следовательно,

(21,14) δW = −ⅆG

Выведенные выше уравнения определяют работу ячейки Даниэля с макроскопической точки зрения. Поучительно изучить процессы, которые происходят на трех интерфейсах, показанных в уравнении (21.1). Следовательно,

(21,15) Zn → Zn +++ 2eatzinceэлектрод Zn +++ CuSO4 → ZnSO4 + Cu ++ в растворе Cu +++ 2e → Cuatcopperelectrode.}

Это означает, что цинк «растворяется» серной кислотой на цинковом электроде, и в раствор входит анион цинка. Между тем, на цинковом электроде остаются два электрона (поскольку валентность цинка равна 2), и они могут свободно перемещаться по цепи, но заставляют цинковый электрод иметь отрицательный потенциал, то есть это катод. Анион цинка реагирует с сульфатом меди в растворе с образованием сульфата цинка и высвобождает ион меди, который мигрирует к медному электроду, где он забирает электроны с электрода, придавая ему положительный потенциал.Следовательно, ячейка Даниэля состоит из электронов (отрицательных зарядов), перемещающихся по внешней цепи, от катода к аноду, в то время как положительные ионы перемещаются через раствор от катода к аноду. [Примечание: обычно положительный электрический ток идет в направлении, противоположном потоку электронов; считается, что ток течет от анода к катоду.] В результате разность потенциалов между электродами остается постоянной для любого заданного тока: это состояние динамического равновесия.Можно видеть, что электрохимическая ячейка – это ситуация, управляемая термодинамическим равновесием и установившейся (необратимой) термодинамикой (см. Главу 20).

В результате реакций, определенных в уравнении (21.15), электроны текут от цинка к меди (это можно определить как ток, текущий от меди (анода) к цинку (катоду)), и потенциал на аноде будет быть выше катода. Если элемент был подключен к источнику потенциала (например, зарядному устройству), так что разность потенциалов источника была немного выше, чем ЭДС элемента, то ток можно было бы изменить, и реакция стала бы

(21.16) Cu → Cu +++ 2eatCuelectrodeCu +++ ZnSO4 → Zn +++ CuSO4insolutionZn +++ 2e → ZnatZnelectrode}

Следовательно, ячейка Даниэля является обратимой , , если ток, потребляемый (или поданный), является небольшой. Ячейку Даниэля можно использовать для «выработки» электричества, потребляя электрод, или для хранения электричества.

Хотя ячейка Даниэля была одним из первых примеров устройства для выработки электричества, ее относительно сложно анализировать термодинамически, поскольку в ней имеются электроды из разных материалов.Ниже будет рассмотрено более простое устройство для разработки уравнений, определяющих работу таких ячеек, но сначала необходимо ввести еще одно свойство.

Законы Фарадея электролиза – Первый закон, Второй закон и его приложения

Законы Фарадея электролиза – это фундаментальные законы, которые описывают значение электролитических эффектов. В этом посте будет обсуждаться, что такое электролиз, каковы законы электролиза Фарадея (первый и второй закон), его применение, преимущества и недостатки.

Подробнее о законах электролиза Фарадея

Майкл Фарадей известен своим вкладом в области электрохимии. Он открыл два закона электролиза, согласно которым величина химического изменения или разложения точно пропорциональна количеству электричества, которое передается в растворе.

Рис. 1 – Введение в законы электролиза Фарадея

Во время этого химического изменения (окисления или восстановления) количество осажденного или растворенного вещества пропорционально их химическому эквивалентному весу.Количество заряда, необходимое для этого, равно заряду одного моля электронов, известному как 1 Фарадея, что равно 96 500 Кулонам. Законы в основном устанавливают количественные аспекты электролиза, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1833 году.

Рис. 2 – Изображение Майкла Фарадея

Что такое электролиз

Процесс, в котором Электрическая энергия вызывает несамопроизвольную химическую реакцию, известную как электролиз.Электролиз лежит в основе электросинтеза химических соединений. В этом процессе химические изменения происходят через реакции на электродах, которые контактируют с электролитом, когда через него проходит электрический ток.

Во время этого процесса положительно заряженные ионы дрейфуют к отрицательному электроду, а отрицательно заряженные ионы дрейфуют к положительному электроду. Положительно заряженные ионы получают электроны, тогда как отрицательно заряженные ионы теряют электроны. Окисление происходит на аноде, а восстановление происходит на катоде.

Рассмотрим Рис. 3, на котором электроды погружены в водный раствор хлорида натрия. Когда электричество проходит через раствор хлорида натрия, газообразный водород образуется на отрицательном электроде, а газообразный хлорид окисляется до хлора на положительном электроде.

Рис. 3 – Электролиз хлорида натрия

Законы электролиза Фарадея

Два закона электролиза:

  • Первый закон электролиза Фарадея
  • Электролизный закон Фарадея

Первый закон электролиза Фарадея

Первый закон в законах электролиза Фарадея гласит, что «количество химической реакции, происходящей на любом электроде из-за воздействия электрической энергии, прямо пропорционально количеству прошедшего через него электричества. электролит ».

Предположим, что количество вещества, осажденного или растворенного на электродах, равно «m», а «Q» – это количество заряда (электричества), прошедшего через электролит. Согласно Первому закону Фарадея:

, где Z = электрохимический эквивалент

Соотношение между химическим эквивалентом (E), постоянной Фарадея (F) и электрохимическим эквивалентом (Z) определяется уравнением:

Мы знаем что, Q = I xt

Где,

  • Q = количество заряда (электричества) в кулонах (Q),
  • I = ток в амперах (A),
  • t = время (секунды)

Следовательно, уравнение m = ZQ также может быть записано как:

Второй закон электролиза Фарадея

Второй закон в законах Фарадея электролиза гласит: «Масса вещества, которое откладывается, когда такое же количество заряда (электричества), проходящего через раствор электролита, прямо пропорционально их химическому эквивалентному весу ».

Математически этот закон может быть представлен как:

, где

  • m = Масса вещества
  • E = Эквивалентный вес вещества

Его также можно выразить как:

Эквивалентный вес или химический эквивалент вещества можно определить как соотношение его веса и валентности.

Приложения законов электролиза Фарадея

Приложения законов Фарадея электролиза включают:

  • Законы Фарадея помогают в определении эквивалентных масс элементов.
  • На основании законов электролиза получают неметаллы, такие как водород, фтор, хлор.
  • Они также применяются в области электронной металлургии для получения металлов, таких как натрий, калий.
  • Процесс гальваники включает электролиз.
  • Электролизное рафинирование металлов осуществляется методом электролиза.
  • Электролиз – это ответ на возобновляемые источники энергии.

Рис. 4 – Установка электролизного рафинирования меди

Преимущества электролиза

Преимущества включают:

  • Промышленные химикаты легко производятся с помощью процесса электролиза.
  • Процесс эффективен и экономичен.

Недостатки электролиза

Недостатки:

  • Требуемая энергия высока.
  • Отрасли, основанные на электролизе, производят большое количество сточных вод в виде отходов.
  • Отходы этих предприятий способствуют загрязнению окружающей среды.
  Также читают: 
  Законы Де Моргана - Первый и Второй закон, проверка и применение 
  Электрическое поле - Закон Гаусса и Кулона, Линии электрического поля, приложения 
  Закон Ом - соотношение напряжения, тока и сопротивления, когда не применимо 
  Законы тока и напряжения Кирхгофа - применение, преимущества, ограничения  

Законы электролиза Фарадея – первый закон и второй закон

Что такое электролиз?

Электролиз – это использование электрического тока для стимуляции несамопроизвольной химической реакции.При электролизе через раствор электролита пропускают электрический ток, чтобы стимулировать поток ионов и вызвать химические изменения. Электролит – это жидкость (или обычно солевой раствор металла), которая проводит электричество.

Что такое электрод?

Электрод может быть определен как точка, в которой ток входит или выходит из электролита или цепи. Когда ток покидает электрод, он известен как катод, а когда ток входит в электрод, он известен как анод.

Электроды – основной компонент электрохимических ячеек. Необходимо, чтобы электрод хорошо проводил электричество. Хотя существуют и инертные электроды, не участвующие в реакции. Электрод может быть из золота, платины, углерода, графита, металла и т. Д. Электрод обеспечивает поверхность для окислительно-восстановительных реакций в ячейках.

Электроды в основном бывают двух типов – реактивные электроды и инертные электроды.

Реактивные электроды – это те электроды, которые участвуют в реакции, происходящей в ячейке, и могут растворяться в электролите.Пример реактивного электрода – медный электрод, серебряный электрод, цинковый электрод, медный электрод и т. Д. Они в основном используются в потенциометрической работе.

Инертные электроды – это электроды, не участвующие в реакции. Примеры инертного электрода – угольный электрод, платиновый электрод и т. Д.

Что такое электролитическая ячейка?

Электролитические ячейки – это те электрохимические ячейки, которые преобразуют электрическую энергию в химическую потенциальную энергию. Поскольку мы обсуждали электролиз выше, вы можете сказать, что электролитические ячейки работают в процессе электролиза.Вторичные элементы или электролитические элементы являются перезаряжаемыми; это означает, что в этих клетках происходят обратимые химические реакции. В этих ячейках анод всегда положительный, а катод всегда отрицательный.

Законы электролиза Фарадея

После четкого понимания электролиза, электродов и электролитических ячеек теперь вы можете понять законы электролиза Фарадея. Законы электролиза Фарадея основаны на электрохимических исследованиях Майкла Фарадея, которые он опубликовал в 1833 году.Они показывают количественное соотношение между веществом, осажденным на электродах, и количеством переданного электрического заряда или электричества.

Первый закон электролиза Фарадея

Первый закон электролиза Фарадея гласит, что «масса вещества, осажденного на любом электроде, прямо пропорциональна количеству прошедшего заряда». Математически это может быть выражено следующим образом –

m ∝ Q ———- (1)

Где m = масса вещества (в граммах), отложившегося или высвободившегося на электроде

Q = количество заряда (в кулонах) или электричества, прошедшего через него

При удалении пропорциональности в уравнении (1) –

m = ZQ

Где Z – константа пропорциональности.Его единица – грамм на кулон (г / Кл). Его также называют электрохимическим эквивалентом. Z – масса вещества, осаждающегося на электродах во время электролиза при прохождении заряда в 1 кулон.

Второй закон электролиза Фарадея

Второй закон электролиза Фарадея гласит, что «масса вещества, оседающего на любом электроде при прохождении определенного количества заряда, прямо пропорциональна его химическому эквивалентному весу». Или «когда одно и то же количество электричества проходит через несколько электролитов, масса осажденных веществ пропорциональна их соответствующему химическому эквиваленту или эквивалентной массе».Математически это можно представить следующим образом –

w ∝ E

Где w = масса вещества

E = эквивалентная масса вещества

Это также может быть выражено как – \ [\ frac {{{w_1}} } {{{w_2}}} = \ frac {{{E_1}}} {{{E_2}}} \]

Эквивалентный вес или химический эквивалент вещества можно определить как соотношение его атомного веса и валентности.

\ [Equivalent {\ text {}} weight = \ frac {{Atomic {\ text {}} weight}} {{Valency}} \]

Второй закон электролиза Фарадея можно пояснить на следующем примере –

Рассмотрим три разные химические реакции, протекающие в трех отдельных электролитических ячейках, соединенных последовательно.{- 19}} C) = 96500 {\ text {}} C \]

Этот заряд (96500 C) называется 1 Фарадеем.

Если мы проведем 1 заряд Фарадея в электролитической ячейке, то осядет 1 г эквивалентного веса вещества. Итак, мы можем написать –

\ [w = \ frac {Q} {{96500}} \ times E \]

Объединяя 1-й и 2-й закон, мы получаем –

\ [Z = \ frac {E} {{96500}} \]

Это было все о законах электролиза Фарадея. Если вы ищете заметки по различным темам химии, войдите на сайт Веданту или загрузите обучающее приложение Веданту.Таким образом вы получите доступ к решениям NCERT, заметкам об исследованиях, заметкам о редакциях, пробным тестам и многому другому.

Первый и Второй закон Фарадея

Законы электролиза Фарадея : При пропускании электричества через воду (электролиз) выделяются водород и кислород. Количество выделяемого газа зависит от различных факторов, таких как тип используемого электрода и электролита, количество электричества, прошедшего через раствор, и т. Д. Влияние электрического тока на электролиз изучал великий ученый Майкл Фарадей.В этой статье вы исследуете первый и второй закон электролиза Фарадея.

Потребность в законах электролиза Фарадея

Майкл Фарадей \ (\ left ({1832} \ right) \) тщательно изучил явление электролиза и установил взаимосвязь между количеством продукта, высвобождаемого на электроде, и количеством электричества, пропущенного в растворе для проведения электролиза. Он сформулировал важные количественные законы, управляющие электролизом. Эти законы широко известны как законы электролиза Фарадея.

Что такое электролиз?

Процесс химического осаждения электролита за счет прохождения электричества через его расплавленное или растворенное состояние называется электролизом.

Устройство, в котором осуществляется процесс электролиза, называется электролитической ячейкой. Он состоит из электролитического резервуара, который состоит из непроводящих материалов, таких как стекло, дерево или бакелит. В эту емкость заливается раствор для электролиза.

Электролит можно брать и в расплавленном состоянии.Ячейка состоит из \ (2 \) стержней из металлического графита в растворе электролита, подключенных к батарее. Стержни действуют как электроды. Стержень, подключенный к положительной клемме батареи, действует как анод, а стержень, подключенный к отрицательной клемме батареи, действует как катод.

Что такое механизм электролиза?

Электролиз – это процесс преобразования электрической энергии в химическую. Процесс электролиза можно объяснить на основе теории ионизации.Когда электролит попадает в воду, он распадается на заряженные частицы, называемые ионами. Положительно заряженные ионы называются катионами, а отрицательно заряженные ионы – анионами.

Ионы могут свободно перемещаться в водном растворе. Когда через раствор пропускают электрический ток, ионы реагируют на приложенную разность потенциалов, и их движение направлено к противоположно заряженным электродам. Катионы движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), а анион движется к положительно заряженному электроду (аноду).-} \ left ({{\ rm {aq}}} \ right) \)
Таким образом, \ ({\ rm {C}} {{\ rm {l}} _ 2} \) газ выделяется на аноде, тогда как \ ({{\ rm {H}} _ 2} \) газ выделяется на катоде.

Что такое первый закон электролиза Фарадея?

Первый закон электролиза Фарадея гласит, что масса любого вещества, осаждаемого или высвобождающегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит (раствор или расплав).
Таким образом, если \ ({\ rm {W}} \) грамм вещества откладывается при прохождении \ ({\ rm {Q}} \) кулонов электричества, то
\ ({\ rm {W}} \ propto {\ rm {Q}} \)
\ ({\ rm {W}} = {\ rm {ZQ}} …… \ left (1 \ right) \)
Где \ ({\ rm {Z}} \) является константой пропорциональности и называется электрохимическим эквивалентом осаждаемого вещества.
Если ток в \ ({\ rm {I}} \) ампер проходит в течение \ ({\ rm {t}} \) секунд, тогда
\ ({\ rm {Charge}} = {\ rm { Текущее}} \; \ times {\ rm {time}} \)
\ ({\ rm {Q}} = {\ rm {I}} \ times {\ rm {t}}…. \ Left (2 \ right) \)
При замене уравнения \ (\ left (2 \ right) \) в уравнение \ (\ left (1 \ right) \)
\ ({\ rm {W}} = {\ rm {Z}} \ times {\ rm {I}} \ times {\ rm {t}} \)
Таким образом, если \ ({\ rm {Q}} = 1 \) кулон или \ ({\ rm {I}} = 1 \) ампер и \ ({\ rm {t}} = 1 \) секунда,
\ ({\ rm {W}} = {\ rm {Z}} \ times 1 \ times 1 \)
\ ({\ rm {W}} = {\ rm {Z}} \)
Следовательно, электрохимический эквивалент вещества можно определить как массу вещества, осаждаемого при пропускании тока в один ампер в течение одной секунды, т.е.е. передается количество электричества, равное одному кулону.

Что такое второй закон электролиза Фарадея?

Второй закон электролиза Фарадея гласит, что когда одно и то же количество электричества пропускается через разные электролиты, соединенные последовательно, тогда массы вещества, высвобождаемого на электроде, пропорциональны их химическим эквивалентным массам или отношению их электрохимической эквивалентности.

Химическая эквивалентная масса металла может быть получена путем деления его атомной массы на количество электронов, необходимых для восстановления его катиона.

Например, если две электролитические ячейки A содержат раствор нитрата серебра \ (\ left ({{\ rm {AgN}} {{\ rm {O}} _ 3}} \ right) \) и \ ({\ rm { B}} \) содержать сульфат меди \ (\ left ({{\ rm {CuS}} {{\ rm {O}} _ 4}} \ right) \) растворы соединены последовательно, и такое же количество электричества проходит через клетки. Тогда отношение массы меди, осажденной на катоде в электролитической ячейке \ ({\ rm {B}} \), равно \ ({\ rm {x}} \, {\ rm {g}} \) к массе серебро, осажденное в ячейке \ ({\ rm {A}} \) равно \ ({\ rm {y}} \, {\ rm {g}} \) равно отношению их химических эквивалентных масс.{\ rm {+}}} \) требуется \ (1 \) электрон для образования \ ({\ rm {Ag}} {\ rm {.}} \)
Таким образом, химическая эквивалентная масса \ ({\ rm {Cu}} = \; \ frac {{63.5}} {2}. \)
Химическая эквивалентная масса \ ({\ rm {Ag}} = \; \ frac {{108}} {1} \)
Таким образом, соотношение \ (\ frac {{\ rm {x}}} {{\ rm {y}}} {\ rm {=}} \ frac {{{\ rm {63}} {\ rm {.5 }}}} {{{\ rm {2 \ times 108}}}} \)

Связь между постоянной Фарадея, Авогадро и зарядом электрона

Заряд, который несет один моль электрона, может быть получен умножением заряда одного электрона на число Авогадро.{- 1}} \)
Если в электродной реакции участвуют n электронов, то прохождение \ (‘{\ rm {n}}’ \) фарадей (т.е. \ ({\ rm {n}} \ times 96500) \; {\ rm {C}} \)) электричества освободит один моль вещества.
В граммовых эквивалентах один фарадей (т. Е. \ (96500 \) кулонов) электричества откладывает один грамм-эквивалент вещества.
Эквивалентный вес любого элемента =
\ (\ frac {{{\ rm {Atomic \; weight \; of \; the \; element}}}} {{{\ rm {No}} {\ rm {.of \; электроны \; приобретенные \; или \; потерянные \; \; один \; атом \; или \; ион \; элемента \; \; элемента}}}} \)

Заключение законов электролиза Фарадея

1.Поскольку один кулон Фарадея (\ (96 500 \) кулонов) откладывает один грамм-эквивалент вещества, электрохимический эквивалент может быть рассчитан из эквивалентного веса, т. Е.
\ ({\ rm {Z}} = \ frac {{{\ rm {Эквивалент \; \; вес \; \; \; \; вещества}}}} {{96500}} \)

2. Зная вес вещества, выпавшего (\ ({\ rm {W}} \) грамм) при пропускании определенного количества электричества (\ ({\ rm {Q}} \) кулонов), эквивалентный вес вещество можно вычислить, т. е.
\ ({\ rm {Equivalent \; \; weight}} = \; \ frac {{\ rm {W}}} {{\ rm {Q}}} \ times 96500 \ )

Можем ли мы совместить первый и второй закон Фарадея?

Первый закон Фарадея и второй закон могут быть объединены, чтобы дать следующее математическое соотношение:
\ ({\ rm {W}} = {\ rm {ZQ}} \)
\ ({\ rm {W}} = \ frac {{\ rm {E}}} {{\ rm {F}}} \ times {\ rm {Q}} \)
\ ({\ rm {W}} = \ frac {{\ rm {Q}) }} {{\ rm {F}}} \ times {\ rm {E}} \)
\ ({\ rm {W}} = \ frac {{\ rm {Q}}} {{\ rm {F }}} \ times {\ rm {E}} \)
\ ({\ rm {W}} = \ frac {{\ rm {Q}}} {{\ rm {F}}} \ times \ frac { {\ rm {M}}} {{\ rm {Z}}} \)
\ ({\ rm {W}} = \ frac {{{\ rm {C}} \ times {\ rm {t}}) }} {{\ rm {F}}} \ times \ frac {{\ rm {M}}} {{\ rm {Z}}} \)
Где, \ ({{\ rm {Z}} \, {\ rm {=}}} \) Электрохимический эквивалент
\ ({{\ rm {Q}} \, {\ rm {=}}} \) Количество пропущенной электроэнергии
\ ({{\ rm {E}} \, {\ rm {=}}} \) Эквивалентный вес металла
\ ({\ rm {F}} = 1 \) Faraday
\ ({{\ rm {M}} \, {\ rm {= }}} \) Атомная масса металла
\ ({{\ rm {C}} \, {\ rm {=}}} \) Текущее прошлое
\ ({{\ rm {t}} \, {\ rm {=}}} \) Время, за которое пропускается ток
\ ({{\ rm {Z}} \, {\ rm {=}}} \) Валентность металла

Резюме

Это все о концепции первого и второго законов электролиза Фарадея в деталях с химическими уравнениями и их применении при вычислении количества вещества, осаждаемого или высвобождаемого при прохождении электричества.

Часто задаваемые вопросы о законах электролиза Фарадея

Q.1. Каков первый закон электролиза Фарадея?
Ans : Первый закон электролиза Фарадея гласит, что количество химической реакции и, следовательно, масса любого вещества, осаждаемого или высвобождаемого на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит (раствор находится в расплавленное состояние).

В.2. Что такое первый и второй закон Фарадея?
Ans : Первый закон электролиза Фарадея гласит, что количество химической реакции и, следовательно, масса любого вещества, осаждаемого или высвобождаемого на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит (раствор находится в расплавленное состояние).
Второй закон электролиза Фарадея гласит, что когда одно и то же количество электричества проходит через разные электролиты, соединенные последовательно, тогда массы вещества, высвобождаемого на электроде, пропорциональны их химическим эквивалентным массам или отношению их электрохимической эквивалентности.

Q.3. Где используется закон электролиза Фарадея?
Ans : Законы электролиза Фарадея используются для расчета количества вещества, производимого или высвобождаемого во время электролиза, на основе количества тока, проходящего через электролит.

Q.4. Каково значение постоянной Фарадея?
Ans : постоянная Фарадея \ (\ left ({\ rm {F}} \ right) = \; 96487.84 \; {\ rm {C}} \ cong 96500 {\ rm {C}} \)

Мы надеемся, что эта статья о законах электролиза Фарадея помогла вам. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте комментарий ниже, и мы свяжемся с вами.

415 Просмотров

законов Фарадея

с общим потенциалом –1,23 вольт. Обладая отрицательным потенциалом, он требует внешнего электрического тока для разложения воды указанной реакцией. На рисунке 1 показаны два платиновых электрода в воде, содержащей небольшое количество соли или кислоты, так что раствор может проводить электричество.

Рисунок 1. Электролиз воды.

Восстановление на катоде дает газ H 2 , а окисление на аноде дает газ O 2 . Обратите внимание, что на рисунке показано, что объем водорода в два раза больше объема кислорода – посмотрите на пузырьки. Молярные коэффициенты в реакции разложения подразумевают 2 объема газа H 2 на каждый 1 объем газа O 2 .

Электролиз используется для разложения многих соединений на составляющие их элементы.Вы видели этот процесс с водой. Другой пример – электролиз расплавленного хлорида натрия с получением расплавленного металлического натрия и газообразного хлора:

Химики девятнадцатого века открыли новые элементы в результате электролитического разложения многих соединений.

Количественные законы электрохимии были открыты Майклом Фарадеем из Англии. Его статья 1834 года по электролизу ввела многие из терминов, которые вы видели в этой книге, включая ион, катион, анион, электрод, катод, анод, и электролит .Он обнаружил, что масса вещества, образующегося в результате окислительно-восстановительной реакции на электроде, пропорциональна количеству электрического заряда, прошедшего через электрохимическую ячейку. Для элементов с разной степенью окисления одно и то же количество электричества производит меньше молей элемента с более высокой степенью окисления.

Основная единица электрического заряда, используемая химиками, соответственно называется фарадея , что определяется как заряд одного моля электронов (6 × 10 23 электронов).Кстати, обратите внимание, что химики расширили первоначальное определение моля как единицы массы до соответствующего числа (числа Авогадро) частиц. Используйте электролиз расплавленного хлорида натрия, чтобы увидеть взаимосвязь между фарадеями электричества и молями продуктов разложения.

Полуреакция восстановления

, поэтому для производства 1 моля металлического натрия требуется 1 моль электронов, поэтому 1 фарадей заряда должен пройти через элемент.

Полуреакция окисления

и чтобы произвести 1 моль газообразного хлора, через устройство должны пройти 2 фарада электрического заряда.Обратите внимание, как количество электронов в окислительно-восстановительных реакциях определяет количество электричества, необходимое для реакции.

Эти полуреакции суммируются с общей реакцией в электролитической ячейке:

Прохождение заряда в 2 фарада дает 2 моля металлического натрия и 1 моль газообразного хлора.

Первый из законов Фарадея гласит, что масса производимого вещества пропорциональна количеству электричества. Применение этого закона к примеру NaCl, где 1 моль Cl 2 был произведен за 2 фарада, означает, что для производства 10 моль Cl 2 требуется прохождение через устройство 20 фарадеев.

Второй из законов Фарадея гласит, что данное количество электричества производит меньше молей веществ с более высокими степенями окисления. Сравните уменьшение ионов натрия и кальция:

Для производства 1 моля металлического кальция требуется вдвое больше электроэнергии, чем для производства 1 моля металлического натрия.

Электролитическое разложение хлорида натрия и оксида кальция выглядит одинаково:

, но для разложения NaCl требуется перенос только половины электронов, чем для разложения CaO.Для электролиза NaCl ранее было рассчитано, что прохождение 20 фарадей электрического заряда дает 20 моль металлического натрия и 10 моль газообразного хлора. Такое же количество электрического заряда, проходящего через ячейку CaO, дает только 10 моль металлического кальция и 5 моль газообразного кислорода.

Полуреакция восстановления со сбалансированными коэффициентами:

Полуреакция окисления со сбалансированными коэффициентами:

  • Металлический алюминий получают электролизом расплавленного криолита, Na 3 AlF 6 .Сколько фарадей электрического заряда нужно для производства 1 килограмма алюминия?

Законы электролиза Фарадея (Wiki)

Законы электролиза Фарадея – это количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1834 году [1].

Заявления о законах

Несколько версий законов можно найти в учебниках и научной литературе. Наиболее распространенные утверждения выглядят следующим образом:

  • 2-й закон электролиза Фарадея – для заданного количества D.C электричеством (электрическим зарядом) масса элементарного материала, измененного на электроде, прямо пропорциональна эквивалентному весу элемента. Эквивалентный вес вещества будет объяснен в следующем абзаце.

Для элемента эквивалентный вес – это количество, которое объединяется или заменяет 1,00797 г (г) водорода или 7,9997 г кислорода; или вес элемента, который высвобождается при электролизе (химическая реакция, вызванная электрическим током) при прохождении 96 500 кулонов электричества.Эквивалентный вес элемента – это его атомный вес в граммах, деленный на его валентность (объединяющую способность). Некоторые эквивалентные веса: серебро (Ag), 107,868 г; магний (Mg) 24,312 / 2 г; алюминий (Al), 26,9815 / 3 г; сера (S, образуя сульфид) 32,064 / 2 г. Для соединений, которые действуют как окислители или восстановители (соединения, которые действуют как акцепторы или доноры электронов), эквивалентный вес – это молекулярный вес в граммах, деленный на количество электронов, потерянных или приобретенных каждой молекулой; например23 электрона. Эквивалентная масса кислоты или основания для реакций нейтрализации или любого другого соединения, которое действует путем двойного разложения, представляет собой количество соединения, которое будет предоставлять или реагировать с или быть эквивалентным 1,00797 г иона водорода или 17,0074 г иона гидроксида; например, соляная кислота (HCl), 36,461 г; серная кислота (H 2 SO 4 ), 98,078 / 2 г; гидроксид натрия (NaOH), 40 г; карбонат натрия (Na 2 CO 3 ), 105,9892 / 2 г. Эквивалентный вес вещества может варьироваться в зависимости от типа реакции, в которой оно проходит.Таким образом, перманганат калия, реагирующий путем двойного разложения, имеет эквивалентную массу, равную его молекулярной массе в граммах, 158,038 / 1 г; в качестве окислителя при различных обстоятельствах он может быть восстановлен до манганат-иона (MnO 4 2-), до диоксида марганца (MnO 2 ) или до иона марганца (Mn 2+ ) с эквивалентные веса 158,038 / 1 г, 158,038 / 3 г и 158,038 / 5 г соответственно. Количество эквивалентных масс любого вещества, растворенного в одном литре раствора, называется нормой этого раствора.

Математическая форма

Законы Фарадея можно резюмировать цифрой

.

где:

  • m – масса вещества, выделившегося на электроде, граммы 900 · 10
  • Q – полный электрический заряд, прошедший через вещество
  • F = 96,485 Кл моль −1 – постоянная Фарадея
  • M – молярная масса вещества
  • z – валентное число ионов вещества (количество переносимых электронов на ион).

Обратите внимание, что M / z равно эквивалентной массе измененного вещества.

Для первого закона Фарадея M, F и z являются константами, так что чем больше значение Q, тем больше будет m.

Для второго закона Фарадея Q, F и z являются константами, так что чем больше значение M / z (эквивалентный вес), тем больше будет m.

В простом случае электролиза на постоянном токе

ведущий к

а затем до

где:

  • n – количество выделившегося вещества («количество молей»): n = m / M
  • t – полное время, в течение которого был приложен постоянный ток.

В более сложном случае переменного электрического тока полный заряд Q представляет собой электрический ток I (), интегрированный во времени:

Здесь t – полное время электролиза. Обратите внимание, что тау используется, поскольку ток I является функцией тау.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *