Elektrochemia - prawa elektrolizy Faraday`a

Elektrochemia
- prawa elektrolizy Faraday’a
Zadania
I prawo Faraday’a
•
•
Masa substancji wydzielonej na elektrodach podczas elektrolizy jest proporcjonalna
do natężenia prądu i czasu trwania elektrolizy
q
m = k·I·t
–
–
–
–
–
m – masa wydzielonej substancji [g]
I – natężenie prądu [A]
t – czas trwania elektrolizy [s]
q - ładunek [C]
k – współczynnik proporcjonalności, zwany równoważnikiem elektrochemicznym
• k = M/(z·F)
– M – masa molowa
– z – ładunek jonu
– F - stała Faradaya [kulomb/mol]
• oznacza całkowity ładunek elektryczny jednego mola elektronów F = NAe:
– NA - stała Avogadra,
– e - ładunek elektronu = 1,6021917(70)×10-19 C
• F = 96 487,03 ± 1,6 C/mol ~ 96 500 C/mol.
Przykład 1.
•
Ile gramów miedzi wydzieli się na katodzie platynowej podczas elektrolizy
wodnego roztworu Cu(NO3)2 prądem o natężeniu 1A w czasie 9650 sekund?
– Dane: I = 1 A
t = 9650 s
MCu=63,5 g/mol
F = 96 500 C
– Szukane: m = ?
– Rozwiązanie:
• reakcja na katodzie: Cu2+ +2e = Cu → z = 2
• m = kIt = [M/(zF)]·It = [63,5/(2·96 500)]·1· 9650=3,17 g
– Odpowiedź: Na katodzie wydzieli się 3,17 g miedzi
Przykład 2.
•
Elektrolizę wodnego roztworu CuSO4 prowadzono przez 1,5 godziny prądem o
natężeniu 5 A. Jaka jest wartość ładunku który przepłynął przez roztwór?
– Dane: t = 1,5 h = 90 min. = 5400 s, I = 5A
– Szukane: q=?
– Rozwiązanie: q = I·t
q = 5· 5400 = 27000 C
– Odpowiedź: Przez roztwór przepłynął ładunek o wartości 27000C.
Przykład 3.
•
Roztwór wodny zawierający 1 mol Cu(NO3)2 i 1 mol AgNO3 poddano elektrolizie
na elektrodach platynowych przepuszczając ładunek równy 1,5F. Ile gramów
substancji wydzieliło się na katodzie?
– Dane:
Wzrost właściwości utleniających kationów
K, Na, Ca, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Au
q = 1,5 F
– Rozwiązanie:
Ag+ + e = Ag → do wydzielenia 1 mola srebra potrzebny jest ładunek = 1F
Cu2+ + 2e = Cu → z = 2
W roztworze znajduje się 1 mol jonów Ag+, które dzięki przepływającemu ładunkowi
wydzielają się całkowicie na katodzie, mAg = 108g
Pozostały ładunek = 1,5F -1F = 0,5 F zostaje przeznaczony na wydzielenia miedzi:
mCu = 63,5g/2F·0,5F = 16 g
– Odpowiedź: Na katodzie wydzieliło się 108g srebra i 16g miedzi.
II. Prawo Faraday’a
•
•
Gdy ładunek, czyli I·t = const.: stosunek masy substancji wydzielonej na
1. elektrodzie do masy substancji wydzielonej na elektrodzie 2. ma się jak stosunek
współczynników proporcjonalności k:
m1/m2 = k1/k2 → m1/m2 = M1z2/M2z1 → n1z1 = n2z2
←k = M/(z·F)
Przykład 1.
• Podczas elektrolizy wodnego roztworu AgNO3 wydzieliło się 21,6g srebra. Ile
gramów miedzi wydzieliłby ten sam ładunek elektryczny przepływający przez roztwór
zawierający jony Cu2+?
- Dane: mAg+ = 21,6g, MAg = 108g/mol, n1 – ilość moli srebra, z1 = 1, MCu = 63,5g/mol,
n2 – ilość moli miedzi, z2 = 2
- Szukane: mCu = ?
- Rozwiązanie:
Ag+ + e = Ag
Cu2+ + 2e = Cu
n1 = 21,6/108=0,2 mola
n1z1 = n2z2
0,2·1= n2·2
mCu = n2·MCu mCu = 6,35 g
n2 = 0,1
- Odpowiedź: Ten sam ładunek elektryczny wydzieliłby 6,35 g.
Przykład 2.
•
Jeżeli na anodzie wydzieliło się w czasie elektrolizy stopionego KOH 11,2 dm3
tlenu (w warunkach normalnych), to jaka jest ilość wydzielonego na katodzie
potasu?
– Dane:
Vtlenu = 11,2 dm3, n1 – liczba moli tlenu, z1 = 4, n2 – liczba moli potasu, z1 = 1,
MK = 39,1g/mol
– Szukane: mK = ?
– Rozwiązanie:
Anoda: 4OH - = O2+ 4e + 2 H2O
Katoda: K+ + e = K
W warunkach normalnych 1 mol gazu - 22,4 dm3
n1 - 11,2 dm3
n1z1 = n2z2
0,5mola·4= n2·1
n2 =2 mole
mK = MK · n2
mK = 78,2g
→n1 = 0,5 mola
– Odpowiedź: Na katodzie wydzieliło się 78,2 g potasu
Zadania
•
•
•
•
•
•
Zadanie 1. Jak długo musi przepływać prąd o natężeniu 1A przez rozcieńczony roztwór
H2SO4, aby wydzielić łącznie 0,336 dm3 gazów (w stanie suchym w warunkach normalnych)?
Odp.: 32 min.
Zadanie 2. 500cm3 wodnego roztworu NaCl poddano elektrolizie. Po jej zakończeniu pH
roztworu wynosiło 12,00. Oblicz, jaką objętość zajęły w warunkach normalnych gazowe
produkty wydzielone podczas tego procesu. Odp.: 0,112 dm3
Zadanie 3. Podczas przepływu prądu o natężeniu 3A w ciągu 100 minut przez roztwór soli
metalu trójwartościowego wydzieliło się 1,68g metalu. Ile wynosi masa atomowa tego
metalu? Odp.: 27g
Zadanie 4. Jak długo należy prowadzić elektrolizę prądem o natężeniu 5A roztworu
zawierającego w 5dm3 2 mole AgNO3 i 2 mole Cu(NO3)2, aby wydzielić praktycznie
całkowicie srebro i miedź z tego roztworu, jeśli wydajność prądowa procesu wynosi 90%?
Odp.: ok.. 36h
Zadanie 5. Podczas elektrolizy wodnego roztworu KNO3 na elektrodach wydzieliło się 67,2
dm3 mieszaniny gazów (w przeliczeniu na warunki normalne). O ile zmniejszyła się objętość
roztworu? Gęstość wody = 1g/cm3 Odp.: 36 cm3
Zadanie 6. Przez roztwór zawierający 1 mol NaCl i 1 mol MgCl2 przepuszczono ładunek
193000 C. Oblicz o ile gramów wzrosła masa katody? Odp.: 24g.