電気分解の法則。化学と物理学におけるファラデーの法則 - 簡単な言葉で簡単に説明

30.09.2019

1836 年、マイケルファラデーは、数学的に導き出された電気分解の定量的特性を発表しました。電解質を通過する電気の量と放出される物質の量との間の発見された関係は、その後、電気分解に関するファラデーの法則と呼ばれるようになりました。

第一法則

硫酸銅の溶液に電流を一定時間流すと、陰極から少量の銅が放出されます。ただし、より高い電流を流すと、同じ時間内にカソードでより多くの銅が形成されます。同じ電流強度で時間が経過すると、銅の量も増加します。

ファラデーは、物質の質量、電流の強さ、時間の関係を確立しました。数学的には、この関係は次のように表されます。

mは物質の質量です。
k - 電気化学的等価物。
I - 現在の強さ。
t - 時間。

電気化学当量とは、1 秒間に 1 A の電流が電解質を通過したときに形成される物質の質量です。物質の質量と電気量の比、または g/C で表されます。

電流と時間の積は電気量を表します: q = It。これはクーロン (1 アンペア/秒) 単位で測定される電荷です。電荷は、電磁場の発生源となり、電磁相互作用に参加する身体の能力を反映しています。

したがって、ファラデーの方程式は次の形式になります。

米。 2. ファラデーの第一法則。

ファラデーの電気分解の第一法則: 電気分解中に放出される物質の質量は、電解質を通過する電流の量に直接比例します。

第二法則

ファラデーは、さまざまな電解質に同じ強さの電流を流したところ、電極上の物質の質量が同じではないことに気づきました。ファラデーは、放出された物質の重量を測定した後、その重量は物質の化学的性質に依存すると結論付けました。たとえば、水素が 1 グラム放出されるごとに、107.9 g の銀、31.8 g の銅、29.35 g のニッケルが発生しました。

得られたデータに基づいて、ファラデーは電気分解の第 2 法則を導き出しました。つまり、一定の電気量に対して、電極上に形成される化学元素の質量は元素の等価質量に正比例します。これは、1 当量の質量、つまり化学反応で 1 モルの水素原子と反応するか置換される物質の量に等しいです。

μ は物質のモル質量です。
z はイオンあたりの電子の数 (イオンの価数) です。

1 モル当量を放出するには、同じ量の電気 (96485 C/mol) が消費されます。この数はファラデー数と呼ばれ、文字 F で表されます。

第 2 法則によれば、電気化学当量は物質の等価質量に正比例します。

k = (1/F) μ eq または k = (1/zF) μ。

米。 3. ファラデーの第二法則。

ファラデーの 2 つの法則は、m = (q / F) ∙ (μ/z) という一般式に要約できます。

私たちは何を学んだのでしょうか?

ファラデーは、さまざまな物質の電気分解反応を行って、2 つの法則を導き出しました。第一法則によれば、電極上に堆積した物質の質量は、電解質を通過する電気量に正比例します: m = kq。第 2 法則は、電気化学当量と物質の等価質量の間の関係を反映しています: k = (1/F) μ eq。電気化学当量 - 単位電気の通過中に放出される物質の量。等価質量は、1 モルの水素と反応する物質の量です。

電解質には、溶質分子と溶媒の相互作用から生じる、プラスとマイナスの符号が付いた一定数のイオンが常に含まれています。その中に電場が生じると、イオンが電極に向かって移動し始め、正のイオンは陰極に向かって、陰極のイオンは陽極に向かって突入します。電極に到達したイオンは電荷を放棄し、中性原子になって電極上に堆積します。より多くのイオンが電極に近づくほど、より多くの物質が電極上に堆積します。

私たちは実験的にこの結論に達することができます。水溶液に電流を流して、炭素陰極での銅の放出を観察してみましょう。最初はほとんど目立たない銅の層で覆われていますが、電流が流れるにつれて銅の層が増加し、長期間電流を流すとかなりの厚さの銅の層を得ることができることがわかります。銅線などのはんだ付けが簡単です。

電解質に電流が流れるときに電極上で物質が放出される現象を電気分解といいます。

異なる電解液に異なる電流を流し、各電解液から電極上に放出される物質の質量を注意深く測定する、イギリス、1833～1834年。電気分解に関する 2 つの法則を発見しました。

ファラデーの第一法則は、電気分解中に放出される物質の質量と電解質を通過した電荷の量との関係を確立します。

この法則は次のように定式化されます。各電極での電気分解中に放出される物質の質量は、電解質を通過した電荷の量に正比例します。

ここで、m は放出された物質の質量、q は電荷です。

k の値は、物質の電気化学的当量です。これは、電解液中に放出される各物質の特徴です。

式で q = 1 クーロンとすると、k = m、つまり次のようになります。物質の電気化学当量は、1 クーロンの電荷が通過するときに電解質から放出される物質の質量に数値的に等しくなります。

電荷を電流 I と時間 t の観点から式で表すと、次のようになります。

ファラデーの第一法則は次のように実験的に検証されます。電解質 A、B、C に電流を流してみましょう。電解質がすべて同じであれば、A、B、C で放出された物質の質量は電流 I、I1、I2 として関係付けられます。この場合、電流 I= I1 + I2 であるため、A に放出される物質の量は、B と C に放出される物質の量の合計に等しくなります。

ファラデーの第 2 法則は、物質の原子量とその価数に対する電気化学当量の依存性を確立し、次のように定式化されます。物質の電気化学当量は、その原子量に比例し、またその原子価に反比例します。

物質の原子量とその価数の比は、物質の化学当量と呼ばれます。この量を導入すると、ファラデーの第 2 法則を別の方法で定式化できます。つまり、物質の電気化学的当量は、それ自身の化学的当量に比例します。

異なる物質の電気化学当量をそれぞれ k1 と k2、k3、...、kn、同じ物質の化学当量を x1 と x2、x23、...、xn とすると、k1 / k2 = x1 / x2、またはk1 / x1 = k2 / x2 = k3/ x3 = … = kn/ xn。

言い換えれば、ある物質の電気化学当量の値と同じ物質の値の比は、すべての物質で同じ値を持つ一定の値です。

したがって、k/x 比はすべての物質で一定であることがわかります。

k/x=c = 0.01036 (mg当量)/k。

値 c は、電解質を通過する間に電極で物質が何ミリグラム当量（1 クーロンに相当）放出されるかを示します。ファラデーの第 2 法則は次の式で表されます。

k の結果の式をファラデーの第一法則に代入すると、両方を 1 つの式に組み合わせることができます。

ここで、c は 0.00001036 (g-eq)/k に等しい普遍定数です。

この式は、2 つの異なる電解質に同じ電流を同じ時間流すことによって、両方の電解質からその化学的等価物として分類される物質を大量に分離することを示しています。

x=A/n なので、次のように書くことができます。

つまり、電気分解中に電極上に放出される物質の質量は、その電流、時間に正比例し、価数に反比例します。

ファラデーの電気分解に関する第 2 法則は、第 1 法則と同様、溶液中の電流のイオン性から直接導かれます。

ファラデーの法則、レンツ、その他多くの優れた物理学者は、物理学の形成と発展の歴史において大きな役割を果たしました。

電池警報システム、懐中電灯、時計、電卓、オーディオシステム、おもちゃ、ラジオ、自動車機器、リモコンに使用されます。

電池車のエンジンを始動するために使用され、人口密集地から離れた場所で一時的な電力源として使用することも可能です。

燃料電池電気エネルギー（発電所）、非常用エネルギー源、自律電源、輸送、車載電源、モバイル機器の生産に使用されます。

電解

電解- の放出からなる物理的および化学的プロセス電極電流が溶液または溶融物を通過するときに発生する、電極での二次反応によって生じる溶解物質またはその他の物質の成分 電解質.

導電性液体中のイオンの規則正しい運動は、生成される電場で発生します。電極- 電気エネルギー源の極に接続された導体。 アノード電気分解では正極と呼ばれますが、陰極- ネガティブ。プラスイオン - カチオン- (金属イオン、水素イオン、アンモニウムイオンなど) - 陰極に向かって移動、マイナスイオン - 陰イオン- (酸残基とヒドロキシル基のイオン) - アノードに向かって移動します。

電気分解の現象は、現代の産業で広く使用されています。特に、電気分解は、アルミニウム、水素、水酸化ナトリウム、塩素、有機塩素化合物を工業的に生産する方法の 1 つです [ 出所が特定されていない 1854 日]、二酸化マンガン、過酸化水素。多くの金属が鉱石から抽出され、電気分解 (電気抽出、電気精製) を使用して処理されます。また、電気分解は、化学電流源が機能する主なプロセスです。

電気分解は廃水処理 (電気凝固、電気抽出、電気浮選プロセス) に使用されます。金属をコーティングしたり（電気メッキ）、物体の形状を再現したり（電気造形）する際に、多くの物質（金属、水素、塩素など）を生成するために使用されます。

ファラデーの第一法則

1832 年、ファラデーは、電極上に放出される物質の質量 m が、電解質を通過する電荷 q に正比例することを確立しました。電流強度 I の直流電流が時間 t の間電解質を通過した場合、次の係数が得られます。比例といいます 物質の電気化学的当量。これは、単一の電荷が電解質を通過するときに放出される物質の質量に数値的に等しく、物質の化学的性質に依存します。

ファラデーの第二法則

さまざまな物質の電気化学的当量は、 化学的等価物.

化学当量 ヨナはモル質量比Aと呼ばれますヨナ彼に価 z. したがって、電気化学的等価物は

ここで、F - ファラデー定数.

ファラデーの第二法則は次のように書かれます

ここで、M(g/mol) は電気分解の結果として形成される特定の物質のモル質量です。 I(A) - 物質または物質の混合物を流れる電流の強さ。デルタ t(c) - 電気分解が実行された時間。 F (C mol −1) - ファラデー定数。 n はプロセスに関与する電子の数で、十分に大きな電流値では、電気分解 (酸化または還元) に直接関与するイオン (およびその対イオン) の電荷の絶対値に等しくなります。

電解質イオンが直流電源の極に接続された電極に到達すると、正イオンは負極から失われた電子を受け取り、還元反応中に中性原子（分子）に変わります。マイナスイオンはプラス電極に電子を与え、酸化反応中に中性原子になります。電流が電解質を通過するとき、酸化還元反応中に電極上で物質が放出される現象を 電解。電気分解は、1803 年にサンクトペテルブルクで V.P. ペトロフによって初めて観察されました。 1833年から1834年にかけて。英国の物理学者 M. ファラデーは、電気分解中に放出される物質の質量が何にどのように依存するかを確立する電気分解の法則を発見しました。

ファラデーは、異なる電解質に同じ強さの電流を同じ時間流すことによって、電極から放出される物質の量が異なることを発見しました。したがって、現在の 1aのために 1秒硝酸銀溶液から放出される 1.118mg銀、硫酸銅の溶液から - 0.328mg銅これは、電気分解中に放出される物質の質量が物質に依存することを意味します。 電流による電気分解中に放出される物質の質量によって測定されるスカラー量。1aのために1秒, 電気化学等価物と呼ばれる(示されている k）。電気化学的等価物には次の名前があります kg / a*秒、または kg/k。

硫酸銅の溶液に小さな電流を t 時間流すと、陰極は銅で弱くコーティングされます。電流が大きくなると、同時に陰極でより多くの銅が放出されます。現在の強さはそのままにして、時間を増やしてみましょう。さらに多くの銅が放出されていることがわかります。異なる電解質に異なる電流を流し、各電解質から電極上に放出される物質の質量を注意深く測定することによって、ファラデーは電気分解の第一法則を発見しました。つまり、電気分解中に電極上で放出される物質の質量は、次の積に直接比例します。電流の強さと電解液を通過する時間。

現在の入力 1a電気分解中は 1 秒間に 1 kg の物質が電極上に放出され、電流は私は時間内に t秒-V それ倍以上:

m = klt、または m = kq.

これらは、電気分解に関するファラデーの第一法則の公式です。

各イオンは一定の物質質量と電荷量を持っているため、より多くのイオンが電極に近づくほど、つまり電解質内の電流が強くなるほど、より多くの物質が電極で放出されます。

ファラデーは、いくつかの異なる電解質に同じ電流を連続して流したところ、電流の強さと異なる電解質を通過する時間は同じであったにもかかわらず、電極上に放出された物質の質量が同じではないことに気づきました（図1）。 109）。放出された物質の重量を正確に測定したファラデーは、その重量が偶然ではなく、物質の化学的性質に依存していることに気づきました。水素が放出されるごとに、常に次のことが判明しました。 107.9g銀; 31.8g銅; 29.35gニッケル化学当量（原子量（重量）と価数の比）を導入した後、これらの数値がこれらの物質の化学当量であることが判明しました。原子量 A と価数 n は抽象的な数であるため、比率も抽象的な数になります。

物質の電気化学当量を化学当量に分割することで、 (k/M)、次のようになります。

つまり同じ数字 1036*10 -11 kg/a*秒または 1036*10 -11 kg/k。この定数を文字 C で表すと、次のように書きます。 C = 1036*10 -11 kg/a*秒。したがって、電気化学的等価物は

k = CM。

これは、電気分解に関するファラデーの第 2 法則の公式であり、次のようになります。 物質の電気化学当量は、その化学当量に直接比例します。

ファラデー第一法則の式の電気化学的等価物を置き換えると、電気分解の一般化されたファラデー則の式が得られます。

電気分解中に放出される物質の質量は、その原子量と電解質を通過する電荷に正比例し、物質の価数に反比例します。

ファラデーの法則は、電解質中の電流のイオン伝導率の結果です。以下の例でこれを説明しましょう。一価の物質、例えばNaClとAgNO 3 の溶液の電気分解が行われたと仮定します。 Na イオンと Ag イオンの電荷は同じです。イオンが同じ大きさの電荷を転送する場合、一方の溶液ともう一方の溶液の両方で、同じ数のイオンが対応する電極に近づきます。しかし、接近するイオンの数が等しい場合、Na 原子と Ag 原子自体の質量が異なるため、堆積する物質 Na と Ag の質量は同じになりません。ナトリウムの原子質量は 22.997 です。シルバーの場合 - 107.88; したがって、ほぼ5倍の銀が放出されることになります。これは、電気分解中に放出される物質の量がその原子量に正比例することを意味しており、これはファラデーの法則で述べられています。

異なる価数のイオン、たとえば価数が 3 の Al と価数 1 の Na が電気分解に関与する場合、同じ電荷を持つ Al イオンと Na イオンの数は異なります。イオンの価数が大きいほど、つまりその電荷が大きいほど、特定の電荷を移動するのに必要なイオンの数は少なくなります（たとえば、Al イオンの必要量は Na イオンの 3 分の 1 です）。イオンの価数と電荷の間のこの関係は、電気分解中に放出される物質の質量がその価数に反比例することを説明します。

電気分解は、得られる製品が簡単、低コスト、高純度であるため、ボーキサイト鉱石からアルミニウムを抽出したり、金属 (銅、亜鉛、金、銀など) を不純物から精製したり、金属物体をコーティングしたりする目的で産業界で広く使用されています。錆から保護するための別の金属の層、表面に硬度を与える（ニッケルめっき、クロムめっき）、宝飾品の作成（銀めっき、金めっき）、レリーフオブジェクトから金属のコピーを取得するため（たとえば、蓄音機レコード、マトリックスの製造）、決まり文句）。

問題30。原子力に使われる高純度の鉛は電解精錬によって得られます。作業中に放出される鉛の質量を計算します。 1時間電流密度 0.02a/cm2そして緊張感 0.5インチ電流効率95%。絶縁に必要なエネルギー消費量はどれくらいですか 1kg鉛？鉛が堆積される陰極の総断面積は、 10平方メートル。

全ての電力を消費して電解槽の効率が100%の場合 A = UIt鉛は解放されるだろう m = klt、強調表示するために 1kg消費される鉛エネルギーまたは

計算してみましょう

答え： M≈7.5kg。 A 1 ≈ 470 kJ/kg。

基本 > 問題と答え

電解。ファラデーの法則

1 ナトリウムの電気化学的当量を求めます。ナトリウムのモル質量メートル = 0.023 kg/mol、その価数 z=1。ファラデー定数

解決：

2 亜鉛陽極質量メートル = 5 g を電解槽に置き、電流を流します。私 =2 A. 何時後 t 金属製品の塗装に陽極は完全に使い切られていますか? 亜鉛の電気化学当量

解決：

3 電荷が電解槽を通過するときのファラデー定数を求めます q = 7348 ℃、金の塊が陰極で放出されましたメートル = 5 g、金 A の化学当量 = 0.066 kg/mol。

解決：
ファラデーの結合法則によると

ここから

4 化学当量に数値的に等しい物質の質量に N が含まれる場合の素電荷 e を求めます。 o =NA /z 原子または分子。

解決：
電解質溶液中のイオンは、価数 z に等しい数の素電荷を運びます。化学当量に数値的に等しい物質の質量を放出すると、ファラデー定数に数値的に等しい電荷が溶液を通過します。

したがって、基本料金は、

5 銀のモル質量メートル1 =0.108 kg/mol、その価数 z 1 = 1 および電気化学的等価物。金のモル質量が次の場合、金 k2 の電気化学当量を求めます。平方メートル = 0.197 kg/mol、その価数 z 2 = 3。

解決：
ファラデーの第二法則によれば、次のようになります。

したがって、金と電気化学的に等価です

6 時間の経過とともに放出される物質の質量を求める t = DC ネットワークに直列に接続された 3 つの電解槽の陰極で 10 時間。浴内の陽極 - 銅、ニッケル、銀 - はそれぞれ CuS 溶液に浸漬されます。 O4、NiS04、AgN03 。電解電流密度 j =40 A/m2、各槽の陰極面積 S = 500 cm 銅、ニッケル、銀の電気化学当量

解決：
浴槽内の電流 I=jS。ファラデーの第一法則によれば、電気分解中に放出される物質の質量は

7 ニッケルメッキ製品が経年劣化すると t = 2 時間でニッケルの層が堆積されました私 =0.03mm。
電気分解時の電流密度を求めます。ニッケルの電気化学的当量、その密度

解決：

8 電解槽と直列に接続された電流計が電流を示します。イオ =1.5A。その間、電流計の読み取り値にどのような補正を行う必要がありますか t = 10 分で銅の塊が陰極に堆積メートル = 0.316g? 銅の電気化学的当量.

解決：
ファラデーの第一法則によると、m = kI t ここで、I は回路内の電流です。ここから I = m /k t =1.6A、つまり電流計の読み取り値を修正する必要があります

9 電圧計の測定値の正確さを確認したいため、抵抗値が既知の抵抗器と並列に接続しました。 R = 30 オーム。共通回路には銀電解を行う電解槽が直列に接続されている。その間 t =この浴中で5分間、銀の塊が放出されたメートル = 55.6 mg。電圧計は電圧を示しました Vo = 6 V。電圧計の読み取り値と抵抗の両端の電圧降下の正確な値の差を求めます。銀の電気化学的当量.

解決：
ファラデーの第一法則によると、m = kl t ここで、I は回路内の電流です。抵抗両端の電圧降下の正確な値は、V=IR = mR/k です。 t = 4.91 V。電圧計の測定値と正確な電圧降下値の差

10 時間をかけて銀塩溶液を使ってスプーンを銀色に仕上げる場合 t =5時間通電私 =1.8 A。カソードは n = スプーン 12 個、それぞれの表面積 S =50cm2。スプーン上に銀の層はどのくらいの厚さで堆積されますか? 銀のモル質量メートル = 0.108 kg/mol、その価数 z= 1と密度 .

解決：
層の厚さ

11 ２つの電解槽が直列に接続されている。最初のバスには塩化第二鉄 (FeCl) の溶液が含まれています。 2 ）、2番目 - 塩化第二鉄の溶液（FeCl 3 ）。電荷が浴を通過するときに各浴の陰極に放出される鉄と陽極に放出される塩素の質量を求めます。。鉄と塩素のモル質量.

解決：
最初の浴では鉄は二価 (z1 = 2)、二番目の浴では鉄は三価 (z2 = 3) です。したがって、同じ電荷の溶液を通過すると、異なる質量の鉄が陰極で放出されます。

2回目のお風呂で

塩素原子の価数は z = 1 であるため、各浴の陽極では大量の塩素が放出されます。

12 硫酸溶液（CuS）の電気分解中 O4 ) 消費電力は N=37 W です。時間内の電解質抵抗を求めます t = 50 分で大量の水素が放出されるメートル = 0.3 gの水素のモル質量メートル = 0.001 kg/mol、その価数 z= 1 .

解決：

13 電解法によるニッケルの製造では、単位質量当たりのWが消費されます。 m = 10kWh h/kg の電気量。ニッケルの電気化学的当量。電気分解はどのくらいの電圧で行われますか?

解決：

14 電解法で銅を求めるのにW = 5 kWを費やした場合に放出される銅の質量を求めます。 H h の電気。電気分解は電圧で行われます V =10 V、効率インスタレーション h =75%。銅の電気化学的当量.

解決：
効率インスタレーション

ここで、q は浴を通過した電荷です。放出された銅の質量 m=kq; ここから

15 硫酸(CuS)の溶液を通過する電荷は何ですか? O 4 ) 時間 t =10秒、この間に電流がIから均一に増加する場合 1 =0 ～ I 2 = 4A? 陰極ではどのくらいの量の銅が放出されますか? 銅の電気化学的当量.

解決：
平均電流

溶液中を流れる電荷

電荷をグラフで確認する方法を図に示します。 369. 電流対時間のグラフでは、影付きの領域は数値的に電荷に等しくなります。陰極に析出する銅の質量は

16 電気分解を使用して銅を精製する場合、全抵抗 R = 0.5 オームの直列接続された電解槽に電圧 V = 10 V が印加され、その間に槽の陰極で放出される純銅の質量を求めます。 t =10時間。 E.m.f. 分極化 e = 6 V。銅の電気化学的当量.

解決：

17 水を電解槽に通して時間をかけて電気分解する場合 t = 25 分に流れた電流 I =20 A。温度は何度ですか t 圧力 p = 0.2 MPa で体積 V = 1 リットルにある場合、酸素は放出されますか? 水のモル質量メートル =0.018 kg/mol。酸素の電気化学的当量.

解決：

ここで、R = 8.31 J/(mol K) は気体定数です。

18 アルミニウムを電解法で製造する場合、単位質量当たりのWが消費されます。 1m = 50kWh h/kg の電気量。電気分解は電圧 V1 = で実行されます。 1 6.2V。消費電力は何Wになりますか 2m 電圧 V2 = 8 における単位質量あたり、 1V?
解決：

電気分解の法則。 化学と物理学におけるファラデーの法則 - 簡単な言葉で簡単に説明