Οι νόμοι της ηλεκτρόλυσης του Faraday

Δύο ποσοτικοί κανόνες που χρησιμοποιούνται στη χημεία για την ποσοτικοποίηση των μεγεθών των ηλεκτρολυτικών επιδράσεων, που περιγράφηκαν αρχικά από τον Άγγλο επιστήμονα Michael Faraday το 1833 και δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό του Faraday's laws of electrolysis το 1834. Ακολουθώντας τους νόμους της χημείας, δηλώνεται ότι η ποσότητα της χημικής μεταβολής που παράγεται από το ρεύμα σε ένα όριο ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη είναι ευθέως ανάλογη με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται και ότι τα ποσά της χημικής μεταβολής που παράγονται από την ίδια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας σε διαφορετικές ουσίες είναι ευθέως ανάλογες με τους ισοδύναμα βάρη.

Ποιος είναι ο ορισμός του ηλεκτροδίου;

Ένα ηλεκτρόδιο μπορεί να περιγραφεί ως το σημείο στο οποίο το ρεύμα εισέρχεται ή εξέρχεται από τον ηλεκτρολύτη ή το κύκλωμα, ανάλογα με τον ορισμό που χρησιμοποιείται. Όταν το ρεύμα φεύγει από ένα ηλεκτρόδιο, αυτό αναφέρεται ως κάθοδος και όταν εισέρχεται ρεύμα σε ένα ηλεκτρόδιο, αναφέρεται ως άνοδος.

Το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω ηλεκτροδίων, τα οποία χρησιμεύουν ως το κύριο συστατικό των ηλεκτροχημικών στοιχείων. Ένα ηλεκτρόδιο πρέπει να είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού για να λειτουργεί σωστά. Αν και υπάρχουν αδρανή ηλεκτρόδια που δεν συμμετέχουν στην αντίδραση, είναι σπάνια. Το ηλεκτρόδιο μπορεί να είναι κατασκευασμένο από χρυσό, πλατίνα, άνθρακα, γραφίτη, μέταλλο ή οποιονδήποτε συνδυασμό αυτών των υλικών. Κατά τη διάρκεια των διεργασιών οξείδωσης-αναγωγής στα κύτταρα, το ηλεκτρόδιο χρησιμεύει ως επιφάνεια για την εκδήλωση των αντιδράσεων.

Τι είναι ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο και πώς λειτουργεί;

Η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε χημική δυναμική ενέργεια από ηλεκτρολυτικά στοιχεία, τα οποία είναι ηλεκτροχημικά στοιχεία που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια. Επειδή έχουμε ήδη εξετάσει την ηλεκτρόλυση, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία εμπλέκονται στη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης. Οι δευτερεύουσες κυψέλες, γνωστές και ως ηλεκτρολυτικές κυψέλες, είναι επαναφορτιζόμενες, πράγμα που σημαίνει ότι σε αυτές τις κυψέλες λαμβάνουν χώρα αναστρέψιμες χημικές διεργασίες. Η άνοδος αυτών των κυττάρων είναι πάντα θετική, αλλά η κάθοδος είναι πάντα αρνητική σε αυτά τα κύτταρα.

Πρώτος νόμος

Σύμφωνα με τον Michael Faraday, η μάζα των στοιχείων που εναποτίθενται σε ένα ηλεκτρόδιο είναι ακριβώς ανάλογη με το φορτίο σε αμπέρ δευτερόλεπτα ή κουλόμπ που εφαρμόζεται στο ηλεκτρόδιο.

m∝Q

mQ=Z

m υποδηλώνει τη μάζα ενός υλικού (σε γραμμάρια) που έχει αποτεθεί ή απελευθερωθεί σε ένα ηλεκτρόδιο.
Q είναι η ποσότητα φορτίου (μετρούμενη σε κουλόμπ) ή η ενέργεια που έχει διαρρέει τη συσκευή.

Όταν αφαιρεθεί η αναλογικότητα στην εξίσωση (1), το αποτέλεσμα είναι –

m=ZQ

Σε αυτήν την περίπτωση, το Z αντιπροσωπεύει τη σταθερά αναλογικότητας. Η μονάδα μέτρησης είναι γραμμάρια ανά κουλόμπ (g/C). Αναφέρεται ως το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο σε ορισμένους κύκλους. Z είναι η μάζα ενός υλικού που εναποτίθεται στα ηλεκτρόδια κατά την ηλεκτρόλυση αποφεύγοντας την εφαρμογή ενός μόνο κουλόμπ ηλεκτρισμού.

Το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο (π.χ.) της ουσίας αναφέρεται ως η σταθερά της αναλογικότητας σε αυτό το πλαίσιο. Σε αυτήν την περίπτωση, το ισοδύναμο ισοδύναμο φορτίου μπορεί να οριστεί ως η μάζα του υλικού που εναποτίθεται ή ελευθερώνεται ανά μονάδα φορτίου.

Δεύτερος νόμος

Ο Faraday ανακάλυψε ότι όταν η ίδια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος διέρχεται από διαφορετικούς ηλεκτρολύτες/στοιχεία που συνδέονται σε σειρά, η μάζα της ουσίας που ελευθερώνεται/εναποτίθεται στα ηλεκτρόδια σε g είναι ευθέως ανάλογη με το χημικό ισοδύναμο/ ισοδύναμο βάρος των εν λόγω ηλεκτρολυτών/στοιχείων. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, αυτή είναι ίση με τη μοριακή μάζα (M) διαιρούμενη με το σθένος (v).

Σε όπου το w υποδηλώνει τη μάζα του υλικού

E =το ισοδύναμο βάρος της ουσίας σε κιλά.

Είναι επίσης δυνατό να το διατυπώσετε ως – w1/w2=E1/E2

Όταν εξετάζεται το ισοδύναμο βάρος ή το χημικό ισοδύναμο μιας ουσίας, μπορεί να οριστεί ως η αναλογία του ατομικού βάρους της ουσίας προς το σθένος της.

Ισοδύναμο βάρος=Ατομικό βάρος/Σθένος

Περαιτέρω επεξήγηση του δεύτερου νόμου της ηλεκτρόλυσης του Faraday μπορεί να δοθεί από το ακόλουθο παράδειγμα –

Ας εξετάσουμε τρεις διακριτές χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν σε τρία διαφορετικά ηλεκτρολυτικά κύτταρα που συνδέονται σε σειρά το ένα με το άλλο. Ας υποθέσουμε ότι στο πρώτο ηλεκτρολυτικό στοιχείο, το ιόν νατρίου λαμβάνει ηλεκτρόνια και υφίσταται μετατροπή σε νάτριο.

Na+ + e-→ Na

Στο 2ο ηλεκτρολυτικό στοιχείο λαμβάνει χώρα η ακόλουθη αντίδραση –

Cu+2+ 2e-→ Cu

Στο 3ο ηλεκτρολυτικό στοιχείο λαμβάνει χώρα η ακόλουθη αντίδραση –

Al3++ 3e-→ Al

Όταν y mol ηλεκτρονίων μεταφέρονται μέσω τριών κυψελών, η μάζα του νατρίου, του αλουμινίου και του χαλκού που απελευθερώνεται είναι 23 γραμμάρια, 9 γραμμάρια και 31,75 γραμμάρια, αντίστοιχα, υποθέτοντας ότι τα ηλεκτρόνια είναι όλα θετικά .

Για να μειωθεί ένα mole ιόντων, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα mole ηλεκτρονίων για να επιτευχθεί η αναγωγή. Όπως όλοι γνωρίζουμε, το φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι ισοδύναμο με το φορτίο ενός άλλου ηλεκτρονίου.

1.6021×10-19

Ένα mole άνθρακα και ένα mole ηλεκτρονίων ισοδυναμούν με

6.023×1023

ηλεκτρόνια. Ως αποτέλεσμα, το φορτίο σε ένα γραμμομόριο ηλεκτρονίων ισούται με –

(6,023×1023)×(1,6021×10-19C)=96500 C

1 Faraday είναι η μονάδα φόρτισης ίση με 96500 C.

Αν μεταδώσουμε ένα φορτίο Faraday μέσω ενός ηλεκτρολυτικού στοιχείου, τότε ένα γραμμάριο ισοδύναμου βάρους της ουσίας θα αποτεθεί σε αυτό το στοιχείο. Ως αποτέλεσμα, μπορεί να γράψουμε —

w=(Q / 96500)×E

Όταν συνδυάζουμε τον πρώτο και τον δεύτερο νόμο, έχουμε το ακόλουθο αποτέλεσμα:

Z=E / 96500

Χημικό ισοδύναμο ή ισοδύναμο βάρος

Με τους νόμους του Faraday για την ηλεκτρόλυση, είναι δυνατός ο υπολογισμός του χημικού ισοδύναμου ή ισοδύναμου βάρους ενός υλικού, το οποίο ορίζεται ως η μάζα ή το ισοδύναμο βάρους της υπομίσθωσης που θα συνδυαστεί ή θα μετατοπίσει το μοναδιαίο βάρος του υδρογόνου.

Σαν αποτέλεσμα, το χημικό ισοδύναμο του υδρογόνου είναι το νούμερο ένα. Δεδομένου ότι το σθένος μιας ουσίας είναι ίσο με τον αριθμό των ατόμων υδρογόνου που μπορεί να αντικαταστήσει ή να συνδυαστεί με, το χημικό ισοδύναμο μιας ουσίας μπορεί να οριστεί ως ο λόγος του ατομικού βάρους του υλικού προς το σθένος της ουσίας.

Χημικό ισοδύναμο=Atomic WeightValency

Συμπέρασμα

Η ποσότητα της χημικής ουσίας που εναποτίθεται ως αποτέλεσμα της ηλεκτρόλυσης έχει μέχρι στιγμής προσδιοριστεί ότι είναι ανάλογη με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που ρέει μέσω του ηλεκτρολύτη. Η ηλεκτρόλυση εναποθέτει μια μάζα χημικών ουσιών που δεν είναι μόνο ανάλογη με την ποσότητα ισχύος που περνάει από τον ηλεκτρολύτη αλλά βασίζεται και σε πολλούς άλλους παράγοντες. Κάθε υλικό θα έχει το ατομικό του βάρος, το οποίο θα είναι μοναδικό. Διαφορετικές ουσίες θα έχουν διαφορετικές μάζες παρόλο που περιέχουν τον ίδιο αριθμό ατόμων.

Και πάλι, η ποσότητα των ατόμων που εναποτίθενται στα ηλεκτρόδια εξαρτάται από τον αριθμό των σθένους που υπάρχουν στα ηλεκτρόδια. Μια υψηλότερη τιμή σθένους σημαίνει ότι για την ίδια ποσότητα ισχύος, ο αριθμός των κατατεθειμένων ατόμων θα είναι μικρότερος. Από την άλλη πλευρά, όταν η τιμή του σθένους είναι χαμηλότερη, θα επιτευχθεί μεγαλύτερος αριθμός κατατεθειμένων ατόμων για την ίδια ποσότητα ενέργειας.

Η μάζα της αποτιθέμενης χημικής ουσίας είναι ευθέως ανάλογη με το ατομικό βάρος της χημικής ουσίας και αντιστρόφως ανάλογη με το σθένος της χημικής ουσίας όταν η ίδια ποσότητα ισχύος ή φορτίου διέρχεται από διάφορους ηλεκτρολύτες του ίδιου τύπου .

Ο δεύτερος νόμος της ηλεκτρόλυσης του Faraday λέει ότι όταν η ίδια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας μεταδίδεται μέσω του ίδιου αριθμού ηλεκτρολυτών, η μάζα των ουσιών που εναποτίθενται είναι ανάλογη με το χημικό ισοδύναμο ή το ισοδύναμο βάρος των χημικών ουσιών που εναποτίθενται σε τους ηλεκτρολύτες.