Физика. 10 класс

Закон электролиза Фарадея. Закон электролиза был экспериментально установлен Фарадеем в 1833 г.

Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:

В формуле (1) коэффициент пропорциональности k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося на одном из электродов при прохождении через электролит единичного электрического заряда. В СИ электрохимический эквивалент измеряют в килограммах на кулон «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mfenced»«mfrac»«mi»§#1082;§#1075;«/mi»«mi»§#1050;§#1083;«/mi»«/mfrac»«/mfenced»«/math». Значения электрохимических эквивалентов некоторых веществ приведены в таблице.

Таблица ‒ Электрохимический эквивалент вещества Вещество

Вещество	k, 10-8 «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mfrac»«mi»§#1082;§#1075;«/mi»«mi»§#1050;§#1083;«/mi»«/mfrac»«/math»	Вещество	k, 10-8 «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mfrac»«mi»§#1082;§#1075;«/mi»«mi»§#1050;§#1083;«/mi»«/mfrac»«/math»
Алюминий	9,32	Никель (двухвалентный)	30,4
Водород	1,04	Никель (трёхвалентный)	20,3
Кислород	8,29	Хлор	36,7
Медь (одновалентная)	65,9	Хлом	18,0
Медь (двухвалентная)	32,9	Цинк	33,9

Поскольку q = It, где I — сила тока, t — промежуток времени прохождения тока через электролит, то

m = kIt.

Массу m вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит электрического заряда q, можно определить, зная массу m₀ одного иона и число N осевших на этом электроде ионов:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»m«/mi»«mo»=«/mo»«msub»«mi»m«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»N«/mi»«/math», «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»m«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»=«/mo»«mfrac»«mi»M«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1040;«/mi»«/msub»«/mfrac»«/math»,

где M — молярная масса выделившегося вещества, N_А — постоянная Авогадро.

Тогда число ионов: «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»N«/mi»«mo»=«/mo»«mfrac»«mi»m«/mi»«msub»«mi»m«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mfrac»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mi»m«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1040;«/mi»«/msub»«/mrow»«mi»M«/mi»«/mfrac»«/math».

С другой стороны, число ионов, нейтрализовавшихся на электроде:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»N«/mi»«mo»=«/mo»«mfrac»«mi»q«/mi»«msub»«mi»q«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mfrac»«/math»

где q₀ — заряд одного иона. Так как заряд иона q₀ кратен элементарному заряду e, то q₀ = en, где n — валентность иона.

Значит, «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mfrac»«mrow»«mi»m«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1040;«/mi»«/msub»«/mrow»«mi»M«/mi»«/mfrac»«mo»=«/mo»«mfrac»«mi»q«/mi»«mrow»«mi»e«/mi»«mi»n«/mi»«/mrow»«/mfrac»«/math» и

Сравнивая формулы (2) и (1), получим

Так как N_А и е – универсальные постоянные, то физическую величину «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»F«/mi»«mo»=«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1040;«/mi»«/msub»«mi»e«/mi»«mo»=«/mo»«mn»9«/mn»«mo»,«/mo»«mn»65«/mn»«mo»§#183;«/mo»«msup»«mn»10«/mn»«mn»4«/mn»«/msup»«mo»§#160;«/mo»«mfrac»«mi»§#1050;§#1083;«/mi»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«/mfrac»«/math» в честь М. Фарадея назвали постоянной Фарадея.

С учётом этого формулу (3) для определения электрохимического эквивалента вещества можно записать в виде:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mfrac»«mi»M«/mi»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»n«/mi»«/mrow»«/mfrac»«mo».«/mo»«/math»

Используя закон электролиза, можно определить значение заряда электрона в школьной лаборатории. Допустим, что I — сила тока, который проходил через электролит в течение промежутка времени t (можно измерить амперметром). При этом на электроде выделилось вещество, масса которого m (можно измерить, взвесив электрод до и после прохождения тока через электролит). Тогда модуль заряда электрона определяют по формуле.

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»e«/mi»«mo»=«/mo»«mfrac»«mi»M«/mi»«mrow»«msub»«mi»N«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1040;«/mi»«/msub»«mi»m«/mi»«mi»n«/mi»«/mrow»«/mfrac»«mi»I«/mi»«mi»t«/mi»«mo».«/mo»«/math»