VIII.7.2. Legile electrolizei.
Legile electrolizei (legile lui Faraday) sunt descrieri cantitative ale electrolizei și au fost publicate de către Michael Faraday în 1834.
Legea I a electrolizei:
Masa de substanță (m) separată la electrozi este proporțională cu sarcina electrică (Q) transportată.
m = K ∙ Q = K ∙ I ∙ t
m = masa de substanță separată la electrozi
K = echivalent electrochimic = masa de substanță separată la electroliză când prin soluție trece o sarcină electrică de 1 coulomb (1 C).
I = intensitatea curentului electric
t = timpul în care are loc electroliza
Q = I ∙ t
Pentru a explica legea a doua a electrolizei, trebuie să reamintim definiţia echivalentului chimic (echivalentului gram) al unei substanţe:
Cantitatea dintr-un element, exprimată în grame, care cedează, acceptă sau pune în comun numărul lui Avogadro (NA = 6,023·1023) de electroni reprezintă echivalentul gram al unui element.
Prin electroliză, un echivalent gram dintr-un element este depus la electrozi prin cedarea la anod sau prin acceptarea la catod a NA de electroni.
Pentru a obţine la electrod un echivalent gram dintr-un element trebuie să se cedeze la anod sau să se accepte la catod 6,023·1023 electroni, adică un mol de electroni.
S-a constatat experimental că pentru depunerea unui echivalent-gram (Eg) din orice element se consumă o sarcină constantă de aproximativ 96500 C, sarcină numită Faraday și notată cu F.
F = 96500 C/mol = constanta lui Faraday
Constanta lui Faraday reprezintă valoarea absolută a sarcinii electrice a unui mol de electroni. Am notat cu qē sarcina unui electron în modul.
F = NA · qē
Astfel s-a putut determina numărul lui Avogadro :
🔦 Observație
Sarcina electrică de 1F (96500 C) determină obţinerea unui echivalent gram E(g) de substanţă elementară, iar sarcina electrică de 1 C determină obţinerea unui echivalent electrochimic K de substanţă elementară.
Legea a II-a a electrolizei :
Masele de substanțe separate la electrozi sunt proporționale cu echivalenții lor chimici, atunci când prin soluție trece aceeași sarcină electrică.
Faraday a efectuat următorul experiment: prin trei celule electrolitice legate în serie care conțin soluțiile de AgNO3, CuSO4 și FeCl3 a trecut aceeași sarcină electrică, un anumit timp. A constatat că masele metalelor depuse (Ag, Cu și Fe) se află în aceleași rapoarte cu echivalenții chimici ai acestor elemente.
Legile lui Faraday pot fi restrânse la forma:
🔦 Observație
Un atom-gram dintr-un element conține NA (numărul lui Avogadro = 6,023 ∙ 1023) atomi.
🔓 Probleme rezolvate
1. Calculează echivalentul chimic pentru:
a) Al
b) Mg
Rezolvare:
a)
Aplicăm formula echivalentului chimic (exprimat în g)
b)
Aplicăm formula echivalentului chimic (exprimat în g)
2. Determină câți faraday trec printr-o soluție de CuSO4 pentru a obține 160 g de Cu.
Rezolvare:
Determinăm echivalentul chimic (exprimat în g) al Cu:
Pentru a depune o masă de Cu egală cu echivalentul lui chimic (de 32 g) este necesar 1 faraday. Pentru a obține câți faraday trec printr-o soluție de CuSO4, împărțim masa de Cu depusă la electroliză la echivalentul chimic al Cu:
3. Prin dou ă celule electrolitice legate în serie, care conțin soluțiile de AgNO3 și CuCl2, a trecut aceeași sarcină electrică, un anumit timp. Calculează masa de Ag depusă în celula cu soluție de AgNO3, știind că în celula cu soluție de CuCl2 s-a depus o masă de 100 g Cu.
Rezolvare :
Masele metalelor depuse (Ag și Cu) se află în aceleași rapoarte cu echivalenții chimici ai acestor elemente.
Calculăm echivalenții chimici ai Ag și Cu:
4. Determină sarcina electrică maximă ce trece printr-un acumulator de plumb, fără reîncarcarea sa, ce conține la anod 200 g Pb. Care este timpul de funcționare al bateriei ?
Rezolvare:
Aplicăm legea lui Faraday:
Pentru a afla timpul (t) de funcționare al bateriei, considerăm I = constantă = 1 A.
Folosind ca unitate de măsură pentru sarcina electrică amper · oră avem :
1 A · h = 1A · 3600s = 3600 A· s = 3600 C
5. Cât este randamentul de curent al electrolizei unei topituri de clorură de calciu, știind că masa teoretică a Ca este de 40 g și masa practică este de 30 g Ca depus la catod.
Rezolvare:
În practică, o parte din energia electrică furnizată celulei electrolitice se pierde (sub formă de căldură, în reacții secundare). Din acest motiv masa practică (mp) depusă la electrozi este mai mică decât masa teoretică (mt), calculată cu legea lui Faraday.
Randamentul de curent (η) se calculează cu următoarea formulă:
În funcție de datele problemei aplicăm formula randamentului: