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

• 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 = N

A

e:

– N

A

- stała Avogadra,

– e - ładunek elektronu =

1,6021917(70)×10

-19

C

• F = 96 487,03 ± 1,6 C/mol ~ 96 500 C/mol.

q

Przykład 1.

•

Ile gramów miedzi wydzieli się na katodzie platynowej podczas elektrolizy
wodnego roztworu Cu(NO

3

)

2

prądem o natężeniu 1A w czasie 9650 sekund?

– Dane:

I = 1 A

t = 9650 s

M

Cu

=63,5 g/mol

F = 96 500 C

– Szukane: m = ?
– Rozwiązanie:

• reakcja na katodzie: Cu

2+

+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 CuSO

4

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(NO

3

)

2

i 1 mol AgNO

3

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, H

2

, Cu, Hg, Ag, Au

q = 1,5 F

– Rozwiązanie:

Ag

+

+ e = Ag → do wydzielenia 1 mola srebra potrzebny jest ładunek = 1F

Cu

2+

+ 2e = Cu → z = 2

W roztworze znajduje się 1 mol jonów Ag

+

, które dzięki przepływającemu ładunkowi

wydzielają się całkowicie na katodzie, m

Ag

= 108g

Pozostały ładunek = 1,5F -1F = 0,5 F zostaje przeznaczony na wydzielenia miedzi:
m

Cu

= 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:

•

m

1

/m

2

= k

1

/k

2

→

m

1

/m

2

= M

1

z

2

/M

2

z

1

→

n

1

z

1

= n

2

z

2

Przykład 1.

←k = M/(z·F)

• Podczas elektrolizy wodnego roztworu AgNO

3

wydzieliło się 21,6g srebra. Ile

gramów miedzi wydzieliłby ten sam ładunek elektryczny przepływający przez roztwór
zawierający jony Cu

2+

?

- Dane: m

Ag+

= 21,6g, M

Ag

= 108g/mol, n

1

– ilość moli srebra,

z

1

= 1

, M

Cu

= 63,5g/mol,

n

2

– ilość moli miedzi,

z

2

= 2

- Szukane: m

Cu

= ?

- Rozwiązanie:

Ag

+

+

e

= Ag

Cu

2+

+

2e

= Cu

n

1

= 21,6/108=0,2 mola

n

1

z

1

= n

2

z

2

0,2·1= n

2

·2 n

2

= 0,1

m

Cu

= n

2

·M

Cu

m

Cu

= 6,35 g

- Odpowiedź: Ten sam ładunek elektryczny wydzieliłby 6,35 g.

Przykład 2.

•

Jeżeli na anodzie wydzieliło się w czasie elektrolizy stopionego KOH 11,2 dm

3

tlenu (w warunkach normalnych), to jaka jest ilość wydzielonego na katodzie
potasu?

– Dane:

V

tlenu

= 11,2 dm

3

, n

1

– liczba moli tlenu,

z

1

= 4

, n

2

– liczba moli potasu,

z

1

= 1

,

M

K

= 39,1g/mol

– Szukane: m

K

= ?

– Rozwiązanie:

Anoda: 4OH

-

= O

2

+

4e

+ 2 H

2

O

Katoda: K

+

+

e

= K

W warunkach normalnych 1 mol gazu - 22,4 dm

3

n

1

- 11,2 dm

3

→n

1

= 0,5 mola

n

1

z

1

= n

2

z

2

0,5mola·4= n

2

·1 n

2

=2 mole

m

K

= M

K

· n

2

m

K

= 78,2g

– Odpowiedź: Na katodzie wydzieliło się 78,2 g potasu

Zadania

•

Zadanie 1. Jak długo musi przepływać prąd o natężeniu 1A przez rozcieńczony roztwór
H

2

SO

4

, aby wydzielić łącznie 0,336 dm

3

gazów (w stanie suchym w warunkach normalnych)?

Odp.: 32 min.

•

Zadanie 2. 500cm

3

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 dm

3

•

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 5dm

3

2 mole AgNO

3

i 2 mole Cu(NO

3

)

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 KNO

3

na elektrodach wydzieliło się 67,2

dm

3

mieszaniny gazów (w przeliczeniu na warunki normalne). O ile zmniejszyła się objętość

roztworu? Gęstość wody = 1g/cm3 Odp.: 36 cm

3

•

Zadanie 6. Przez roztwór zawierający 1 mol NaCl i 1 mol MgCl

2

przepuszczono ładunek

193000 C. Oblicz o ile gramów wzrosła masa katody? Odp.: 24g.