1. Teoria zjawiska

Roztwory wodne kwasów, zasad, soli, które przewodzą prąd elektryczny nazywamy elektrolitami. Zjawisko przepływu prądu przez te roztwory , oraz zachodzące przy tym zmiany (procesy chemiczne) nazywamy elektrolizą. W wyniku przepływu prądu na katodzie (elektrodzie ujemnej) wydzielają się pewne substancje, np. dla CuSO₄

Cu²⁺+2e→Cu⁰

kosztem substancji na anodzie (elektrodzie dodatniej)

Cu⁰→Cu²⁺+2e

Zjawiskiem elektrolizy zajął się Faraday, formułując swoje spostrzeżenia w dwóch prawach.

I prawo Faradaya

Masy produktów elektrolizy, wydzielone na elektrodach są proporcjonalne do natężenia prądu i czasu jego przepływu, czyli można powiedzieć, że jest proporcjonalne I, oraz do ładunku przepływającego przez elektrolit

m=kIt

m=kQ

gdzie k to współczynnik proporcjonalności nazywany równoważnikiem elektrochemicznym, wyrażającym liczbowo masę produktu elektrolizy, wydzieloną na elektrodzie podczas przepływu prądu przez elektrolit ładunku 1C. Równoważnik ten, możemy także interpretować na gruncie rozważań molekularnych. Weźmy, że masa pojedynczego jonu to m', N to liczba wydzielonych jonów, a e to ładunek. Wówczas otrzymujemy zależność

m=Nm' - masa wydzielonej substancji

ΔQ=Ne - przeniesiony ładunek

Teraz I prawo elektrolizy Faradaya możemy przedstawić w postaci

Nm'=kNe ⇒
.

II prawo Faradaya

Masy produktów elektrolizy wydzielona na elektrodach różnych woltometrów podczas przepływu prądu, o tym samym natężeniu i w tym samym czasie są proporcjonalne do gramorównoważników danych substancji

m₁: m₂: m₃:...= R₁: R₂: R₃:... (1)

Gramorównoważnikiem danej substancji nazywamy stosunek masy gramoatomu pierwiastka lub gramocząsteczki (mola) M związku chemicznego do wartościowości

. (2)

Obydwa prawa Faradaya można sformułować w jednym. Masy wydzielone na różnych woltometrach w jednakowych odstępach czasu t, przez jednakowe prądy I, można wyrazić w następujący sposób

m₁=k₁It; m₂=k₂It itd.

Kiedy podzielimy powyższe równania stronami, otrzymamy

m₁: m₂: m₃:...= k₁: k₂: k₃:...

Po porównaniu powyższego z (1) mamy

R₁: R₂: R₃:...= k₁: k₂: k₃:...

więc stosunek gramorównoważników równa się stosunkowi równoważników elektrochemicznych substancji. Z tego wnioskujemy, że

.

Tę stałą wartość stosunku gramorównoważnika do równoważnika elektrochemicznego danej substancji nazywany stałą Faradaya F

skorzystawszy z (2) możemy zapisać

Można więc nadać prawu Faradaya ostateczną postać

Zjawisko elektrolizy

Przepływ prądu elektrycznego przez dany elektrolit jest związany z ruchem jonów. Jony powstają w taki sposób, że obojętne atomy lub grupy atomowe tracą lub przyłączają do siebie jeden lub więcej elektronów. Liczba tych utraconych lub przyłączonych elektronów decyduje o wartościowości jonu.

Proces wytwarzania się jonów w elektrolicie

Załóżmy, że czynnikiem wiążącym w cząsteczkach związku chemicznym jest przyciąganie elektryczne jonów różnoimiennych (wchodzących w ich skład), widzimy wówczas, że gdy wprowadzimy taką cząstkę do rozpuszczalnika o dużej przenikalności elektrycznej, zmniejszą się siły wzajemnego oddziaływania między jonami. Może temu także towarzyszyć rozpad cząstki na jony, czyli dysocjacja elektrolityczna

CuSO₄→Cu²⁺+SO₄^2-

Stopniem dysocjacji nazywamy stosunek liczby cząsteczek zdysocjowanych do ogólnej liczby cząstek wprowadzonych do rozpuszczalnika. Powstające w wyniku dysocjacji jony są w ciągłym, chaotycznym ruchu. Dzięki temu możliwe jest spotkanie jonów różnoimiennych i ponowne powstanie obojętnej cząsteczki. Jest to tzw. proces rekombinacji. W tym samym czasie inna cząstka może ulec rozpadowi. W roztworze stale odbywają się obydwa procesy, a stosunek cząsteczek zdysocjowanych do niezdysocjowanych jest stała.

Wprowadzenie do roztworu kwasu, zasady lub soli płytek metalowych podłączonych do źródła napięcia wywołuje uporządkowany ruch jonów. Jony dodatnie (kationy) dążą do elektrody ujemnej, a jony ujemne (aniony) do elektrody dodatniej. Po osiągnięciu elektrody ładunki jonu ulegają zobojętnieniu, do jon dodatni dołącza elektrony z katody, a jon ujemny oddaje nadmiarowe elektrony anodzie.

Reakcje zachodzące na elektrodach w czasie przepływu prądu:

Na katodzie (redukcja, czyli pobieranie elektronu)

Cu²⁺+2e→Cu⁰

H⁺+e→H_ads

H_ads+ H_ads→H₂↑

Na anodzie (utlenianie, czyli oddawanie elektronu)

Cu⁰→Cu²⁺+2e

Cu²⁺+SO₄^2-→CuSO₄

OH^-+ OH^-→O_ads+H₂O+2e

O_ads+ O_ads→O₂↑

Schemat układu pomiarowego

---