5.4 Νόμος ηλεκτρόλυσης

Νόμοι Faraday -Υπολογισμοί

Η πειραματική μελέτη του φαινομένου της ηλεκτρόλυσης οδήγησε τον Faraday (1833) στο προσδιορισμό σχέσεων μεταξύ των μαζών που ελευθερώνονται (προϊόντα ηλεκτρόλυσης) και της ποσότητας ηλεκτρισμού που διέρχεται από τον ηλεκτρολυτικό αγωγό. Οι ποσοτικές αυτές σχέσεις περιγράφονται από τους ακόλουθους δύο νόμους: Πρώτος νόμος. Η μάζα της ουσίας που αποτίθεται σε κάθε ηλεκτρόδιο είναι ανάλογη της ποσότητας του ηλεκτρισμού (ηλεκτρικού φορτίου) που διέρχεται από τον ηλεκτρολυτικό αγωγό. Δεύτερος νόμος. Οι μάζες των διαφορετικών ιόντων που αποτίθενται στα ηλεκτρόδια κατά τη δίοδο της ίδιας ποσότητας ηλεκτρισμού (ηλεκτρικού φορτίου) είναι χημικά ισοδύναμες, είναι δηλαδή ανάλογες προς τα γραμμοϊσοδύναμα (g-eq) αυτών. Ένα γραμμοϊσοδύναμο (g-eq) ιόντος ισούται με το πηλίκο του mol αυτού δια του αριθμού των στοιχειωδών φορτίων αυτού. Δηλαδή, για ένα ιόν της μορφής Μn+ έχουμε: 1 g-eq =1mol/n Σήμερα για τον υπολογισμό των ποσοτήτων των ουσιών που ελευθερώνονται στην κάθοδο και στην άνοδο δε χρειάζεται να χρησιμοποιούμε τους νόμους του Faraday. Εξ΄ άλλου τα τελευταία χρόνια οι εκφράσεις γραμμοϊσοδύναμο (g-eq) τείνουν να εξαλειφθούν από τη διεθνή βιβλιογραφία. Ο υπολογισμός των ηλεκτρολυόμενων μαζών μπορεί εύκολα να γίνει με βάση τη στοιχειομετρία των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα κατά την ηλεκτρόλυση.

Για τους υπολογισμούς αυτούς θα πρέπει επίσης να γνωρίζουμε ότι, - ΝΑ (6,02 1023) ηλεκτρόνια έχουν φορτίο 96 500 C. Η ποσότητα αυτή του φορτίου ονομάζεται σταθερά Faraday και συμβολίζεται, F.

F = NA e = 6,02 1023 mol-1 . 1,062 10-19 C = 96 500 C mol-1

Για παράδειγμα κατά την ηλεκτρόλυση τήγματος NaCl λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις: Κάθοδος: 2Na+ + 2e- [pic] 2Na Άνοδος: 2Cl- - 2e- [pic] Cl2 Απ’ αυτές προκύπτει ότι: κατά τη δίοδο 2 mol e- ελευθερώνονται 2 mol NΑ και 1 mol Cl2 ή 2 · 96 500 C ελευθερώνουν 2 mol NΑ και 1 mol Cl2.

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ ΕΝΤΑΣΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (A) ΚΑΙ ΧΡΟΝΟΣ (s) ΦΟΡΤΙΟ (C) q = i t MOL e- 1F = 96 500 C και αντιστοιχεί σε ΝΑ e- MOL ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ / ΑΝΤΙΔΡΩΝΤΩΝ Με βάση τη στοιχειομετρία των χημικών εξισώσεων ΜΑΖΑ Η ΟΓΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΩΝΤΩΝ / ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ 1 mol αντιστοιχεί σε μάζα Αr g και σε όγκο 22,4 L(STP)

Παράδειγμα 5.5 Κατά την ηλεκτρόλυση διαλύματος H2SO4 εκλύονται στην άνοδο 32 g O2. Ποιο είναι το φορτίο που πέρασε μέσα από το διάλυμα; ΛΥΣΗ Άνοδος: 2OH- - 2e- [pic] H2O + 1/2 O2 [pic] x = 4 · 96 500 C

Εφαρμογή Κατά την ηλεκτρόλυση διαλύματος NaOH εκλύονται στην άνοδο 8 g O2. Ποιο είναι το φορτίο που πέρασε από το διάλυμα; (1 F)

Παράδειγμα 5.6 Κατά την ηλεκτρόλυση διαλύματος CuSO4 χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια Cu που ζυγίζουν 20 g το καθένα, ενώ από τον ηλεκτρολύτη πέρασε φορτίο 9 650 C. Ποια είναι η μάζα των ηλεκτροδίων μετά την ηλεκτρόλυση; ΛΥΣΗ Κάθοδος: Cu2+ + 2e- [pic] Cu Άνοδος: Cu – 2e- [pic] Cu2+ Με φορτίο 2 ΝΑ e- αποτίθεται 1 mol Cu και διαλύεται 1 mol Cu2+ [pic] x = 3,2 g και y = 3,2 g Άρα μετά την ηλεκτρόλυση έχουμε: m καθόδου = (30+3,2) g = 23,2 g m ανόδου = (20-3,2) g = 16,8 g

Εφαρμογή Κατά την ηλεκτρόλυση διαλύματος CuSO4 χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια Cu, που ζυγίζουν 30 g το καθένα, ενώ από τον ηλεκτρολυτικό αγωγό πέρασε φορτίο 19 300 C. Ποια είναι η διαφορά μάζας ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια μετά την ηλεκτρόλυση;