Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 9 клас. Бутенко

§ 30. Електрохімічні процеси. Електроліз. Закони Фарадея

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

• які процеси називають електрохімічними;
• який окисно-відновний процес називають електролізом;
• про закони Фарадея, кількісні характеристики процесу електролізу.

Електрохімічні процеси. Електрохімічні процеси — це процеси взаємного претворения хімічної та електричної форм енергії (схема 12).

Схема 12

Для того щоб відбулися ці процеси, необхідні електроди.

Електрод — це система з металевої пластинки або графіту, що їх занурено в розчин електроліту.

• Що відбувається на поверхні металевої пластинки, виготовленої, наприклад, з активного металу, зануреного у водний розчин електроліту, що містить йони цього ж металу?

У розчин переходять позитивно заряджені йони металічного елемента, а поверхня самої пластинки (унаслідок появи на ній надлишку електронів) заряджається негативно (рис. 29). Гідратовані позитивно заряджені йони металічного елемента накопичуються біля поверхні пластинки — на межі розділу двох фаз (метал — вода). У результаті виникає подвійний електричний шар, який характеризується певною різницею електростатичних потенціалів:

Рис. 29. Подвійний електричний шар на поверхні металевої пластинки, зануреної у водний розчин електроліту

Якщо пластинку неактивного металу опустити в розчин солі (де містяться катіони цього ж металу), на ньому також утворюватиметься подвійний електричний шар. Але в цьому випадку метал буде заряджатися позитивно.

Поняття про електроліз як окисно-відновний процес

Окисно-відновний процес, що відбувається унаслідок пропускання постійного електричного струму крізь розплав або розчин електроліту, називають електролізом. Для проведення електролізу необхідно: джерело постійного електричного струму, електроліт, а також електроди — катод і анод. Систему, яка містить усі ці складові, називають електролізером (рис. 30), у ньому електрична енергія від зовнішнього джерела струму перетворюється на хімічну.

Рис. 30. Схема електролізу розчину купрум(ІІ) хлориду

На негативно зарядженому електроді, який називають катодом, відбувається процес відновлення катіонів, наприклад у розчині СuСl₂ це катіони Сu²⁺:

(-) К: Сu²⁺ + 2е^-→ Сu⁰

На позитивно зарядженому електроді, який називають анодом, відбувається процес окиснення аніонів указаного електроліту, тобто аніонів Сl^-:

(+) А: 2Сl^- - 2е^- → Сl₂⁰

Катод вкривається червоним шаром міді, а біля анода виділяється газуватий хлор. Таким чином, під дією електричного струму купрум(ІІ) хлорид розкладається на мідь і хлор:

Аноди поділяють на: 1) інертні — нерозчинні, які виготовляють, як правило, із графіту або вугілля; 2) активні — розчинні, для виготовлення яких використовують метали Zn, Cu, Ni, Ag та ін. У разі використання активних анодів відбувається розчинення металевого анода під дією постійного електричного струму. При цьому катіони вказаних металічних елементів переходять у розчин, наприклад:

(+) А: Сu⁰ - 2е^- → Сu²⁺

Потім ці катіони прямують до катода, де відновлюються:

(-) К: Сu²⁺ + 2е^- → Сu⁰

Характер електрохімічних процесів на електродах під час електролізу залежить не лише від матеріалу, з якого виготовлено електроди, а й таких факторів, як температура та природа електроліту, напруга, густина струму тощо.

Закони Фарадея. Кількісні характеристики процесів, які відбуваються під час електролізу, підпорядковуються двом законам Фарадея:

І. Маса речовини, що виділяється на електродах під час електролізу прямо пропорційна електричному заряду, який пройшов крізь розчин або розплав електроліту.

II. Під час пропускання однакового електричного заряду крізь розчини або розплави різних електролітів маса речовин, які виділяються на електродах, пропорційна їхнім молярним масам еквівалентів.

Відповідно до першого закону Фарадея

m(X) = k • q,

де m(X) — маса речовини, що виділяється на електроді, г;

k — коефіцієнт пропорційності, який називають електрохімічним еквівалентом; він залежить від природи речовини, що виділилася, та складу електроліту;

q — електричний заряд, що пройшов крізь електроліт, Кл.

Оскільки q = I • t, отримаємо:

m(X) = k • I • t, (1)

де I — сила струму, А;

t — час електролізу, с.

Електрохімічний еквівалент деякої речовини X чисельно дорівнює масі речовини, що виділяється на електроді під час проходження крізь електроліт заряду в 1 Кл. Електрохімічний еквівалент пропорційний молярній масі еквівалента речовини, що виділяється на електроді:

де М_екв — молярна маса еквівалента речовини X, що виділяється на електроді;

F — коефіцієнт пропорційності, що є універсальною сталою, яку називають сталою Фарадея. Значення сталої Фарадея F = 96 500 Кл/моль.

Молярна маса еквівалента речовини X дорівнює

M_екв(X) = 1/z • М(Х), (3)

де Μ(X) — молярна маса речовини X, г/моль;

z — число еквівалентності, яке в окисно-відновних реакціях відповідає числу електронів, що приєднуються або віддаються.

Об’єднавши формули (1-3), закони Фарадея можна записати у вигляді такої формули:

Основні поняття. Подвійний електричний шар. Електроліз. Електролізер. Анод. Катод. Закони Фарадея.

Майкл Фарадей

(1791-1867)

Один із найвидатніших англійських науковців, фізик і хімік. Більшість його робіт присвячена дослідженню електрики. Він установив закони електролізу, відкрив явище електромагнітної індукції. Уперше одержав у рідкому стані цілу низку газів (хлор, амоніак та ін.). Відкрив бензол та ізобутилен.

Запитання та завдання

°1. Які процеси називають електрохімічними?

°2. Який процес називають електролізом?

3. Який вид енергії перетворюється на хімічну енергію під час електролізу?

4. Який електрод, що його використовують під час електролізу, називають катодом, а який — анодом? Які заряди вони мають?

5. Від яких чинників залежить перебіг електрохімічних процесів на електродах під час електролізу?

6. Сформулюйте закони Фарадея та запишіть математичний вираз цих законів.