§ Х-9 Електроліз водного розчину електроліту та закони Фарадея (9–11 клас · Хімія)
Катодне осадження міді, анодне виділення кисню O₂↑ та маса m = (M·I·t)/(z·F). Маса речовини, що виділяється на електроді під час електролізу, прямо пропорційна електричному заряду Q = I·t, який пройшов крізь електроліт, та хімічному еквіваленту M/z.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Електроліз, це вимушений окисно-відновний процес, який відбувається на електродах у розчині або розплаві електроліту під час проходження постійного електричного струму від зовнішнього джерела (Δ G > 0). На відміну від гальванічного елемента, під час електролізу катод є негативно зарядженим електродом (до нього рухаються катіони і приймають електрони, відбувається відновлення), а анод є позитивно зарядженим електродом (на ньому відбувається окиснення).
При електролізі водного розчину купрум(ІІ) сульфату CuSO₄ з інертними графітовими або платиновими електродами на катоді відновлюються катіони міді (оскільки E^°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 В > E(2H₂O/H₂)): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰↓. На інертному аноді сульфат-йони SO₄²⁻ не окиснюються у водному розчині, тому окиснюються молекули води з виділенням бульбашок газоподібного кисню: 2H₂O - 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺.
Кількісні співвідношення електролізу описуються об’єднаним законом Фарадея: маса виділеної на електроді речовини прямо пропорційна перенесеному заряду Q = I· t та молярній масі еквівалента M/z: m = (M· I· t)/(z· F), де F = e N_A ≈ 96 485 Кл/моль, стала Фарадея (заряд одного моля електронів). Якщо замість інертного анода використати мідний (активний анод), то він сам розчинятиметься (Cu⁰ - 2e⁻ → Cu²⁺), що застосовується для промислового електролітичного рафінування міді високої чистоти (99.99%).
Приклад із життя
Якщо гальванічний елемент сам виробляє струм, то електроліз працює навпаки: ми підключаємо зовнішнє джерело живлення і силоміць змушуємо блакитні йони міді Cu²⁺ осідати блискучим шаром чистого металу на катоді! Саме так роблять позолоту прикрас, хромування деталей авто та очищують мідь для електропроводки.
Контрольне запитання та розв’язання
За І та ІІ законами Фарадея m = (M · I · t)/(z · F): як зміниться маса металу, осадженого на катоді за однаковий час t і струм I, якщо замість одновалентного катіона Ag⁺ (z = 1) електролізу піддати двовалентний катіон Cu²⁺ (z = 2)?
- А: Для відновлення одного моля Cu²⁺ потрібно вдвічі більше електронів (z = 2), тому за однакового заряду Q = It кількість речовини виділеного металу ν = (Q)/(zF) зменшиться вдвічі
- Б: Кількість речовини осадженого металу не залежить від заряду йона z і сили струму I
- В: Маса металу на катоді зменшуватиметься, бо на катоді відбувається окиснення
Підказка: За першим і другим законами Фарадея m = (M · I · t)/(z · F): як зміниться маса виділеної на катоді міді m(Cu), якщо силу струму I або час електролізу t збільшити вдвічі?
Доведення: Згідно з об’єднаним законом електролізу Фарадея проходження заряду Q = I · t = 1 F = 96 485 Кл відновлює на катоді рівно 1 моль еквівалентів речовини (ν = (I t)/(z F)). Для Cu²⁺ (z = 2, M = 63.55 г/моль) на катоді осаджується червона мідь, а на інертному аноді окиснюються молекули води з виділенням газоподібного кисню O₂↑ (z = 4).
Основні формули та параметри 3D-симуляції
m(Cu) = (M_Cu · I · t)/(z · F), V(O₂) = (I · t)/(4 F)· 22.4 л
- Сила постійного струму електролізу I: 1 … 10 А (стандарт: 5 А)
- Тривалість електролізу t: 5 … 30 хв (стандарт: 15 хв)
- Заряд катіона металу z (1=Ag⁺, 2=Cu²⁺, 3=Au³⁺): 1 … 3 (стандарт: 2)
- Напруга джерела постійного струму U: 2 … 8 В (стандарт: 4.5 В)