Định luật đầu tiên của Faraday. EMF của cảm ứng trong một dây dẫn

Có một mối quan hệ giữa khối lượng của chất chuyển đổi trong quá trình điện phân và điện lượng truyền qua chất điện phân, được phản ánh trong hai định luật Faraday.

I định luật Faraday. Đối với bất kỳ quá trình điện cực nào, khối lượng của chất chuyển đổi tỷ lệ thuận với điện lượng đi qua bình điện phân:

m = kQ,(2.10)

ở đâu m là khối lượng của chất quy đổi, g; Q- lượng điện (C), bằng tích của cường độ dòng điện ( Tôi, A) cho thời gian ( t, Với); k-đương lượng điện hóa của một chất, biểu thị số gam của chất đó được chuyển hóa bởi một mặt dây điện.

Định luật II Faraday. Khi cho một lượng điện năng bằng nhau đi qua các dung dịch của các chất điện li khác nhau thì khối lượng của mỗi chất đang chuyển hoá tỉ lệ với đương lượng hoá học của nó là m 1:t 2:m 3 ... = m e1: m e2: m e3 ... (ở đâu m e là khối lượng đương lượng của một chất). Nếu khối lượng của một trong các chất được biến đổi trong quá trình truyền một lượng điện năng nhất định bằng khối lượng tương đương của nó ( t 1 = m e1) , thì đối với các chất khác, các đồng đẳng sẽ có giá trị m 2 = m e2, m 3 \ u003d m e3, v.v.

Bằng cách này, Để chuyển đổi một khối lượng tương đương của bất kỳ chất nào cũng cần một lượng điện như nhau, được gọi là hằng số Faraday F(96494 C / mol). Hằng số Faraday là điện tích được mang bởi một mol electron hoặc một mol ion mang điện đơn (tức là 6,02 1023 electron hoặc ion mang điện đơn).

Định luật thứ hai của Faraday cũng có thể được viết như sau: Để phóng điện một mol ion ở điện cực qua dung dịch, cần phải truyền đi bao nhiêu điện tích bằng số điện tích cơ bản của ion đã cho.

Dựa trên định luật Faraday II, người ta có thể viết

k = m e / F.(2.11)

Quan hệ (2.10) và (2.11) ngụ ý phương trình kết hợp của các định luật Faraday:

m =(m e / F)Q =(m e / F)Nó.(2.12)

Nó được sử dụng rộng rãi cho các tính toán khác nhau trong điện hóa học. Đặc biệt, cách chính xác nhất để đo lượng điện đã truyền qua một đoạn mạch là dựa trên định luật Faraday. Nó bao gồm việc xác định khối lượng của chất được giải phóng trong quá trình điện phân ở điện cực. Với mục đích này, các thiết bị được gọi là coulometers được sử dụng. Trong phòng thí nghiệm, người ta sử dụng một đồng kế bằng đồng, trong đó dung dịch CuSO 4 đã được axit hoá với các điện cực bằng đồng bị điện phân. Điều quan trọng là chỉ có một phản ứng điện hóa xảy ra ở điện cực trong máy đo và sản phẩm thu được có sẵn để xác định định lượng chính xác. Ví dụ, toàn bộ lượng điện đi qua một coul kế bằng đồng được sử dụng để chuyển đồng từ cực dương sang cực âm, trong đó khối lượng của nó được xác định bằng phương pháp trọng lượng.

Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu, người ta sử dụng đồng hồ đo bằng bạc hoặc khí, trong đó thể tích của hỗn hợp (2H 2 + O 2) thu được khi điện phân dung dịch nước KOH.

Việc sử dụng đồng hồ đo giúp xác định phần dòng điện chi tiêu hữu ích (tức là dòng điện chi tiêu để thu được một sản phẩm hữu ích), được đặc trưng bởi sản lượng hiện tại. Sản lượng dòng điện là tỷ lệ giữa chất thực tế thu được trong quá trình điện phân với chất được tính toán theo lý thuyết. Thông thường, sản lượng hiện tại η được biểu thị bằng phần trăm. Sau đó:

η = ( m prakt / m lý thuyết) 100%. (2.13)

Người ta có thể tiếp cận việc tính η theo một cách khác. Nếu, trên cơ sở (2.12), lượng điện năng sử dụng được sử dụng được xác định từ khối lượng thực tế được giải phóng của chất Q'Thì η sẽ được biểu thị bằng tỉ số giữa điện năng hữu ích trên tổng điện lượng của nó đã chạy qua mạch:

η = ( Q’/Q)100%. (2.14)

Các định luật Faraday đã xác nhận khái niệm về bản chất nguyên tử của điện. Những ý tưởng này đã hình thành cơ sở cho việc tính hằng số quan trọng nhất - hằng số Avogadro. Mối quan hệ giữa hằng số Faraday F, Avo-gadro N và điện tích của electron e theo tỷ lệ:

F / e = N A (2,15)

Ứng dụng của sự điện phân.Điện phân anot hòa tan được sử dụng để tinh chế kim loại ( tinh chế điện). Trong quá trình điện phân đồng, các tấm đồng tinh khiết được đặt trong máy điện phân như một cực dương (cực âm - các tấm đồng đã được tinh chế điện phân trước đó). Các quá trình sau đây lần lượt xảy ra ở cực dương và cực âm:

Сu (bị ô nhiễm) - 2 ē = Cu 2+,

Сu 2+ + 2 ē = Cu (nguyên chất).

Khi đồng được tinh chế bằng điện, các tạp chất từ ​​các kim loại quý hơn như Ag hoặc Au không đi vào dung dịch và được thu thập ở đáy của bình điện phân. Ô nhiễm từ các kim loại ít quý hơn như Pb, Fe, Zn, giống như bản thân đồng, đi vào dung dịch, nhưng không lắng đọng trên catốt và do đó không gây ô nhiễm cho đồng lắng đọng trên nó. Ngoài đồng, niken, cadimi, nhôm và các kim loại khác có thể được sử dụng làm cực dương hòa tan.

Điện phân anốt hòa tan được sử dụng trong mạ điện để phủ một số kim loại bằng các lớp mỏng khác ( mạ điện). Trong trường hợp này, các sản phẩm phủ kim loại là cực âm trong quá trình điện phân, và kim loại phủ được sử dụng làm cực dương. Về mặt công nghệ, điều này rất thuận tiện, vì nồng độ của các ion (muối) trong dung dịch điện phân không thay đổi. Các bề mặt trang trí, chống ăn mòn, làm cứng (mạ crom) được áp dụng điện hóa. Với sự trợ giúp của lớp phủ, kích thước của các bộ phận được khôi phục (sửa chữa). Để đảm bảo rằng lớp phủ được giữ chắc chắn, bề mặt kim loại được làm sạch kỹ lưỡng (mài, đánh bóng) và tẩy dầu mỡ (xử lý bằng dung dịch soda nóng, chà bằng phấn trộn với kiềm, v.v.) trước khi phủ. Để loại bỏ các oxit, bề mặt kim loại được ăn mòn bằng dung dịch axit sunfuric 15 ... 20% trong 10 ... 15 phút. Để loại bỏ cuối cùng của màng oxit, bộ phận được làm sạch sự chặt đầu, kết nối trước khi mạ một thời gian ngắn với cực dương. Độ bám dính tốt nhất của lớp phủ với bề mặt kim loại được quan sát đối với lớp phủ có hạt mịn. Cấu trúc lớp phủ mong muốn đạt được bằng cách thay đổi thành phần của chất điện phân và chế độ điện phân: ---------

Nguyên tắc cơ bản> Nhiệm vụ và câu trả lời

Sự điện phân. Định luật Faraday

1 Tìm đương lượng điện hóa của natri. Khối lượng mol của natri m \ u003d 0,023 kg / mol, hóa trị của nó là z \ u003d 1. Hằng số Faraday

Dung dịch:

2 Khối lượng cực dương kẽm m \ u003d 5 g được đặt trong một bể điện phân có dòng điện chạy qua Tôi \ u003d 2 A. Sau mấy giờ t anot có được dùng hết để tráng sản phẩm bằng kim loại không? Đương lượng điện hóa của kẽm

Dung dịch:

3 Tìm hằng số Faraday nếu khi đi qua bể điện phân tích điện q = 7348 C ở catot thoát ra một khối lượng vàng m \ u003d 5 g. Đương lượng hoá học của vàng A \ u003d 0,066 kg / mol.

Dung dịch:
Theo luật kết hợp Faraday

từ đây

4 Tìm điện tích cơ bản e nếu khối lượng của chất, bằng số đương lượng, chứa N o = N A / z nguyên tử hoặc phân tử.

Dung dịch:
Các ion trong dung dịch điện phân mang một số điện tích cơ bản bằng hóa trị z. Khi khối lượng của một chất được giải phóng có giá trị bằng số đương lượng hóa học của nó, thì một điện tích đi qua dung dịch có giá trị bằng hằng số Faraday, tức là

Do đó, phí cơ bản

5 Khối lượng mol của bạc m 1 \ u003d 0,108 kg / mol, hóa trị z của nó 1 = 1 và điện hóa tương đương. Tìm đương lượng điện hóa của vàng k2 nếu khối lượng mol của vàng m2 \ u003d 0,197 kg / mol, hóa trị của nó z2 = 3.

Dung dịch:
Theo định luật thứ hai của Faraday, chúng ta có

do đó tương đương điện hóa của vàng

6 Tìm khối lượng các chất được giải phóng theo thời gian t \ u003d 10 giờ trên catốt của ba bể điện phân mắc nối tiếp với mạng điện một chiều. Các cực dương trong bồn tắm - đồng, niken và bạc - được hạ xuống tương ứng vào dung dịch CuS O 4, NiS0 4 và AgN0 3 . Mật độ dòng điện phân j = 40 A / m2, diện tích cực âm trong mỗi bồn tắm S = 500 cm Đương lượng điện hóa của đồng, niken và bạc

Dung dịch:
Dòng điện trong bồn tắm I = jS. Theo định luật Faraday thứ nhất, khối lượng của các chất được giải phóng trong quá trình điện phân

7 Khi sản phẩm mạ niken theo thời gian t = 2 giờ độ dày lớp niken lắng đọng l = 0,03 mm.
Tìm mật độ dòng điện trong quá trình điện phân. Đương lượng điện hóa của niken, mật độ của nó

Dung dịch:

8 Một ampe kế mắc nối tiếp với bình điện phân cho biết cường độ dòng điện io \ u003d 1,5A. Cần điều chỉnh gì đối với số đọc của ampe kế, nếu trong thời gian t \ u003d 10 phút một khối lượng đồng được lắng đọng trên catốt m = 0,316 g? Đương lượng điện hóa của đồng.

Dung dịch:
Theo định luật Faraday thứ nhất m = kI t , tôi là dòng điện trong mạch; từ đây Tôi = m / kt \ u003d 1.6 A, tức là Số đọc của ampe kế cần được sửa lại.

9 Muốn kiểm tra độ đúng của số chỉ vôn kế, người ta mắc song song một điện trở có điện trở đã biết. R = 30 Om. Mắc nối tiếp, một bể điện phân được bao gồm trong mạch điện chung, trong đó bạc được điện phân. Suốt trong t \ u003ngày 5 phút trong bồn tắm này, một khối bạc nổi lên m = 55,6 mg. Vôn kế cho biết hiệu điện thế Vo \ u003d 6 V. Tìm hiệu số giữa số đọc vôn kế và giá trị chính xác của điện áp rơi trên điện trở. Đương lượng điện hóa của bạc.

Dung dịch:
Theo định luật Faraday thứ nhất m = kl t , nơi tôi là dòng điện trong mạch. Giá trị chính xác của điện áp rơi trên điện trở V = IR = mR / k t \ u003d 4,91 V. Sự khác biệt giữa số đọc vôn kế và giá trị chính xác của điện áp rơi

10 Để bạc thìa qua dung dịch muối bạc theo thời gian t \ u003d 5 giờ hiện tại đã được thông qua Tôi \ u003d 1,8 A. Cực âm là N \ u003d 12 cái thìa, mỗi cái có diện tích bề mặt S = 50 cm2. Lớp bạc đọng trên thìa dày bao nhiêu? Khối lượng mol của bạc m \ u003d 0,108 kg / mol, hóa trị của nó là z \ u003d 1 và mật độ .

Dung dịch:
Độ dày lớp

11 Hai bể điện phân mắc nối tiếp. Bể thứ nhất chứa dung dịch clorua sắt (FeCl 2 ), trong thứ hai - một dung dịch clorua sắt (FeCl 3 ). Tìm khối lượng sắt thoát ra trên catot và khối lượng clo trên anot trong mỗi bồn tắm khi điện tích đi qua bồn tắm. Khối lượng mol của sắt và clo.

Dung dịch:
Trong bể thứ nhất, sắt là hóa trị hai (z1 = 2), trong bể thứ hai, nó là hóa trị ba (z2 = 3). Do đó, khi đi qua các dung dịch có điện tích giống nhau, các khối lượng sắt khác nhau được giải phóng trên các catốt: trong lần tắm thứ nhất

trong bồn tắm thứ hai

Vì hóa trị của nguyên tử clo là z = 1 nên khối lượng clo thoát ra ở cực dương của mỗi bể là

12 Trong quá trình điện phân dung dịch axit sunfuric (CuS O 4 ) công suất tiêu thụ N = 37 W. Tìm điện trở của bình điện phân, nếu trong thời gian t = 50 phút khối lượng hydro được giải phóng m = 0,3 g .Khối lượng mol của hiđro m \ u003d 0,001 kg / mol, giá trị của nó là z \ u003d 1 .

Dung dịch:

13 Trong phương pháp điện phân sản xuất niken, W được tiêu thụ trên một đơn vị khối lượng m = 10 kWh h / kg điện năng. Đương lượng điện hóa của niken. Sự điện phân được thực hiện ở hiệu điện thế nào?

Dung dịch:

14 Tìm khối lượng của đồng được giải phóng nếu đã dùng W = 5 kW để thu được nó bằng phương pháp điện phân H h điện. Quá trình điện phân được thực hiện ở hiệu điện thế V = 10 V, hiệu suất cài đặt h = 75%. Đương lượng điện hóa của đồng.

Dung dịch:
hiệu quả cài đặt

trong đó q là điện tích đi qua bồn tắm. Khối lượng đồng được giải phóng m = kq; từ đây

15 Điện tích nào đi qua dung dịch axit sunfuric (CuS O 4) trong thời gian t \ u003d 10 giây, nếu dòng điện trong thời gian này tăng đều từ I 1 = 0 cho tôi 2 = 4A? Khối lượng đồng thoát ra ở catot trong trường hợp này là bao nhiêu? Đương lượng điện hóa của đồng.

Dung dịch:
Dòng điện trung bình

Điện tích chảy qua dung dịch

Tìm điện tích bằng đồ thị được hiển thị trong hình. 369. Trên đồ thị của dòng điện so với thời gian, vùng được tô bóng bằng số bằng điện tích. Khối lượng đồng lắng đọng ở catốt,

16 Khi luyện đồng bằng phương pháp điện phân, người ta đặt một hiệu điện thế V = 10 V vào bể điện phân mắc nối tiếp có điện trở toàn phần R = 0,5 Ôm .Tìm khối lượng đồng nguyên chất bám trên catốt của bể trong thời gian t = 10h emf sự phân cực e = 6 V. Đương lượng điện hóa của đồng.

Dung dịch:

17 Trong quá trình điện phân nước qua bể điện phân một thời gian t = 25 phút hiện tại I \ u003d 20 A. Nhiệt độ là bao nhiêu t khí oxi được giải phóng, nếu nó ở thể tích V = 1 l dưới áp suất p = 0,2 MPa? Khối lượng mol của nước m \ u003d 0,018 kg / mol. Đương lượng điện hóa của oxy.

Dung dịch:

trong đó R \ u003d 8,31 J / (mol K) là hằng số khí.

18 Trong phương pháp điện phân sản xuất nhôm, W được tiêu thụ trên một đơn vị khối lượng 1 m = 50 kWh h / kg điện năng. Quá trình điện phân được thực hiện ở hiệu điện thế V1 = 1 6.2 V. Công suất tiêu thụ W sẽ là bao nhiêu 2m trên một đơn vị khối lượng ở điện áp V2 = 8, 1 V?
Dung dịch:

chất điện giải

Định nghĩa 1

Hiện tượng dòng điện ngăn cách các thành phần hóa học của vật dẫn trong quá trình dòng điện chạy qua được gọi là sự điện phân.

Hiện tượng điện phân có thể không xảy ra ở tất cả các vật dẫn. Trong số các chất dẫn điện không xảy ra hiện tượng điện phân có kim loại, than đá và các hợp chất khác (Đây là những chất dẫn điện thuộc loại đầu tiên). Chất dẫn điện có thể xảy ra hiện tượng điện phân được gọi là chất dẫn điện loại hai hay chất điện phân. Chất điện phân bao gồm một số lượng lớn các dung dịch nước của axit, muối, một số hợp chất lỏng và rắn.

Hiện tượng nhiễm điện thường kèm theo các phản ứng hóa học (phản ứng thứ cấp) không liên quan đến dòng điện chạy qua. Trong quá trình điện phân, kim loại và hiđro luôn được giải phóng ở cực âm (cực âm), và phần còn lại của hợp chất hóa học ở cực dương (cực dương). Các thành phần của chất điện phân chỉ được giải phóng ở các điện cực. Hiện tượng giải phóng các thành phần chất điện phân trên các điện cực trong quá trình dòng điện chạy qua đã được M. Faraday nghiên cứu.

Không nên nhầm lẫn định luật Faraday về sự điện phân với định luật Faraday về cảm ứng điện từ, xét về một mạch điện và các lực trong đó. Định luật này đề cập đến sự phụ thuộc của EMF vào tốc độ thay đổi của từ thông.

Hiện tượng điện phân phản ánh thực tế là các phân tử chất tan trong chất điện phân tồn tại dưới dạng hai phần: ion cùng dấu dương và ion mang dấu âm. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các ion này chuyển động: ion dương về phía cực âm, các ion âm về phía cực dương. Do đó, khi một ion âm đến cực dương, nó nhường điện tích cho điện cực, dẫn đến sự thay đổi điện tích của nó. Do đó, một số electron nhất định đi qua mạch ngoài. Ion trở nên trung hòa và được giải phóng ở cực dương, giống như nguyên tử hoặc phân tử. Một ion dương lấy một số lượng điện tử nhất định từ catốt (càng nhiều càng tốt để trung hòa), tạo ra sự giải phóng nó ở catốt.

Nhận xét 1

Các ion mang dấu điện tích âm nổi bật ở cực dương, chúng được Faraday gọi là anion, và các ion mang điện tích dương được gọi là cation.

Định luật Faraday

Faraday đã thiết lập bằng thực nghiệm hai định luật điện phân cơ bản. Theo định luật thứ nhất, khối lượng của chất $ (m) $ được giải phóng trên một trong các điện cực tỷ lệ thuận với điện tích $ (q) $ đã đi qua bình điện phân:

$ m = Kq \ left (1 \ right), $

trong đó $ K $ là đương lượng điện hóa, khác nhau đối với các chất điện phân khác nhau. $ K $ bằng khối lượng của chất điện phân được giải phóng trong quá trình điện tích $ q = 1Kl $ đi qua. Đơn vị cơ bản để đo hệ số điện hóa là $ \ frac (kg) (C) $.

Ngoài ra, Faraday lưu ý rằng đương lượng điện hóa luôn tỷ lệ với khối lượng mol của chất ($ \ mu $) và tỷ lệ nghịch với hóa trị $ (Z) $. Tỉ số $ \ frac (\ mu) (Z) $ được gọi là đương lượng hoá học của một chất.

Theo định luật thứ hai của Faraday: đương lượng điện hóa tỷ lệ thuận với đương lượng hóa học của chất được chọn:

$ K = \ frac (C \ mu) (Z) = \ frac (\ mu) (FZ) \ left (2 \ right), $, trong đó:

• $ C = \ frac (1) (F) $ - giá trị không đổi cho tất cả các chất,
• $ F $ - hằng số Faraday.

Định luật điện phân thứ nhất và thứ hai của Faraday thường được biểu thị bằng cùng một công thức, đó là:

$ m = \ frac (\ mu) (Z) \ frac (q) (F) \ left (3 \ right). $

Thực nghiệm người ta thu được rằng trong SI $ F = 9,65 (\ cdot 10) ^ 4 \ frac (C) (mol) $ là một hằng số vật lý cơ bản phản ánh tỷ lệ giữa các tính chất điện hóa và vật lý của một chất. Và được biết rằng:

$ F = q_eN_A \ left (4 \ right), $ trong đó:

• $ q_e $ - điện tích electron,
• $ N_A $ - hằng số Avogadro.

Định luật Faraday có thể được giải thích về độ dẫn ion. Giả sử rằng số ion thoát ra trên một trong các điện cực trong quá trình điện phân bằng $ \ nu $, điện tích của một trong các ion bằng $ q_1 $. Do đó, tổng điện tích truyền qua bình điện phân chịu tác dụng của điện trường ngoài bằng:

$ q = q_1 \ nu \ left (5 \ right). $

Gọi khối lượng của một ion bằng $ m_1 $ thì khối lượng của chất thoát ra trên điện cực bằng:

$ m = m_1 \ nu \ left (6 \ right). $

Express từ (5) $ \ nu $, chúng tôi nhận được:

$ \ nu = \ frac (q) (q_1) \ left (7 \ right). $

Thay (7) thành (6), ta có:

$ m = \ frac (m_1) (q_1) q \ left (8 \ right). $

Biểu thức (8) không là gì ngoài định luật đầu tiên của Faraday, trong đó:

$ K = \ frac (m_1) (q_1) = \ frac (m_1N_A) (q_1N_A) = \ frac (\ mu) (q_1N_A) \ left (9 \ right). $

Hãy so sánh biểu thức (2) và (9), chúng ta nhận được rằng:

$ q_1 = \ frac (ZF) (N_A) \ left (10 \ right). $

Trong biểu thức (10), chúng ta thu được rằng điện tích của một ion trong chất điện phân tỷ lệ với hóa trị của chất $ (Z) $. Kết quả này cho thấy điện tích của các ion là bội số của nhau. Các ion của đơn chất có điện tích cực tiểu bằng điện tích của êlectron.

ví dụ 1

Tập thể dục: Tìm tốc độ $ v $ mà lớp chất là vật dẫn loại thứ hai tăng trên bề mặt phẳng của điện cực trong quá trình điện phân với dòng điện có mật độ bằng $ j $ chạy qua. Giả sử rằng chất điện phân có hóa trị bằng $ Z $, khối lượng riêng $ \ rho, \ mol \ khối lượng \ \ mu. $

Dung dịch:

Để làm cơ sở cho việc giải quyết vấn đề, chúng tôi áp dụng định luật Faraday kết hợp:

$ m = \ frac (\ mu) (Z) \ frac (q) (F) \ left (1.1 \ right), $

trong đó $ q = It $, $ I $ là cường độ dòng điện chạy qua chất điện phân, $ t $ là thời gian dòng điện chạy qua. Nếu chúng ta giả sử rằng quá trình lắng đọng niken diễn ra đồng đều trên bề mặt kim loại, thì khối lượng của chất kết tủa có thể được viết là:

$ m = \ rho Sh \ \ left (1.2 \ right), $

trong đó $ \ rho $ là mật độ niken, $ S $ là diện tích bề mặt kim loại, $ h $ là độ dày lớp niken. Cường độ của dòng điện, chúng ta thể hiện qua mật độ của nó:

$ I = jS \ left (1.3 \ right). $

Thay thế trong biểu thức (1.1) cường độ dòng điện từ (1.3) và khối lượng từ (1.2), chúng ta nhận được:

$ \ rho Sh = \ frac (\ mu) (Z) \ frac (jSt) (F) \ to \ rho h = \ frac (\ mu) (Z) \ frac (jt) (F) \ left (1.4 \ đúng). $

Nếu mật độ dòng điện không đổi, thì tốc độ ($ v = \ frac (h) (t) $) của sự gia tăng lớp niken cũng không đổi. Chia cả hai phần của biểu thức (1.4) theo thời gian, ta có:

$ \ rho \ frac (h) (t) = \ frac (\ mu) (Z) \ frac (j) (F) \ to v = \ frac (\ mu) (Z) \ frac (j) (\ rho F). $

Trả lời: $ v = \ frac (\ mu) (Z) \ frac (j) (\ rho F). $

Ví dụ 2

Tập thể dục: Dòng điện có cường độ $ I $ chạy qua dung dịch điện phân trong thời gian $ t $. Lượng chất $ (\ nu) $ sẽ được giải phóng trên catot là bao nhiêu, số nguyên tử $ (N) $ của chất trong trường hợp này là bao nhiêu, nếu kim loại có hoá trị $ Z $.

Dung dịch:

Chúng ta hãy lấy định luật Faraday kết hợp làm cơ sở để giải quyết vấn đề:

$ m = \ frac (\ mu) (Z) \ frac (q) (F) \ left (2.1 \ right), $

trong đó $ q = It $, $ I $ là cường độ dòng điện chạy qua chất điện phân, $ t $ là thời gian dòng điện chạy qua. Đồng thời, chúng tôi biết rằng:

$ \ nu = \ frac (m) (\ mu) \ left (2.2 \ right). $

Chia phần bên phải và bên trái của biểu thức (2.1) cho khối lượng mol ($ \ mu $) của chất điện phân, ta được:

$ \ nu = \ frac (1) (Z) \ frac (q) (F) = \ frac (Nó) (ZF) \ left (2.3 \ right), $

trong đó $ q = It. $ Số nguyên tử kết tủa được tìm thấy theo công thức:

$ N = \ nu \ cdot N_A = \ frac (Nó) (ZF) N_A. $

Trả lời: $ \ nu = \ frac (Nó) (ZF), \ N = \ frac (Nó) (ZF) N_A. $

Dòng điện đi qua các dung dịch điện phân góp phần phân hủy các chất và tạo ra vật liệu tinh khiết về mặt hóa học. Quá trình này được gọi là điện phân, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Sự biến đổi vật lý của các vật dẫn trong chất lỏng giải thích định luật Faraday cho sự điện phân, trên cơ sở đó cực dương đóng vai trò là điện cực dương và cực âm đóng vai trò là điện cực âm.

Với sự trợ giúp của hiện tượng này, không chỉ việc làm sạch kim loại khỏi các tạp chất được thực hiện, mà còn thực hiện việc áp dụng các lớp phủ mỏng để bảo vệ và trang trí bề mặt kim loại được thực hiện.

Thực chất của quá trình điện phân

Sự điện phân là quá trình phản ứng oxy hóa khử xảy ra dưới tác dụng cưỡng bức của dòng điện. Để thực hiện, một thùng chứa đặc biệt với dung dịch điện phân được sử dụng, nơi các chân kim loại kết nối với nguồn điện bên ngoài được nhúng vào.

Điện cực nối với cực có giá trị âm của nguồn dòng điện được coi là cực âm. Chính tại nơi này, các hạt điện phân được phục hồi. Điện cực còn lại được nối với cực dương và được gọi là cực dương. Trong khu vực này, vật liệu điện cực hoặc các hạt điện phân bị oxy hóa. Các phản ứng hóa học trong lĩnh vực này xảy ra theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu làm anốt và thành phần của dung dịch điện phân. Vì vậy, theo hóa học, các điện cực liên quan đến chất điện ly có thể trơ hoặc hòa tan.

Loại trơ bao gồm các cực dương được làm bằng vật liệu không bị ôxy hóa trong quá trình điện phân. Một ví dụ là điện cực than chì hoặc bạch kim. Hầu hết tất cả các loại cực dương kim loại khác bị oxi hóa trong phản ứng điện phân đều có thể hòa tan.

Chất điện phân thường là những dạng dung dịch khác nhau hoặc nóng chảy, bên trong có sự chuyển động hỗn loạn của các hạt mang điện - ion. Khi có dòng điện tác động lên chúng, chúng bắt đầu chuyển động theo một hướng nhất định: các cation - tới cực âm, anion - tới cực dương. Khi chạm vào các điện cực, chúng sẽ mất điện tích và đọng lại trên chúng.

Như vậy, trên cực âm và cực dương có sự tích tụ của cái gọi là tổng sản phẩm, bao gồm các chất trung hòa về điện. Toàn bộ quá trình điện phân được thực hiện dưới hiệu điện thế đặt vào các điện cực. Điện áp U el-for này là một ví dụ điển hình cần thiết để đảm bảo quá trình bình thường của các phản ứng điện phân. Về mặt lý thuyết, hiệu điện thế này có dạng công thức: U el-za \ u003d E a - E k, trong đó E a và E k là điện thế của các phản ứng hóa học xảy ra ở cực dương và cực âm.

Có một mối quan hệ xác định giữa điện lượng chạy qua dung dịch và lượng chất thoát ra trong quá trình phản ứng điện phân. Hiện tượng này được nhà vật lý người Anh Faraday mô tả và đóng khung dưới dạng hai định luật.

Định luật đầu tiên của Faraday

Định luật này được các nhà khoa học rút ra bằng thực nghiệm. Nó xác định mối quan hệ tỉ lệ giữa khối lượng của chất tạo thành trên điện cực và điện tích đi qua dung dịch điện phân.

Tỷ lệ này được hiển thị trực quan bằng công thức m = k x Q = k x I x t, trong đó k là hệ số tỷ lệ hoặc đương lượng điện hóa, Q là điện tích đã đi qua chất điện phân, t là thời gian truyền điện tích, m là khối lượng của chất tạo thành trên điện cực là kết quả của các phản ứng.

Định luật đầu tiên của Faraday được sử dụng để xác định lượng sản phẩm sơ cấp được tạo thành trong quá trình điện phân trên các điện cực. Khối lượng của chất này là tổng khối lượng của tất cả các ion đã rơi trên điện cực. Điều này được khẳng định bởi công thức m = m0 x N = m0 x Qq0 = m0q0 x I x t, trong đó m0 và q0 lần lượt là khối lượng và điện tích của một ion đơn lẻ. N = Qq0 - xác định số ion đập vào điện cực trong quá trình điện tích Q đi qua dung dịch điện phân.

Do đó, giá trị của đương lượng điện hóa k là tỷ số giữa khối lượng m0 của ion của chất đã dùng và điện tích q0 của ion này. Biết rằng giá trị của điện tích của một ion là tích của hóa trị n của chất này và điện tích cơ bản e, tức là, q0 = n x e. Dựa vào đó, đương lượng điện hóa của k sẽ có dạng như sau: k = m0q0 = m0 x NAn x e x NA = 1F x μn. Trong công thức này, NA là hằng số Avogadro, μ là khối lượng mol của chất đã cho. F \ u003d e x NA là hằng số Faraday và là 96485 C / mol.

Trị số của đại lượng này bằng điện tích phải đi qua dung dịch sau điện phân để 1 mol chất có cùng hóa trị thoát ra trên điện cực. Định luật Faraday được coi là điện phân sẽ có dạng một công thức khác: m = 1F x μn x I x t.

Định luật thứ hai của Faraday

Định luật sau đây của nhà khoa học Faraday mô tả cách thức tương đương điện hóa sẽ phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử của chất và hóa trị của nó. Hệ số này sẽ tỷ lệ thuận với khối lượng nguyên tử và tỷ lệ nghịch với hóa trị của chất. Với việc đưa ra giá trị này, định luật thứ hai của Faraday được xây dựng dưới dạng tỷ lệ của đương lượng điện hóa của một chất và đương lượng hóa học nội tại của những chất này.

Nếu các giá trị của đương lượng điện hóa được lấy là k1, k2, k3… kn và đương lượng hóa học được lấy là x1, x2, x3… xn thì k1 / x1 = k2 / x2 = k3 / x3… kn / xn. Tỷ lệ này là một giá trị không đổi, giống nhau đối với bất kỳ chất nào được sử dụng: c = k / x và là 0,01036 meq / k. Đó là lượng chất tương đương miligam này được giải phóng trên các điện cực trong khoảng thời gian chuyển động của một điện tích trong chất điện phân bằng một mặt dây chuyền.

Do đó, định luật thứ hai của Faraday có thể được biểu diễn dưới dạng công thức: k = cx. Nếu biểu thức này được sử dụng cùng với định luật đầu tiên của Faraday, kết quả sẽ là biểu thức sau: m = kq = cxq = cxlt. Ở đây, loại c là một hằng số phổ quát, với số lượng là 0,00001036 g-eq / k. Công thức như vậy có thể hiểu rằng các dòng điện giống nhau, đi qua cùng một khoảng thời gian trong hai chất điện phân khác nhau, sẽ giải phóng các chất từ ​​chúng tuân theo đương lượng hóa học được coi là.

Vì x = A / n nên khối lượng của chất được giải phóng sẽ có dạng m = cA / nlt, tỉ lệ thuận với khối lượng nguyên tử và tỉ lệ nghịch với hoá trị.

Điện có khả năng tạo ra từ trường. Năm 1831, M. Faraday đưa ra khái niệm cảm ứng điện từ. Anh ta đã có thể nhận được điện trong một hệ thống dây dẫn kín, xuất hiện khi từ thông thay đổi. Công thức của định luật Faraday đã thúc đẩy sự phát triển của điện động lực học.

Lịch sử phát triển

Sau sự chứng minh định luật cảm ứng điện từ của nhà khoa học người Anh M. Faraday, các nhà khoa học Nga E. Lenz và B. Jacobi đã nghiên cứu về khám phá này. Nhờ công việc của họ, ngày nay nguyên tắc được phát triển là cơ sở cho hoạt động của nhiều thiết bị và cơ chế.

Các đơn vị chính trong đó định luật cảm ứng điện từ Faraday được áp dụng là động cơ, máy biến áp và nhiều thiết bị khác.

Cảm ứng điện từ được gọi là cảm ứng trong một hệ thống dẫn kín của dòng điện. Hiện tượng như vậy có thể xảy ra trong quá trình chuyển động vật chất qua hệ thống dây dẫn của từ trường. Hoạt động cơ học kéo theo sự xuất hiện của dòng điện. Nó được gọi là cảm ứng. Trước khi phát hiện ra định luật Faraday, nhân loại chưa biết về những cách khác để tạo ra điện, ngoại trừ phương pháp mạ điện.

Nếu một từ trường đi qua vật dẫn, một cảm ứng sẽ xuất hiện trong nó. Nó còn được gọi là sức điện động. Với sự trợ giúp của khám phá này, có thể định lượng chất chỉ thị.

Bằng chứng thực nghiệm

Tiến hành nghiên cứu của mình, nhà khoa học người Anh nhận thấy rằng dòng điện cảm ứng có được theo một trong hai cách. Trong thí nghiệm thứ nhất, nó xuất hiện khi khung chuyển động trong từ trường tạo bởi một cuộn dây cố định. Phương pháp thứ hai giả định một vị trí cố định của khung. Trong thí nghiệm này, chỉ có trường của cuộn dây thay đổi khi nó chuyển động hoặc dòng điện trong nó thay đổi.

Các thí nghiệm của Faraday đã đưa nhà nghiên cứu đến kết luận rằng khi một dòng điện cảm ứng được tạo ra, nó được kích thích bởi sự tăng hoặc giảm từ thông trong hệ thống. Ngoài ra, các thí nghiệm của Faraday có thể khẳng định rằng giá trị của điện năng thu được theo kinh nghiệm không phụ thuộc vào phương pháp luận mà thông lượng của cảm ứng từ bị thay đổi. Chỉ báo này chỉ bị ảnh hưởng bởi tốc độ thay đổi như vậy.

biểu thức định lượng

Để thiết lập giá trị định lượng của hiện tượng cảm ứng điện từ cho phép định luật Faraday. Nó nói rằng EMF, được xác định trong hệ thống, thay đổi giá trị của nó tương ứng với tốc độ của dòng chảy trong dây dẫn. Công thức sẽ như thế này:

Dấu hiệu tiêu cực chỉ ra rằng EMF ngăn cản sự xuất hiện của những thay đổi trong mạch. Để giải quyết một số vấn đề, một dấu âm không được đưa vào công thức. Trong trường hợp này, kết quả được viết dưới dạng mô đun.

Hệ thống có thể bao gồm một số lượt. Số của chúng được biểu thị bằng chữ cái Latinh N. Tất cả các phần tử của mạch đều bị xuyên qua bởi một từ thông duy nhất. Emf cảm ứng sẽ được tính như sau:

Một ví dụ rõ ràng về việc tạo lại điện trong một dây dẫn là một cuộn dây mà qua đó nam châm vĩnh cửu chuyển động.

Công việc của E. Lenz

Chiều của dòng điện cảm ứng có thể xác định quy tắc Lenz. Từ ngữ ngắn gọn nghe có vẻ đơn giản. Dòng điện xuất hiện khi các chỉ số trường của mạch dẫn thay đổi, do từ trường của nó, ngăn cản sự thay đổi đó.

Nếu dần dần đưa một nam châm vào trong cuộn dây thì mức độ từ thông trong nó tăng lên. Theo quy luật Lenz, từ trường sẽ có hướng ngược với chiều tăng của nam châm. Để hiểu hướng này, bạn cần nhìn vào nam châm từ phía bắc. Từ đây, gimlet sẽ được vặn về phía cực bắc. Dòng điện sẽ chuyển động theo chiều kim đồng hồ.

Nếu tách nam châm ra khỏi hệ thống, từ thông trong nó sẽ giảm. Để thiết lập hướng của dòng điện, gimlet không được vặn. Vòng quay sẽ được hướng theo hướng ngược lại với chiều chuyển động trên kim đồng hồ.

Các công thức của Lenz trở nên vô cùng quan trọng đối với một hệ thống có vòng lặp khép kín và không có lực cản. Nó thường được gọi là đường bao lý tưởng. Theo quy tắc Lenz, không thể tăng hoặc giảm từ thông trong nó.

Khái niệm tự cảm ứng

Sự tạo ra cảm ứng trong một hệ thống lý tưởng, xảy ra khi dòng điện giảm hoặc tăng lên trong vật dẫn, được gọi là hiện tượng tự cảm ứng.

Định luật Faraday cho hiện tượng tự cảm ứng được biểu thị bằng đẳng thức, khi không có thay đổi nào khác xảy ra khi điện năng thay đổi:

trong đó e là EMF, L là độ tự cảm của cuộn dây kín, ΔI / Δt là tốc độ dòng điện xảy ra thay đổi.

Điện cảm

Tỷ số thể hiện tỷ lệ giữa các phạm trù như cường độ dòng điện trong hệ thống dẫn điện và từ thông được gọi là độ tự cảm. Bộ chỉ thị bị ảnh hưởng bởi kích thước vật lý của cuộn dây và đặc tính từ của môi trường. Mối quan hệ được mô tả bằng công thức:

Điện chuyển động trong mạch làm xuất hiện từ trường. Nó thấm vào xe của chính nó và hút dòng điện của nó qua mạch. Hơn nữa, dòng chảy riêng của nó tỷ lệ với điện năng tạo ra nó:

Giá trị điện cảm cũng được hình thành từ định luật Faraday.

Hệ thống cố định

Lực Lorentz giải thích sự xuất hiện của EMF khi hệ thống chuyển động trong một trường có giá trị không đổi. EMF cảm ứng có khả năng xảy ra ngay cả với một hệ thống dẫn điện đứng yên trong từ trường xoay chiều. Lực Lorentz trong một ví dụ như vậy không thể giải thích sự xuất hiện của EMF cảm ứng.

Maxwell đề xuất sử dụng một phương trình đặc biệt cho các hệ thống dẫn điện kiểu cố định. Nó giải thích sự xuất hiện của EMF trong các hệ thống như vậy. Nguyên tắc chính của định luật Faraday-Maxwell là trường xoay chiều tạo thành điện trường trong không gian xung quanh nó. Nó hoạt động như một yếu tố kích thích sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong một hệ thống bất động. Di chuyển một vectơ (E) dọc theo mạch đứng yên (L) là một EMF:

Khi có dòng điện xoay chiều, định luật Faraday được đưa vào phương trình Maxwell. Hơn nữa, chúng có thể được biểu diễn cả dưới dạng vi phân và dưới dạng tích phân.

Kỷ yếu trong lĩnh vực điện phân

Khi sử dụng định luật Faraday, các quy luật tồn tại trong quá trình điện phân được mô tả. Quá trình này bao gồm sự biến đổi của các chất với các đặc điểm khác nhau. Điều này xảy ra khi dòng điện di chuyển qua chất điện phân.

Những mẫu này đã được M. Faraday chứng minh vào năm 1834. Phát biểu đầu tiên nói rằng khối lượng của chất được tạo thành trên điện cực thay đổi theo điện tích di chuyển qua chất điện phân.

Tuyên bố thứ hai nói rằng đương lượng của các thành phần có các đặc tính khác nhau tỷ lệ với đương lượng hóa học của các thành phần này.

Cả hai câu đã trình bày được kết hợp thành định luật Faraday kết hợp. Từ đó cho rằng số Faraday sẽ bằng điện năng giải phóng 1 mol chất trên bình điện phân. Nó được tính trên một đơn vị hóa trị. Chính bằng công thức kết hợp mà người ta đã tính được điện tích electron vào năm 1874.

Các định luật điện phân do Faraday thiết lập đã được thử nghiệm ở các giá trị khác nhau của dòng điện, nhiệt độ, áp suất, cũng như với sự phóng thích đồng thời của hai hoặc nhiều chất. Quá trình điện phân cũng được thực hiện trong các chất tan chảy và dung môi khác nhau. Nồng độ chất điện phân cũng khác nhau trong các thí nghiệm khác nhau. Đồng thời, đôi khi quan sát thấy những sai lệch nhỏ so với định luật Faraday. Chúng được giải thích bằng độ dẫn điện tử của chất điện phân, được xác định ngang bằng với độ dẫn ion.

Những khám phá của nhà vật lý người Anh M. Faraday đã giúp nó có thể mô tả nhiều hiện tượng. Các định luật của ông là cơ sở của điện động lực học hiện đại. Theo nguyên tắc này, các thiết bị hiện đại khác nhau hoạt động.