Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
У 1832—1833 рр. Майкл Фарадей повідомив про експериментальне відкриття ним основних законів електролізу. Вони формулюються так:
1. Маса речовини, що утворюється при електролізі в результаті катодної або анодної реакції, пропорційна кількості електрики, яка пройшла через електролітичну комірку.
2. Маси різних речовин, що утворюються при пропусканні однієї й тієї самої кількості електрики, пропорційні еквівалентним масам цих речовин.
Як тепер відомо, ці закони є відображенням того факту, що електрика складається з окремих частинок — електронів. Кількість електрики можна виразити числом електронів; число молекул речовини, що утворилася при електродній реакції, досить просто пов'язане з числом електронів, які брали участь у реакції; отже, кількість утвореної речовини пропорційна кількості електрики; при цьому має враховуватися молекулярна маса або хімічна еквівалентна маса речовини.
Кількості речовини, які одержують при пропусканні певної кількості електрики, можна розрахувати, якщо відомі електродні реакції. Величина заряду одного моля електронів становить 96 490 кулонів (Кл). Ця кількість електрики називається фарадеєм
1F = 1 фарадей = 96 490 кулонів.
Зазвичай прийнято визначати фарадей як саме таку кількість позитивної електрики. Кількісний розрахунок електрохімічних реакцій виконують точно так само, як і розрахунок співвідношень мас у звичайних хімічних реакціях, причому фарадей становить один моль електронів.
Приклад 11.3.
Протягом якого часу струм силою 10 А має проходити через електролітичну комірку, що містить розплавлений натрій хлорид, щоб на катоді утворилося 23 г металевого натрію? Яка кількість хлору виділиться при цьому на аноді?
Розв'язання. На катоді відбувається реакція
Na+ + e → Na
Звідси випливає, що при проходженні через електролітичну комірку 1 моля електронів утворюватиметься 1 моль атомів Натрію. Один моль електронів становить 1 фарадей, а 1 моль атомів Натрію становить 1 г-атом Натрію, тобто 23,00 г. Таким чином, необхідна кількість електрики дорівнює 96 490 Кл. Один кулон дорівнює 1 А·с. Отже, 96 490 Кл електрики пройде через електролітичну комірку в тому разі, якщо струм силою 10 А проходитиме протягом 9649 с. Значить, відповіддю буде 9649 с.
На аноді відбувається реакція
2Cl- → Cl2 + 2e
Щоб утворився 1 моль молекулярного хлору Cl2, через електролітичну комірку мають пройти 2 фарадеї. При проходженні 1 фарадея виділиться 0,5 моля Cl2, або 1 г-атом Хлору, що становить 35,46 г. Зверніть увагу на те, що для одержання одного моля молекулярного хлору необхідно два молі електронів.
Приклад 11.4.
Через дві послідовно з'єднані електролітичні комірки пропускають електричний струм. Комірка А містить водний розчин аргентум сульфату й має платинові електроди (що не беруть участі в реакції). Комірка Б містить розчин купрум(II) сульфату й має мідні електроди. Струм пропускали доти, доки на аноді (комірка А) не виділилося 1,6 г кисню. Що відбулося на інших електродах? (Див. рис. 11.3.)
Розв'язання. На аноді комірки А відбувається реакція
2H2O → O2 (г.) + 4H+ + 4e
Звідси випливає, що при проходженні 4 фарадеїв електрики виділяється 32 г кисню, а при проходженні 0,2 фарадея виділиться 1,6 г кисню.
На катоді комірки А відбувається реакція
Ag+ + e → Ag(кр.)
1 г-атом Аргентуму, тобто 107,880 г, відкладеться при проходженні 1 фарадея, а проходження 0,2 фарадея через комірку приведе, отже, до відкладання на платиновому катоді 21,576 г срібла.
На катоді комірки Б відбувається реакція
Cu2+ + 2e → Cu (кр.)
Один грам-атом Купруму (63,57 г) відкладеться на катоді при проходженні 2 фарадеїв електрики, а 6,357 г — при проходженні 0,2 фарадея.
Така сама кількість міді, 6,357 г, розчиниться на аноді комірки Б, бо через анод пройде така сама кількість електронів, як і через катод. На аноді відбувається реакція
Cu (кр.) → Cu2+ + 2e
Зверніть увагу на те, що загальна різниця потенціалів, яку створює генератор або акумулятор (що дорівнює 10 В), розподіляється між двома послідовно ввімкненими комірками, причому, як показано, розподіл не повинен бути рівним, а має визначатися властивостями обох комірок.
Рис. 11.3. Дві послідовно з'єднані електролітичні комірки.