VIII.7.2. Legile electrolizei.

Legile electrolizei (legile lui Faraday) sunt descrieri cantitative ale electrolizei și au fost publicate de către Michael Faraday în 1834.

Legea I a electrolizei:

Masa de substanță (m) separată la electrozi este proporțională cu sarcina electrică (Q) transportată.

m = K ∙ Q = K ∙ I ∙ t

m = masa de substanță separată la electrozi
K = echivalent electrochimic = masa de substanță separată la electroliză când prin soluție trece o sarcină electrică de 1 coulomb (1 C).

I = intensitatea curentului electric
t = timpul în care are loc electroliza
Q = I ∙ t

Pentru a explica legea a doua a electrolizei, trebuie să reamintim definiţia echivalentului chimic (echivalentului gram) al unei substanţe:

Cantitatea dintr-un element, exprimată în grame, care cedează, acceptă sau pune în comun numărul lui Avogadro (N_A = 6,023·10²³) de electroni reprezintă echivalentul gram al unui element.

Prin electroliză, un echivalent gram dintr-un element este depus la electrozi prin cedarea la anod sau prin acceptarea la catod a N_A de electroni.

Pentru a obţine la electrod un echivalent gram dintr-un element trebuie să se cedeze la anod sau să se accepte la catod 6,023·10²³ electroni, adică un mol de electroni.

S-a constatat experimental că pentru depunerea unui echivalent-gram (E_g) din orice element se consumă o sarcină constantă de aproximativ 96500 C, sarcină numită Faraday și notată cu F.

F = 96500 C/mol = constanta lui Faraday

Constanta lui Faraday reprezintă valoarea absolută a sarcinii electrice a unui mol de electroni. Am notat cu q_ē sarcina unui electron în modul.

F = N_A · q_ē

Astfel s-a putut determina numărul lui Avogadro :

🔦 Observație

Sarcina electrică de 1F (96500 C) determină obţinerea unui echivalent gram E(g) de substanţă elementară, iar sarcina electrică de 1 C determină obţinerea unui echivalent electrochimic K de substanţă elementară.

Legea a II-a a electrolizei :

Masele de substanțe separate la electrozi sunt proporționale cu echivalenții lor chimici, atunci când prin soluție trece aceeași sarcină electrică.

Faraday a efectuat următorul experiment: prin trei celule electrolitice legate în serie care conțin soluțiile de AgNO₃, CuSO₄ și FeCl₃ a trecut aceeași sarcină electrică, un anumit timp. A constatat că masele metalelor depuse (Ag, Cu și Fe) se află în aceleași rapoarte cu echivalenții chimici ai acestor elemente.

Legile lui Faraday pot fi restrânse la forma:

🔦 Observație

Un atom-gram dintr-un element conține N_A (numărul lui Avogadro = 6,023 ∙ 10²³) atomi.

🔓 Probleme rezolvate

1. Calculează echivalentul chimic pentru:
a) Al
b) Mg

Rezolvare:

a)

Aplicăm formula echivalentului chimic (exprimat în g)

b)

Aplicăm formula echivalentului chimic (exprimat în g)

2. Determină câți faraday trec printr-o soluție de CuSO₄ pentru a obține 160 g de Cu.

Rezolvare:

Determinăm echivalentul chimic (exprimat în g) al Cu:

Pentru a depune o masă de Cu egală cu echivalentul lui chimic (de 32 g) este necesar 1 faraday. Pentru a obține câți faraday trec printr-o soluție de CuSO₄, împărțim masa de Cu depusă la electroliză la echivalentul chimic al Cu:

3. Prin două celule electrolitice legate în serie, care conțin soluțiile de AgNO₃ și CuCl₂, a trecut aceeași sarcină electrică, un anumit timp. Calculează masa de Ag depusă în celula cu soluție de AgNO₃, știind că în celula cu soluție de CuCl₂ s-a depus o masă de 100 g Cu.

Rezolvare :

Masele metalelor depuse (Ag și Cu) se află în aceleași rapoarte cu echivalenții chimici ai acestor elemente.

Calculăm echivalenții chimici ai Ag și Cu:

4. Determină sarcina electrică maximă ce trece printr-un acumulator de plumb, fără reîncarcarea sa, ce conține la anod 200 g Pb. Care este timpul de funcționare al bateriei ?

Rezolvare:

Aplicăm legea lui Faraday:

Pentru a afla timpul (t) de funcționare al bateriei, considerăm I = constantă = 1 A.

Folosind ca unitate de măsură pentru sarcina electrică amper · oră avem :
1 A · h = 1A · 3600s = 3600 A· s = 3600 C

5. Cât este randamentul de curent al electrolizei unei topituri de clorură de calciu, știind că masa teoretică a Ca este de 40 g și masa practică este de 30 g Ca depus la catod.

Rezolvare:

În practică, o parte din energia electrică furnizată celulei electrolitice se pierde (sub formă de căldură, în reacții secundare). Din acest motiv masa practică (m_p) depusă la electrozi este mai mică decât masa teoretică (m_t), calculată cu legea lui Faraday.

Randamentul de curent (η) se calculează cu următoarea formulă:

În funcție de datele problemei aplicăm formula randamentului: