Chemija · Pamoka

Elektrolizė, krūvis ir medžiagos kiekis

Elektrinį krūvį perskaičiuokite į elektronų medžiagos kiekį ir nurodyto produkto medžiagos kiekį. Atsižvelkite į reakcijos stechiometriją, terpę, srovės kitimą ir norimo produkto gavimo efektyvumą.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Naudoti krūvį, Faradėjaus konstantą ir elektronų stechiometriją, taikant suderintus matavimo vienetus.
Apskaičiuoti pasirinkto produkto išeigą pagal nurodytą srovės išeigos modelį.
Atskirti grįžtamojo proceso termodinaminį įtampos reikalavimą nuo praktinės įtampos ir energinio efektyvumo.

Išorinis šaltinis varo reakciją nurodyta kryptimi

Elektrolizėje išorinis elektros šaltinis naudojamas reakcijai vykti nurodyta kryptimi. Oksidacija ir toliau vyksta anode, o redukcija – katode. Įprastos elektrolizės metu anodas yra teigiamas, o katodas – neigiamas, priešingai nei ankstesniame galvaninio elemento iškrovos modelyje.

Būtina darbinė įtampa esant baigtinei srovei gali apimti ne tik grįžtamojo proceso termodinaminį reikalavimą, bet ir kinetinius viršįtampius bei ominius nuostolius. Reakcijos produktai taip pat priklauso nuo terpės ir konkuruojančių procesų. Formalus medžiagos kiekių ryšys Al(III) + 3e⁻ → Al nėra teiginys, kad aliuminis nusėda iš įprasto vandeninio Al³⁺ tirpalo.

Krūvis pirmiausia nusako elektronų, paskui – produkto kiekį

Kai per laiką t teka pastovi srovė I, elektrinis krūvis q_el = It, o ampersekundės yra lygios kulonams. Kai srovė kinta, naudokite q_el = ∫I(t)dt arba susumuokite atskirų laiko intervalų krūvius. Apatinis indeksas atskiria šį elektrinį krūvį nuo aktyvumų santykio Q.

Elektronų medžiagos kiekis yra n(e⁻) = q_el/F. Jei nurodytoje elektrodo reakcijoje vienai produkto dalelei susidaryti reikia z elektronų, idealus produkto medžiagos kiekis yra q_el/(zF). Reakcijos Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu atveju dalykite iš 2. Šiame paprastame išeigos modelyje daroma prielaida, kad nefaradėjinis įkrovimas yra nereikšmingas, reagentų tiekimas pakankamas, o produktas išsaugomas.

Srovės dalies priskyrimas norimam produktui

Originaliame suderinamame vario nusodinimo modelyje naudojamas pastovus srovės stipris I = 2.00 A, tekėjimo trukmė 30.0 min = 1.80 × 10³ s ir duota molinė masė M_Cu = 63.546 g mol⁻¹. Bendrasis krūvis yra 3.60 × 10³ C, todėl idealioji vario masė yra apie 1.19 g. Originaliame grafike parodyta masės priklausomybė nuo perduoto krūvio pagal šią reakciją.

Šiame paprastame vienakrypčio nusodinimo modelyje pastovi norimo produkto susidarymui tenkanti srovės dalis η = 0.800 reiškia, kad variui susidaryti tenka tik 80.0% bendrojo krūvio. Tuomet pagal m = ηq_elM_Cu/(2F), esant tam pačiam krūviui, gaunama apie 0.948 g. Ši srovės dalis nėra elektros energijos naudojimo naudingumo koeficientas, o vėlesniam produkto tirpimui įvertinti reikėtų platesnio balanso.

Krūvis, elektronų stechiometrija ir srovės paskirstymas lemia modelinę išeigą

Apskaičiuota vario masė / g

Elektros krūvis q_el / C

Idealioji tikslinės reakcijos dalis 1
Tikslinio produkto dalis 0.800
— Idealusis atvejis: m = q_elM_Cu/(2F)

Pagrindą sudarantys duomenys

Elektros krūvis q_el / C	Apskaičiuota vario masė / g
0	0 · Idealioji tikslinės reakcijos dalis 1
1800	0.5927470916191525 · Idealioji tikslinės reakcijos dalis 1
3600	1.185494183238305 · Idealioji tikslinės reakcijos dalis 1
0	0 · Tikslinio produkto dalis 0.800
1800	0.47419767329532203 · Tikslinio produkto dalis 0.800
3600	0.9483953465906441 · Tikslinio produkto dalis 0.800

Originalus suderinamas Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu modelis su pateikta M_Cu=63.546 g mol⁻¹ ir iš SI išvesta F. Daroma prielaida, kad jonų pakanka, nuosėdos išlaikomos, o nefaradėjinis krūvis yra nereikšmingas. Žymekliais lyginama η=1 ir pastovi tiksliniam produktui tenkanti srovės dalis η=0.800; brūkšninė linija vaizduoja tik idealųjį ryšį. Eksperimentinis nusodinimo greitis ir energinis efektyvumas nepateikti.

Faktinio srovės stiprio integravimas

Atskirame hipotetiniame laiko intervalų modelyje 1.00 A srovei tekant 10.0 min, o po to 2.00 A srovei tekant 10.0 min, gaunama q_el = 1.00 × 600 + 2.00 × 600 = 1.80 × 10³ C. Taikant galutinį srovės stiprį visam laiko intervalui, būtų klaidingai gauta 2.40 × 10³ C.

Kai nurodyta nusodinto produkto masė, o srovės stipris ir srovės išeiga yra pastovūs, laiką apskaičiuokite pagal t = mzF/(ηIM). Pagal šį modelį mažesnė pasirinkto produkto srovės išeiga padidina reikiamą bendrąjį krūvį ir laiką. Tačiau vien ji neleidžia kiekybiškai įvertinti elektros energijos, kuri taip pat priklauso nuo įtampos proceso metu.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pasirinktos vario išeigos skaičiavimas pagal srovę ir laiką

Naudokite nurodytas vertes I=2.00 A, t=30.0 min, M_Cu=63.546 g mol⁻¹ ir Cu²⁺+2e⁻→Cu modelį. Palyginkite idealiąją išeigą su išeiga, kai norimo produkto susidarymui tenkanti srovės dalis yra pastovi: η=0.800.

Išreikškite laiką sekundėmis: 1800 s; q_el = 2.00 × 1800 = 3600 C.
n(e⁻) = q_el/F ≈ 0.0373114 mol.
Nesuapvalintą elektronų medžiagos kiekį padalykite iš 2, kad gautumėte vario medžiagos kiekį.
Padauginkite iš duotos M_Cu vertės, kad gautumėte idealiąją masę ≈ 1.18549 g.
Pritaikykite norimam produktui tenkančią srovės dalį: 0.800 × 1.18549 ≈ 0.948395 g.

Ideali išeiga ≈ 1.19 g Cu; pasirinkta išeiga ≈ 0.948 g pagal nurodytą 80.0% srovės dalies modelį.

Pabandykite patys

Pagal suderinamą Cu²⁺ nusodinimo modelį prateka 1.80 × 10³ C krūvis, visa srovė panaudojama išliekančioms vario nuosėdoms susidaryti, o nefaradėjinis krūvis yra nepaisomai mažas. Naudokite F = 96485.332 C mol⁻¹ ir M(Cu) = 63.546 g mol⁻¹. Kokia vario masė gaunama?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Maždaug 0.593 g.
Elektronų medžiagos kiekis yra 1800/F ≈ 0.01866 mol. Padalykite iš dviejų pagal Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, tada padauginkite iš 63.546 g mol⁻¹: m = 1800 × 63.546/(2 × 96485.332) ≈ 0.5927 g.
Kokį laiko vienetą padauginus iš srovės stiprio amperais gaunami kulonai?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Sekundės.
Viena ampersekundė lygi vienam kulonui.
Ar 80.0% norimo produkto srovės išeiga reiškia 80.0% elektros energijos panaudojimo efektyvumą?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Krūvio dalis, tenkanti produktui susidaryti, ir energijos virsmas yra skirtingi dydžiai.
Ar galima galutinę srovės stiprio vertę padauginti iš visos laiko trukmės, jei anksčiau srovės stipris kito?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Integruokite srovės stiprį arba susumuokite faktinius intervalų krūvius.

Ką verta įsidėmėti

Nurodykite elektros srovės sukeltą reakciją, terpę ir elektrodų vaidmenis.
Pirmiausia iš krūvio apskaičiuokite elektronų medžiagos kiekį, tada – produkto medžiagos kiekį.
Išlaikykite tiekimo, produkto išlaikymo ir srovės paskirstymo prielaidas.
Kintančiam srovės stipriui ir elektros energijai reikia atskirų integralų.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.