電解効果の大きさを定量化するために化学で使用される 2 つの量的規則。もともとは 1833 年にイギリスの科学者マイケル ファラデーによって記述され、1834 年に彼のジャーナル ファラデーの電気分解の法則で発表されました。化学の法則に従って、電極と電解質の境界で電流によって生成される化学変化の量は、使用される電気の量に正比例し、異なる物質で同じ量の電気によって生成される化学変化の量は、それらの物質に正比例すると述べられています。同等の重量。
電極の定義は?
電極は、使用される定義に応じて、電流が電解質または回路に出入りするポイントとして説明される場合があります。電流が電極から出るとき、それはカソードと呼ばれ、電流が電極に入るとき、それはアノードと呼ばれます。
電流は、電気化学セルの主要コンポーネントとして機能する電極を介して流れます。電極が適切に機能するには、電気の良導体でなければなりません。反応に関与しない不活性電極もありますが、それらはまれです。電極は、金、プラチナ、炭素、グラファイト、金属、またはこれらの材料の任意の組み合わせでできている場合があります。細胞内の酸化還元プロセスの間、電極は反応が起こるための表面として機能します。
電解セルとは何ですか?どのように機能しますか?
電気は、電気エネルギーを変換する電気化学セルである電解セルによって化学ポテンシャル エネルギーに変換されます。すでに電気分解を調べたので、電解セルが電気分解プロセスに関与していると仮定するのは合理的です。電解セルとしても知られる二次電池は再充電可能であり、これは、これらのセルで可逆的な化学プロセスが行われることを意味します。これらのセルのアノードは常にプラスですが、これらのセルのカソードは常にマイナスです。
第一法則
Michael Faraday によると、電極に堆積する元素の質量は、電極に適用されるアンペア秒またはクーロン単位の電荷に正確に比例します。
m∝Q
mQ=Z
m は、電極に堆積または放出された材料の質量 (グラム単位) を示します。
Q は、デバイスを流れた電荷 (クーロンで測定) またはエネルギーの量です。
式 (1) の比例関係を取り除くと、結果は –
m=ZQ
この場合、Z は比例定数を表します。測定単位はグラム/クーロン (g/C) です。これは、特定のサークルでは電気化学的等価物と呼ばれます。 Z は、単一クーロンの電気の適用を回避しながら、電気分解中に電極に堆積した材料の質量です。
物質の電気化学当量 (e.c.e.) は、この文脈では比例定数と呼ばれます。この場合、等価電荷当量は、単位電荷当たりに堆積または解放された材料の質量として定義される場合があります。
第二法則
ファラデーは、直列に接続された異なる電解質/要素に同じ量の電流が流れると、電極に放出/沈着する物質の質量 (g) が化学当量に正比例することを発見しました。問題の電解質/要素の当量。計算によると、これはモル質量 (M) を原子価 (v) で割った値に等しくなります。
ここで、w は材料の質量を示します
E =物質の等価重量 (キログラム)。
w1/w2=E1/E2 のように表現することもできます
物質の当量または化学当量を考慮する場合、それは物質の原子量とその原子価の比として定義される場合があります。
等価重量=原子量/原子価
ファラデーの電気分解の第 2 法則の詳細については、次の例を参照してください。
互いに直列に接続された 3 つの異なる電解セルで発生する 3 つの異なる化学反応を考えてみましょう。最初の電解セルで、ナトリウムイオンが電子を受け取り、ナトリウムに変換されるとします。
Na+ + e-→ Na
2 番目の電解セルで次の反応が発生します –
Cu+2+ 2e-→ Cu
3 番目の電解セルで次の反応が発生します –
Al3++ 3e-→ アル
y モルの電子が 3 つのセルを通過するとき、放出されるナトリウム、アルミニウム、および銅の質量は、電子がすべて正であると仮定して、それぞれ 23y グラム、9y グラム、および 31.75y グラムです。 .
1 モルのイオンを還元するには、還元を完了するために 1 モルの電子を使用する必要があります。誰もが知っているように、1 つの電子の電荷は別の電子の電荷と等価です。
1.6021×10-19
1 モルの炭素と 1 モルの電子は
6.023×1023
電子。その結果、電子 1 モルの電荷は次のようになります。
(6.023×1023)×(1.6021×10-19C)=96500 C
1 ファラデーは、96500 C に等しい電荷の単位です。
電解セルを通して 1 ファラデーの電荷を送ると、1 グラムの物質の等価重量がそのセルに蓄積されます。その結果、次のように書く場合があります —
w=(Q / 96500)×E
第 1 法則と第 2 法則を組み合わせると、次の結果が得られます。
Z=E / 96500
化学当量または当量
電気分解のファラデーの法則により、材料の化学当量または当量を計算することができます。これは、単位重量と結合または置換するサブテナントの質量または重量当量として定義されます。水素の。
結果として、水素の化学当量はナンバーワンです。物質の原子価が置換または結合できる水素原子の数に等しいとすると、物質の化学当量は、物質の原子量と物質の原子価の比率として定義できます。
化学当量 =原子重量価
結論
電気分解の結果として析出する化学物質の量は、これまでのところ、電解質を流れる電気量に比例することがわかっています。電気分解は、電解質を通過する電力量に比例するだけでなく、他の多くの要因に依存する大量の化学物質を堆積させます.すべての物質には、固有の原子量があります。同じ数の原子を含んでいても、物質が異なれば質量も異なります。
繰り返しになりますが、電極に堆積する原子の量は、電極に存在する原子価の数に依存します。原子価の値が高いほど、同じ量の電力に対して、堆積する原子の数が少なくなることを意味します。一方、原子価の値が低い場合、同じ量のエネルギーでより多くの原子が堆積されます。
同じ量の電力または電荷が同じ種類のさまざまな電解質を通過した場合、堆積した化学物質の質量は化学物質の原子量に正比例し、化学物質の原子価に反比例します。 .
電気分解のファラデーの第 2 法則によると、同じ量の電気が同じ数の電解質を介して伝送される場合、堆積する物質の質量は、堆積した化学物質の化学当量または等価重量に比例します。
