Выход по току

Выход по току (η) — это количественная характеристика эффективности электролиза, отражающая отношение фактического количества вещества, выделившегося на электроде, к теоретически возможному, определённому по закону Фарадея. Выражается формулой:

$$ \eta = \frac{n_\text{факт}}{n_\text{теор}} \times 100\% $$

где nфакт — количество вещества, фактически выделившегося при электролизе, а nтеор — количество вещества, рассчитанное по количеству прошедшего через электролит электричества.

Выход по току характеризует реальную эффективность переноса электрического заряда в химическое превращение, учитывая возможные побочные реакции и потери заряда.

Закон Фарадея и теоретический расчёт

Количество вещества nтеор, выделяющегося на электроде, определяется законом Фарадея:

$$ n_\text{теор} = \frac{Q}{zF} $$

где:

  • Q — электрический заряд, прошедший через электролит (Кл);
  • z — число электронов, участвующих в электродной реакции на 1 молекулу вещества;
  • F — постоянная Фарадея (96485 Кл/моль).

Электрический заряд вычисляется через силу тока I и время t:

Q = I ⋅ t

Таким образом, теоретический выход вещества напрямую зависит от количества электричества, подведённого к электродам.

Факторы, влияющие на выход по току

  1. Побочные реакции При электролизе на электродах могут протекать реакции, конкурирующие с основной. Например, при электролизе водных растворов часто наблюдается выделение водорода и кислорода вместо предполагаемого продукта.

  2. Состояние электродов Чистота и поверхность электродов влияют на эффективность переноса электронов. Загрязнения или пассивирующие пленки снижают выход по току.

  3. Концентрация электролита Оптимальная концентрация обеспечивает достаточную проводимость и минимизирует сопутствующие реакции. Слишком разбавленные или насыщенные растворы могут приводить к понижению выхода по току.

  4. Температура Повышение температуры ускоряет кинетику реакций, но одновременно увеличивает скорость побочных процессов, что может как повысить, так и снизить выход по току в зависимости от системы.

  5. Сила тока и плотность тока Высокие плотности тока могут вызвать локальные перегревы и усиление побочных реакций, снижая фактический выход вещества.

Методы определения выхода по току

  1. Гравиметрический метод Вещество, выделившееся на электроде, отмывается, сушится и взвешивается. Используется для металлов (Cu, Ag, Ni).

  2. Объёмный метод Применим для газообразных продуктов (H₂, O₂). Измерение объёма газа позволяет рассчитать количество вещества через молярный объём и стехиометрию реакции.

  3. Титриметрический метод Для растворов: выделившийся продукт взаимодействует с известным реагентом, а количество продукта определяется по реакции и титрованию.

  4. Электрохимический метод Измерение количества электричества и использование закона Фарадея позволяет косвенно вычислить выход по току.

Практическое значение

  • Выход по току служит показателем промышленной эффективности электролиза.
  • Позволяет оптимизировать режимы электросинтеза, уменьшать потери энергии и материалов.
  • Используется для контроля чистоты получаемых продуктов и снижения затрат на побочные процессы.

Примеры

  1. Электролиз меди В CuSO₄ растворе при электролизе медь осаждается на катоде. Теоретический выход по току равен количеству меди, рассчитанному по закону Фарадея. Наличие кислорода или других примесей может снизить фактический выход.

  2. Электролиз водных растворов NaCl При электролизе NaCl на аноде выделяется хлор, а на катоде — водород. Побочные реакции (например, окисление воды на аноде) снижают выход хлора по току.

Выводы по сути понятия

Выход по току — это критический показатель эффективности электролиза, отражающий реальное использование электричества для химического превращения. Его точное определение и контроль позволяют рационально применять электрохимические процессы как в лабораторной практике, так и в промышленности.

Оглавление