Электролиз представляет собой химический процесс, при котором электрический ток вызывает разложение соединений на ионы и последующее выделение веществ на электродах. Основой количественного описания этого процесса служат законы Фарадея, формулирующие строгую зависимость между количеством прошедшего электричества и массой выделившегося вещества.
Первый закон Фарадея утверждает: масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит. Математически это выражается формулой:
m = k ⋅ Q
где m — масса вещества, Q — электрический заряд, k — электрохимический эквивалент вещества. Электрохимический эквивалент k зависит от молярной массы вещества M, числа переносимых электронов n и постоянной Фарадея F:
$$ k = \frac{M}{nF} $$
Закон позволяет точно рассчитывать массу выделяющихся веществ при заданном токе и времени электролиза.
Второй закон Фарадея формулирует: массы различных веществ, выделяющихся при прохождении одинакового количества электричества, находятся в отношении их эквивалентных масс. Иными словами, если через раствор пройти одинаковый заряд, то массы металлов m1 и m2 будут связаны выражением:
$$ \frac{m_1}{m_2} = \frac{M_1/n_1}{M_2/n_2} $$
где M1, M2 — молярные массы веществ, n1, n2 — число электронов, участвующих в реакции восстановления или окисления каждого вещества.
Электрохимический эквивалент вещества отражает массу вещества, выделяющуюся при прохождении единицы электрического заряда через электролит. Для расчёта используется постоянная Фарадея:
F = 96485 Кл/моль e^-
Она равна заряду одного моля электронов и является фундаментальной величиной в количественной электрохимии. Зная F и количество электронов, участвующих в реакции, можно предсказывать массу выделяющегося вещества с высокой точностью.
Пример расчёта: при электролизе меди (Cu2+ + 2e− → Cu) через раствор прошло Q = 193000 Кл. Электрохимический эквивалент меди:
$$ k = \frac{M}{nF} = \frac{63.55}{2 \cdot 96485} \approx 0.000329 \ \text{г/Кл} $$
Следовательно, масса выделившейся меди:
m = k ⋅ Q = 0.000329 ⋅ 193000 ≈ 63.5 г
Законы Фарадея находят применение во многих областях:
Законы позволяют не только количественно прогнозировать продукты электролиза, но и создавать стандартизированные методы анализа, обеспечивающие высокую точность измерений.
С помощью законов Фарадея устанавливается прямая связь между количеством электричества, числом молей электронов и массой вещества, что позволяет применять их для расчёта молярной массы неизвестного вещества. Формулы закона интегрируются с принципами стехиометрии и позволяют решать комплексные задачи электроанализа:
$$ n = \frac{Q}{F}, \quad m = \frac{M \cdot Q}{nF} $$
где n — число молей электронов, M — молярная масса вещества.
Законы Фарадея обеспечивают точную количественную основу электрохимии, связывая электрические величины с массой химических веществ и определяя количественные параметры всех электрохимических процессов.