» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
» Все публикации автора
Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»
Декабрь, 2023 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №12 (81) 2023
Автор: Сагынбек Молдир Жаркымбеккызы, студент 2-го курса
Рубрика: Физико-математические науки
Название статьи: Законы электролиза фарадея и элементарный заряд
Дата публикации: 08.12.2023
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА ФАРАДЕЯ И ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЗАРЯД
Сагынбек Молдир
Жаркымбеккызы
студент 2-го курса, направление
«Медицинская физика»
Орлов Алексей Вениаминович
доцент, кандидат технических наук
Стерлитамакский
филиал Уфимского Университета Науки и Технологии, г. Стерлитамак
Аннотация. Законы электролиза Фарадея и
концепция элементарного заряда оказали значительное влияние на наше понимание
электрохимических реакций и поведения электрических зарядов.
Ключевые слова: электролиз, законы Фарадея, грамм-эквивалент,
элементарный заряд.
В 1800 году Николсон и Карлайл
впервые наблюдали электролиз, когда они использовали ток столба высокого
напряжения для разложения воды. Семь лет спустя Дэвид (1778-1829) выделил и открыл натрий путем электролиза
влажной части разъеденной щелочи. Затем электролиз наблюдался во многих других
электролитах. Фарадей открыл количественный закон электролиза в 1833 году, а
затем разделил продукты и реакции на первичный и вторичный электролиз. Закон
Фарадея определяет количество первичного продукта, выделяющегося на электроде
во время электролиза. Их легко получить, рассмотрев механизм электролиза.
Поскольку каждый ион содержит целый базовый заряд e, абсолютный заряд иона представлен формулой ve, где v - целое число, равное валентности соответствующего
химического элемента или соединения. Такие ионы
высвобождаются на n электродах. В этом случае
абсолютная величина заряда будет равна nve.
Когда эти ионы испускаются на катоде, их заряд нейтрализуется электронами,
поступающими к катоду по проводу, подключенному к источнику тока. Когда они
испускаются на аноде, такое же количество электронов перетекает от анода через
проволоку. В обоих случаях через цепь пройдет количество электричества q=nve.
Пусть М - масса вещества,
выделившегося на электроде, m - масса иона (атома или молекулы).
Тогда 
, и, следовательно, 
. Умножив числитель и знаменатель последней дроби на число
Авогадро N, получим
, (1)
где A = Nm атомный вес, а F – постоянная,
определяемая выражением
(2)
Эта постоянная называется числом Фарадея.
Чтобы прояснить физическое значение чисел Фарадея, было
введено понятие грамм-эквивалента.
Так называют количество вещества, масса которого в граммах равна атомному (а в
случае химического, соединения молекулярному) весу А,
деленному на валентность v. Если в формуле (1) положить 
, то получится 
. Это означает, что число Фарадея есть заряд, переносимый при
электролизе одним грамм-эквивалентом ионов.
Формула (1) содержит оба закона электролиза, открытых
Фарадеем. Согласно первому закону масса
вещества, выделяющегося при электролизе на каждом электроде, пропорциональна
количеству прошедшего электричества q. Второй
закон утверждает, что эта масса
пропорциональна химическому эквиваленту A/v.
Измерив на опыте M и q, можно по
формуле (1.1) вычислить число Фарадея F. Таким
путем найдено F = 2,8926∙104 СГСЭ/моль = 9,6487∙104 Кл/моль. Зная F и число Авогадро, можно по формуле (2) вычислить и
элементарный заряд e. Таким образом, британский ученый Стоуни впервые оценил величину основного электрического
заряда в отчете, опубликованном на заседании Британской ассоциации в 1874 году.
Работа Стоуни была опубликована только в 1881 году в
речи, посвященной памяти Фарадея. После Гельмгольца Фарадей
прочитал ее на Лондонского королевского общества (очевидно, независимо от Стоуни).
Таким образом, в 1874 году британский ученый Стоуни представил свое революционное исследование на
заседании Британской ассоциации, где он впервые оценил величину основного
электрического заряда. Однако, его работа получила
официальное признание и была опубликована только в 1881 году в речи,
посвященной памяти Фарадея. Замечательно, что Фарадей самостоятельно прочитал
эту работу на Лондонском королевском обществе, проявив интерес к новым
достижениям в науке, независимо от Стоуни и его
исследования.
Также в этой знаменитой речи Гельмгольц сказал: «Если мы
признаем существование атомов химических элементов, то мы не можем избежать и
дальнейшего заключения, что электричество, как положительное, так и
отрицательное, разделено на определенные элементарные количества, которые ведут
себя как атомы электричества».
В результате, законы электролиза Фарадеева
предоставляют значимое представление о связи между электрическим током и
количеством материи, производимой или потребляемой во время электролиза.
Согласно этим законам, количество вещества прямо пропорционально количеству
прошедшего через электролит электрического заряда, а также пропорционально весу
химического эквивалента вещества. Это позволяет нам понять и предсказать
результат электролитических реакций. Кроме того, элементарный заряд,
представленный символом "e", является основной единицей
электрического заряда, переносимого электроном или протоном. Он имеет
фиксированное значение приблизительно 1,602∙10-19 кулонов и имеет
решающее значение для понимания поведения электрических зарядов и квантования
заряда в природе.
Ученые и исследователи, используя
законы Фарадея и учитывая элементарный заряд, могут точно определить количество
вещества, произведенного или потребленного при электролизе, и понять
основополагающие принципы, управляющие электрохимическими реакциями. Эти знания
имеют высокую ценность в таких областях, как химия, материаловедение и
электрохимия, и позволяют применять их в различных областях, включая
энергосбережение, гальваническое покрытие и промышленные процессы на основе
электролиза.
Список литературы:
- Общий курс физики, Том 3, Электричество, Сивухин Д.В., 2009.
- Электричество, Калашников С.Г., 2003.
Комментарии:
