法拉第電解定律及應用

2020-12-04 奧賽你也行

一、電解質導電原理

我們知道,金屬導電是依靠其內部自由電子定向移動實現的,在導電的過程中金屬不發生化學反應,而電解質溶液導電的機理則完全不同,電解質導電的載流子是正負離子,隨著離子的運動在正負極還同時發生化學反應,正離子在陰極得到電子發生還原反應,負離子在陽極失去電子發生氧化反應,即伴隨著電解現象。

二、法拉第電解定律

法拉第電解定律是用來描述電極上通過的電量與電極反應物重量之間的關係的。每通過一個或若干個元電荷就必須有對應數量的反應物失去或得到電子,從微觀上看,就是電極由分子電解成離子或相反。

假設反應物的摩爾質量為M,化合價為n,由化學知識可知,1摩爾的反應物含有的分子數或可生成的離子數為阿伏加德羅常數N(N=6.02*10^23),所以1摩爾反應物可產生的電荷量為:

Q = N*n*e (e為元電荷電量)

當電荷量為q時,所需電極反應物的質量為:

m = M*q/(N*n*e)

上式即為法拉第電解定律的表達式,其中N和e均為常數,二者乘積亦為常量,稱為法拉第恆量,數值為F=9.65*10^4 庫倫/摩爾。此時定律表示為:

m = M*q/(F*n)

三、應用舉例

例 如圖所示,在封口的毛細管內有兩段水銀柱被一滴碘化汞溶液隔開,毛細管內徑d=0.3mm,管子與電阻R=390千歐的電阻器串聯,電池電動勢E=10伏,試問經過多長時間液滴沿標尺移動一個刻度?

解:正極的汞將發生氧化反應,變成離子進去溶液,負極則相反,發生還原反應,溶液中的離子還原成金屬汞,所以液滴將向左移動。

根據法拉第電解定律,設時間t內在陰極析出的汞質量為m,則有

m = Mq/(Fn)

q = Et/R

其中,汞的化合價n=2,F=9.65*10^4C/mol,

M=200.5g/mol

再設質量為m的汞其長度為L,則有

m = ρ*π*d*d*L/4

汞的密度 ρ=13.6*10^3kg/m^3

由以上各式可解得

t = 100小時

四、小結

在中學奧賽中,法拉第電解定律主要用於已知電荷量求解反應物質量或者體積的問題,多與相關化學知識結合考察,不屬於預賽內容,多在複賽中出現,難度中等偏下。

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