Definición de electrólisis
La electrólisis es el paso de la electricidad a través de un electrolito, con cationes que se mueven hacia el cátodo para reducirse y los aniones se mueven hacia el ánodo para oxidarse. Un electrolito es un líquido que conduce electricidad.
La siguiente tabla muestra tres constantes diferentes que usaremos durante esta lección. Sus detalles se tratarán durante la lección.
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Primero veamos algunas medidas cuantitativas involucradas en la electrólisis. Echemos un vistazo a la relación entre corriente, carga y tiempo.
Ley de Proporciones Múltiples (Dalton)
¿Cómo se produce una corriente? Una corriente eléctrica surge siempre que hay un flujo de cargas (por ejemplo, electrones) y se define como la velocidad a la que fluye la carga. La fórmula es la siguiente:
Corriente = Cantidad de carga / Tiempo, o I = Q / t, donde
I es la corriente en amperios (A), que es el flujo de 1 culombio de carga por segundo, o C / s,
t es el tiempo en segundos, y
Q es la cantidad de electricidad en culombios
Ley de Conservación de la Masa (Lavoisier)
La constante de Faraday
¿Sabes cuánta carga transporta un solo electrón?
La respuesta es 1,6023 x 10 -19 C.
¿Cuál será entonces la carga total transportada por un mol de electrones?
1 mol de electrones está representado por el número de Avogadro, L = 6.022 x 10 23 electrones.
Por lo tanto, 6,022 x 10 23 electrones lleva una carga de 6,022 x 10 23 x 1,6023 x 10 -19 C / mol = 96485 C / mol.
96 485 C / mol, o un Faraday, denotado por el símbolo F, es la cantidad de electricidad que transporta un mol de electrones y se conoce como la constante de Faraday .
El peso equivalente o la masa equivalente es otra cantidad que se usa a menudo en los cálculos electrolíticos y viene dada por:
Peso equivalente , o E = Peso atómico / Valencia, donde el peso atómico o la masa atómica está en g / mol y generalmente se proporciona el valor. La valencia es la capacidad de un átomo para combinarse con otros átomos, y el peso equivalente o la masa equivalente se mide en gramos.
Ahora echemos un vistazo a algunos ejemplos.
Ejemplo 1: encuentre el peso equivalente de la plata.
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La masa atómica de Ag se da como 108.
Valencia = 1, ya que solo se puede usar 1 mol de electrón para combinar con otro átomo.
Peso equivalente = Peso atómico de plata / Valencia de plata = 108/1 = 108g
Ejemplo 2: encuentre el peso equivalente del aluminio
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La masa atómica de Al se da como 27.
Valencia = 3, ya que se pueden combinar 3 moles de electrones con otro átomo.
Peso equivalente = peso atómico del aluminio / valencia del aluminio = 27/3 = 9g
Primera ley de electrólisis de Faraday
La masa de la sustancia (m) depositada o liberada en cualquier electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad o carga (Q) pasada.
En forma matemática, esta ley se puede representar de la siguiente manera:
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Al eliminar el signo de proporcionalidad se obtiene m = ZQ, donde m es la masa en gramos (g), Q se mide en culombios (C) y Z es la constante de proporcionalidad en g / C (en gramos por culombio) y también se conoce como el equivalente electroquímico , que es la masa de una sustancia producida en el electrodo durante la electrólisis por un Coulomb de carga.
Faraday observó además que 1 Faraday (96,485C) de carga libera 1 gramo equivalente de la sustancia en los electrodos.
Esto significa que 1C liberará un gramo equivalente de una sustancia / 96,485, que es el equivalente electroquímico (Z) de la sustancia.
Esto va a una relación entre el equivalente electroquímico (Z) y el peso equivalente o la masa equivalente (E) de una sustancia, y esto se puede expresar como:
Z = peso equivalente / 96,485, o Z = E / 96,485
Volviendo a la ecuación m = ZQ, alternativamente se puede escribir como:
m = Z x I xt (ya que Q = I xt)
m = E x I xt / 96,485 (desde Z = E / 96,485)
Resumamos todo lo que hemos aprendido hasta ahora en dos ejemplos:
1. Durante una electrólisis de cloruro de sodio fundido, se hace pasar una corriente de 4 A a través de electrodos durante 1 hora. Calcula la masa de sodio que se produce durante este tiempo.
Dado que I = 4A, t = 1 x 60 x 60 = 3600s, y E del sodio es 23/1 = 23g
Masa de sodio producida = E x I xt / 96,485
= (23 x 4 x 3.600) / 96.485
= 3,43 g
2. Una planta para producir aluminio a partir de óxido de aluminio fundido utilizará una corriente de 200.000A. A continuación se muestra una vista simplista de la planta:
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Calculemos la cantidad de aluminio que la planta producirá en un año, asumiendo 335 días hábiles a 18 horas por día.
Tenemos I = 200000A, t = 335 x 18 x 60 x 60 = 21,708,000s, y el peso equivalente del aluminio es 27/3 = 9g.
Masa de aluminio producida = E x I xt / 96,485
= (9 x 200.000 x 21.708.000) / 96.485
= 404,972,012g, o 405 toneladas métricas
Segunda ley de electrólisis de Faraday
La masa (m) de sustancias liberadas o disueltas por la misma cantidad de electricidad es directamente proporcional a sus masas equivalentes o pesos equivalentes (E).
De la segunda ley de electrólisis de Faraday:
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Si asumimos que E1 y E2 son los equivalentes químicos de aluminio y plata respectivamente, y que m1 y m2 son las respectivas masas que se liberan, entonces usando la segunda ley de Faraday, podemos concluir que m1 / m2 = E1 / E2
Entonces, si se obtienen 405 toneladas métricas de aluminio, ¿qué masa de plata se producirá?
E1 (Aluminio) = 27/3 = 9g y E2 (Plata) = 108/1 = 108g
m1 (Aluminio) = 404T y se requiere encontrar m2, masa de plata
m1 / m2 = E1 / E2
405 / m2 = 9/108
m2 = masa de plata producida = 4,860T
Resumen de la lección
La electrólisis es el proceso mediante el cual la electricidad pasa a través de un electrolito, con cationes que se descargan en el cátodo y aniones que se descargan en el ánodo. Y recuerde que un electrolito es un fluido que conduce electricidad. La oxidación ocurre en el ánodo mientras que la reducción ocurre en el cátodo. La descarga de estos iones da como resultado la formación de varias sustancias diferentes. También recuerde que la corriente eléctrica surge siempre que haya un flujo de cargas.
En 1833, Michael Faraday propuso dos leyes conocidas como la primera y la segunda ley de electrólisis de Faraday. En la primera ley, relacionó la masa de sustancias formadas en un electrodo para depender de la cantidad de electricidad o carga que pasa a través del electrodo. Concluyó lo siguiente:
m = Z x I xt o
m = E x I xt / 96,485, donde m es la masa de la sustancia producida en g; Z es el equivalente electroquímico , que es la masa de una sustancia producida en el electrodo durante la electrólisis por un culombio de carga; I es la corriente en amperios (A); t es el tiempo en segundos; y 96,485 es la constante de Faraday y es la cantidad de carga asociada con 1 mol de electrones.
En su segunda ley, Faraday explicó que cuando la misma cantidad de electricidad pasa por varios electrolitos, la masa de las sustancias depositadas es proporcional a su respectivo peso equivalente. El peso equivalente (E) se calcula mediante la fórmula E = Peso atómico / valencia. Y recuerde que la valencia es la capacidad de un átomo para combinarse con otros átomos.
Si asumimos que E1 y E2 son los equivalentes químicos de la sustancia 1 y la sustancia 2 respectivamente, y que m1 y m2 son las respectivas masas que se liberan, entonces usando la segunda ley de Faraday, podemos concluir que m1 / m2 = E1 / E2 .
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