Перший і другий закон Фарадея

Електроліт завжди має певну кількість іонів зі знаками "плюс" і "мінус", що вийшли в результаті взаємодії молекул розчиненої речовини з розчинником. Коли в ньому виникає електричне поле, іони починають рухатися до електродів, позитивні спрямовуються до катода, негативні - до анода. Дійшовши до електродів, іони віддають їм свої заряди, перетворюються в нейтральні атоми і відкладаються на електродах. Чим більше іонів підійде до електродів, тим більше буде відкладено на них речовини.

До цього висновку ми можемо прийти і дослідним шляхом. Припустимо струм через водний розчин мідного купоросу і будемо спостерігати за виділенням міді на вугільному катоді. Ми виявимо, що спочатку він покриється ледь помітним шаром міді, потім у міру пропускання струму він буде збільшуватися, а при довготривалому пропущенні струму можна отримати на вугільному електроді значної товщини шар міді, до якого легко припаяти, наприклад, мідний дріт.

Явище виділення речовини на електродах під час проходження струму крізь електроліт називається електролізом.

Пропускаючи через різні електролізи різні струми і ретельно вимірюючи масу речовини, що виділяється на електродах з кожного електроліту, англійський фізик Фарадей в 1833 - 1834 рр. відкрив два закони для електролізу.

Перший закон Фарадея встановлює залежність між масою виділився речовини при електролізі і величиною заряду, який пройшов через електроліт.

Закон цей формулюється так: маса речовини, яка виділилася при електролізі, на кожному електроді прямо пропорційна величині заряду, який пройшов крізь електроліт:

m = kq,

де m - маса речовини, яка виділилася, q - заряд.

Величина k - електрохіміческімй еквівалент речовини. Вона характерна для кожної речовини, що виділяється при електроліті.

Якщо у формулі прийняти q = 1 кулона, тоді k = m, тобто електрохімічний еквівалент речовини буде чисельно дорівнювати масі речовини, виділеного з електроліту при проходженні заряду в один кулон.

Висловлюючи у формулі заряд через струм I і час t, отримаємо:

m = kIt.

Перший закон Фарадея перевіряється на досвіді наступним чином. Припустимо струм через електроліти А, В і С. Якщо всі вони однакові, то маси виділеного речовини в А, В і С будуть ставитися як струми I, I1, I2. При цьому кількість речовини, виділеного в А, дорівнюватиме сумі обсягів, виділених в В і С, так як струм I = I1 + I2.

Другий закон Фарадея встановлює залежність електрохімічного еквівалента від атомної ваги речовини і його валентності і формулюється таким чином: електрохімічний еквівалент речовини буде пропорційний їх атомній вазі, а також обернено пропорційний його валентності.

Ставлення атомної ваги речовини до його валентності називається хімічним еквівалентом речовини. Ввівши цю величину, другий закон Фарадея сформулювати можна інакше: електрохімічні еквіваленти речовини пропорційні їх власним хімічним еквівалентів.

Нехай електрохімічні еквіваленти різних речовин відповідно рівні k1 і k2, k3, ..., kn, хімічні же еквіваленти тих же речовин x1 і x2, x23, ..., xn, тоді k1 / k2 = x1 / x2, або k1 / x1 = k2 / x2 = k3 / x3 = ... = kn / xn.

Інакше кажучи, відношення величини електрохімічного еквівалента речовини до величини того ж речовини є величина постійна, що має для всіх речовин одне і те ж значення:

k / x = c.

Звідси випливає, що відношення k / x є постійним для всіх речовин:

k / x = c = 0, 01036 (мг-екв) / к.

Величина з показує, скільки міліграм-еквівалентів речовини виділяється на електродах під час проходження через електроліт електричного заряду, дорівнює 1 кулона. Другий закон Фарадея представлений формулою:

k = cx.

Підставляючи отриманий вираз для k в перший закон Фарадея, обидва можна об'єднати в одному виразі:

m = kq = cxq = cxIt,

де с - універсальна постійна, рівна 0, 00001036 (г-екв) / к.

Ця формула показує, що, пропускаючи однакові струми протягом одного і того ж проміжку часу через два різних електроліту, ми виділимо з обох електролітів кількості речовин, що відносяться як хімічні еквіваленти таких.

Так як x = A / n, то можна написати:

m = cA / nIt,

тобто, маса речовини, виділеного на електродах при електролізі, буде прямо пропорційна його атомній вазі, току, часу і обернено пропорційна валентності.

Другий закон Фарадея для електролізу, так само, як і перший, безпосередньо випливає з іонного характеру струму в розчині.

Закон Фарадея, Ленца, а також багатьох інших видатних фізиків зіграв величезну роль в історії становлення та розвитку фізики.