Закон Фарадея и теоретическая масса
По закону Фарадея масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна прошедшему заряду Q = I·t: m = M·Q / (z·F). Здесь M — молярная масса вещества, z — число электронов, участвующих в превращении одной частицы, а постоянная Фарадея F составляет около 96 485 Кл/моль.
Эту теоретическую массу нужно вычислить заранее, а в калькулятор ввести как готовое число. Чтобы получить заряд, можно воспользоваться калькулятором количества электричества при электролизе, а затем подставить его в формулу.
Пример для электролиза меди
Через раствор сульфата меди пропускали ток 2 А в течение 1 часа. Заряд равен 2 · 3600 = 7200 Кл, что отвечает 0,07462 моль электронов. Для Cu²⁺ z = 2, поэтому выделяется 0,03731 моль меди, или около 2,371 г при молярной массе 63,546 г/моль.
Если взвешивание показало прирост катода на 2,25 г, выход по току равен 2,25 / 2,371 · 100 ≈ 94,9 %. Остальные 5,1 % электричества, вероятно, израсходованы на побочные реакции или частично потеряны из-за осыпания рыхлого осадка.
Почему выход по току меньше 100 %
Типичные причины потерь — выделение водорода на катоде при низком pH, восстановление растворённого кислорода и ионов примесей, окисление или растворение уже осаждённого металла, утечки тока и саморазряд. При гальваническом осаждении хрома выход по току обычно заметно ниже, чем при осаждении меди, из-за интенсивного выделения водорода.
На выход влияют плотность тока, температура, состав и перемешивание электролита. Поэтому значение, полученное в одном опыте, нельзя переносить на другие условия без проверки; калькулятор показывает результат только для введённых масс.
Другие числовые примеры
При фактической массе 3,1 г и теоретической 3,95 г выход по току составляет около 78,48 %. Для 0,92 г из 1,15 г получается ровно 80 %. В предельном случае, когда весь заряд пошёл на целевую реакцию, выход равен 100 %, а если металл вообще не выделился — 0 %.
Значения выше 100 %, например 104 % при 1,04 г из 1 г, не должны получаться при корректном опыте. Они говорят о влаге или примесях в осадке, неполной сушке электрода или неверно найденной теоретической массе, и результат лучше перепроверить.
Границы применимости
Расчёт предполагает постоянный ток и один целевой процесс на электроде. Если на электроде одновременно выделяется несколько веществ, выход по току нужно определять отдельно для каждого, используя соответствующие теоретические массы.
Результат не заменяет технологический контроль и правила безопасности: электролиз сопровождается нагревом, выделением газов и использованием едких растворов. Все работы выполняют по инструкции с защитными средствами.
Формула расчёта
ВТ = m(факт.) / m(теор.) · 100 %, m(теор.) = M·I·t / (z·F)
Проверенные примеры
Ток 2 А пропускали 1 час, масса меди на катоде выросла на 2,25 г. Теоретическая масса по закону Фарадея равна 2,371 г. Чему равен выход по току?
ВТ = 2,25 / 2,371 · 100 ≈ 94,9 %.
Выделилось 3,1 г металла при теоретических 3,95 г.
ВТ = 3,1 / 3,95 · 100 ≈ 78,48 %.
Как пользоваться онлайн-калькулятором
- Рассчитайте теоретическую массу по закону Фарадея: m = M·I·t / (z·F), где F = 96 485 Кл/моль.
- Взвесьте электрод до и после опыта и найдите фактическую массу выделившегося вещества.
- Введите фактическую и теоретическую массы в граммах.
- Нажмите «Рассчитать»: результат — выход по току в процентах.