Количество электричества и его единицы
Электрический заряд измеряют в кулонах. Один кулон — это заряд, который проходит через сечение проводника за одну секунду при токе в один ампер. Поэтому Q = I · t, если ток постоянен. Время обязательно переводят в секунды, а не в минуты и часы.
В электрохимии часто используют и другие единицы: ампер-час равен 3600 Кл, а количество электричества в молях электронов получается делением заряда на постоянную Фарадея. Калькулятор возвращает именно кулоны как базовую величину.
Для контроля порядка величины запомните, что ток в 1 А за один час переносит 3600 Кл, или примерно 0,0373 моля электронов. Если ваш ответ отличается от такой оценки в десятки раз, скорее всего, перепутаны единицы.
От заряда к количеству вещества и массе
Постоянная Фарадея F равна примерно 96 485 Кл/моль. Для заряда 7200 Кл получаем 0,0746 моль электронов. Если каждый ион меди Cu²⁺ принимает два электрона, то выделится вдвое меньше молей меди, а масса составит M·Q / (z·F) = 63,546 · 7200 / (2 · 96 485) ≈ 2,37 г.
Для серебра из Ag⁺ один электрон приходится на один атом, поэтому тот же заряд даёт 8,05 г металла. Различие объясняется двумя факторами: числом электронов z и молярной массой, и оба входят во второй этап расчёта.
Ту же схему применяют к алюминию, цинку и другим металлам, меняя только z и молярную массу. Значения этих величин берут из справочника, а в калькуляторе вводится лишь электрическая часть задачи, которая одинакова для всех веществ.
Малые токи и длительность в минутах
Пусть ток составляет 0,5 А, а электролиз длится 45 минут. Сначала переводим время: 45 · 60 = 2700 с. Затем Q = 0,5 · 2700 = 1350 Кл, что соответствует 0,0140 моль электронов.
Типичная ошибка студентов — подставить 45 вместо 2700. Тогда заряд оказывается в 60 раз меньше, и вся дальнейшая цепочка расчёта теряет смысл. Проверяйте единицы времени до нажатия кнопки. Для длительных опытов удобнее сначала записать время в часах, а затем умножить на 3600.
Выход по току и реальные потери
Теоретическая масса по закону Фарадея предполагает, что весь заряд идёт на целевую реакцию. На практике часть тока расходуется на выделение водорода, нагрев и окисление примесей, поэтому фактическая масса меньше. Отношение фактической массы к теоретической называют выходом по току.
Для гальваники и электролитического рафинирования выход по току определяют опытным путём. Калькулятор находит полный заряд, а поправку на выход вводят уже при расчёте массы продукта.
Если выход по току равен 90 %, то из рассчитанной теоретической массы реально получится девять десятых. Эта доля зависит от состава электролита, плотности тока и температуры, поэтому её нельзя переносить между разными установками без проверки.
Ограничения и безопасность
Формула применима только к постоянному току. При изменяющемся токе заряд равен интегралу I(t) по времени, и для него нужны отдельные методы. Кроме того, нельзя использовать результат как инструкцию по проведению электролиза.
Работа с электролизёрами связана с электрическими рисками, выделением горючего водорода и едких растворов. Выполняйте опыты по утверждённым методикам, с защитными средствами и под руководством специалиста.
Формула расчёта
Q = I · t; n(e⁻) = Q / F; m = M · Q / (z · F)
Проверенные примеры
Какой заряд проходит через электролизёр при токе 2 А за 1 час?
Q = 2 · 3600 = 7200 Кл; это 0,0746 моль электронов. При осаждении меди из Cu²⁺ получается около 2,37 г меди.
Ток 0,5 А течёт 45 минут. Найдите заряд.
45 мин = 2700 с; Q = 0,5 · 2700 = 1350 Кл, то есть около 0,0140 моль электронов.
Как пользоваться онлайн-калькулятором
- Измерьте или задайте силу тока и убедитесь, что он постоянный.
- Переведите время в секунды и введите оба значения.
- Нажмите «Вычислить» и получите заряд в кулонах.
- Для массы вещества разделите заряд на F, умножьте на молярную массу и поделите на число электронов z.