Простые расчеты в электролизе. Получение водорода. (стр. 3)
Как это работает в электролизе.
Следствием Второго закона Фарадея является то, что для восстановления на катоде и окисления на аноде одного грамм-эквивалента любого вещества необходимо затратить одно и то же количество электричества, а именно 96487 Кулонов. Эта константа называется Числом Фарадея и участвует в формуле:
М(g) = m * I * t / F или М(g) = m * I * t / 96487
М(g) – масса вещества в граммах
m – химический грамм-эквивалент в граммах
F – постоянная равная 96487 или Число Фарадея
И последнее. Попробуем применить последнюю формулу для расчета количества водорода, которое выделится из раствора, если ток равен 5 Ампер в течении 10 минут. Химический грамм эквивалент водорода равен 1,008 грамма (атомный вес водорода 1,008 , валентность равна 1).
М(g) = m * I * t / F
М(g) = 1,008 * 5 * (10 * 60) / 96487 = 0,0313g = 31,3mg водорода
На данном этапе мы можем рассчитать вес любого вещества получаемого на электродах, при электролизе. Если выделяется металл, то его можно взвесить, но что делать, если в результате электролиза выделяется газ, к примеру водород? Обычно, для газов, определяется объем, который несложно пересчитать в вес газа.
Для пересчета веса газа в объем необходимо знать, что один Моль ЛЮБОГО газа, при нормальных условиях, занимает объем 22, 4 литра.
- Под нормальными условиями подразумевается 20 градусов Цельсия и давление 760 миллиметров ртутного столба.
Один Моль ЛЮБОГО вещества содержит 6,02*Е23 молекул, при ЛЮБЫХ условиях. Это еще одна постоянная, которая не имеет значения в данном случае. Но в Таблице Менделеева, атомарный вес, это вес этих 6,02*Е23 атомов, в граммах.
Простые газы, за исключением инертных газов, имеют похожие формулы, как Н2, О2 ... Таким образом, каждая молекула газа имеет два атома и для расчета массы одного Моля газа необходимо удвоить величину атомного веса из Таблицы Менделеева (для газа О3 (озона) – утроить).
1 Моль газа Водорода весит = 1,008 * 2 = 2,016 грамма и занимает объем 22,4 литра;
1 Моль газа Кислорода весит = 15,994* 2 = 31,988 грамма и занимает объем 22,4 литра;
1 Моль газа Азота весит = 14,0067 * 2 = 28,0134 грамма и занимает объем 22,4 литра.
В дальнейшем, пересчет веса в объем и обратно, производится методом пропорции.
Если 2,016 гр. газа Водорода занимают 22,4 литра, то сколько будет занимать 1 гр. Водорода?
Из пропорции, находим: 22,4 * 1 / 2,016 = 11,1 литра.
Какой объем займут 32,3 mg. Водорода в газообразном состоянии?
Переводим миллиграммы в граммы 32,3mg = 0.0323g. Далее, из пропорции: 22,4 * 0,0323 / 2,016 = 0,3589 литра.
Прежде, чем приступать к экспериментам с водородом необходимо знать, что водород достаточно опасное вещество. Молекулы водорода при комнатной температуре малоактивны. Их реакционная способность увеличивается при нагревании, под действием ультрафиолетовых лучей, ионизирующих излучений, в присутствии катализаторов, искрового разряда. В присутствии платинового, никилевого, иногда железного катализатора, гремучая смесь взрывается при незначительном нагревании. Известно, из школьного курса, что при соотношении водорода и кислорода 2:1 образуется гремучая смесь, которая легко взрывается от искры или при поджигании. В школе не объяснили, что водород в смеси с кислородом или воздухом, взрывоопасен в широком диапазоне концентаций. К примеру, диапазон концентраций водорода в кислороде, сохраняет взрывоопасность в пределах 4,5 до 95 процентов, а смесь с воздухом в диапазоне 4,1 до 74 процентов. При этом смеси самовозгораются при температурах 450 и 510 градусов Цельсия соответсвенно. Скорость распределения пламени таких смесях 0,89 и 0,27 м/сек. (скорость звука в воздухе составляет 340 м/сек.) В гремучей смеси, скорость распространения пламени превышает скорость звука и составляет 2820 – 2860 метров в секунду, что позволяет говорить не о горении, а о детонации, т.е. распространении фронта пламени со сверхзвуковой скоростью. На этом основан экспрес анализ, который произвдят по звуку згорания микропорций таких смесей. Они сгорают либо с хлопком либо с громким щелчком, соответсвенно.