Первый закон Фарадея

В §40 мы видели, что при прохождении тока через некоторые растворы, например через раствор серной кислоты, происходит разложение воды на составные части – водород и кислород, выделяющиеся на пластинах, соединенных соответственно с отрицательным и положительным полюсами батареи. Такого рода растворы, разлагающиеся химически при прохождении через них тока, мы будем называть электролитами, а сам процесс разложения вещества электрическим током – электролизом. Далее мы будем называть проводники, погруженные в электролит для подведения к нему тока, электродами: положительный электрод – анодом, а отрицательный – катодом.

Продукты разложения электролита, например водород и кислород в опыте, описанном в § 40, выделяются на электродах все время, пока идет ток. Массу выделившегося вещества можно измерить. Если подобрать такой раствор, при котором выделяющееся вещество оседает в виде твердого осадка на электроде, то эту массу можно измерить без затруднений. Так, если пропускать ток через раствор медного купороса ( ), то на катоде оседает медь. Это явление легко наблюдать, если сделать катод, например, из угля; на черной поверхности угля ясно заметен красноватый слой выделившейся меди. Взвешивая катод до и после опыта, можно точно определить массу осадившегося металла.

Измерения показывают, что масса вещества, выделившегося на электродах, зависит от силы тока и времени электролиза. Замыкая цепь на разные промежутки времени, можно убедиться в том, что масса выделившегося вещества пропорциональна времени прохождения тока. Для того чтобы установить, как она зависит от силы тока, поступим следующим образом. Изготовим несколько совершенно одинаковых электролитических ванн и составим из них цепь, как показано на рис. 105, а. Так как процесс установившийся (§ 42), то через ванны I и II проходит ток одной и той же силы. Такой же ток проходит и через обе ванны 1 и 2 вместе, а так как эти ванны одинаковы, то очевидно, что токи через ванны 1 и 2 равны друг другу и, следовательно, каждый из них равен половине тока, идущего через ванну I или II. Точно так же, поместив в разветвлении три одинаковые ванны (рис. 105, б), мы получим способ пропустить через каждую из этих ванн ток, втрое меньший тока, идущего через ванну I или II, ит. д. Измеряя массу вещества (например, меди или серебра), выделившегося на катодах каждой из этих ванн, мы убедимся, что массы вещества, выделившегося в ваннах 1 и 2 (или 1, 2 и 3 и т. д.), равны между собой и составляют половину (или треть и т. д.) массы вещества, выделившегося в ванне I или II. Таким образом, опыт показывает, что масса выделившегося вещества пропорциональна силе тока.

Рис. 105. Схема опыта по установлению зависимости массы выделенного током вещества от силы тока: а) ток между ваннами I и II распределяется между двумя одинаковыми ваннами 1 и 2; б) ток между ваннами I и II распределяется между тремя одинаковыми ваннами 1, 2 и 3

Итак, масса выделившегося вещества пропорциональна и силе тока и времени электролиза, т. е. их произведению. Но это произведение, согласно формуле (42.1), равно заряду, прошедшему через электролит. Мы видим, что масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, или количеству электричества, прошедшему через электролит. Этот важный закон был установлен впервые Фарадеем и носит название первого закона Фарадея.

Если – масса выделившегося вещества, – сила тока, – время электролиза, a – полный заряд, прошедший через ванну за время , то первый закон Фарадея можно записать так:

, (65.1)

где – коэффициент пропорциональности. Полагая в формуле (65.1) заряд Кл, мы получим, что коэффициент равен массе вещества, выделяемого зарядом 1 Кл, или иначе – массе вещества, выделяемого током 1 А за 1 с.

Исследования Фарадея показали, что величина является характерной для каждого вещества. Так, например, при электролизе раствора ляписа (азотнокислого серебра, ) 1 Кл выделяет 1,1180 мг серебра; точно столько же серебра выделяет 1 Кл при электролизе любой серебряной соли, например хлористого серебра (AgCl) и т. д. При электролизе соли другого металла масса выделившегося вещества будет иной. Величина называется электрохимическим эквивалентом данного вещества. Таким образом, электрохимическим эквивалентом вещества называется масса этого вещества, выделяемая при электролизе одним кулоном протекшего через раствор электричества.