حل مسائل (قانون فارادی )

یکی از نمونه‌های سنجش حجمی که برای بسیاری آشناست سنجش‌های حجمی اسید-باز می‌باشد که در آن نقطه هم ارزی با تغییر رنگ یک شناساگر شناسایی می‌شود.

مایکل فارادی (Michael Faraday)، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی بود که بیش تر به سبب نوآوری‌هایش در الکترومغناطیس و الکتروشیمی مشهور است. کشف بنزن و قوانین مربوط به القای الکترومغناطیسی و تهیه کلر مایع از مهم‌ترین دستاوردهای او برشمرده می‌شوند.

فارادی دربارهٔ میدان مغناطیسی موجود در دور یک رسانا که جریان DC حمل می‌کند مطالعاتی داشت و مفاهیم اولیه میدان الکترومغناطیس را در فیزیک بنیان نهاد. وی القای الکترومغناطیسی و قانون‌های برقکافت را کشف کرد. او اثبات کرد که خاصیت مغناطیسی می‌تواند بر روی شعاع‌های نور اثر می‌گذارد و رابطه‌ای اساسی بین این دو برقرار است. اختراعات او در زمینه دستگاه‌های چرخنده الکترومغناطیس اساس فناوری موتور الکتریکی را پی ریزی کرد و این وضع ناشی از تلاش‌های او در زمینه کاربرد الکتریسیته در فناوری بود.

هنگامی که یک فاراده الکتریسیته از یک محلول الکترولیت عبور می کند، یک وزن هم ارز از ماده (برحسب گرم) بر سطح هر الکترود واکنش می دهد یعنی تجزیه یا آزاد می شود. این تعمیم مهم بخشی از یک تعمیم وسیع تر به نام قانون فاراده است.

توجه کنید که چون یک وزن هم ارز از ماده ای مانند Ag⁺  حاوی 10²³  ×   6/002 یون است، بر اساس واکنش زیر 10²³  ×   6/002  الکترون برای تشکیل یک وزن هم ارز از رسوب الکتروشیمیایی نقره لازم است. چون یک فاراده الکتریسیته یک وزن هم ارز از نقره را رسوب می دهد، یک فاراده باید معادل  1023  ×   6/002 الکترون باشد. بر این اساس می توان گفت که یک فاراده یک مول الکترون می باشد.

یک فاراده الکتریسیته معادل 96500 کولن است. (مقدار دقیق تر آن با پنج رقم با معنا، 96489 است.) یک کولن مقدار باری است که با عبور یک آمپر جریان به مدت یک ثانیه منتقل می شود. بنابراین، A.s=26/8A.h 96500= یک فاراده. در مسائل زیر فرض می کنیم که بازده فرایند (بازده جریان) 100% است. مگر این که خلاف آن بیان شده باشد.

مثال:
مقدار معینی جریان الکتریسیته را از محلول CuSO₄ عبور می دهیم تا 20 گرم مس رسوب کند. چه مقدار بار (برحسب کولن) از محلول عبور کرده است؟
چون تغییر عدد اکسایش، وقتی Cu²⁺  کاهیده می شود، برابر با 2 است، وزن هم ارز مس نصف وزن اتمی آن است، یعنی 31/8 .

مثال:

جریانی به شدت 2 آمپر به مدت 6 ساعت از محلول AgNO₃ عبور می کند. چه وزنی از نقره رسوب می کند؟

مقدار معینی جریان الکتریسیته، 50/0 گرم نقره را از محلول AgNO₃ رسوب می دهد. چه وزنی از مس بر اثر عبور دادن این مقدار الکتریسیته از محلول CuSO₄ رسوب می کند؟
چون یک فاراده الکتریسیته یک هم ارز از هر عنصر را رسوب می د هد، پس نسبت وزن رسوب عنصر اول به ازای مقدار معینی الکتریسیته به وزن رسوب عنصر دوم به ازای همان مقدار الکتریسیته برابر با نسبت وزن هم ارز عنصر اول به وزن هم ارز عنصر دوم است. 

وزن هم ارز نقره در AgNO₃ برابر با 107/9 است. وزن هم ارز مس در CuSO₄ برابر با 31/8 است. بنابراین،

محلولی از CuSO₄ را با استفاده از الکترودهای پلاتین الکترولیز می کنیم. 6 لیتر گاز O₂ در شرایط STP در الکترود مثبت آزاد می شود. چه وزنی از مس در الکترود منفی رسوب می کند؟
تعداد هم ارزهای O₂ آزاد شده در الکترود مثبت با تعداد هم ارزهای Cu رسوب کرده در الکترود منفی برابر است . 
4 هم ارز = یک مول O₂ 

فرمول شیمیایی نمک پتاسیم یک اسید سه تایی از مولیبدن (وزن اتمی مولیبدن=95/95) K₂MoO_x است. هنگامی که محلول اسیدی K₂MoO_x را بین الکترودهای پلاتین الکترولیز می کنیم، تنها گاز اکسیژن در الکترود مثبت آزاد می شود و تنها فلز مولیبدن در الکترود منفی رسوب می کند. اگر الکترولیز را تا رسوب کردن 0/3454 گرم از مولیبدن ادامه دهیم، 121 سانتی متر مکعب گاز اکسیژن در شرایز STP آزاد می شود. فرمول نمک را محاسبه کنید.

اگر عدد اکستیش Mo را در MoO_x^2-  بدانیم، می توانیم مقدار x را محاسبه کنیم. چون MoO_x^2-  به فلز Mo کاهیده می شود، تغییر عدد اکسایش Mo طی واکنش برابر با عدد اکسایش Mo در MoO_x^2-  است. وزن هم ارز Mo در این واکنش برابر با وزن اتمی مولیبدن تقسیم بر تغییر عدد اکسایش آن است، وقتی Mo از MoO_x^2-  تشکیل می شود بنابراین اگر وزن هم ارز Mo را در واکنش بالا بدانیم، بر اساس روابط زیر می توانیم مقدار x را محاسبه کنیم.

تعداد هم ارزهای Mo رسوب کرده = تعداد هم ارزهای O₂ آزاد شده.

بنابراین عدد اکسایش Mo در MoO_x^2-  برابر با 6 است، در نتیجه 4=x و فرمول ترکیب K₂MoO₄ است.
منبع:
https://fa.wikipedia.org

مرکز یادگیری سایت تبیان - مرجان سلیمانیان