Сила тока при электролизе: формула и примеры расчёта

Электролиз — это процесс, когда электрический ток заставляет ионы двигаться и восстанавливаться на электродах. Представьте, что вы варите пельмени: сила тока — это напор воды, а количество выделившегося вещества — число пельменей. Чем сильнее ток, тем быстрее идёт реакция. Но есть подвох: слишком большой ток может привести к побочным реакциям (например, выделению водорода вместо металла). Поэтому расчёт силы тока — основа любого электролиза.

Главное правило — закон Фарадея: масса выделившегося вещества прямо пропорциональна силе тока, времени и молярной массе, и обратно пропорциональна числу электронов в реакции. Звучит сложно? Сейчас разложим по полочкам.

Основная формула для расчёта силы тока (I) через массу выделившегося вещества (m):

Где:

• I — сила тока, амперы (А);
• m — масса вещества, граммы (г);
• n — количество электронов, участвующих в реакции (безразмерное);
• F — постоянная Фарадея, 96485 Кл/моль;
• M — молярная масса вещества, г/моль;
• t — время, секунды (с).

Если вам нужно найти массу, зная ток, формула преобразуется:

Важно: время всегда переводите в секунды (часы × 3600), массу — в граммы. Число n — это сколько электронов принимает один ион. Например, для Cu²⁺ n=2, для Ag⁺ n=1.

Условие: Через раствор сульфата меди (CuSO₄) пропускают ток 2 А в течение 30 минут. На катоде выделяется медь. Сколько граммов меди получится?

Дано:

• I = 2 А
• t = 30 мин = 30 × 60 = 1800 с
• M(Cu) = 63,5 г/моль
• n = 2 (Cu²⁺ + 2e → Cu)
• F = 96485 Кл/моль

Решение:

Подставляем в формулу m = (M × I × t) / (n × F):

Ответ: выделится примерно 1,19 г меди.

Проверьте себя с помощью нашего Калькулятор электролиза.

Условие: Деталь нужно покрыть слоем никеля массой 5 г за 2 часа. Какой ток необходим?

Дано:

• m = 5 г
• t = 2 ч = 7200 с
• M(Ni) = 58,7 г/моль
• n = 2 (Ni²⁺ + 2e → Ni)

Решение:

Используем формулу I = (m × n × F) / (M × t):

Ответ: нужен ток около 2,3 А.

На практике учитывайте КПД установки (обычно 80-90%), поэтому берите ток с запасом 10-20%.

Условие: Сколько времени потребуется для получения 1 литра водорода (при н.у.) при токе 5 А и КПД электролизёра 75%? Плотность водорода 0,0899 г/л.

Дано:

• V = 1 л → m = 0,0899 г (через плотность)
• I = 5 А
• КПД = 75% → полезный заряд = 0,75 от общего
• n = 2 (2H⁺ + 2e → H₂)
• M(H₂) = 2,016 г/моль

Решение:

Сначала по формуле m = (M × I × t × КПД) / (n × F). Выражаем t:

Переводим в минуты: 2295 / 60 ≈ 38,25 мин.

Ответ: потребуется около 38 минут с учётом КПД. Без учёта КПД время было бы 28,7 минут.

• Путать молярную массу (M) и массу (m). M — константа из таблицы Менделеева, m — то, что получили или хотите получить.
• Забывать переводить время в секунды. Формула работает только с секундами. Умножьте часы на 3600, минуты на 60.
• Неправильное число электронов n. Для Al³⁺ n=3, для O₂ (выделяется на аноде из OH^-) n=4. Проверяйте полуреакцию.
• Игнорировать КПД. Реальный процесс всегда идёт с потерями, особенно при электролизе воды.

Если сомневаетесь, используйте Калькулятор силы тока при электролизе — он перепроверит вас.

Для быстрых оценок запомните: при токе 1 А за 1 час выделяется примерно:

• 1,18 г меди (Cu, n=2)
• 0,66 г никеля (Ni, n=2)
• 0,34 г водорода (H₂, n=2)

Эти числа получены по формуле m = (M × I × t) / (n × F) с t=3600 с. Они пригодятся, если нужно прикинуть на пальцах.

Также обратите внимание на Калькулятор силы тока — он поможет в общих расчётах, не только для электролиза.

1. Через раствор AgNO₃ пропускают ток 0,5 А в течение 10 минут. Сколько серебра выделится? (M=107,9 г/моль, n=1)
2. Какой ток нужен, чтобы за 1 час получить 2 г золота из раствора AuCl₃? (M=197 г/моль, n=3)
3. Сколько времени потребуется для получения 10 л кислорода (при н.у., плотность 1,429 г/л) при токе 10 А и КПД 80%? (M=32 г/моль, n=4)

Ответы: 1) 0,335 г; 2) 0,82 А; 3) 11,7 ч.

Понимание силы тока при электролизе пригодится не только в лаборатории. Например:

• Гальваника — нанесение покрытий (хромирование, никелирование).
• Электролиз воды — получение водорода для топлива.
• Рафинирование металлов — очистка меди.

Для смежных расчётов используйте Калькулятор силы или Калькулятор плеча силы.