法拉第电解定律：高中物理培养学生创新能力的有效途径

当电流通过电解液时,常有物质在极板上析出。 例如,当把铂或碳作为两个电极插入稀盐酸溶液,并把它们分别接在电源的正负极上时,溶液中的H +将向与电源负极相连的电极(称为阴极)运动,在阴极上得到电子而成为中性原子,在阴极上有氢气放出;Cl -将向与电源正极相连的电极(称为阳极)运动,把电子给了阳极而成为中性原子,在阳极有氯气放出。这个过程叫做电解。

法拉第在19 世纪30 年代就通过实验研究了电解时析出物质的质量与哪些因素有关这个问题,得出了两条定律——法拉第电解定律。

法拉第电解第一定律:电解时析出的质量m 与通过的电量q 成正比,比值k 叫做电化当量。 公式写作

法拉第电解第二定律:物质的电化当量与它的化学当量成正比。 我们在化学中学过,物质的化学当量等于它的摩尔质量μ 除以化合价n,即为μ/n,把k 和μ/n 的比值写为1/F,可得

法拉第在实验中选用了各种不同的物质,实验结果表明,无论析出的物质是什么,F 的数值都是相同的,都等于96 500 C。 因此人们把F 称为法拉第常量。 法拉第常量说明什么问题呢?

把两个定律的公式合在一起可得

上式可写为(www.zuozong.com)

对于一价原子(n=1),当电解时产生的物质是1 mol(m/μ=1)时,通过的电量为q=F。

对于二价原子(n =2),当电解时产生的物质是1 mol(m/μ =1)时,通过的电量为q=2F。

对于n 价原子,产生1 mol 物质的电量为q=nF。

法拉第发现电解定律时,人们还不知道原子的结构,也不知道电子。 他的发现对人们建立基元电荷的概念起了重要作用。 人们当时认识到,通过电解液的电量是由到达极板的原子带过去的,1 mol 物质所含的原子数都相同,都等于阿伏伽德罗常量。 因此,析出1 mol 的任何物质时,到达极板的原子数都是NA,但所带的电量不同,2,3,4,…,n 价原子的电量是1价原子的电量的2,3,4,…,n 倍。 这说明,每个原子所带的电量的数值都是某最小电量的整数倍,这个最小电量就是1 价原子所带的电量,人们把它叫做基元电荷,它的大小可以从法拉第常量和阿伏伽德罗常量算出

这个数值和后来密立根从油滴实验测出的结果一样。