Οι Νόμοι του Faraday για την Ηλεκτρόλυση – Πρώτος και Δεύτερος Νόμος (Εξισώσεις & Ορισμός)

Οι Νόμοι του Faraday για την Ηλεκτρόλυση

Πριν κατανοήσουμε τους Νόμους του Faraday για την ηλεκτρόλυση, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης ενός μεταλλικού σουφράτου.

Όποτε ένα ηλεκτρόλυτο, όπως ο μεταλλικός σουφράτης, διαλύεται στο νερό, τα μόρια του χωρίζονται σε θετικά και αρνητικά ιόντα. Τα θετικά ιόντα (ή μεταλλικά ιόντα) κινούνται προς τα ηλεκτρόδια που συνδέονται με το αρνητικό σύνδεσμα της μπαταρίας, όπου αυτά τα θετικά ιόντα παίρνουν ηλεκτρόνια από αυτή, γίνοντας καθαρό μέταλλο άτομο και κατατεθούν στο ηλεκτρόδιο.

Τα αρνητικά ιόντα (ή σουφρία) κινούνται προς το ηλεκτρόδιο που συνδέεται με το θετικό σύνδεσμα της μπαταρίας, όπου αυτά τα αρνητικά ιόντα δίνουν τα επιπλέον ηλεκτρόνια τους και γίνονται SO4 ριζικό. Επειδή το SO4 δεν μπορεί να υπάρξει σε ηλεκτρικά ουδέτερη κατάσταση, θα επιτεθεί στο θετικό μεταλλικό ηλεκτρόδιο – δημιουργώντας ένα μεταλλικό σουφράτη, που θα διαλυθεί ξανά στο νερό.

Οι Νόμοι του Faraday για την ηλεκτρόλυση είναι ποσοτικές (μαθηματικές) σχέσεις που περιγράφουν τα παραπάνω δύο φαινόμενα.

Ο Πρώτος Νόμος του Faraday για την Ηλεκτρόλυση

Από τη σύντομη εξήγηση παραπάνω, είναι σαφές ότι ο ροή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του εξωτερικού κύκλου της μπαταρίας εξαρτάται πλήρως από το πόσα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο ή κάθοδο στο θετικό μεταλλικό ιόν ή κατίον. Εάν τα κατίοντα έχουν βαλεντότητα δύο, όπως το Cu++, τότε για κάθε κατίον θα μεταφερθούν δύο ηλεκτρόνια από τον κάθοδο στο κατίον. Γνωρίζουμε ότι κάθε ηλεκτρόνιο έχει αρνητική ηλεκτρική φορτίο – 1.602 × 10-19 Coulombs και πολλές φορές λέγεται – e. Έτσι, για την κατάθεση κάθε Cu άτομου στον κάθοδο, θα μεταφερθούν – 2.e φορτία από τον κάθοδο στο κατίον.

Τώρα, ας πούμε ότι για χρόνο t, θα κατατεθούν συνολικά n αριθμός άτομων χαλκού στον κάθοδο, έτσι το συνολικό μεταφερόμενο φορτίο, θα είναι – 2.n.e Coulombs. Το μάζα m του κατατεθέντος χαλκού είναι σαφώς μια συνάρτηση του αριθμού των κατατεθέντων ατόμων. Έτσι, μπορεί να συμπεριστεί ότι η μάζα του κατατεθέντος χαλκού είναι ανάλογη με την ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου που διαβιβάζεται μέσω του ηλεκτρολύτη. Άρα, η μάζα του κατατεθέντος χαλκού m ∝ Q ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που διαβιβάζεται μέσω του ηλεκτρολύτη.

Ο Πρώτος Νόμος του Faraday για την Ηλεκτρόλυση αναφέρει ότι η χημική κατάθεση λόγω της ροής ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός ηλεκτρολύτη είναι ανάλογη με την ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου (Coulombs) που διαβιβάζεται μέσω αυτού.

δηλ. η μάζα της χημικής κατάθεσης:

όπου, Z είναι μια σταθερά αναλογικότητας και είναι γνωστή ως χημικό-ηλεκτρικό ισοδύναμο του υλικού.

Εάν βάλουμε Q = 1 coulomb στην παραπάνω εξίσωση, θα πάρουμε Z = m, το οποίο σημαίνει ότι το χημικό-ηλεκτρικό ισοδύναμο οποιουδήποτε υλικού είναι η ποσότητα του υλικού που κατατίθεται με την πέραση 1 coulomb μέσω της λύσης του. Αυτή η σταθερά χημικού-ηλεκτρικού ισοδύναμου εκφράζεται συνήθως σε milligrams per coulomb ή kilogram per coulomb.

Ο Δεύτερος Νόμος του Faraday για την Ηλεκτρόλυση

Μέχρι στιγμής έχουμε μάθει ότι η μάζα του χημικού, που κατατίθεται λόγω ηλεκτρόλυσης, είναι ανάλογη με την ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που διαβιβάζεται μέσω του ηλεκτρολύτη. Η μάζα του χημικού, που κατατίθεται λόγω ηλεκτρόλυσης, δεν είναι μόνο ανάλογη με την ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που διαβιβάζεται μέσω του ηλεκτρολύτη, αλλά εξαρτάται και από άλλους παράγοντες. Κάθε υλικό θα έχει το δικό του ατομικό βάρος. Έτσι, για τον ίδιο αριθμό ατόμων, διαφορετικά υλικά θα έχουν διαφορετική μάζα.

Επίσης, πόσα άτομα κατατίθενται στα ηλεκτρόδια εξαρτάται από τη βαλεντότητά τους. Εάν η βαλεντότητα είναι μεγαλύτερη, τότε για την ίδια ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου, ο αριθμός των κατατεθέντων ατόμων θα είναι μικρότερος, ενώ εάν η βαλεντότητα είναι μικρότερη, τότε για την ίδια ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου, θα κατατεθούν περισσότερα άτομα.

Άρα, για την ίδια ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου ή φορτίου που διαβιβάζεται μέσω διαφορετικών ηλεκτρολύτων, η μάζα του κατατεθέντος χημικού είναι ανάλογη με το ατομικό βάρος και αντίστροφη με τη βαλεντότητα.

Ο Δεύτερος Νόμος του Faraday για την Ηλεκτρόλυση αναφέρει ότι, όταν η