قوانین الکترولیز فارادی – قانون اول و دوم (معادلات و تعریف)

فیلد: مقدماتی برق

China

قوانین فارادی در الکترولیز

قبل از درک قوانین فارادی در الکترولیز، باید ابتدا فرآیند الکترولیز سولفات فلزی را درک کنیم.

هرگاه یک الکترولیت مانند سولفات فلزی در آب حل شود، مولکول‌های آن به یون‌های مثبت و منفی تقسیم می‌شوند. یون‌های مثبت (یا یون‌های فلزی) به الکترودهای متصل به ترمینال منفی باتری حرکت می‌کنند جایی که این یون‌های مثبت الکترون‌ها را از آن می‌گیرند، به فلز خالص تبدیل می‌شوند و روی الکترود ترسیب می‌شوند.

یون‌های منفی (یا سولفیون‌ها) به الکترود متصل به ترمینال مثبت باتری حرکت می‌کنند، جایی که این یون‌های منفی الکترون‌های اضافی خود را وا می‌دهند و به رادیکال SO4 تبدیل می‌شوند. چون SO4 نمی‌تواند در حالت الکتریکی خنثی وجود داشته باشد، به الکترود مثبت فلزی حمله می‌کند - که موجب تشکیل سولفات فلزی می‌شود که مجدداً در آب حل می‌شود.

قوانین فارادی در الکترولیز روابط کمی (ریاضی) هستند که دو پدیده فوق را توصیف می‌کنند.

قانون اول فارادی در الکترولیز

از توضیح مختصر بالا مشخص است که جریان جریان الکتریکی از طریق مدار خارجی باتری کاملاً به تعداد الکترون‌های منتقل شده از الکترود منفی یا کاتد به یون‌های مثبت فلزی یا کاتیون‌ها بستگی دارد. اگر کاتیون‌ها دارای والانس دو مثل Cu++ باشند، برای هر کاتیون دو الکترون از کاتد به کاتیون منتقل می‌شود. ما می‌دانیم که هر الکترون دارای بار الکتریکی منفی – 1.602 × 10-19 کولن است و فرض کنید – e است. بنابراین برای ترسیب هر اتم Cu روی کاتد، 2.e بار منتقل می‌شود.

حالا فرض کنید برای زمان t، تعداد کل n اتم مس روی کاتد ترسیب شود، بنابراین کل بار منتقل شده، – 2.n.e کولن خواهد بود. جرم m مس ترسیب شده به وضوح تابع تعداد اتم‌های ترسیب شده است. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که جرم مس ترسیب شده مستقیماً متناسب با مقدار بار الکتریکی که از طریق الکترولیت عبور می‌کند. بنابراین جرم مس ترسیب شده m ∝ Q مقدار بار الکتریکی که از طریق الکترولیت عبور می‌کند.

قانون اول فارادی در الکترولیز بیان می‌کند که رسوب شیمیایی ناشی از جریان جریان الکتریکی از طریق یک الکترولیت مستقیماً متناسب با مقدار برق (کولن) عبوری از آن است.

یعنی جرم رسوب شیمیایی:

که در آن Z یک ثابت تناسب است و به عنوان معادل الکتروشیمیایی ماده شناخته می‌شود.

اگر Q = 1 کولن در معادله بالا قرار دهیم، Z = m خواهیم داشت که به این معنی است که معادل الکتروشیمیایی هر ماده مقدار ماده ترسیب شده روی عبور 1 کولن از طریق محلول آن است. این ثابت عبور معادل الکتروشیمیایی معمولاً به صورت میلی‌گرم بر کولن یا کیلوگرم بر کولن بیان می‌شود.

قانون دوم فارادی در الکترولیز

تاکنون یاد گرفته‌ایم که جرم مواد شیمیایی ترسیب شده به دلیل الکترولیز متناسب با مقدار برق عبوری از الکترولیت است. جرم مواد شیمیایی ترسیب شده به دلیل الکترولیز نه تنها متناسب با مقدار برق عبوری از الکترولیت است، بلکه به عوامل دیگری نیز بستگی دارد. هر ماده وزن اتمی خاص خود را دارد. بنابراین برای تعداد یکسان اتم‌ها، مواد مختلف وزن‌های متفاوت خواهند داشت.

همچنین، تعداد اتم‌های ترسیب شده روی الکترودها به تعداد والانس آن‌ها نیز بستگی دارد. اگر والانس بیشتر باشد، برای مقدار یکسان برق، تعداد اتم‌های ترسیب شده کمتر خواهد بود و اگر والانس کمتر باشد، برای مقدار یکسان برق، تعداد بیشتری اتم ترسیب خواهند شد.

بنابراین، برای مقدار یکسان برق یا بار عبوری از الکترولیت‌های مختلف، جرم مواد ترسیب شده مستقیماً متناسب با وزن اتمی آن و عکس متناسب با والانس آن است.

قانون دوم فارادی در الکترولیز بیان می‌کند که وقتی مقدار یکسانی برق از طریق چند الکترولیت عبور می‌کند، جرم مواد ترسیب شده متناسب با وزن شیمیایی یا وزن معادل آن‌ها است.

معادل شیمیایی یا وزن معادل

معادل شیمیایی یا وزن معادل یک ماده می‌تواند با قوانین فارادی در الکترولیز تعیین شود و به عنوان وزن زیر مجموعه‌ای تعریف می‌شود که با واحد وزن هیدروژن ترکیب یا جایگزین می‌شود.

معادل شیمیایی هیدروژن یک است. چون والانس یک ماده برابر با تعداد اتم‌های هیدروژنی است که می‌تواند جایگزین یا با آن ترکیب شود، معادل شیمیایی یک ماده می‌تواند به عنوان نسبت وزن اتمی آن به والانس آن تعریف شود.