Las leyes de la electrólisis de Faraday
Las leyes de electrólisis de Faraday son relaciones cuantitativas basadas en la investigación electroquímica de Michael Faraday, que publicó en 1836.
Estas leyes determinan la relación entre la cantidad de sustancias liberadas durante la electrólisis y la cantidad de electricidad que pasa a través del electrolito. Las leyes de Faraday son dos. En la literatura científica y en los libros de texto, existen diferentes formulaciones de estas leyes.
Electrólisis — liberación del electrolito de sus sustancias constituyentes durante el paso electricidad… Por ejemplo, cuando una corriente eléctrica pasa a través de agua ligeramente acidificada, el agua se descompone en sus componentes: gases (oxígeno e hidrógeno).
La cantidad de sustancia liberada del electrolito es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través del electrolito, es decir, el producto de la fuerza de la corriente por el tiempo durante el cual fluye esta corriente. Por lo tanto, el fenómeno de la electrólisis puede servir para medir la fuerza de la corriente y determinar unidades actuales.
Electrólito — una solución y generalmente un líquido complejo que conduce una corriente eléctrica.En las baterías, el electrolito es una solución de ácido sulfúrico (en plomo) o una solución de potasa cáustica o soda cáustica (en hierro-níquel). En las celdas galvánicas, las soluciones de cualquier compuesto químico (amoníaco, sulfato de cobre, etc.) también sirven como electrolito.
Michael Faraday (1791 - 1867)
Michael Faraday (1791 — 1867) — Físico inglés, fundador de la doctrina moderna de los fenómenos electromagnéticos. Inició su vida laboral como aprendiz en un taller de encuadernación. Recibió solo una educación elemental, pero estudió ciencias de forma independiente y trabajó como asistente de laboratorio para el químico Devi. Se convirtió en un gran científico, uno de los más grandes físicos experimentales.
Farraday abrió fenómeno de la inducción electromagnética, las leyes de la electrólisis, desarrolló la doctrina de los campos eléctricos y magnéticos y estableció fundamentos de los conceptos modernos de campo electromagnético… Fue el primer científico en tener la idea de la naturaleza vibracional y ondulatoria de los fenómenos electromagnéticos.
La primera ley de la electrólisis de Faraday
La masa de una sustancia que precipitará sobre un electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a ese electrodo (que pasa a través del electrolito). La cantidad de electricidad se refiere a la cantidad de carga eléctrica, generalmente medida en colgantes.
La segunda ley de la electrólisis de Faraday
Para una cantidad dada de electricidad (carga eléctrica), la masa de un elemento químico que se depositará en un electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la masa equivalente de ese elemento. La masa equivalente de una sustancia es su masa molar dividida por un número entero, dependiendo de la reacción química en la que esté involucrada la sustancia.
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La misma cantidad de electricidad conduce a la liberación de masas equivalentes de diferentes sustancias en los electrodos durante la electrólisis. Para liberar un mol del equivalente de cualquier sustancia, es necesario gastar la misma cantidad de electricidad, es decir, 96485 C. Esta constante electroquímica se llama número de faraday.
Las leyes de Faraday en forma matemática
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m es la masa de la sustancia depositada sobre el electrodo;
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Q es el valor de la carga eléctrica total en los colgantes, pasada durante la electrólisis;
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F = 96485,33 (83) C / mol — número de Faraday;
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M es la masa molar del elemento en g/mol;
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z — número de valencia de iones de una sustancia (electrones por ion);
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M / z — masa equivalente de la sustancia aplicada al electrodo.
Aplicada a la primera ley de electrólisis de Faraday, M, F y z son constantes, por lo que cuanto más Q, más m será.
En términos de la segunda ley de electrólisis de Faraday, Q, F y z son constantes, por lo que cuanto más M / z, más m será.
Para corriente continua tenemos
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n es el número de moles (cantidad de sustancia) liberados en el electrodo: n = m / M.
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t es el tiempo de paso de la corriente continua a través del electrolito. Para corriente alterna, la carga total se suma a lo largo del tiempo.
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t es el tiempo total de electrólisis.
Un ejemplo de aplicación de las leyes de Faraday
Es necesario escribir la ecuación de los procesos electroquímicos en el cátodo y el ánodo durante la electrólisis de una solución acuosa de sulfato de sodio con un ánodo inerte. La solución al problema será la siguiente. En solución, el sulfato de sodio se disociará de acuerdo con el siguiente esquema:
El potencial de electrodo estándar en este sistema es el siguiente:
Este es un nivel de potencial mucho más negativo que para un electrodo de hidrógeno en un medio neutro (-0,41 V). Por lo tanto, en el electrodo negativo (cátodo), comenzará la disociación electroquímica del agua con la liberación de iones de hidrógeno e hidróxido de acuerdo con el siguiente esquema:
Y los iones de sodio cargados positivamente que se acercan al cátodo cargado negativamente se acumularán cerca del cátodo, en la parte adyacente de la solución.
En el electrodo positivo (ánodo) se producirá la oxidación electroquímica del agua, lo que dará lugar a la liberación de oxígeno, según el siguiente esquema:
En este sistema, el potencial de electrodo estándar es de +1,23 V, que está muy por debajo del potencial de electrodo estándar que se encuentra en el siguiente sistema:
Los iones de sulfato cargados negativamente que se mueven hacia el ánodo cargado positivamente se acumularán en el espacio cercano al ánodo.