Las leyes de la electrólisis de Faraday.

Las leyes de la electrólisis de Faraday son relaciones cuantitativas basadas en la investigación electroquímica publicada por Michael Faraday en 1833. ^[1]^[2]^[3]

primera ley

Michael Faraday informó que la masa ( $m$ ) de una sustancia depositada o liberada en un electrodo es directamente proporcional a la carga ( $Q$ ; las unidades SI son amperios segundos o culombios ). ^[3]

m\propto Q\quad \implica \quad {\frac {m}{Q}}=Z

Aquí, la constante de proporcionalidad, $Z$ , se denomina equivalente electroquímico (ECE) de la sustancia. Así, la ECE se puede definir como la masa de la sustancia depositada o liberada por unidad de carga.

Segunda ley

Faraday descubrió que cuando la misma cantidad de corriente eléctrica pasa a través de diferentes electrolitos conectados en serie, las masas de las sustancias depositadas o liberadas en los electrodos son directamente proporcionales a su respectivo equivalente químico/ peso equivalente ( $E$ ). ^[3] Esto resulta ser la masa molar ( $M$ ) dividida por la valencia ( $v$ )

{\begin{aligned}&m\propto E;\quad E={\frac {\text{masa molar}}{\text{valencia}}}={\frac {M}{v}}\\ &\implica m_{1}:m_{2}:m_{3}:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \\&\implica Z_{1}Q:Z_ {2}Q:Z_{3}Q:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \\&\implica Z_{1}:Z_{2}:Z_{3} :\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \end{aligned}}

Derivación

Un ion monovalente requiere 1 electrón para descargarse, un ion divalente requiere 2 electrones para descargarse y así sucesivamente. Por tanto, si fluyen $x$ electrones, los átomos se descargan. ${\tfrac {x}{v}}$

Por tanto, la masa $m$ descargada es

m={\frac {xM}{vN_{\rm {A}}}}={\frac {QM}{eN_{\rm {A}}v}}={\frac {QM}{vF }}

$N A$ es la constante de Avogadro ;
$Q = xe$ es la carga total, igual al número de electrones ( $x$ ) multiplicado por la carga elemental $e$ ;
$F$ es la constante de Faraday .

forma matemática

Las leyes de Faraday se pueden resumir en

Z={\frac {m}{Q}}={\frac {1}{F}}\left({\frac {M}{v}}\right)={\frac {E}{ F}}

donde $M$ es la masa molar de la sustancia (generalmente dada en unidades SI de gramos por mol) y $v$ es la valencia de los iones .

Para la primera ley de Faraday, $M, F, v$ son constantes; por lo tanto, cuanto mayor sea el valor de $Q$ , mayor será $m .$

Para la segunda ley de Faraday, $Q, F, v$ son constantes; por tanto, cuanto mayor sea el valor de (peso equivalente), mayor será $m .$ ${\tfrac {M}{v}}$

En el caso simple de electrólisis de corriente constante , $Q = It$ , lo que lleva a

m={\frac {ItM}{Fv}}

y luego a

n={\frac {It}{Fv}}

dónde:

$n$ es la cantidad de sustancia ("número de moles") liberada: $n={\tfrac {m}{M}}$
$t$ es el tiempo total que se aplicó la corriente constante.

Para el caso de una aleación cuyos constituyentes tienen diferentes valencias, tenemos

m={\frac {It}{F\times \sum _{i}{\frac {w_{i}v_{i}}{M_{i}}}}}

donde $w i$ representa la fracción de masa del $i$ -ésimo elemento.

En el caso más complicado de una corriente eléctrica variable, la carga total $Q$ es la corriente eléctrica $I (τ)$ integrada en el tiempo $τ$ :

Q=\int _{0}^{t}I(\tau )\,d\tau

Aquí $t$ es el tiempo total de electrólisis. ^[4]

Ver también

Referencias

^ Faraday, Michael (1834). "sobre descomposición eléctrica". Transacciones filosóficas de la Royal Society . 124 : 77-122. doi :10.1098/rstl.1834.0008. S2CID 116224057.
^ Ehl, gen de romero; Ihde, Aaron (1954). "Leyes electroquímicas de Faraday y determinación de pesos equivalentes". Revista de Educación Química . 31 (mayo): 226–232. Código bibliográfico : 1954JChEd..31..226E. doi :10.1021/ed031p226.
^ abc "Leyes de electrólisis de Faraday | química". Enciclopedia Británica . Consultado el 1 de septiembre de 2020 .
^ Para un tratamiento similar, consulte Strong, FC (1961). "Leyes de Faraday en una ecuación". Revista de Educación Química . 38 (2): 98. Código Bib :1961JChEd..38...98S. doi :10.1021/ed038p98.

Otras lecturas

Serway, Moses y Moyer, Modern Physics , tercera edición (2005), principios de la física.
Experimenta con las leyes de Faraday