Leyes de Faraday sobre la electrólisis

Leyes físicas de la electroquímica

Michael Faraday

Las leyes de 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 del SI son amperios segundo o culombios ). ^[3]

$${\displaystyle m\propto Q\quad \implies \quad {\frac {m}{Q}}=Z}$$

Aquí, la constante de proporcionalidad, Z , se denomina equivalente electroquímico (ECE) de la sustancia. Por lo tanto, el ECE puede definirse 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 )

${\displaystyle {\begin{aligned}&m\propto E;\quad E={\frac {\text{molar mass}}{\text{valence}}}={\frac {M}{v}}\\&\implies m_{1}:m_{2}:m_{3}:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \\&\implies Z_{1}Q:Z_{2}Q:Z_{3}Q:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \\&\implies Z_{1}:Z_{2}:Z_{3}:\ldots =E_{1}:E_{2}:E_{3}:\ldots \end{aligned}}}$

Derivación

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

Por lo tanto, la masa m descargada es donde $${\displaystyle m={\frac {xM}{vN_{\rm {A}}}}={\frac {QM}{eN_{\rm {A}}v}}={\frac {QM}{vF}}}$$

• 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 así:

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

donde M es la masa molar de la sustancia (generalmente expresada 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 lo tanto, cuanto mayor sea el valor de (peso equivalente), mayor será m . ${\displaystyle {\tfrac {M}{v}}}$

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

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

y luego a

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

dónde:

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

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

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

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 :

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

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

Aplicaciones

• Galvanoplastia : proceso en el que se deposita una fina capa de metal sobre la superficie de un objeto mediante una corriente eléctrica.
• Celdas electroquímicas : generan energía eléctrica a partir de reacciones químicas.
• Electrotipado : proceso utilizado para crear copias en metal de diseños depositando metal sobre un molde mediante galvanoplastia.
• Electroobtención : proceso que extrae metales de sus soluciones utilizando una corriente eléctrica.
• Electroformado : un proceso que deposita metal sobre un molde o sustrato para crear piezas metálicas.
• Anodización : un proceso que convierte la superficie de un metal en una capa de óxido duradera y resistente a la corrosión.
• Polímeros conductores : polímeros orgánicos que conducen electricidad.
• Electrólisis del agua : un proceso que utiliza una corriente eléctrica para dividir las moléculas de agua en gases de hidrógeno y oxígeno .
• Condensadores electrolíticos : un tipo de condensador que utiliza una solución electrolítica como una de sus placas.

Véase también

• Electrólisis
• Ley de inducción de Faraday
• Ecuación de Tafel

Referencias

1. Faraday, Michael (1834). "Sobre la descomposición eléctrica". Philosophical Transactions of the Royal Society . 124 : 77–122. doi :10.1098/rstl.1834.0008. S2CID  116224057.
2. Ehl, Rosemary Gene; 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.
3. «Leyes de electrólisis de Faraday | Química». Enciclopedia Británica . Consultado el 1 de septiembre de 2020 .
4. Para un tratamiento similar, véase Strong, FC (1961). "Las leyes de Faraday en una ecuación". Journal of Chemical Education . 38 (2): 98. Bibcode :1961JChEd..38...98S. doi :10.1021/ed038p98.

Lectura adicional

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