Leyes de Faraday sobre la electrólisis

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

Michael Faraday informó que la masa ( m ) de una sustancia depositada o liberada en un electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la carga ( Q , cuya unidad SI es el amperio - segundo o culombio ). ^{[ 3 ]} pasó a través del electrolito. $${\displaystyle m\propto Q\quad \implica \quad {\frac {m}{Q}}=Z}$$

Aquí, la constante de proporcionalidad, Z , se denomina equivalente electroquímico (ECE) de la sustancia. Por lo tanto, el ECE se define como la masa de la sustancia depositada o liberada por unidad de carga.

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

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

La forma moderna de la segunda ley es $${\displaystyle F=Ne}$$ donde F es la constante de Faraday , N es el número de Avogadro y e es la carga elemental . Esta forma requiere una comprensión de la valencia química que no estaba disponible en la época de Faraday. ^{[ 4 ] : 72}

Un ion monovalente requiere un electrón para la descarga, un ion divalente requiere dos electrones para la descarga, y así sucesivamente. Por lo tanto, si fluyen x electrones,${\displaystyle {\tfrac {x}{v}}}$Los átomos se descargan.

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

• 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 .

Las leyes de Faraday se pueden resumir en:

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

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

En la primera ley de Faraday, M, F y 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${\displaystyle {\tfrac {M}{v}}}$(peso equivalente), cuanto mayor sea m , mayor será.

En el caso simple de electrólisis de corriente constante, Q = It , lo que lleva 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 durante el cual se aplicó la corriente constante.

Para el caso de una aleación cuyos constituyentes tienen valencias diferentes, 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. ^{[ 5 ]}

• Galvanoplastia : proceso mediante el cual se deposita una fina capa de metal sobre la superficie de un objeto utilizando una corriente eléctrica.
• Celdas electroquímicas : generan energía eléctrica a partir de reacciones químicas.
• Electrotipo : un proceso utilizado para crear copias metálicas de diseños mediante la deposición de metal sobre un molde utilizando galvanoplastia.
• Electroobtención : un 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 la electricidad.
• Electrólisis del agua : un proceso que utiliza una corriente eléctrica para separar 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.

• Electrólisis
• Ley de inducción de Faraday
• ecuación de Tafel

• Serway, Moses y Moyer, Física moderna , tercera edición (2005), principios de física.
• Experimento con las leyes de Faraday. Archivado el 4 de febrero de 2021 en Wayback Machine.