Faraday Kanunları

Faraday'ın keşfi Michael Faraday'ın adını taşıyan yasaları , elektrokimyasal reaksiyonlarda elektrik yükü ve metabolizma arasındaki ilişkiyi açıklar , örn. B. elektrolizde . Bu nedenle elektrokimya ve elektrolizin temel yasalarıdır . Geleneksel olarak, yasalar denir elektroliz Faraday yasaları, ama onlar da metabolizmaya karşı uygulanabilir galvanik hücreler , yani H. Piller , akümülatörler ve yakıt hücreleri geçerlidir. Bu ayrı indüksiyon Faraday yasası, ile ilgilidir , elektromanyetik indüksiyon ; makalenin başındaki netleştirme notuna bakın.

Elektrolizin temel kavramları

Elektroliz , bir yöntem elektrokimyanın ilk kez 19. yüzyılda izin, bazı yeni keşfedilen metaller eleman biçiminde temsil eder. Bir elektrik akımı geçirilir bir geçiş eriyik yapılmıştır bileşiklerinin bu metallerin. Faraday bu yönteme elektroliz adını verdi (Yunanca "elektrik yoluyla özgürleştirmek" ifadesinden).

Faraday, elektriksel iletkenliği olan bir sıvı veya çözelti bir elektrolit olarak adlandırdı . Sıvı veya çözelti elektrotlarına batırılmış metal çubuklara (Yunanca "elektrik sokağı" kelimesinden gelir) adını verdi . Dış akımın içine bir anot aktığı elektrodu (“νοδος “yükselme”) çağırdı. Buna göre, akımın dışarı aktığı elektrodu katot olarak adlandırdı (κάϑοδος "aşağı doğru yol").

Faraday, elektrik akışını yukarıdan (elektrik durumunda, anottan) aşağıya (katoda) akan suya karşılaştırdı. Pozitiften negatife bir elektrik akışını tanımlayan Franklin örneğini izledi . Bu aynı zamanda pozitif yüklü yük taşıyıcılarının taşıma yönüdür; akım yönünün tanımı, yük taşıyıcılarındaki yükün işareti hakkında hiçbir şey söylemiyor. Elektrolitlerde iyon adı verilen pozitif ve negatif yük taşıyıcıları bulunurken, metalik iletkenlerde yük taşıyıcıları negatif yüklü elektronlardır . Pozitif yüklü iyonlara katyonlar ve negatif yüklü anyonlar denir . İsim, üzerinde bu iyonların biriktirildiği zıt işaretli elektrot adından türetilmiştir.

Faraday Kanunları

Michael Faraday, 1841/42 civarında yaratılan bir yağlıboya tablo üzerine

1834'te Faraday, şimdi Faraday Yasaları olarak bilinen Temel Elektroliz Yasalarını yayınladı :

1. Faraday yasası

Madde miktarı , elektroliz sırasında bir elektrot üzerinde biriken bir orantılı için elektrik şarj elektrolit yoluyla gönderilir. (n ~ Q)

2. Faraday yasası

Yükün belli bir miktarda biriken bir elemanın kütle ile doğru orantılıdır atomik kütle tevdi elemanı ve onun ters orantılı değerlik (bu eleman ile bir araya gelebilmektedir tek değerli atomu yani sayısı).

Bugünün ifadesi

İçin elektrolitik yatırmak bir molü tek değerli bir iyon, söz konusu para miktarını veya yük Q _{1 olan} gerekli:

${\ displaystyle {\ frac {Q_ {1}} {\ text {1 mol}}} = e \ cdot N _ {\ mathrm {A}} = F}$

Burada, e , temel yüktür ve K _bir olan avagadro bir mol kaç parçacıklar söyler. F , 96485 C / mol'lük Faraday sabitidir ve bir mol monovalent maddenin biriktirilmesi için gereken yüke eşittir. Aynı zamanda, biriktirme için gereken veya salınan bir mol elektronun yük miktarına eşittir.

Herhangi bir miktarda z-değerlikli iyon maddesini elektrolitik olarak biriktirmek için, şunlara ihtiyacı vardır:

${\ displaystyle Q = n \ cdot z \ cdot F}$

ile yükü sayısının için kullanılan iyon, madde miktarı , n ve Faraday sabiti K .

M molar kütlesinin tanımından dolayı, bir maddenin kütlesi m için aşağıdakiler yazılabilir :

${\ displaystyle m = M \ cdot n}$

maddenin kütlesi m , mol kütlesi M ve maddenin n maddesi miktarı . İkinci denklem şimdi n'ye dönüştürülür ve m kütlesi için denkleme eklenirse , aşağıdaki gibi olur:

${\ displaystyle m = {M \ cdot Q \ z \ cdot F üzerinde}}$

Burada m kütlesi elektrolizle biriken maddenin kütlesidir.

Bu denklem, bir ilişkideki iki Faraday yasasını özetler . Bu nedenle, bu tür denklemler tekil bir terim olan "Faraday yasası" ile de adlandırılabilir .

Bir tanımlarsa elektrokimyasal eşdeğer Ä _e

${\ displaystyle {\ ddot {A}} _ {e} = {\ frac {M} {z \ cdot F}}}$

böylece denklem elde edilir

${\ displaystyle m = {\ ddot {A}} _ {e} Q}$.

Bu denklem, Faraday'ın birinci yasasını takip eder, ancak yükün maddenin kütlesiyle orantılılığını ifade eder .

Yukarıdaki denklemi yeniden düzenleyerek, elektroliz yoluyla maddenin belirli bir kütlesini m biriktirmek için gerekli olan Q yükü elde edilir :

${\ displaystyle Q = {m \ cdot z \ cdot F \ M üzerinde}}$

Sabit bir akım I ile , Q yükü elektroliz süresi t ile orantılıdır:

${\ displaystyle Q = I \ cdot t}$

Bu, elektro birikmiş maddenin kütlesi m için denkleme eklenirse, aşağıdaki gibidir:

${\ displaystyle m = {M \ cdot I \ times t \ over z \ times F}}$

Bu denklem , (sabit) akım gücünün ve elektroliz süresinin bir fonksiyonu olarak maddenin birikmiş m kütlesinin ne kadar büyük olduğunu belirtir . Nerede M ve F olan sabitler. Bu denklemi yeniden düzenleyerek elektroliz süresi t için elde edilir :

${\ displaystyle t = {m \ cdot z \ cdot F \ M \ cdot I üzerinde}}$

Bu denklem, belirli bir sabit akım gücünde biriken bir maddenin belirli bir kütlesini elektrolitik olarak biriktirmek için elektroliz süresinin ne kadar olması gerektiğini belirtir.

Başvurular

Faraday yasaları, atom teorisine bir destek görevi görür , yani atomların ve iyonların varlığının güçlü bir göstergesi olarak: Millikan deneyinden bilindiği gibi, elektrik yükü nicelendirilir, yani. Yani, en küçük elektrik yükü vardır, temel yük. Faraday yasalarına göre, madde miktarı yük ile orantılı olduğundan, elektroliz sırasında maddelerin en küçük porsiyonlarda, tam olarak ya temel yüke karşılık gelen bir yükü taşıyan atomlar ya da iyonlar dönüştürüldüğünü hemen takip eder. bunların bir katı.

Tarihsel olarak önemli olan diğer uygulamalar, bağıl molar kütlelerin M ve yük sayılarının z'nin belirlenmesidir . Bu amaçla, örneğin, bir gümüş tuzu çözeltisine daldırılmış iki gümüş elektrot ile seri olarak bağlanmış iki elektroliz hücresi kullanıldı. Hücreler seri olarak bağlandığından, aynı yük her iki hücreden de akar ve birinde bir mol gümüş dönüştürülürse, diğerinde 1 mol / z dönüştürülür.

Faraday yasaları , örneğin elektrokaplamada da kullanılır . B. bir iş parçasının bilinen bir geometrik yüzeyi A ile katman kalınlığının d tahminine izin verin. Yoğunluğun ( ) tanımına göre elimizde ${\ displaystyle \ varrho}$

${\ displaystyle \ varrho = {m \ over V} = {m \ over d \ cdot A}}$.

Yani anladın

${\ displaystyle d = {M \ cdot Q \ over z \ cdot A \ cdot \ varrho \ cdot F} = {M \ cdot I \ cdot t \ over z \ cdot A \ cdot \ varrho \ cdot F}.}$

Tarihi

1833'te Michael Faraday, dönüştürülen madde miktarının mevcut kuvvetle orantılı değil, yük ile orantılı olduğunu bildirdi (“Elektro-kimyasal ayrışma gerçekleştiğinde, ayrışan madde miktarının orantılı olmadığına inanmak için büyük nedenler var. yoğunluğu, ancak geçen elektrik miktarına ”). 1834'teki özetleme çalışmasında kanunları açıklığa kavuşturdu. Bazı bilim adamları kısa süre sonra Faraday yasalarının anlamını ve doğruluğunu anlasalar da, 1834 ile 1880 arasında, özellikle de tanınmış kimyager Jöns Jakob Berzelius , amperajı ve yükü doğru bir şekilde ayırt etmediği için yanlış olduklarını düşündüğü için büyük ölçüde göz ardı edildi.

Faraday Kanunları, Carlo Matteucci tarafından bağımsız olarak keşfedilmiş olabilir . Matteucci, 1839'da bunu kendi başına keşfettiğini yazdı. Bununla birlikte, çalışmaları Ekim 1834 veya 1835'te yayınlandığından, Faraday'ın daha önce yayınlanan sonuçlarını bildiği göz ardı edilemeyecek şekilde, Faraday bir keşif olarak kabul edilir, bu nedenle yasalar sadece onun adını taşır.

1881'den itibaren, Faraday yasaları bilim ve teknolojide yaygın olarak kullanıldı, özellikle de doğru akım devrelerindeki yükleri ve akımları belirlemek için elektroliz kullanıldı. Bu amaçla kullanılan cihazlara 19. yüzyılda voltametre , daha sonra kulometreler adı verildi. 1938'den itibaren, kantitatif analiz için yük ölçümü kullanıldı, bu yönteme kulometri adı verildi .

Bireysel kanıt

1. ^ ^{A b c} Michael Faraday: Elektrikte Deneysel Araştırmalar. Yedinci Seri . In: Londra Kraliyet Cemiyeti'nin Felsefi İşlemleri . bant 124 , Ocak 1834, s. 77-122 , doi : 10.1098 / rstl.1834.0008 . 
2. ↑ Frederick C. Strong: Faraday'ın kanunları tek denklemde . İçinde: Kimya Eğitimi Dergisi . bant 38 , hayır. 2 , 1961, s. 98 , doi : 10.1021 / ed038p98 . 
3. ^ William B. Jensen: Faraday Yasaları mı yoksa Faraday Yasası mı? İçinde: Kimya Eğitimi Dergisi . bant 89 , hayır. 9 Mayıs 2012, s. 1208-1209 , doi : 10.1021 / ed101193q . 
4. ↑ Michael Faraday: Elektrikte Deneysel Araştırmalar. Üçüncü Seri . In: Londra Kraliyet Cemiyeti'nin Felsefi İşlemleri . bant 123 , Ocak 1833, §7 Farklı kaynaklardan elde edilen Elektrik Kimliği. II Sıradan Elektrik. 329., s. 23-54 , doi : 10.1098 / rstl.1833.0006 . 
5. ↑ ^{a b c d} Rosemary Gene Ehl, Aaron J. Ihde: Faraday'ın Elektrokimyasal Yasaları ve Eşdeğer Ağırlıkların Belirlenmesi . İçinde: Kimya Eğitimi Dergisi . bant 31 , hayır. 5 , Mayıs 1954, s. 226–232 , doi : 10.1021 / ed031p226 . 
6. ^ Charles Matteucci: Sur la Force eléctro-chimique de la pile . İçinde: Annales de chimie et de physique . bant 58 , 1835, s. 75–88 (orijinalin sahibi: Bayerische Staatsbibliothek).