Что такое постоянная Фарадея и чему она равна

Постоянной Фарадея называют количество электрозаряда в моле электронов. Она определяется как результат умножения постоянной Авогадро (количество частиц в 1 моле вещества, равное 6.022×10²³) на электрический заряд электрона (1.602×10^-19 Кл). Следовательно, постоянная или число Фарадея имеет значение F = 6.022×10²³ ´ 1.602×10^-19 = 96 500 (Кл/моль). Это одна из фундаментальных физических констант. Ее называют постоянной Фарадея в честь английского физика-экспериментатора. В химии его заслуги также велики. В частности ученый открыл законы электролиза.

Электролиз — что это такое

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, в ходе которого электроток пропускается через вещество для осуществления химических изменений. Данный процесс проходит в электролитической ячейке — аппарате, состоящем из положительного и отрицательного электродов, расположенных друг от друга на расстоянии и погруженных в раствор электролита, содержащего положительно и отрицательно заряженные ионы (катионы и анионы соответственно).

Электролитом служит раствор или расплав, внутри которого перемещаются хаотично заряженные ионы. Когда на ионы воздействует электроток, они начинают двигаться: катионы — к катоду, анионы м к аноду. В ходе процесса либо растворяется один из электродов, либо на электродах из раствора осаждаются вещества.

Электролиз широко используется в металлургических процессах, например, при извлечении или очистке металлов из руд или соединений и при осаждении металлов из раствора (гальваника). Так, при электролизе расплавленного хлорида натрия (поваренной соли) образуются металлический натрий и газ хлор, а при электролизе воды — газообразные водород и кислород.

Открытие Фарадеем законов электролиза

Законы электролиза (их всего два), важные для понимания происходящих на электродах реакций, Фарадей открыл в 1833-1836 годах, исследуя природу электричества. Сформулировав законы электролиза, Фарадей стал одним из основоположников такой науки, как электрохимия. Первые проявления электролиза изучались и до Фарадея. Но количественно исследовать процессы электролиза, а затем сформулировать законы удалось только ему.

В настоящее время определение постоянной Фарадея — тема лабораторной работы, выполняемой студентами. Все, что надо для выполнения — ванна для электролиза с химическим раствором (электролитом) и электродами, весы, источник постоянного тока, амперметр, секундомер.

Фарадей в качестве источника постоянного тока использовал электрическую машину, вырабатывавшую электричество путем трения, а полученное количество электричества оценивал числом оборотов диска машины. Выработанное машиной электричество он накапливал лейденскими банками (в нашем понимании — конденсаторами), а напряжение на банках оценивал по отклонению стрелки градуированного в делениях электрометра.

Пользовался в качестве источника напряжения Фарадей и элементами питания из погруженных в раствор серной кислоты платиновой и цинковой пластин цилиндрической формы.

Количество электричества (что мы сейчас определяем, умножив измеренную амперметром силу тока на время пропускания тока) Фарадей определял по размеру пятна на пропитанной раствором йодистого калия фильтровальной бумаге при пропускании через индикатор тока.

Все это, а также проведение сотен опытов, результат электролиза 130 различных веществ и анализ этих результатов, позволило Фарадею сформулировать закон, названный его именем.

Работы Фарадея по окислению и восстановлению веществ электротоком открыли перспективы для дальнейших научных исследований, а также для химической и металлургической технологии. Еще при жизни Фарадея началось использование гальванопластики, был создан первый топливный элемент и изобретен свинцовый аккумулятор.

Как рассчитывается число Фарадея

Число Фарадея может быть оценено на основе количества твердого серебра Ag, осажденного в электрохимической реакции при пропускании через водный раствор нитрата серебра AgNO₃ определенного электрического тока за определенное время.

При электролизе металлическое серебро выделяется на катоде (отрицательном электроде), а на аноде (положительном электроде) образуются азотная кислота 4HNO₃ и кислород O₂. Суммарное уравнение реакции: 4AgNO₃+2H₂O=4Ag+4HNO₃+O₂.

Значение этой константы также использовалось для расчета количества молекул в моле, т. е. числа Авогадро.

Наряду с кулоном (Кл) — системной единицей измерения электрозаряда, в электрохимии используется внесистемная единица, которая называется фарадей (Ф), соответствующая заряду 1 моля электронов или однозарядных ионов. Численно 1 Ф = 96 500 Кл.

Поскольку 1 кулон — это 1 ампер-секунда (А∙с), можно представить фарадеи в ампер-часах: 1 Ф = 96 500/3.600 = 26.8 А∙ч.

Чтобы выполнить расчеты с использованием константы Фарадея, необходимо принять во внимание следующие допущения:

• Зависимость между массой вещества, осажденного при электролизе и количеством электричества, пропущенного через химический раствор, является прямопропорциональной (первый закон Фарадея для электролиза).
• Количество электричества можно рассчитать по формуле:

Для расчета количества электричества, необходимого для осаждения при электролизе заданного количества металла, применяется следующая формула:

Школьная задачка с использованием постоянной Фарадея

В заключение приведем пример практического использования постоянной Фарадея. Рассчитаем, сколько времени потребуется для осаждения 20 граммов твердого серебра из раствора нитрата серебра при силе электротока 3.5 ампера.

Из периодической таблицы Менделеева следует, что атомная (молярная) масса серебра составляет 108 г/моль. Следовательно, 20 граммов серебра — это 20/108 = 0.185 моль. Для получения такого количества молей серебра необходимо такое же количество молей электронов, поэтому через раствор должно пройти количество электричества:

Q = 0.185 × 96 500 = 17 800 (Кл).

Тогда время, необходимое для осаждения 0.185 моль серебра, составит:

t = Q/I = 17 800/3.5 ампер=5 080 (секунд) или 5 080/3 600 = 1.4 (час).

Видео по теме