Le leggi di Faraday

Le leggi di Faraday

Gli aspetti quantitativi dell'elettrolisi furono studiati da Faraday, il quale sintetizzò i risultati ottenuti sperimentalmente in due leggi.

Prima legge di Faraday

La massa di una sostanza che si libera agli elettrodi è proporzionale alla quantità di elettricità passata attraverso la soluzione

Dopo quanto osservato a proposito dei fenomeni elettrolitici tale legge dovrebbe risultare abbastanza evidente. Se ad esempio riprendiamo in considerazione l'elettrolisi del cloruro di sodio fuso, possiamo verificare che per ogni elettrone che abbandona il catodo e raggiunge l'anodo passando attraverso la soluzione, si libera 1 atomo di Na metallico e mezza molecola di Cloro gassoso

Naturalmente se passano 2 elettroni si libereranno 2 atomi di sodio e 1 molecola di cloro ed in generale se passano un numero n di elettroni si libereranno agli elettrodi n atomi di sodio e n/2 molecole di cloro.

Risulta allora evidente come la quantità di materia che si libera agli elettrodi sia proporzionale al numero di elettroni scambiati. Ma poiché ogni elettrone porta una quantità di elettricità costante e definita (1,6^.10^-19 C) se ne deduce che la massa liberata deve essere proporzionale alla carica elettrica transitata attraverso la soluzione.

Seconda legge di Faraday

Al fine di liberare agli elettrodi 1 equivalente di una qualsiasi sostanza è necessario che attraverso la soluzione passino 96.485 C (quantità nota come Faraday). Naturalmente se attraverso la soluzione passano n Faraday verranno liberati n equivalenti.

Il Faraday (F) è la quantità di elettricità portata da 1 mole di elettroni ( N elettroni)

N ^. Carica elettrone = 6,02214179^.10^{23 .} 1,602176487^.10^-19 = 96.485,34 C

Ricordando che il peso equivalente di una sostanza che subisce un processo redox è pari al rapporto tra il suo peso molare ed il numero di elettroni persi o acquistati

risulta evidente come tale quantità sia in grado di acquistare o cedere in un processo redox esattamente una mole di elettroni, pari alla carica di 96.485 C (1 Faraday).

Ad esempio se vogliamo ridurre 1 mole di Al³⁺ (P_M = 27 g) ad alluminio metallico

Al³⁺  + 3e^- → Al

poiché ogni ione Al³⁺ richiede 3 elettroni, 1 mole (27 g), contenendo N ioni, richiede 3N elettroni.

N elettroni riusciranno a ridurre solo un terzo di mole, cioè 1 equivalente di alluminio (9 g).

Infine se 1 Faraday libera 1 equivalente è evidente che n Faraday libereranno n equivalenti, dal che si deduce che la massa che si libera agli elettrodi in una reazione redox sta al peso equivalente come la quantità di corrente che attraversa la soluzione sta a 96.485 C.

Per calcolare la massa che si libera ad un elettrodo sarà dunque sufficiente moltiplicare il peso equivalente per il numero di Faraday che hanno attraversato la soluzione

Esempio

Calcoliamo quanto rame metallico si deposita al catodo di una cella elettrolitica contenente CuSO₄, quando si faccia passare una corrente di 15 A per 2,5 ore.

Sapendo che 1 A = 1 C/s, la quantità totale di corrente che attraversa la soluzione è pari a

Q = I ^. t  = 15 C/s ^. 9000 s = 135.000 C

sapendo che 1 Faraday = 96.485 C, allora 135.000C corrispondono a

Calcoliamo ora il peso equivalente del rame

Dunque se 1 Faraday libera 1 equivalente di rame, 1,4 Faraday ridurranno 1,4 equivalenti pari a

31,77 ^. 1,4 = 44,478 g