法拉第电解定律

法拉第电解定律(英语:Faraday's laws of electrolysis),是化学中的两条定律,用于有关电解化学计量。这定律由英国科学家米高·法拉第,在19世纪前半期通过大量实验得出的经验规律,并于1834年发表[1]。法拉第电解定律适用于一切电极反应的氧化还原过程,是电化学反应中的基本定量定律。

科学家米高·法拉第(1791-1867)。

法拉第电解第一定律

法拉第电解第一定律说明:

这里的电量,指的是电荷的数量,现代物理常以库仑 (C) 作为单位。在使用恒定电流时,电荷又与供电的时长成正比。换句话说,在恒定电流下,电解时间愈长,在电极生成的物质愈多,二者成正比。


法拉第电解第二定律

法拉第电解第二定律说明:

这里的当量重量,是指该物质的摩尔质量,除以它接受或失去电子的数目。举例来说,在离子溶液的电解实验中,从铜(I)离子 Cu+ 所得的铜金属,其当量重量是 63.5 ÷ 1 = 63.5 g ;从铜(II)离子 Cu2+ 所得的铜金属,则有当量重量 63.5 ÷ 2 = 31.75 g。也就是说,若使用相同的电量,后者生成的铜金属是前者的一半。

数学表示

对于某物质 X 的溶液 Xz+(aq) 进行电解:

Xz+(aq) + z e → X(s) ,

根据法拉第电解定律,若使用电量 Q 进行电解,则可得生成质量 M

 

使用摩尔质量的公式   ,可以简略写成

 

其中 n 是生成物质的摩尔数

数学证明

首先定义法拉第常数 F ,作为一摩尔电子的电量。从实验量度得知,法拉第常数 F = 96 485.332 12... C mol−1[2]

从化学方程可知,生成一摩尔的物质,需要 z 摩尔的电子,即 zF 的电量。

因此,生成 n 摩尔的物质,需要 nzF 的电量:

 

整理可得

 

证毕。

计算公式

从上得知,法拉第电解定律可表示为

 

其中:

  • n = 生成物质的摩尔数 [mol];
  • Q = 总电量 [C];
  • z = 生成物的电子转移数量;
  • F = 法拉第常数 96 485.332 12... [C mol−1]。


对于恒定电流的情况,使用电流公式   ,可以写成

 

其中:

  • I = 电流 [A];
  • t = 电解时长 [s]。


若电流随时间有所变化,则须以积分求得总电量作计算[3]

 

其中:

  • τ = 时间变数 [s];
  • I(τ) = 电流随时间 τ 变化的函数 [A]。

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参考文献

  1. ^ Faraday, Michael. On Electrical Decomposition. Philosophical Transactions of the Royal Society. 1834, 124: 77–122 [2020-01-08]. doi:10.1098/rstl.1834.0008. (原始内容存档于2018-09-11). 
  2. ^ 2018 CODATA Value: Faraday constant.页面存档备份,存于互联网档案馆The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty.
  3. ^ Strong, F. C. Faraday's Laws in One Equation. Journal of Chemical Education. 1961, 38 (2): 98. Bibcode:1961JChEd..38...98S. doi:10.1021/ed038p98.