法拉第电解定律

法拉第電解定律(英語:Faraday's laws of electrolysis),是化學中的兩條定律,用於有關電解化學計量。這定律由英國科學家米高·法拉第,在19世紀前半期通過大量實驗得出的經驗規律,並於1834年發表[1]。法拉第電解定律適用於一切電極反應的氧化還原過程,是電化學反應中的基本定量定律。

科學家米高·法拉第(1791-1867)。

法拉第電解第一定律编辑

法拉第電解第一定律說明:

這裡的電量,指的是電荷的數量,現代物理常以庫侖 (C) 作為單位。在使用恒定電流時,電荷又與供電的時長成正比。換句話說,在恒定電流下,電解時間愈長,在電極生成的物質愈多,二者成正比。


法拉第電解第二定律编辑

法拉第電解第二定律說明:

這裡的當量重量,是指該物質的摩爾質量,除以它接受或失去電子的數目。舉例來說,在離子溶液的電解實驗中,從銅(I)離子 Cu+ 所得的銅金屬,其當量重量是 63.5 ÷ 1 = 63.5 g ;從銅(II)離子 Cu2+ 所得的銅金屬,則有當量重量 63.5 ÷ 2 = 31.8 g。也就是說,若使用相同的電量,後者生成的銅金屬是前者的一半。

數學表示编辑

對於某物質 X 的溶液 Xz+(aq) 進行電解:

Xz+(aq) + z e → X(s) ,

根據法拉第電解定律,若使用電量 Q 進行電解,則可得生成質量 M

 

使用摩爾質量的公式   ,可以簡略寫成

 

其中 n 是生成物質的摩爾數

數學證明编辑

首先定義法拉第常數 F ,作為一摩爾電子的電量。從實驗量度得知,法拉第常數 F = 96 485.332 12... C mol−1[2]

從化學方程式可知,生成一摩爾的物質,需要 z 摩爾的電子,即 zF 的電量。

因此,生成 n 摩爾的物質,需要 nzF 的電量:

 

整理可得

 

證畢。

計算公式编辑

從上得知,法拉第電解定律可表示為

 

其中:

  • n = 生成物質的摩爾數 [mol];
  • Q = 總電量 [C];
  • z = 生成物的電子轉移數量;
  • F = 法拉第常數 96 485.332 12... [C mol−1]。


對於恒定電流的情況,使用電流公式   ,可以寫成

 

其中:

  • I = 電流 [A];
  • t = 電解時長 [s]。


若電流隨時間有所變化,則須以積分求得總電量作計算[3]

 

其中:

  • τ = 時間變數 [s];
  • I(τ) = 電流隨時間 τ 變化的函數 [A]。

相關條目编辑

參考文獻编辑

  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. 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.