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Legge di Faraday

Le leggi quantitative dell'elettrolisi: le leggi di Faraday

Nel 1833 il fisico inglese Michael Faraday, in seguito a innumerevoli osservazioni sperimentali enunciò due leggi che sono considerate le due leggi quantitative dell'elettrolisi e che esprimono la relazione esistente tra la quantità di carica impiegata (q) e la quantità di sostanza che si scarica a ogni elettrodo.

Prima legge di Faraday

La massa di una sostanze che si libera agli elettrodi di una cella elettrolitica è direttamente proporzionale alla quantità di carica elettrica che la attraversa.

In altre parole la quantità di materia che si libera agli elettrodi è proporzionale al numero di elettroni scambiati, ma poichè ogni elettrone porta con sè la medesima quantità di carica pari a 1,6·10-19 Coulomb risulta che la massa liberata agli elettrodi è proporzionale alla quantità di carica elettrica transitata.

La quantità di carica q che percorre un dato circuito dipende dalla intensità della corrente (i) misurata in amprere A (A = C/s) e dal tempo t espresso insecondi (s), secondo la relazione:

quantità di carica

Seconda legge di Faraday

In una cella elettrolitica, al passaggio di 96485 Coulomb di carica elettrica, viene scaricata agli elettrodi una quantità di sostanza pari alla sua massa equivalente.

Alla quantità di carica pari a 96485 Coulomb è stato assegnato il nome di Faraday (F), pertanto:

faraday

1F corrisponde alla quantità di carica trasportata da una mole di elettroni (per approfondimenti si veda: costante di Faraday).

La seconda legge di Faraday si può interpretare pensando che ogni semireazione redox che avviene in una cella elettrolitica coinvolge un numero di elettroni diverso nei diversi casi.

Per esempio, nell'elettrolisi di K+Cl-, Cu2+(Cl-)2, Fe3+(Cl-)3 allo stato fuso, il numero di elettroni richiesti per la scarica dei cationi è rispettivamente:

K+ + 1e- → K

Cu2+ + 2e- → Cu

Fe3+ + 3e- → Fe

La stessa quantità di carica (1F = 96485 C) necessaria perchè al catodo si depositi 1 mole di K, consentirà il deposito di 1/2 mole di Cu e di 1/3 mole di Fe.

La massa equivalente meq di una data specie chimica coinvolta in una reazione chimica è data dal rapporto tra la sua massa molare Mm e il numero di elettroni scambiati:

massa equivalente

così ad entrambi gli elettrodi e per qualunque specie chimica si ha che:
1 Faraday scarica sempre 1 meq
.

Esercizio

Determinare quanto rame metallico si può ottenere al catodo di una cella elettrolitica da CuSO4 fuso, applicando alla cella una corrente di 15 A per 2,5 ore.

Determiniamo la quantità di carica q:

q = i · t = 15 C/s · 9000 s = 135000 C

Ricordando che 1 F = 96485 C, determiniamo a quanti Faraday corrispondono 135000 Coulomb:

1F : 96485 C = X : 135000

da cui:

X = 1,4 Faraday

Calcoliamo la massa equivalente del rame:

meq = Mm / ne- = 63,54 / 2 = 31,77 g/eq

Determiniamo la quantità di rame ottenuto:

31,77 g : 1 eq = X : 1,4 eq

da cui

X = 31,77 · 1,4 = 44,48 g (massa rame ottenuta)

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