FARADAYsche Gesetze - Wilke-j.de
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<strong>FARADAYsche</strong> <strong>Gesetze</strong><br />
MICHAEL FARADAY (* 22. September 1791 in Newington Butts bei London; † 25. August<br />
1867 bei Hampton Court) war ein englischer Physiker und Chemiker. Im Jahre<br />
1832 stellte FARADAY die folgen<strong>de</strong>n Grundgesetze <strong>de</strong>r Elektrolyse auf.<br />
Erstes <strong>FARADAYsche</strong>s Gesetz<br />
Beispiel Bei <strong>de</strong>r Elektrolyse einer verdünnten Schwefelsäure mit Inertelektro<strong>de</strong>n<br />
(HOFMANNscher Wasserzersetzungsapparat) laufen folgen<strong>de</strong> Reaktionen ab:<br />
Ano<strong>de</strong> (Oxidation, +-Pol): 6 H 2 O O 2 + 4 H 3 O + + 4 e –<br />
Kato<strong>de</strong> (Reduktion, −-Pol): 4 H 3 O + + 4 e – 2 H 2 + 4 H 2 O<br />
➊ Zusammenhang zwischen Stoffumsatz<br />
und Elektrolysedauer:<br />
Bei konstanter Stromstärke sind die<br />
abgeschie<strong>de</strong>nen Gasvolumina <strong>de</strong>r Zeit<br />
proportional:<br />
V Gas in ml<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Wasserstoff<br />
Sauerstoff<br />
V H2 ∼ V O2 ∼ t (I = konstant)<br />
2 4 6 8 10 12 t in min<br />
➋ Zusammenhang zwischen Stoffumsatz<br />
und Stromstärke:<br />
Bei gleicher Elektrolysedauer sind<br />
die abgeschie<strong>de</strong>nen Gasvolumina <strong>de</strong>r<br />
Stromstärke proportional:<br />
V Gas in ml<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Wasserstoff<br />
Sauerstoff<br />
V H2 ∼ V O2 ∼ I (t = konstant)<br />
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 I in A<br />
Schlußfolgerung:<br />
Da n Gas ∼ V Gas ergibt sich aus ➊ und ➋:<br />
Beim Stromdurchgang durch die Lösung o<strong>de</strong>r Schmelze eines Elektrolyten sind die<br />
an <strong>de</strong>n Elektro<strong>de</strong>n umgesetzten Stoffmengen n <strong>de</strong>m Produkt aus <strong>de</strong>r Stromstärke I<br />
und <strong>de</strong>r Zeit t proportional:<br />
n ∼ I · t<br />
(1. <strong>FARADAYsche</strong>s Gesetz)<br />
Das Produkt I · t bezeichnet man auch als Elektrizitätsmenge.
Zweites <strong>FARADAYsche</strong>s Gesetz<br />
Beispiel Das Verhältnis <strong>de</strong>r Volumina <strong>de</strong>r entstehen<strong>de</strong>n Gase Wasserstoff und Sauerstoff<br />
verhält sich wie folgt: V H2 : V O2 = 2 : 1 (siehe Diagramme Folie 1).<br />
Ursache dafür ist die unterschiedliche Anzahl an Elementarladungen z, die für <strong>de</strong>n<br />
Formelumsatz jeweils erfor<strong>de</strong>rlich sind (4 e – pro O 2 , aber nur 2 e – pro H 2 ).<br />
an<strong>de</strong>re Beispiele:<br />
• Ag + + e – Ag ➟ z = 1<br />
• Cu 2+ + 2 e – Cu ➟ z = 2<br />
• Al 3+ + 3 e – Al ➟ z = 3<br />
Daraus ergibt sich:<br />
Die von <strong>de</strong>r gleichen Elektrizitätsmenge I · t an <strong>de</strong>n Elektro<strong>de</strong>n umgesetzten Stoffmengen<br />
verhalten sich umgekehrt proportional zur jeweils erfor<strong>de</strong>rlichen Anzahl an<br />
Elementarladungen z:<br />
n 1<br />
n 2<br />
= z 2<br />
z 1<br />
(2. <strong>FARADAYsche</strong>s Gesetz)<br />
Schlußfolgerungen:<br />
➀ Da n = m M gilt: m 1 : m 2 = M 1<br />
z 1<br />
: M 2<br />
z 2<br />
➁ Die Gesamtladung eines Mols einfach gela<strong>de</strong>ner Ionen ergibt sich aus <strong>de</strong>m Produkt<br />
<strong>de</strong>r Elementarladung e = 1,602 · 10 −19 As und <strong>de</strong>r AVOGADRO-Konstante<br />
N A = 6,023 · 10 23 mol −1 . Dieses Produkt heißt FARADAY-Konstante:<br />
F = e · N A ≈ 9,65 · 10 4 As · mol −1 ≈ 26,8Ah · mol −1<br />
➂ Die FARADAY-Konstante ist <strong>de</strong>r Proportionalitätsfaktor für das 1. <strong>FARADAYsche</strong><br />
Gesetz. Unter Berücksichtigung <strong>de</strong>r Elementarladung z gilt:<br />
I · t = F · n · z<br />
➃ Unter Berücksichtigung <strong>de</strong>r molaren Masse M ergibt sich daraus die<br />
Größengleichung für elektrochemische Berechnungen:<br />
m<br />
M = I · t<br />
F · z<br />
mit<br />
F ≈ 9,65 · 10 4 As · mol −1 ≈ 26,8Ah · mol −1<br />
Aufgaben<br />
1. Berechnen Sie die Elektrizitätsmenge I · t in Ah, die erfor<strong>de</strong>rlich ist, um eine Tonne<br />
Kupfer abzuschei<strong>de</strong>n.<br />
2. Wie lange dauert es, mit einer Stromstärke von 30 kA eine Tonne Natriumhydroxid<br />
aus einer Kochsalzlösung zu erzeugen?<br />
Lösungen: 1.: I · t = 844kAh; 2.: t = 22,3h