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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

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