نص قوانين فاراداي في التحليل الكهربائي
قوانين فاراداي في التحليل الكهربائي هي قوانين كمية اكتشفها العالم الإنجليزي مايكل فاراداي في عام 1833 بعد دراسته للتحليل الكهربائي، وتوصل إلى قانونين يُعبران عن التغيرات الكيميائية وعلاقتها مع كمية التيار المُستخدم أثناء عملية التحليل الكهربائي، وفيما يلي توضيح مفصل لقوانين فارادي:
القانون الأول في التحليل الكهربائي
يُمكن تعريف قانون فاراداي الأول بأنّه كمية الترسب الكيميائي عند الأقطاب الناتجة من تدفق التيار الكهربائي تتناسب طرديًّا مع كمية الكهرباء التي تمر عبر المحلول الإلكتروليتي، ويُمكن تمثيل تأثير فاراداي لهذا القانون بالصيغة الرياضية التالية:
- كمية المادة المترسبة = ثابت التناسب × كمية الكهرباء المارة عبر الإلكتروليت.
- m = Z × Q
حيث إنّ:
- m: كمية المادة المترسبة أو المذابة في الأقطاب الكهربائية وتُقاس بوحدة الجرام.
- Q: كمية الكهرباء التي تمر عبر الإلكتروليت وتُقاس بالكولوم.
- Z: ثابت التناسب ويُسمى المكافئ الكهروكيميائي ويُقاس بوحدة جرام / كولوم.
وهناك علاقة بين قيمة ثابت فاراداي والمكافئ الكهروكيميائي وهي كالتالي:
- المكافئ الكهروكيميائي = الوزن المكافئ الكيميائي / ثابت فاراداي
- Z = E / F
كما أنّ كمية الكهرباء (Q) هي شدةّ التيار المارة في وحدة الزمن:
- كمية الكهرباء = كمية التيار المار × زمن مرور التيار
- Q = I x t
وبالتالي تُصبح الصيغة الرياضية لقانون فارادي الأول كالتالي:
- كمية المادة المترسبة = (الوزن المكافئ الكيميائي × شدة التيار × زمن مرور التيار) / ثابت فارادي
- m = (E x I x t) / F
حيث إنّ:
- m: كمية المادة المترسبة أو المذابة في الأقطاب الكهربائية وتُقاس بوحدة الجرام.
- E: الوزن المكافئ الكيميائي وتُقاس بوحدة جرام/مول.
- F: ثابت فاراداي وقيمته 96,500 كولوم لكل واحد مول من الإلكترونات.
- I: شدة التيار ويُقاس بوحدة الأمبير.
- t: زمن مرور التيار ويُقاس بوحدة الثانية.
القانون الثاني في التحليل الكهربائي
ينص قانون فاراداي الثاني في التحليل الكهربائي كمية الترسب الكيميائي عند الأقطاب الناتجة من تمرير شحنة كهربائية عبر المحلول الإلكتروليتي تتناسب طرديًا مع مكافئها الكيميائي أو وزنها المكافئ، وبصورة أخرى ينص على إذا مُررت كمية متساوية من الكهرباء عبر العديد من الإلكتروليتات، فإنّ كتلة المواد المترسبة تتناسب مع مكافئها الكيميائي أو وزنها المكافئ، ويُمكن تمثيله بالصيغة الرياضية التالية:
- كتلة المادة الأولى / كتلة المادة الثانية = الوزن المكافئ للمادة الأولى / الوزن المكافئ للمادة الثانية
- (m1/m2)= (E1/E2)
حيث إنّ:
- m1: كتلة المادة الأولى وتُقاس بوحدة الجرام.
- E1: الوزن المكافئ للمادة الأولى وتُقاس جرام / مول.
- m2: كتلة المادة الثانية وتُقاس بوحدة الجرام.
- E2: الوزن المكافئ للمادة الثانية وتُقاس بوحدة جرام / مول.
ويُعرف الوزن المكافئ للعنصر على أنّه نسبة وزنه الذري / تكافؤ العنصر.
مسائل على قانون التحليل الكهربائي
- مُرر تيار كهربائي بشدة 1.5 أمبير بمحلول كلوريد النحاس الثنائي لمدة تصل إلى ساعة، فإذا كان وزن النحاس الذي رُسّب 1.778 جرامًا، أحسب الوزن المكافئ للنحاس؟
- نحول الساعة إلى ثواني، ساعة = 60 دقيقة × 60 ثانية = 3600 ثانية
- كمية المادة المترسبة = (الوزن المكافئ للنحاس × شدة التيار × زمن مرور التيار) / ثابت فارادي
- 1.778 = (الوزن المكافئ للنحاس × 1.5 × 3600) / 96500
- الوزن المكافئ للنحاس = 31.77 جرام / مول.
- احسب الزمن الكافي لترسيب 2.16 جرام من عنصر الفضة عند مرور تيارٍ كهربائيّ بشدة 32 أمبير بمحلول نترات الفضة، علمًا بأنّ الكتلة الذرية للفضة تساوي (108 جرام/مول)؟
- كمية المادة المترسبة = (الوزن المكافئ للنحاس × شدة التيار × زمن مرور التيار) / ثابت فارادي
- 2.16 = (108 × 32 × زمن مرور التيار) / 96500
- زمن مرور التيار = 60.31 ثانية
- مُررت نفس كمية الكهرباء في محلولي كلوريد الذهب وكلوريد النحاس، فإذا ترسب 2 جرام من النحاس، فما هو وزن الذهب المترسب علمًا بأن الوزن الذري للذهب يساوي 196.8 وتكافئه يساوي 3 والوزن الذري للنحاس يساوي 63.5 وتكافئه 2؟
- الوزن المكافئ للنحاس = الوزن الذري / التكافؤ = 2/63.5 = 31.75
- الوزن المكافئ للذهب = الوزن الذري / التكافؤ = 3/196.8 = 65.6
- كتلة النحاس / كتلة الذهب = الوزن المكافئ للنحاس / الوزن المكافئ للذهب
- 2/ كتلة الذهب = 31.75 / 65.6
- كتلة الذهب = 4.13 جرام.
الخلاصة
قوانين فارادي هي قوانين تُستخدم للتعبير عن التغير الكهربائي الناتج أثناء عملية التحليل الكهربائي، وينص قانون فارادي الأول على أنّ كمية المادة المترسبة عند الأقطاب تتناسب طرديًا مع كمية الكهرباء المارة عبر المحلول، بينما ينص القانون الثاني على أنّ كمية المادة المترسبة تتناسب طرديًا مع مكافئها أو وزنها الكيميائي، كما أنّ وحدة قياس فاراداي هي الكولوم.
