Ποια είναι η σταθερά του Faraday;

Η σταθερά του Faraday , που αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο F , είναι μια από τις θεμελιώδεις σταθερές στη φυσική και τη χημεία και αντιπροσωπεύει την απόλυτη τιμή ή μέγεθος του ηλεκτρικού φορτίου ενός γραμμομορίου ηλεκτρονίων . Η σταθερά πήρε το όνομά της από τον φυσικό και χημικό Michael Faraday, ο οποίος πραγματοποίησε σημαντικές μελέτες για τον ηλεκτρομαγνητισμό και την ηλεκτροχημεία, ειδικά για τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης. Είναι μια σταθερά που χρησιμοποιείται συχνά σε φυσικούς και χημικούς υπολογισμούς που περιλαμβάνουν μεγάλους αριθμούς φορέων φορτίου, όπως ιόντα ή ηλεκτρόνια.

Η σταθερή εξίσωση του Faraday

Επειδή αντιπροσωπεύει την τιμή του φορτίου σε ένα γραμμομόριο ηλεκτρονίων, η σταθερά του Faraday μπορεί να εκφραστεί ως το φορτίο σε κάθε ηλεκτρόνιο και τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε ένα γραμμομόριο ηλεκτρονίων. Το φορτίο κάθε ηλεκτρονίου δεν είναι τίποτα άλλο από το στοιχειώδες φορτίο, e , μια από τις πιο σημαντικές καθολικές σταθερές στη φυσική. Από την άλλη πλευρά, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που υπάρχουν σε ένα mole ηλεκτρονίων δίνεται από τον αριθμό του Avogadro, N _A , οπότε η σταθερά του Faraday μπορεί να εκφραστεί ως:

Τιμή της σταθεράς του Faraday

Όπως κάθε σταθερά που δεν είναι αδιάστατη, η τιμή της σταθεράς του Faraday εξαρτάται από τις μονάδες στις οποίες εκφράζεται. Η τιμή αυτής της σταθεράς που είναι επί του παρόντος αποδεκτή από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των Ηνωμένων Πολιτειών (NIST) στο διεθνές σύστημα μονάδων (SI) είναι:

Ωστόσο, είναι σύνηθες να χρησιμοποιείται αυτή η σταθερά σε άλλες μονάδες για να αποφευχθεί η ανάγκη για μετατροπές κατά τους υπολογισμούς:

Χρήσεις της σταθεράς του Faraday

στην ηλεκτρόλυση

Η πρώτη χρήση που δόθηκε στη σταθερά του Faraday είναι στο πεδίο της ηλεκτρόλυσης. Σε αυτήν, η σταθερά του Faraday επιτρέπει τον προσδιορισμό της ποσότητας ηλεκτρικού φορτίου που πρέπει να μεταφερθεί για να παραχθεί μια δεδομένη μάζα μιας ουσίας με ηλεκτρόλυση ή η μάζα ή ο αριθμός των γραμμομορίων ουσίας που παράγονται, δεδομένης της ποσότητας ηλεκτρισμού που διέρχεται από το στοιχείο. Αυτό γίνεται μέσω της ακόλουθης σχέσης:

Όπου I αντιπροσωπεύει την ένταση ρεύματος σε αμπέρ (A), t είναι ο χρόνος λειτουργίας σε δευτερόλεπτα (s), n _e είναι ο αριθμός των γραμμομορίων ηλεκτρονίων που μεταφέρονται και F είναι η σταθερά του Faraday. Ο αριθμός των γραμμομορίων ηλεκτρονίων μπορεί να προσδιοριστεί με στοιχειομετρία ή απλά με τη μάζα του μετάλλου διαιρούμενη με το ισοδύναμο βάρος του:

Αυτή η εξίσωση ή η προηγούμενη μπορεί να λυθεί για να βρεθεί η επιθυμητή μεταβλητή.

Εξίσωση Nernts

Μια άλλη περίπτωση στην οποία χρησιμοποιείται η σταθερά του Faraday είναι στην ηλεκτροχημεία, συγκεκριμένα στη χρήση της εξίσωσης Nernst. Αυτή η εξίσωση καθιστά δυνατό τον υπολογισμό του δυναμικού μείωσης ενός ηλεκτροδίου που βρίσκεται σε μη τυπικές συνθήκες (συγκεντρώσεις διαφορετικές από 1M ή/και πιέσεις αερίου άλλες από 1 atm.).

Αυτή η εξίσωση είναι:

όπου Q είναι το πηλίκο της αντίδρασης, E0 ^είναι το τυπικό δυναμικό αντίδρασης, n είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται στην αντίδραση, T είναι η απόλυτη θερμοκρασία, R είναι η σταθερά του ιδανικού αερίου και F είναι η σταθερά του Faraday.

Το πηλίκο της αντίδρασης για μια αντίδραση τύπου aA + bB → cC + dD, δίνεται από το πηλίκο του γινομένου των συγκεντρώσεων των προϊόντων στους στοιχειομετρικούς συντελεστές τους και το γινόμενο των συγκεντρώσεων των αντιδραστηρίων που ανεβαίνουν στους δικούς τους:

Υπολογισμός του δυναμικού ισορροπίας ενός ιόντος στην κυτταρική μεμβράνη

Η εξίσωση Nernst μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του δυναμικού των κυττάρων συγκέντρωσης, τα οποία περιέχουν τις ίδιες διαλυμένες ουσίες, αλλά σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Μια ιδιαίτερη εφαρμογή αυτής της χρήσης είναι στον υπολογισμό του δυναμικού ισορροπίας ενός ιόντος που βρίσκεται σε διαφορετικές συγκεντρώσεις και στις δύο πλευρές της κυτταρικής μεμβράνης.

Σε αυτήν την περίπτωση, το τυπικό δυναμικό αντίδρασης είναι μηδέν (καθώς δεν λαμβάνει χώρα καμία χημική αντίδραση), επομένως το δυναμικό ισορροπίας δίνεται από:

όπου το z αντιπροσωπεύει το ηλεκτρικό φορτίο του ιόντος (με όλο του το πρόσημο), και το C _μέσα και το C _έξω είναι οι συγκεντρώσεις του ιόντος εντός και εκτός του κυττάρου, ενώ όλοι οι άλλοι παράγοντες είναι ίδιοι με πριν.

Υπολογισμός ελεύθερης ενέργειας Gibbs

Τέλος, μια άλλη εφαρμογή της σταθεράς του Faraday είναι στον υπολογισμό της μεταβολής της ελεύθερης ενέργειας Gibbs μιας αντίδρασης οξείδωσης-αναγωγής που συμβαίνει σε ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο. Αυτή η σχέση δίνεται από:

Όπου E _κυψέλη είναι το δυναμικό του ηλεκτροχημικού στοιχείου, n ο αριθμός των ηλεκτρονίων που ανταλλάσσονται και F είναι η σταθερά του Faraday.

Αξίζει να αναφέρουμε ότι αυτά είναι μόνο μερικά παραδείγματα χρήσης της σταθεράς του Faraday στη χημεία. Υπάρχουν και άλλες εξισώσεις στις οποίες αυτή η σταθερά έρχεται στο φως.

Σημείωση για Faraday και Farad

Κατά τη διεξαγωγή υπολογισμών στην ηλεκτροχημεία και σε άλλες περιοχές, η σταθερά του Faraday, F, εμφανίζεται συχνά, όπως μόλις είδαμε. Υπάρχει όμως και μια μονάδα χρέωσης που ονομάζεται faraday (με μικρό f). Πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε να μην συγχέεται το faraday με τη σταθερά του Faraday καθώς δεν είναι το ίδιο.

Το Faraday είναι μια αδιάστατη μονάδα ηλεκτρικού φορτίου που ισούται με το φορτίο που απελευθερώνεται από ένα ισοδύναμο γραμμαρίου ουσίας που εμπλέκεται σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση.

Ο Michale Faraday πραγματοποίησε επίσης μελέτες για τον ηλεκτρομαγνητισμό, συμπεριλαμβανομένων μελετών για την χωρητικότητα. Προς τιμήν του εξέχοντος Άγγλου επιστήμονα, η θεμελιώδης μονάδα ηλεκτρικής χωρητικότητας ονομάστηκε farad και δεν έχει καμία σχέση με το Faraday ή τη σταθερά του Faraday.

βιβλιογραφικές αναφορές

NIST, Θεμελιώδεις Φυσικές Σταθερές

Bolívar, G. (2019, 31 Ιουλίου). Η σταθερά του Faraday: Πειραματικές όψεις, Παράδειγμα, Χρήσεις . κατάδικος διά βίου. https://www.lifeder.com/faraday-constant/

Chang, R. (2008). Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences (3η έκδ.). ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ MCGRAW HILL.

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Χημεία (11η έκδ.). McGraw-Hill Interamericana de España SL

González, M. (2010, 16 Νοεμβρίου). Η σταθερά του Faraday . Ο Οδηγός Χημείας. https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/constante-de-faraday

Χημείας.Ε.Σ. (ν.δ.). Η σταθερά του Faraday . https://www.quimica.es/enciclopedia/Constante_de_Faraday.html