Tabla de Contenidos
Faradayn vakio , jota edustaa symboli F , on yksi fysiikan ja kemian perusvakioista ja edustaa yhden elektronimoolin sähkövarauksen absoluuttista arvoa tai suuruutta . Vakio on nimetty fyysikon ja kemistin Michael Faradayn mukaan, joka suoritti tärkeitä tutkimuksia sähkömagnetismista ja sähkökemiasta, erityisesti elektrolyysiprosessista. Se on vakio, jota käytetään usein fysikaalisissa ja kemiallisissa laskelmissa, joihin liittyy suuri määrä varauksenkuljettajia, kuten ioneja tai elektroneja.
Faradayn vakioyhtälö
Koska se edustaa yhden elektronimoolin varauksen arvoa, Faradayn vakio voidaan ilmaista kunkin elektronin varauksena ja elektronien lukumääränä yhdessä elektronimoolissa. Jokaisen elektronin varaus ei ole muuta kuin alkuvaraus, e , yksi fysiikan tärkeimmistä universaaleista vakioista. Toisaalta elektronimoolissa olevien elektronien lukumäärä saadaan Avogadron luvulla N A , joten Faradayn vakio voidaan ilmaista seuraavasti:
Faradayn vakion arvo
Kuten minkä tahansa vakion, joka ei ole dimensioton, Faradayn vakion arvo riippuu yksiköistä, joissa se ilmaistaan. Tämän vakion arvo, jonka Yhdysvaltain kansallinen standardointi- ja teknologiainstituutti (NIST) tällä hetkellä hyväksyy kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI) on:
On kuitenkin yleistä käyttää tätä vakiota muissa yksiköissä, jotta vältytään muunnoksilta laskelmien aikana:
| F = | 96 485,33212 Asmol -1 |
| F = | 26.80148114 Ahmol -1 |
| F = | 96 485,33212 JV -1 .mol -1 |
| F = | 96,48533212 kJ.V -1 .mol -1 |
| F = | 96 485.33212 JV -1 .grammiekvivalentti -1 |
| F = | 96,48533212 kJ.V -1 . grammaekvivalentti -1 |
| F = | 23 060.54783 cal.V -1 .mol -1 |
| F = | 23,06054783 kcal.V -1 .mol -1 |
| F = | 23 060.54783 cal.V -1 .gram-ekvivalentti -1 |
| F = | 23,06054783 kcal.V -1 . grammaekvivalentti -1 |
Faradayn vakion käyttötarkoitukset
elektrolyysissä
Ensimmäinen käyttö, joka annettiin Faradayn vakiolle, on elektrolyysin alalla. Siinä Faradayn vakio mahdollistaa sähkövarauksen määrän, joka on siirrettävä tietyn aineen massan tuottamiseksi elektrolyysillä, tai tuotettujen aineen moolien massan tai lukumäärän, kun otetaan huomioon kennon läpi kulkevan sähkön määrä. Tämä tapahtuu seuraavan suhteen kautta:
Missä I edustaa virran voimakkuutta ampeereina (A), t on käyntiaika sekunneissa (s), n e on siirrettyjen elektronien moolien määrä ja F on Faradayn vakio. Elektronien moolimäärä voidaan määrittää stoikiometrisesti tai yksinkertaisesti jakamalla metallin massa sen ekvivalenttipainolla:
Tämä tai edellinen yhtälö voidaan ratkaista halutun muuttujan löytämiseksi.
Nerntsin yhtälö
Toinen tapaus, jossa Faradayn vakiota käytetään, on sähkökemia, erityisesti Nernst-yhtälön käyttö. Tämän yhtälön avulla on mahdollista laskea elektrodin pelkistyspotentiaali, joka löytyy epästandardeista olosuhteissa (muut pitoisuudet kuin 1 M ja/tai kaasunpaineet muut kuin 1 atm).
Tämä yhtälö on:
missä Q on reaktioosamäärä, E0 on standardireaktiopotentiaali, n on reaktiossa siirtyneiden elektronien lukumäärä, T on absoluuttinen lämpötila, R on ihanteellinen kaasuvakio ja F on Faradayn vakio.
Tyypin aA + bB → cC + dD reaktion reaktioosamäärä saadaan stökiömetrisiin kertoimiinsa nostettujen tuotteiden pitoisuuksien ja niiden reaktanttien pitoisuuksien tulon osamäärällä:
Ionin tasapainopotentiaalin laskeminen solukalvossa
Nernst-yhtälön avulla voidaan määrittää myös konsentraatiosolujen potentiaali, jotka sisältävät samoja liuenneita aineita, mutta eri pitoisuuksina. Tämän käytön erityinen sovellus on sellaisen ionin tasapainopotentiaalin laskeminen, joka löytyy eri pitoisuuksina solukalvon molemmilta puolilta.
Tässä tapauksessa standardireaktiopotentiaali on nolla (koska kemiallista reaktiota ei tapahdu), joten tasapainopotentiaali saadaan kaavalla:
jossa z edustaa ionin sähkövarausta (kaikki sen merkit), ja C sisällä ja C ulkopuolella ovat ionin pitoisuuksia solun sisällä ja ulkopuolella, kaikki muut tekijät ovat samat kuin ennen.
Gibbsin ilmaisen energian laskenta
Lopuksi toinen Faradayn vakion sovellus on sähkökemiallisessa kennossa tapahtuvan hapetus-pelkistysreaktion Gibbsin vapaan energian vaihtelun laskeminen. Tämän suhteen antaa:
Missä E kenno on sähkökemiallisen kennon potentiaali, n vaihdettujen elektronien lukumäärä ja F on Faradayn vakio.
On syytä mainita, että nämä ovat vain muutamia esimerkkejä Faradayn vakion käytöstä kemiassa. On muita yhtälöitä, joissa tämä vakio tulee esiin.
Huomio faradaysta ja faradista
Sähkökemian ja muiden alojen laskelmia suoritettaessa Faradayn vakio F esiintyy usein, kuten juuri olemme nähneet. Mutta on myös maksuyksikkö nimeltä faraday (pienellä f:llä). On varottava sekoittamasta faradaya Faradayn vakioon, koska ne eivät ole samoja.
Faraday on sähkövarauksen dimensioton yksikkö, joka on yhtä suuri kuin sähkökemialliseen reaktioon osallistuvan aineen yhden grammaekvivalentin vapauttama varaus.
Michale Faraday teki myös tutkimuksia sähkömagnetismista, mukaan lukien kapasitanssitutkimukset. Merkittävän englantilaisen tiedemiehen kunniaksi sähköisen kapasitanssin perusyksikköä kutsuttiin faradiksi, eikä sillä ole mitään tekemistä faradayn tai Faradayn vakion kanssa.
Viitteet
NIST, Fundamental Physical Constants
Bolívar, G. (2019, 31. heinäkuuta). Faradayn vakio: kokeelliset näkökohdat, esimerkki, käyttötarkoitukset . elinikäinen. https://www.lifeder.com/faraday-constant/
Chang, R. (2008). Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences (3. painos). MCGRAW HILLIN KOULUTUS.
Chang, R. ja Goldsby, K. (2013). Kemia (11. painos). McGraw-Hill Interamericana de España SL
González, M. (2010, 16. marraskuuta). Faradayn vakio . Kemian opas. https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/constante-de-faraday
Kemia.ES. (n.d.). Faradayn vakio . https://www.quimica.es/enciclopedia/Constante_de_Faraday.html
