Qual è la costante di Faraday?

La costante di Faraday , rappresentata dal simbolo F , è una delle costanti fondamentali in fisica e chimica e rappresenta il valore assoluto o grandezza della carica elettrica di una mole di elettroni . La costante prende il nome dal fisico e chimico Michael Faraday, che condusse importanti studi sull’elettromagnetismo e l’elettrochimica, in particolare sul processo di elettrolisi. È una costante che viene spesso utilizzata nei calcoli fisici e chimici che coinvolgono un gran numero di portatori di carica, come ioni o elettroni.

Equazione costante di Faraday

Poiché rappresenta il valore della carica su una mole di elettroni, la costante di Faraday può essere espressa in termini di carica su ciascun elettrone e il numero di elettroni in una mole di elettroni. La carica di ogni elettrone non è altro che la carica elementare, e , una delle costanti universali più importanti della fisica. D’altra parte, il numero di elettroni presenti in una mole di elettroni è dato dal numero di Avogadro, N _A , quindi la costante di Faraday può essere espressa come:

Valore della costante di Faraday

Come ogni costante non adimensionale, il valore della costante di Faraday dipende dalle unità in cui è espressa. Il valore di questa costante attualmente accettato dal National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti nel sistema internazionale di unità (SI) è:

Tuttavia, è comune utilizzare questa costante in altre unità per evitare la necessità di conversioni durante i calcoli:

Usi della costante di Faraday

nell’elettrolisi

Il primo utilizzo che è stato dato alla costante di Faraday è nel campo dell’elettrolisi. In esso, la costante di Faraday consente di determinare la quantità di carica elettrica che deve essere trasferita per produrre una data massa di una sostanza mediante elettrolisi, o la massa o il numero di moli di sostanza prodotta, data la quantità di elettricità passata attraverso la cella. Ciò avviene attraverso la seguente relazione:

Dove I rappresenta l’intensità di corrente in ampere (A), t è il tempo di esecuzione in secondi (s), n _e è il numero di moli di elettroni trasferiti e F è la costante di Faraday. Il numero di moli di elettroni può essere determinato mediante stechiometria o semplicemente mediante la massa del metallo divisa per il suo peso equivalente:

Questa equazione o la precedente possono essere risolte per trovare la variabile desiderata.

Equazione di Nernts

Un altro caso in cui viene utilizzata la costante di Faraday è in elettrochimica, in particolare nell’uso dell’equazione di Nernst. Questa equazione permette di calcolare il potenziale di riduzione di un elettrodo che si trova in condizioni non standard (concentrazioni diverse da 1M e/o pressioni di gas diverse da 1 atm.).

Questa equazione è:

dove Q è il quoziente di reazione, E0 ^è il potenziale di reazione standard, n è il numero di elettroni trasferiti nella reazione, T è la temperatura assoluta, R è la costante del gas ideale e F è la costante di Faraday.

Il quoziente di reazione per una reazione di tipo aA + bB → cC + dD, è dato dal quoziente del prodotto delle concentrazioni dei prodotti elevati ai loro coefficienti stechiometrici e il prodotto delle concentrazioni dei reagenti elevati ai loro:

Calcolo del potenziale di equilibrio di uno ione nella membrana cellulare

L’equazione di Nernst può essere utilizzata anche per determinare il potenziale delle celle di concentrazione, che contengono gli stessi soluti, ma a concentrazioni diverse. Una particolare applicazione di questo uso è nel calcolo del potenziale di equilibrio di uno ione che si trova a diverse concentrazioni su entrambi i lati della membrana cellulare.

In questo caso, il potenziale di reazione standard è zero (poiché non si verifica alcuna reazione chimica) quindi il potenziale di equilibrio è dato da:

dove z rappresenta la carica elettrica dello ione (con tutto il suo segno), e C _{all’interno} e C _{all’esterno} sono le concentrazioni dello ione all’interno e all’esterno della cellula, tutti gli altri fattori sono gli stessi di prima.

Calcolo dell’energia libera di Gibbs

Infine, un’altra applicazione della costante di Faraday è nel calcolo della variazione di energia libera di Gibbs di una reazione di ossidoriduzione che avviene in una cella elettrochimica. Questa relazione è data da:

Dove E _cella è il potenziale della cella elettrochimica, n il numero di elettroni scambiati e F è la costante di Faraday.

Vale la pena ricordare che questi sono solo alcuni esempi dell’uso della costante di Faraday in chimica. Ci sono altre equazioni in cui questa costante viene alla luce.

Nota su faraday e farad

Nell’effettuare calcoli in elettrochimica e in altri campi, la costante di Faraday, F, appare frequentemente, come abbiamo appena visto. Ma c’è anche un’unità di carica chiamata faraday (con la f minuscola). Bisogna fare attenzione a non confondere Faraday con la costante di Faraday poiché non sono la stessa cosa.

Il faraday è un’unità adimensionale di carica elettrica che è uguale alla carica rilasciata da un grammo equivalente di sostanza coinvolta in una reazione elettrochimica.

Michale Faraday ha anche condotto studi sull’elettromagnetismo, compresi studi sulla capacità. In onore dell’eminente scienziato inglese, l’unità fondamentale della capacità elettrica è stata chiamata farad e non ha nulla a che fare con il faraday o la costante di Faraday.

Riferimenti

NIST, costanti fisiche fondamentali

Bolívar, G. (2019, 31 luglio). Costante di Faraday: aspetti sperimentali, esempio, usi . ergastolano. https://www.lifeder.com/faraday-constant/

Chang, R. (2008). Chimica fisica per le scienze chimiche e biologiche (3a ed.). EDUCAZIONE DELLA COLLINA DI MCGRAW.

Chang, R. e Goldsby, K. (2013). Chimica (11a ed.). McGraw-Hill Interamericana de España SL

González, M. (2010, 16 novembre). costante di Faraday . La guida alla chimica. https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/constante-de-faraday

Chimica.ES. (nd). costante di Faraday . https://www.quimica.es/enciclopedia/Constante_de_Faraday.html