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記号Fで表されるファラデー定数は、物理学および化学における基本定数の 1 つで、電子 1 モルの電荷の絶対値または大きさを表します。この定数は、電磁気学と電気化学、特に電気分解プロセスに関する重要な研究を行った物理学者で化学者のマイケル ファラデーにちなんで名付けられました。これは、イオンや電子などの多数の電荷キャリアを含む物理的および化学的計算で頻繁に使用される定数です。
ファラデー定数方程式
1 モルの電子の電荷の値を表すため、ファラデー定数は各電子の電荷と 1 モルの電子に含まれる電子の数で表すことができます。各電子の電荷は、物理学で最も重要な普遍定数の 1 つである素電荷eにすぎません。一方、1 モルの電子に存在する電子の数はアボガドロ数N Aで与えられるため、ファラデー定数は次のように表すことができます。
ファラデー定数の値
無次元でない定数と同様に、ファラデー定数の値は、それが表現される単位によって異なります。現在、国際単位系 (SI) で米国国立標準技術研究所 (NIST) によって受け入れられているこの定数の値は次のとおりです。
ただし、計算中に変換する必要がないように、この定数を他の単位で使用するのが一般的です。
| F = | 96 485.33212 アスモル-1 |
| F = | 26.80148114 アーモル-1 |
| F = | 96 485.33212 JV -1 .mol -1 |
| F = | 96.48533212 kJ.V -1 .mol -1 |
| F = | 96 485.33212 JV -1グラム相当-1 |
| F = | 96.48533212 kJ.V -1 . グラム当量-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-equivalent -1 |
| F = | 23.06054783 kcal.V -1 . グラム当量-1 |
ファラデー定数の使用
電気分解で
ファラデー定数が最初に使用されたのは電気分解の分野です。その中で、ファラデー定数は、セルを通過した電気量が与えられた場合に、電気分解によって物質の特定の質量を生成するために転送する必要がある電荷の量、または生成される物質の質量またはモル数を決定することを可能にします。これは、次の関係を通じて行われます。
ここで、Iは電流強度 (アンペア (A))、tは実行時間 (秒)、n eは移動した電子のモル数、Fはファラデー定数です。電子のモル数は、化学量論によって、または単に金属の質量をその当量で割ることによって決定できます。
この方程式または前の方程式を解いて、目的の変数を見つけることができます。
ネルント方程式
ファラデー定数が使用される別のケースは、電気化学、特にネルンスト方程式の使用です。この式により、非標準条件 (1M 以外の濃度および/または 1 気圧以外のガス圧) で検出された電極の還元電位を計算することができます。
この方程式は次のとおりです。
ここで、Qは反応商、E0は標準反応電位、nは反応で移動する電子数、T は絶対温度、R は理想気体定数、F はファラデー定数です。
タイプ aA + bB → cC + dD の反応の反応商は、生成物の濃度を化学量論係数まで上げた積と、反応物の濃度を化学量論係数まで上げた積の商によって与えられます。
細胞膜におけるイオンの平衡電位の計算
ネルンストの式は、同じ溶質を異なる濃度で含む濃度セルの電位を決定するためにも使用できます。この使用の特定のアプリケーションは、細胞膜の両側で異なる濃度で見られるイオンの平衡電位の計算です。
この場合、標準反応電位はゼロなので (化学反応が起こらないため)、平衡電位は次の式で与えられます。
ここで、z はイオンの電荷 (すべての符号を含む) を表し、C insideと C outsideはセルの内側と外側のイオンの濃度であり、他のすべての要因は以前と同じです。
ギブスの自由エネルギー計算
最後に、ファラデー定数の別のアプリケーションは、電気化学セルで発生する酸化還元反応のギブズ自由エネルギー変動の計算です。この関係は次の式で与えられます。
ここで、E cellは電気化学セルの電位、nは交換された電子の数、Fはファラデー定数です。
これらは、化学におけるファラデー定数の使用のほんの数例にすぎないことに注意してください。この定数が明らかになる他の方程式があります。
ファラデーとファラドについて
電気化学などの計算では、ファラデー定数 F がよく出てきます。しかし、ファラデー (f が小さい) と呼ばれる電荷の単位もあります。ファラデー定数とファラデー定数は同じではないため、混同しないように注意する必要があります。
ファラデーは、電気化学反応に関与する 1 グラム当量の物質によって放出される電荷に等しい電荷の無次元単位です。
ミケーレ・ファラデーは、静電容量の研究を含む電磁気学の研究も行った。著名な英国の科学者に敬意を表して、電気容量の基本単位はファラッドと呼ばれ、ファラデーやファラデー定数とは何の関係もありません。
参考文献
NIST、基礎物理定数
ボリーバル、G. (2019 年 7 月 31 日)。ファラデー定数: 実験的側面、例、用途. ライフラー。https://www.lifeder.com/faraday-constant/
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González, M. (2010 年 11 月 16 日)。ファラデー定数. 化学ガイド。https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/constante-de-faraday
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