Tabla de Contenidos
Stała Faradaya , reprezentowana przez symbol F , jest jedną z podstawowych stałych w fizyce i chemii i reprezentuje wartość bezwzględną lub wielkość ładunku elektrycznego jednego mola elektronów . Stała została nazwana na cześć fizyka i chemika Michaela Faradaya, który przeprowadził ważne badania nad elektromagnetyzmem i elektrochemią, zwłaszcza nad procesem elektrolizy. Jest to stała często używana w obliczeniach fizycznych i chemicznych obejmujących dużą liczbę nośników ładunku, takich jak jony lub elektrony.
Równanie stałej Faradaya
Ponieważ reprezentuje wartość ładunku jednego mola elektronów, stałą Faradaya można wyrazić jako ładunek każdego elektronu i liczbę elektronów w jednym molu elektronów. Ładunek każdego elektronu to nic innego jak ładunek elementarny, e , jedna z najważniejszych uniwersalnych stałych w fizyce. Z drugiej strony liczba elektronów obecnych w molu elektronów jest określona przez liczbę Avogadro N A , więc stałą Faradaya można wyrazić jako:
Wartość stałej Faradaya
Jak każda stała, która nie jest bezwymiarowa, wartość stałej Faradaya zależy od jednostek, w jakich jest wyrażona. Wartość tej stałej akceptowana obecnie przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii Stanów Zjednoczonych (NIST) w międzynarodowym układzie jednostek SI wynosi:
Jednak często używa się tej stałej w innych jednostkach, aby uniknąć konieczności przeliczania podczas obliczeń:
| fa = | 96 485.33212 Asmol -1 |
| fa = | 26.80148114 Ahmol -1 |
| fa = | 96 485,33212 JV -1 mol -1 |
| fa = | 96,48533212 kJ.V -1 .mol -1 |
| fa = | 96 485.33212 JV -1 .gram-ekwiwalent -1 |
| fa = | 96,48533212 kJ.V -1 . odpowiednik grama -1 |
| fa = | 23 060,54783 cal.V -1 mol -1 |
| fa = | 23,06054783 kcal.V -1 .mol -1 |
| fa = | 23 060.54783 kal.V -1 równoważnik gramów -1 |
| fa = | 23,06054783 kcal.V -1 . odpowiednik grama -1 |
Zastosowania stałej Faradaya
w elektrolizie
Pierwszym zastosowaniem stałej Faradaya była elektroliza. W nim stała Faradaya pozwala określić ilość ładunku elektrycznego, który należy przenieść, aby wytworzyć określoną masę substancji w drodze elektrolizy lub masę lub liczbę moli wytworzonej substancji, biorąc pod uwagę ilość energii elektrycznej przepuszczonej przez ogniwo. Odbywa się to poprzez następującą zależność:
Gdzie I reprezentuje natężenie prądu w amperach (A), t to czas pracy w sekundach (s), n e to liczba moli przeniesionych elektronów, a F to stała Faradaya. Liczbę moli elektronów można określić stechiometrycznie lub po prostu dzieląc masę metalu przez jego równoważnik:
To równanie lub poprzednie można rozwiązać, aby znaleźć pożądaną zmienną.
Równanie Nernta
Innym przypadkiem, w którym używana jest stała Faradaya, jest elektrochemia, a konkretnie użycie równania Nernsta. Równanie to pozwala obliczyć potencjał redukcyjny elektrody występującej w niestandardowych warunkach (stężenia inne niż 1M i/lub ciśnienie gazu inne niż 1 atm.).
To równanie to:
gdzie Q to iloraz reakcji, E0 to standardowy potencjał reakcji, n to liczba elektronów przeniesionych w reakcji, T to temperatura bezwzględna, R to stała gazu doskonałego, a F to stała Faradaya.
Iloraz reakcji dla reakcji typu aA + bB → cC + dD jest ilorazem iloczynu stężeń produktów podniesionych do ich współczynników stechiometrycznych i iloczynu stężeń reagentów podniesionych do ich współczynników:
Obliczanie potencjału równowagi jonu w błonie komórkowej
Równanie Nernsta można również wykorzystać do określenia potencjału komórek stężenia, które zawierają te same substancje rozpuszczone, ale w różnych stężeniach. Szczególnym zastosowaniem tego zastosowania jest obliczanie potencjału równowagi jonu, który znajduje się w różnych stężeniach po obu stronach błony komórkowej.
W tym przypadku standardowy potencjał reakcji wynosi zero (ponieważ nie zachodzi żadna reakcja chemiczna), więc potencjał równowagi jest określony wzorem:
gdzie z reprezentuje ładunek elektryczny jonu (ze wszystkimi jego znakami), a C wewnątrz i C na zewnątrz to stężenia jonu wewnątrz i na zewnątrz komórki, wszystkie inne czynniki są takie same jak poprzednio.
Obliczenie energii swobodnej Gibbsa
Wreszcie, innym zastosowaniem stałej Faradaya jest obliczanie zmiany energii swobodnej Gibbsa w reakcji utleniania-redukcji zachodzącej w ogniwie elektrochemicznym. Ta zależność jest dana przez:
Gdzie ogniwo E to potencjał ogniwa elektrochemicznego, n liczba wymienianych elektronów, a F to stała Faradaya.
Warto wspomnieć, że to tylko kilka przykładów wykorzystania stałej Faradaya w chemii. Istnieją inne równania, w których ta stała wychodzi na jaw.
Uwaga na faraday i farad
Podczas wykonywania obliczeń w elektrochemii i innych dziedzinach często pojawia się stała Faradaya, F, jak właśnie widzieliśmy. Ale jest też jednostka ładunku zwana faradayem (przez małe f). Należy uważać, aby nie pomylić Faradaya ze stałą Faradaya, ponieważ nie są one takie same.
Faraday jest bezwymiarową jednostką ładunku elektrycznego, która jest równa ładunkowi uwalnianemu przez jeden gramorównoważnik substancji biorącej udział w reakcji elektrochemicznej.
Michale Faraday prowadził także badania nad elektromagnetyzmem, w tym nad pojemnością. Na cześć wybitnego angielskiego naukowca podstawową jednostkę pojemności elektrycznej nazwano faradem i nie ma ona nic wspólnego ze stałą Faradaya ani stałą Faradaya.
Bibliografia
NIST, podstawowe stałe fizyczne
Bolívar, G. (2019, 31 lipca). Stała Faradaya: aspekty eksperymentalne, przykład, zastosowania . skazany na dożywocie. https://www.lifeder.com/faraday-constant/
Chang, R. (2008). Chemia fizyczna dla nauk chemicznych i biologicznych (wyd. 3). EDUKACJA MCGRAW HILL.
Chang, R. i Goldsby, K. (2013). Chemia (wyd. 11). McGraw-Hill Interamericana de España SL
González, M. (2010, 16 listopada). Stała Faradaya . Przewodnik po chemii. https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/constante-de-faraday
Chemia.ES. (nd). Stała Faradaya . https://www.quimica.es/enciclopedia/Constante_de_Faraday.html
