Faraday’s Law of Electrolysis is a principle that describes the behavior of electrons and ions in an electrolytic solution. It is fundamental to every electrochemist since it plays a crucial role in many industrial processes and applications, such as the production of aluminum, the refining of metals, electroplating, the treatment of wastewater, and more. In this post, we will explore the principles of Faraday’s Law of Electrolysis, the factors that affect it, and why it is important in electrochemical reactions.
What is Faraday’s Law of Electrolysis?
Faraday’s Law of Electrolysis is a principle in electroquímica que establece que la cantidad de una sustancia que se disuelve o deposita durante un proceso electrolítico es proporcional a la carga eléctrica que pasa a través de la solución. Fue descubierta por primera vez por Michael Faraday a principios del siglo XIX y sigue siendo un concepto fundamental en el estudio de la electroquímica.
Se divide en 2 leyes interrelacionadas.
Faraday’s First Law of Electrolysis
Faraday’s First Law of Electrolysis states that the mass deposited or dissolved in a solution during electrolysis is directly proportional to the electric charge that is passed through the system. In other words, the greater the electric charge, the greater the amount of substance that is deposited or dissolved.
Se puede expresar como:
Dónde:
m es la masa depositada o disuelta,
Z es la constante de proporcionalidad, también denominada equivalente electroquímico
Faraday’s Second Law of Electrolysis
Faraday’s Second Law of Electrolysis states that if the same amount of electric charge is passed through different electrolytes, the mass deposited or dissolved during electrolysis is proportional the their chemical equivalent or equivalent weight.
¿Qué es un equivalente químico o peso equivalente?
Each ionic chemical compound has a molecular mass and a valency associated. To further understand this concept, let’s look at a couple of examples.
Para simplificar, utilizaremos dos ejemplos de deposición de metales: sodio y aluminio.
La reacción de deposición del sodio es la siguiente:
Como vemos, si combinamos 1 catión de sodio con un electrón obtenemos sodio metal.
Pero en el caso del aluminio la reacción funciona de forma diferente:
A diferencia del sodio, el aluminio necesita 3 electrones para transformar un catión en metal. Es decir, ¡3 veces más electricidad!
Esto, junto con el hecho de que los cationes de sodio y aluminio tienen pesos atómicos diferentes, significa que, para poder estimar con precisión la masa depositada, debemos tener en cuenta ambos factores. Esto se hace calculando el equivalente químico o peso equivalente.
El peso equivalente se define como la relación entre la masa atómica de la especie química y su valencia.
Dónde:
E es el peso equivalente en g/mol
M es la masa atómica en g/mol
y n es la valencia.
¿Cuál es el peso equivalente electroquímico?
Now we know what an equivalent weight is and why it is important in Faraday’s Laws of Electrolysis. A derivation of this number is the so-called electrochemical equivalent weight, Z, that we introduced when explaining Faraday’s First Law of Electrolysis.
While the equivalent weight, E, expresses the grams per mol for a specific reaction, the electrochemical equivalent weight expresses tha same concept in grams per Coulomb. This is accomplished by dividing the equivalent weight by Faraday’s Constant as follows:
Dónde:
Z es el peso equivalente electroquímico en g/C,
E es el peso equivalente en g/mol,
F is Faraday’s Constant 96485 C/mol,
M es la masa atómica en g/mol
y n es la valencia o número de electrones implicados en la reacción.
Faraday’s Law of Electrolysis Equation
Si combinamos los conceptos de la Primera y la Segunda Ley, obtenemos una ecuación unificada para describir la masa depositada o disuelta durante un experimento de electrólisis:
Dónde:
m es la masa depositada o disuelta durante la electrólisis en g,
M es la masa atómica de la especie química depositada o disuelta en g/mol
Q es la carga eléctrica total pasada durante la electrólisis en C,
F is Faraday’s Constant, 96485 C/mol,
y n es el número de electrones implicados en la reacción.
Why is Faraday’s Law of Electrolysis important in electrochemical reactions?
Understanding Faraday’s Law of Electrolysis provides electrochemists with a framework that explains the behavior of electrons and chemical species in electrochemical reactions. With this information, it is possible to control the outcome of electrochemical reactions and optimize many industrial processes such as anodization and electroplating.
One particular use of Faraday’s Law of Electrolysis is to estimate the amount of energy required to dissolve or deposit a substance using electrolysis. However, in the real world it is likely that the actual amount of energy used is larger due to losses. Doing so, provides industries with an estimation of how much electricity they should be spending in their processes and identify potential sources of these energy losses, enabling them to optimize them and become more energy-efficient.
As we have seen, Faraday’s Law of Electrolysis is one of the key concepts in electrochemistry. Its principle can be applied to a broad range of industries, from the production of chemicals and metals, to energy storage devices like batteries. If you would like to know more about electrochemistry, check out our blogdonde publicamos regularmente electroquímica y sus aplicaciones.
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