Mit Hilfe der Faraday´schen Gesetze kann man jede Elektrolysereaktion nicht nur qualitativ (welche Produkte entstehen), sondern auch quanitativ beschreiben (welche Energiemenge ist notwendig, wie viel Masse scheidet sich ab). Daher sind die beiden Faraday´schen Gesetze die Grundlagen zur Berechnung jeder Elektrolysereaktion.
Das erste Faraday´sche Gesetz stellt einen Zusammenhang zwischen Stoffumsatz und Elektrolysedauer und zwischen Stoffumsatz und Stromstärke her. Diese Zusammenhänge beruhen auf experimentellen Beobachtungen:
Bei den Durchführungen von Elektrolysen (z.B. Elektrolyse von Wasser) lässt sich beobachten:
Daraus lässt sich folgern, dass bei der Elektrolyse eines Elektrolyten die an den Elektroden gebildeten Stoffmengen n dem Produkt aus der Stromstärke I
und der Zeit t proportional (dieses Produkt wir auch als Ladungsmenge Q bezeichnet)
Zusammengefasst: Das erste Farada´ysche Gesetz besagt, als die abgeschiedene Stoffmenge n proportional zur Ladungsmenge Q ist, die durch den Elektrolyten fließt. n ∼ Q ∼ I· t
weiterführende Informationen:
Mit Hilfe des zweiten Faraday´schen Gesetzes lässt sich der Proportionalitätsfaktor bestimmen. Allgemein gilt für die notwendige Ladungsmenge Q(um die Stoffmenge n abzuscheiden) folgender Zusammenhang:
Dabei ist n ist die abgeschiedene Stoffmenge, z ist die Anzahl der übertragenenen Elektronen (pro Ion) und F ist Faraday Konstante,
Für das zweite Faraday´sche Gesetz gibt es mehrere (mathematische) Formulierungen. Eine dieser Formulierungen sagt auch, dass die durch die Ladungsmenge Q abgeschiedene Masse m proportional zur Atommasse des abgeschiedenen Elements ist und umgekehrt proportional zu seiner Wertigkeit.
Mit Hilfe dieser Gleichung können wir berechnen, wie groß die abgeschiedene Masse m in Abhängigkeit der zugeführten Ladungsmenge (Stromstärke x Elektrolysedauer) ist. Aus dieser Gleichung wurde auch die Faraday Konstante bestimmt. Die Faraday Konstante gibt an, welche Ladungsmenge benötigt wird, um eine Äquivalentmasse eines Stoffes abzuscheiden. Die Faraday Konstante beträgt 96.485 C/mol, d.h. für die Abscheidung von 1 mol Kupfer(I)-Ionen werden ca. 193.000 C benötigt.(Aus dieser Berechnung lässt sich auch bereist erkennen, dass die Faraday Konstante das Produkt aus Avogadro-Konstante und Elementarladung ist).
Eine andere Formulierung des zweiten Faraday´schen Gesetzes sollte hier auch noch erwähnt werden, da diese Formel oft bei Elektrolysen verwendet wird. Diese Formel setzt die Masse zweier abgeschiedener Stoffe (während einer Elektrolyse) ins Verhältnis. Dadurch läßt sich auch das zweite Faraday´sche Gesetz vereinfachen (da sich die Konstante -Faraday Konstante- rauskürzt).
Das zweite Faraday´sche Gesetz in dieser Form, besagt, dass die durch gleiche Ladungsmengen abgeschiedenen Stoffmengen m1, m2 … (mehrere Elektrolyten) sich wie die deren Äquivalentmassen verhalten (Äquivalentmasse = Quotient aus Atom- bzw. Molekülmasse M und Wertigkeit z)
(dies lässt sich aus der Gleichung m = (M⋅I⋅t) : (z⋅F) herleiten, indem man die Größen für m1 und m2 einsetzt)
Das erste Faraday-Gesetz besagt, dass die Menge an Substanz, die während einer Elektrolyse freigesetzt oder verbraucht wird, proportional zur Menge an elektrischem Strom ist, der durch die Zelle fließt. Das zweite Faraday-Gesetz besagt, dass die Menge an Substanz, die bei einer bestimmten Menge an elektrischem Strom Freigesetzt oder verbraucht wird, proportional zu der Äquivalentmasse der Substanz ist.
Elektrolyse ist eine Methode zum Trennen von chemisch gebundenen Elementen und Verbindungen durch den Einsatz von Strom.
Die mathematische Formel lautet: m = Q x E / F wobei m die freigesetzte Substanzmasse ist, Q die Ladung, E die Äquivalentmasse der Substanz und F die Faraday-Konstante.
Die Faraday-Konstante ist die Ladung eines Mols von Elektronen. Sie beträgt ungefähr 96485 C/mol.
Bei der Elektrolyse von Wasser wird Strom durch das Wasser geleitet, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, die an den Elektroden abgesondert werden.
Die Äquivalentmasse ist die Masse einer Substanz, die mit einem Mol an Elektronen reagieren kann.
Die Faraday’schen Gesetze wurden entwickelt, um Vorhersagen über die Menge einer Substanz zu treffen, die bei einer bestimmten Menge an elektrischem Strom erzeugt oder verbraucht wird.
Die Faraday’schen Gesetze beschreiben die Beziehung zwischen der Menge an elektrischem Strom, der durch eine Zelle fließt, und der Menge an Substanz, die dadurch erzeugt oder verbraucht wird. Sie sind die grundlegenden Prinzipien, die die Elektrolyse bestimmen.
Die Anode ist die positive Elektrode. Während der Elektrolyse finden Oxidationen statt, d.h. es werden Elektronen abgegeben.
Die Kathode ist die negative Elektrode. Hier finden Reduktionen statt, d.h. es werden Elektronen aufgenommen.