Gesetzmäßigkeiten bei der Elekrolyse – Faraday´schen Gesetze

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.

Erstes Faraday´sches Gesetz

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:

  • Bei konstanter Stromstärke (während der Elektrolyse) sind die abgeschiedenen Gasvolumina von Wasserstoff und Sauerstoff der Zeit proportional. Es gilt also: n ∼ I
  • Bei gleicher Dauer der Elektrolyse sind die abgeschiedenen Gasvolumina der Stromstärke proportional. Es gilt also: n ∼ t

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:

Q = n · z · F

Dabei ist n ist die abgeschiedene Stoffmenge, z ist die Anzahl der übertragenenen Elektronen (pro Ion) und F ist Faraday Konstante,

Zweites Faraday´sches Gesetz

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.

m = (M⋅I⋅t) : (z⋅F)

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)

(m1 : m2) = (M1 · z2) : (M2 · z1)

(dies lässt sich aus der Gleichung m = (M⋅I⋅t) : (z⋅F) herleiten, indem man die Größen für m1 und m2 einsetzt)