Prima e seconda legge di Faraday

Prima e seconda legge di Faraday

La prima e la seconda legge di Faraday descrivono e ci permettono di stabilire la quantità di sostanza di un elemento chimico che viene prodotta mediante elettrolisi, cioè una reazione prodotta tramite passaggio di elettroni che viene usata per produrre elementi che non sono frequenti in natura o per rivestire dei materiali con uno strato di metallo.

Le sostanze sono in grado di cedere i propri elettroni o di assorbire quelli degli altri elementi. Questo dipende dal loro numero di ossidazione (N.O), che indica la quantità di elettroni che un elemento cede o si prende. Nel primo caso, viene detto che quel materiale si ossida e al valore del N.O. viene assegnato un segno positivo (+) mentre nel secondo caso viene detto che l’elemento si riduce al numero di atomi assorbiti viene aggiunto un segno negativo (-).

Quando due sostanze che hanno questo tipo di reazione opposta l’un l’altro sono messe in contatto, la sostanza che si ossida trasmette i suoi elettroni a quella che si riduce, generando corrente elettrica. Questo fenomeno continua fino a quando tutti gli atomi non saranno stati trasferiti nel secondo elemento.

Mediante elettricità si può generare la reazione inversa, facendo in modo che la sostanza che si è ridotta in forma normale si ossidi e quella ossidata si riduca allo stato originario. Questo processo viene chiamato elettrolisi e viene impiegato anche per separare gli elementi di un composto chimico, come il cloruro di sodio (NaCl). Questo sale è formato da ioni, cioè atomi che hanno ceduto o assorbito elettroni. In questo caso il sodio cede un elettrone e ha come numero di ossidazione +1 e il cloro assorbe quell’elettrone e ha come N.O. il valore di -1. L’elettrolisi passa gli elettroni a entrambi facendo ossidare il cloro e ridurre il sodio ottenendo comunque entrambi gli elementi separati tra loro.

Vedi anche: La cella elettrolitica

La prima legge di Faraday

La prima legge di Faraday stabilisce che la quantità di sostanza che viene generata da un processo di elettrolisi è direttamente proporzionale alla quantità di carica elettrica utilizzata.

Riprendiamo come esempio il cloruro di sodio. Per separare quest’ultimo elemento dal cloro bisogna aggiungergli un elettrone come mostra la seguente espressione:

Na+ + e -> Na

Questo significa che per ottenere una mole di sodio, la quale è contenuta in una massa di 22,99 g, è necessaria una mole di elettroni. Sapendo che la carica elettrica di un singolo elettrone è di 1,60217733 ∙ 10-19 C e che una mole di qualsiasi tipo di particella corrisponde a 6,02214076 ∙ 1023 entità, per calcolare la quantità di carica elettrica necessaria ad ottenere 1 mol di sodio, chiamata anche costante di Faraday e indicata con la lettera F, basta moltiplicare la carica di un singolo elettrone per il numero di elettroni contenuto in una mole:

1,60217733 ∙ 10-19 C ∙ 6,02214076 ∙ 1023 = 9,648537 ∙ 104 = 96 485 C

Quando si cerca di produrre una sostanza tramite elettrolisi, bisogna innanzitutto calcolare la quantità di carica che può fornire quel sistema moltiplicando l’intensità di corrente misurata in ampere con il tempo in secondi:

Q = I ∙ t

Per calcolare la quantità di sostanza che il processo elettrolitico può produrre ci si avvale di una semplice proporzione, indicando a sinistra una mole e la carica necessaria rappresentata dalla costante di Faraday e a destra, inserendo la massa cercata come incognita:

1 mol : F = x mol : Q

A questo punto, possiamo ricavare la formula per calcolare la quantità di sostanza che l’elettrolisi può generare:

x mol = 1 ∙ Q / F

Ad esempio, vogliamo ricoprire d’argento un oggetto e per farlo dobbiamo utilizzare il processo elettrolito in modo da formare questo elemento che si depositerà sull’oggetto desiderato per rivestirlo. L’oggetto in metallo rappresenta il polo positivo perché assorbirà gli ioni mentre un anodo in argento sarà immerso in una soluzione acquosa che trasporterà questi ioni al metallo. Sapendo che in quella cella elettrolitica viene fatta passare una corrente di 2,0 A, quanta mossa di argento verrà prodotta?

Prima di tutto dobbiamo calcolare la quantità di carica elettrica che questa reazione può produrre in un’ora, la quale corrisponde a 3600 secondi:

Q = I ∙ t = 2,0 A ∙ 3600 s = 7200 C

Adesso possiamo applicare la formula citata prima:

x mol = 1 ∙ Q / F = 1 mol ∙ 7200 C / 96 485 C = 0,075 mol Ag

In un’ora vengono prodotti 0,075 mol di argento. Per conoscere la massa in grammi, basterà moltiplicare questo valore per la massa molare, che ha lo stesso valore della massa atomica indicata nella tavola periodica ma come unità di misura il grammo diviso la mole (g/mol):

m = 0,075 mol ∙ 107,9 g/mol = 8,10 g

Seconda legge ed equivalenti elettrochimici

Per ritornare allo stato ridotto, un materiale può dovere cedere più di un elettrone. Ad esempio, lo zinco ha numero di ossidazione +2, quindi cede sempre due elettroni quando si ossida. Per riportarlo allo stato ridotto, 1 F di carica elettrica non basterà perché produrrà soltanto metà della massa desiderata. Pertanto, per ottenere 1 mole di argento, la quale corrisponde a 107,9 g basta una mole di elettroni mentre per ottenere una mole di zinco, dato che richiede il doppio di elettroni, è necessario due moli di elettroni, quindi 2 F di carica elettrica.

In base alla seconda legge di Faraday, con la stessa carica elettrica si ottengono masse diverse per elementi diversi ma che si trovano sempre in proporzione tra loro. Se con una certa quantità di corrente, la massa dello zinco è la metà di quella dell’argento, sarà così anche aumentando o diminuendo la carica elettrica. Le masse che sono legate tra loro in questa relazione vengono chiamate equivalenti elettrochimici.

Quando un elemento chimico può avere numeri di ossidazione diversi, bisogna considerare innanzitutto con quali sostanze è legato e ricavare così il numero di elettroni che ha ceduto. A quel punto, bisogna cercare la sua massa atomica e tramite quella ricavare la sua massa contenuta in una mole: basterà cambiare l’unità di misura della massa atomica in grammi. Infine, bisogna dividere la massa ottenuta per il numero di ossidazione.

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