Calculadora de Electrólisis - Deposición de Masa (Ley de Faraday)

¿Qué es una calculadora de electrólisis?

Una calculadora de electrólisis halla la masa de un metal que se deposita o se disuelve en un electrodo durante la electrólisis. La electrólisis es un proceso que usa una corriente eléctrica para forzar una reacción química que no ocurriría por sí sola. La calculadora aplica la ley de la electrólisis de Faraday, a partir de la corriente, el tiempo y las propiedades del metal elegido.

Cómo calcular la masa en la electrólisis: fórmula de la ley de Faraday

La ley de Faraday establece que la masa de una sustancia producida en un electrodo es proporcional a la cantidad de carga eléctrica que lo atraviesa. La carga es igual a la corriente multiplicada por el tiempo, por lo que la fórmula suele escribirse así:

$m = \frac{I \times t \times M}{z \times F}$

• m: masa de la sustancia producida o disuelta, en gramos
• I: corriente, en amperios (A)
• t: tiempo, en segundos (s)
• M: masa molar de la sustancia, en gramos por mol (g/mol)
• z: valencia, el número de electrones transferidos por ion
• F: la constante de Faraday, 96.485 culombios por mol (C/mol)

La constante de Faraday lleva el nombre del científico inglés Michael Faraday. Es la carga eléctrica que transporta un mol de electrones. Su valor medido es de 96.485,33212 C/mol; la calculadora lo redondea a 96.485.

Por qué importa la valencia

La valencia depende de la carga del ion. Un ion de cobre, Cu²⁺, necesita dos electrones para convertirse en un átomo de cobre, así que su valencia es 2. Un ion de plata, Ag⁺, necesita solo un electrón, así que su valencia es 1. Un ion de oro, Au³⁺, necesita tres electrones, así que su valencia es 3. Una valencia mayor significa que se necesitan más electrones por átomo, por lo que se deposita menos masa con la misma cantidad de carga.

Masa molar y valencia de los metales comunes

Las masas molares de la tabla son las masas atómicas estándar publicadas por la Comisión de Abundancias Isotópicas y Pesos Atómicos de la IUPAC, redondeadas a dos decimales. Por ejemplo, el cobre es 63,546 y la plata es 107,8682.

Ejemplo de cálculo

Una corriente de 1 amperio pasa por una solución de sulfato de cobre durante 1 hora (3.600 segundos). ¿Cuánto cobre se deposita en el cátodo, el electrodo donde ocurre la reducción?

• I = 1 A
• t = 3.600 s
• M = 63,55 g/mol (cobre)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96.485 C/mol

$m = \frac{1 \times 3600 \times 63.55}{2 \times 96485} = \frac{228780}{192970} \approx 1.18557 \text{ g}$

Se depositan unos 1,19 gramos de cobre.

Un segundo ejemplo: una corriente de 2 amperios pasa por una solución de nitrato de plata durante 10 minutos (600 segundos). La plata tiene una masa molar de 107,87 g/mol y una valencia de 1.

$m = \frac{2 \times 600 \times 107.87}{1 \times 96485} \approx 1.34160 \text{ g}$

Se depositan unos 1,34 gramos de plata, más que en el ejemplo del cobre, principalmente porque la valencia de la plata es menor.

Cómo utilizar la calculadora

Se introducen la corriente en amperios y el tiempo en segundos, y luego se elige un metal de la lista. El resultado se actualiza automáticamente. Conversiones de tiempo habituales: 1 minuto = 60 segundos, 1 hora = 3.600 segundos, 1 día = 86.400 segundos.

Aplicaciones de la electrólisis

La galvanoplastia recubre un metal con una capa fina de otro, como el dorado de joyas o el niquelado de piezas de acero para resistir la corrosión. El refinado de metales usa la electrólisis para purificar metales como el cobre. La electroobtención extrae metales como el zinc y el aluminio de minerales disueltos. La electrólisis del agua separa el agua en hidrógeno y oxígeno gaseosos, un método que se usa para producir combustible de hidrógeno.

La ley de Faraday da la masa máxima teórica. Los procesos reales suelen depositar algo menos, porque parte de la corriente impulsa reacciones secundarias en lugar de la principal. La relación entre la masa real y la teórica se llama eficiencia de corriente.

Historia de la ley de Faraday

La electrólisis fue posible cuando la pila dio a los científicos una corriente eléctrica estable. Los primeros experimentadores la usaron para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. Humphry Davy la usó para aislar nuevos elementos, como el potasio y el sodio.

Michael Faraday, que había trabajado como ayudante de Davy, realizó experimentos cuidadosos sobre la electrólisis a principios de la década de 1830. Publicó dos leyes que describen la relación exacta entre la carga eléctrica y la masa de sustancia producida. En 1834 adoptó las palabras ánodo, cátodo e ion, propuestas por el erudito William Whewell. Estas palabras se siguen usando hoy en la química.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se calcula la masa depositada durante la electrólisis? Se multiplica la corriente por el tiempo para obtener la carga total, se multiplica el resultado por la masa molar de la sustancia y se divide entre la valencia multiplicada por la constante de Faraday: m = (I × t × M) / (z × F).

¿Qué es la constante de Faraday? Es la carga eléctrica que transporta un mol de electrones, aproximadamente 96.485 culombios por mol.

¿Cuál es la diferencia entre el ánodo y el cátodo? El ánodo es el electrodo donde ocurre la oxidación y se pierden electrones. El cátodo es el electrodo donde ocurre la reducción y se ganan electrones. Cuando un metal se deposita desde una solución, se forma en el cátodo.

¿La temperatura afecta al resultado del cálculo? La temperatura no aparece en la ley de Faraday, así que no cambia la masa calculada. Sí puede afectar a la eficiencia real del proceso, ya que las temperaturas más altas suelen acelerar las reacciones secundarias.

¿Qué metales admite esta calculadora? Cobre, plata, oro, zinc, níquel, hierro y aluminio, cada uno con su masa molar y su valencia estándar incorporadas. Para cualquier otro metal, la misma fórmula sirve si se conocen la masa molar y la valencia.

¿Por qué la masa depositada real puede diferir del valor calculado? La ley de Faraday supone que toda la corriente va a la reacción principal. En la práctica, parte de la corriente se pierde en reacciones secundarias o por resistencia, así que los depósitos reales suelen ser algo más ligeros que el valor calculado. La relación entre la masa real y la teórica se llama eficiencia de corriente.

Referencias

1. National Institute of Standards and Technology. CODATA Value: Faraday constant. Constante de Faraday del NIST — F = 96.485,332 12 C/mol.
2. IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights. Standard Atomic Weights. Masas atómicas de la CIAAW — masas atómicas estándar de Cu, Ag, Au, Zn, Ni, Fe y Al.
3. Cambridge University Library, Epsilon. Faraday to William Whewell, 15 May 1834. Carta 720 de Faraday — Faraday adoptó los nombres ánodo, cátodo e ion por consejo de Whewell.