Calcolatore di Elettrolisi - Deposizione di Massa (Legge di Faraday)

Che cos'è un calcolatore di elettrolisi?

Un calcolatore di elettrolisi trova la massa di un metallo depositata o disciolta a un elettrodo durante l'elettrolisi. L'elettrolisi è un processo che usa una corrente elettrica per forzare una reazione chimica che non avverrebbe da sola. Il calcolatore applica la legge dell'elettrolisi di Faraday, usando la corrente, il tempo e le proprietà del metallo scelto.

Come calcolare la massa nell'elettrolisi: la formula della legge di Faraday

La legge di Faraday afferma che la massa di una sostanza prodotta a un elettrodo è proporzionale alla quantità di carica elettrica che lo attraversa. La carica è uguale alla corrente moltiplicata per il tempo, perciò la formula si scrive di solito così:

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

• m — massa della sostanza prodotta o disciolta, in grammi
• I — corrente, in ampere (A)
• t — tempo, in secondi (s)
• M — massa molare della sostanza, in grammi per mole (g/mol)
• z — valenza, il numero di elettroni trasferiti per ione
• F — la costante di Faraday, 96.485 coulomb per mole (C/mol)

La costante di Faraday prende il nome dallo scienziato inglese Michael Faraday. È la carica elettrica trasportata da una mole di elettroni. Il suo valore misurato è 96.485,33212 C/mol; il calcolatore lo arrotonda a 96.485.

Perché la valenza è importante

La valenza dipende dalla carica dello ione. Uno ione rame, Cu²⁺, ha bisogno di due elettroni per diventare un atomo di rame, quindi la sua valenza è 2. Uno ione argento, Ag⁺, ne richiede uno solo, quindi la sua valenza è 1. Uno ione oro, Au³⁺, richiede tre elettroni, quindi la sua valenza è 3. Una valenza più alta significa che per ogni atomo servono più elettroni, quindi a parità di carica si deposita meno massa.

Massa molare e valenza dei metalli più comuni

Le masse molari riportate sotto sono i pesi atomici standard pubblicati dalla Commissione IUPAC sulle abbondanze isotopiche e i pesi atomici, arrotondati a due cifre decimali. Per esempio, il rame è 63,546 e l'argento è 107,8682.

Esempio pratico

Una corrente di 1 ampere passa attraverso una soluzione di solfato di rame per 1 ora (3.600 secondi). Quanto rame si deposita al catodo, l'elettrodo in cui avviene la riduzione?

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

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

Si depositano circa 1,19 grammi di rame.

Un secondo esempio: una corrente di 2 ampere passa attraverso una soluzione di nitrato d'argento per 10 minuti (600 secondi). L'argento ha una massa molare di 107,87 g/mol e una valenza di 1.

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

Si depositano circa 1,34 grammi di argento, più che nell'esempio del rame, soprattutto perché la valenza dell'argento è più bassa.

Come usare il calcolatore

Inserire la corrente in ampere e il tempo in secondi, poi scegliere un metallo dall'elenco. Il risultato si aggiorna automaticamente. Conversioni di tempo comuni: 1 minuto = 60 secondi, 1 ora = 3.600 secondi, 1 giorno = 86.400 secondi.

Applicazioni dell'elettrolisi

La galvanostegia riveste un metallo con un sottile strato di un altro, per esempio dorando i gioielli o nichelando parti in acciaio per resistere alla corrosione. La raffinazione dei metalli usa l'elettrolisi per purificare metalli come il rame. L'elettroestrazione ricava metalli come zinco e alluminio da minerali disciolti. L'elettrolisi dell'acqua scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno gassosi, un metodo usato per produrre idrogeno come combustibile.

La legge di Faraday fornisce la massa massima teorica. I processi reali di solito depositano un po' meno, perché una parte della corrente alimenta reazioni secondarie invece di quella principale. Il rapporto tra massa effettiva e massa teorica si chiama efficienza di corrente.

Storia della legge di Faraday

L'elettrolisi divenne possibile quando la pila offrì agli scienziati una corrente elettrica costante. I primi sperimentatori la usarono per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Humphry Davy la usò per isolare nuovi elementi, tra cui potassio e sodio.

Michael Faraday, che era stato assistente di Davy, condusse esperimenti accurati sull'elettrolisi all'inizio degli anni 1830. Pubblicò due leggi che descrivono la relazione esatta tra la carica elettrica e la massa di sostanza prodotta. Nel 1834 adottò i termini anodo, catodo e ione, suggeriti dallo studioso William Whewell. Questi termini sono usati ancora oggi in chimica.

Domande frequenti

Come si calcola la massa depositata durante l'elettrolisi? Si moltiplica la corrente per il tempo per ottenere la carica totale, si moltiplica il risultato per la massa molare della sostanza, poi si divide per la valenza moltiplicata per la costante di Faraday: m = (I × t × M) / (z × F).

Che cos'è la costante di Faraday? È la carica elettrica trasportata da una mole di elettroni, pari a circa 96.485 coulomb per mole.

Qual è la differenza tra anodo e catodo? L'anodo è l'elettrodo in cui avviene l'ossidazione e si perdono elettroni. Il catodo è l'elettrodo in cui avviene la riduzione e si acquistano elettroni. Quando un metallo si deposita da una soluzione, si forma al catodo.

La temperatura influisce sul risultato del calcolo? La temperatura non compare nella legge di Faraday, quindi non modifica la massa calcolata. Può influire sull'efficienza reale del processo, perché temperature più alte spesso accelerano le reazioni secondarie.

Quali metalli supporta questo calcolatore? Rame, argento, oro, zinco, nichel, ferro e alluminio, ciascuno con la propria massa molare standard e la propria valenza già inserite. Per qualsiasi altro metallo la stessa formula funziona se si conoscono la massa molare e la valenza.

Perché la massa depositata effettiva può differire dal valore calcolato? La legge di Faraday presuppone che tutta la corrente alimenti la reazione principale. In pratica una parte della corrente si perde in reazioni secondarie o per resistenza, perciò i depositi reali sono di solito un po' più leggeri del valore calcolato. Il rapporto tra massa effettiva e massa teorica si chiama efficienza di corrente.

Riferimenti

1. National Institute of Standards and Technology. CODATA Value: Faraday constant. costante di Faraday del NIST — F = 96.485,332 12 C/mol.
2. IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights. Standard Atomic Weights. pesi atomici del CIAAW — pesi atomici standard di Cu, Ag, Au, Zn, Ni, Fe e Al.
3. Cambridge University Library, Epsilon. Faraday to William Whewell, 15 May 1834. lettera di Faraday 720 — Faraday adottò i nomi anodo, catodo e ione su consiglio di Whewell.