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

Che cos'è un calcolatore di elettrolisi?

Un calcolatore di elettrolisi determina la massa di metallo depositata o disciolta su un elettrodo durante l'elettrolisi. L'elettrolisi è un processo che utilizza una corrente elettrica per forzare una reazione chimica che non avverrebbe spontaneamente. Il calcolatore applica la legge di Faraday sull'elettrolisi, utilizzando la corrente, il tempo e le proprietà del metallo scelto.

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

La legge di Faraday stabilisce che la massa di una sostanza prodotta su un elettrodo è proporzionale alla quantità di carica elettrica che lo attraversa. La carica è uguale alla corrente moltiplicata per il tempo, quindi la formula viene solitamente scritta come:

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

• 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, cioè il numero di elettroni trasferiti per ione
• F — costante di Faraday, 96.485 coulomb per mole (C/mol)

La costante di Faraday prende il nome dallo scienziato inglese Michael Faraday. Rappresenta la carica elettrica trasportata da una mole di elettroni.

Perché la valenza è importante

La valenza dipende dalla carica dello ione. Uno ione di rame, Cu²⁺, ha bisogno di due elettroni per diventare un atomo di rame, quindi la sua valenza è 2. Uno ione d'argento, Ag⁺, ha bisogno di un solo elettrone, quindi la sua valenza è 1. Uno ione d'oro, Au³⁺, ha bisogno di tre elettroni, quindi la sua valenza è 3. Una valenza più elevata significa che sono necessari più elettroni per atomo, perciò, a parità di carica, viene depositata una massa minore.

Massa molare e valenza dei metalli comuni

Esempio di calcolo

Una corrente di 1 ampere attraversa una soluzione di solfato di rame per 1 ora (3.600 secondi). Quanto rame viene depositato sul catodo, l'elettrodo dove avviene la riduzione?

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

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

Vengono depositati circa 1,19 grammi di rame.

Un secondo esempio: una corrente di 2 ampere attraversa 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 pari a 1.

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

Vengono depositati 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, quindi scegliere un metallo dall'elenco. Il risultato si aggiorna automaticamente. Conversioni comuni del tempo: 1 minuto = 60 secondi, 1 ora = 3.600 secondi, 1 giorno = 86.400 secondi.

Applicazioni dell'elettrolisi

La galvanostegia riveste un metallo con uno strato sottile di un altro metallo, ad esempio rivestendo gioielli con oro o rivestendo parti in acciaio con nichel per aumentarne la resistenza alla corrosione. La raffinazione dei metalli utilizza l'elettrolisi per purificarli; il rame raffinato in questo modo può raggiungere una purezza superiore al 99,9%. L'elettroestrazione consente di estrarre metalli come lo zinco da una soluzione ottenuta dal minerale frantumato. L'alluminio viene prodotto con un metodo simile, ma a partire da allumina disciolta in un bagno di sali fusi invece che in acqua. L'elettrolisi dell'acqua separa l'acqua in idrogeno e ossigeno gassosi, un metodo utilizzato per produrre idrogeno come combustibile.

La legge di Faraday fornisce la massa teorica massima. Nei processi reali viene normalmente depositata una quantità leggermente inferiore, perché una parte della corrente provoca reazioni secondarie invece di quella principale. Questo rapporto è chiamato rendimento di corrente e, nella galvanostegia industriale, è in genere compreso tra il 90 e il 98%.

Storia della legge di Faraday

Nel 1800 Alessandro Volta costruì la prima batteria, fornendo per la prima volta agli scienziati una fonte stabile di corrente elettrica. Nello stesso anno, William Nicholson e Anthony Carlisle la utilizzarono per separare l'acqua in idrogeno e ossigeno, in una delle prime dimostrazioni di elettrolisi. Tra il 1807 e il 1808, Humphry Davy utilizzò l'elettrolisi per isolare diversi elementi, tra cui potassio e sodio.

Michael Faraday, che aveva lavorato come assistente di Davy, condusse accurati esperimenti sull'elettrolisi nei primi anni Trenta dell'Ottocento. Nel 1832 e nel 1834 pubblicò due leggi che descrivevano il rapporto esatto tra la carica elettrica e la massa della sostanza prodotta. Introdusse inoltre i termini elettrodo, anodo, catodo e ione, ancora oggi utilizzati 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 e 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 approssimativamente a 96.485 coulomb per mole.

Qual è la differenza tra anodo e catodo?
L'anodo è l'elettrodo dove avviene l'ossidazione e vengono persi elettroni. Il catodo è l'elettrodo dove avviene la riduzione e vengono acquistati elettroni. Quando un metallo viene depositato da una soluzione, si forma sul catodo.

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

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

Perché la massa effettivamente depositata può differire dal valore calcolato?
La legge di Faraday presuppone che tutta la corrente venga impiegata nella reazione principale. Nella pratica, una parte della corrente viene consumata da reazioni secondarie o dalla resistenza, quindi i depositi reali sono generalmente un po' più leggeri del valore calcolato. Il rapporto tra la massa effettiva e quella teorica è chiamato rendimento di corrente.

Riferimenti

1. Faraday, M. (1834). "Experimental Researches in Electricity. Seventh Series." Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 124, 77–122.
2. Bard, A. J., & Faulkner, L. R. (2000). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (2nd ed.). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press.