Elektrolyse Calculator - Massadepositie (Wet van Faraday)

Wat is een elektrolysecalculator?

Een elektrolysecalculator berekent de massa van een metaal die tijdens elektrolyse aan een elektrode wordt afgezet of opgelost. Elektrolyse is een proces waarbij een elektrische stroom wordt gebruikt om een chemische reactie af te dwingen die niet vanzelf zou plaatsvinden. De calculator past de wet van Faraday voor elektrolyse toe, met gebruik van de stroomsterkte, de tijd en de eigenschappen van het gekozen metaal.

Hoe bereken je de elektrolysemassa: formule van de wet van Faraday

De wet van Faraday stelt dat de massa van een stof die bij een elektrode wordt gevormd, evenredig is met de hoeveelheid elektrische lading die erdoorheen stroomt. Lading is gelijk aan stroomsterkte vermenigvuldigd met tijd, dus de formule wordt meestal geschreven als:

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

• m — massa van de gevormde of opgeloste stof, in gram
• I — stroomsterkte, in ampère (A)
• t — tijd, in seconden (s)
• M — molaire massa van de stof, in gram per mol (g/mol)
• z — valentie, het aantal elektronen dat per ion wordt overgedragen
• F — de constante van Faraday, 96.485 coulomb per mol (C/mol)

De constante van Faraday is genoemd naar de Engelse wetenschapper Michael Faraday. Het is de elektrische lading die door één mol elektronen wordt gedragen.

Waarom valentie van belang is

Valentie hangt af van de lading van het ion. Een koperion, Cu²⁺, heeft twee elektronen nodig om een koperatoom te worden, dus de valentie is 2. Een zilverion, Ag⁺, heeft slechts één elektron nodig, dus de valentie is 1. Een goudion, Au³⁺, heeft drie elektronen nodig, dus de valentie is 3. Een hogere valentie betekent dat er per atoom meer elektronen nodig zijn, waardoor bij dezelfde hoeveelheid lading minder massa wordt afgezet.

Molaire massa en valentie van veelvoorkomende metalen

Uitgewerkt voorbeeld

Een stroom van 1 ampère loopt gedurende 1 uur door een kopersulfaatoplossing (3.600 seconden). Hoeveel koper wordt er aan de kathode afgezet, de elektrode waar reductie plaatsvindt?

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

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

Er wordt ongeveer 1,19 gram koper afgezet.

Een tweede voorbeeld: een stroom van 2 ampère loopt gedurende 10 minuten door een zilvernitraatoplossing (600 seconden). Zilver heeft een molaire massa van 107,87 g/mol en een valentie van 1.

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

Er wordt ongeveer 1,34 gram zilver afgezet, meer dan in het kopervoorbeeld, voornamelijk omdat zilver een lagere valentie heeft.

De calculator gebruiken

Voer de stroomsterkte in ampère en de tijd in seconden in en kies vervolgens een metaal uit de lijst. Het resultaat wordt automatisch bijgewerkt. Veelgebruikte tijdomrekeningen: 1 minuut = 60 seconden, 1 uur = 3.600 seconden, 1 dag = 86.400 seconden.

Toepassingen van elektrolyse

Galvaniseren bedekt het ene metaal met een dunne laag van een ander metaal, zoals bij het vergulden van sieraden of het vernikkelen van stalen onderdelen om corrosie tegen te gaan. Bij metaalraffinage wordt elektrolyse gebruikt om metalen te zuiveren; koper dat op deze manier wordt geraffineerd kan een zuiverheid van meer dan 99,9% bereiken. Bij elektrowinning worden metalen zoals zink onttrokken aan een oplossing die uit fijngemaakt erts is verkregen. Aluminium wordt op dezelfde manier geproduceerd, maar uit aluminiumoxide dat in een gesmolten zoutbad is opgelost in plaats van in water. Bij waterelektrolyse wordt water gesplitst in waterstof- en zuurstofgas, een methode die wordt gebruikt om waterstof als brandstof te produceren.

De wet van Faraday geeft de theoretische maximale massa. In werkelijke processen wordt meestal iets minder afgezet, omdat een deel van de stroom nevenreacties aandrijft in plaats van de hoofdreactie. Deze verhouding wordt stroomrendement genoemd en bedraagt bij industrieel galvaniseren doorgaans 90–98%.

Geschiedenis van de wet van Faraday

In 1800 bouwde Alessandro Volta de eerste batterij, waardoor wetenschappers voor het eerst over een constante bron van elektrische stroom beschikten. In datzelfde jaar gebruikten William Nicholson en Anthony Carlisle deze om water te splitsen in waterstof en zuurstof, een vroege demonstratie van elektrolyse. Tussen 1807 en 1808 gebruikte Humphry Davy elektrolyse om verschillende elementen te isoleren, waaronder kalium en natrium.

Michael Faraday, die als assistent van Davy had gewerkt, voerde in het begin van de 1830er jaren zorgvuldige experimenten met elektrolyse uit. In 1832 en 1834 publiceerde hij twee wetten die de exacte relatie tussen elektrische lading en de massa van de gevormde stof beschreven. Hij introduceerde ook de termen elektrode, anode, kathode en ion, woorden die nog steeds in de chemie worden gebruikt.

Veelgestelde vragen

Hoe bereken je de massa die tijdens elektrolyse wordt afgezet? Vermenigvuldig de stroomsterkte met de tijd om de totale lading te verkrijgen, vermenigvuldig die met de molaire massa van de stof en deel vervolgens door de valentie maal de constante van Faraday: m = (I × t × M) / (z × F).

Wat is de constante van Faraday? Het is de elektrische lading die door één mol elektronen wordt gedragen, ongeveer 96.485 coulomb per mol.

Wat is het verschil tussen de anode en de kathode? De anode is de elektrode waar oxidatie plaatsvindt en elektronen verloren gaan. De kathode is de elektrode waar reductie plaatsvindt en elektronen worden opgenomen. Wanneer een metaal uit een oplossing wordt afgezet, vormt het zich aan de kathode.

Heeft de temperatuur invloed op het resultaat van de berekening? Temperatuur komt niet voor in de wet van Faraday en verandert de berekende massa dus niet. De temperatuur kan wel invloed hebben op het werkelijke rendement van het proces, omdat hogere temperaturen nevenreacties vaak versnellen.

Welke metalen ondersteunt deze calculator? Koper, zilver, goud, zink, nikkel, ijzer en aluminium, elk met de standaard molaire massa en valentie ingebouwd. Voor elk ander metaal werkt dezelfde formule als de molaire massa en valentie bekend zijn.

Waarom kan de werkelijk afgezetten massa afwijken van de berekende waarde? De wet van Faraday gaat ervan uit dat alle stroom naar de hoofdreactie gaat. In de praktijk gaat een deel van de stroom verloren aan nevenreacties of weerstand, waardoor werkelijke afzettingen meestal iets lichter zijn dan de berekende waarde. De verhouding tussen de werkelijke en theoretische massa wordt stroomrendement genoemd.

Referenties

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 (2e ed.). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10e ed.). Oxford University Press.