ينص قانون فاراداي الأول في التحليل الكهربائي (Faraday’s First Law) أن كتلة المادة (m) المترسبة أو المتحررة في أي موصل كهربائي متناسبة طردًا مع كمية التيار الكهربائي أو الشحنة المارة فيه (Q). ويمثّل النص رياضيًا كالتالي:

m = ZQ

وm هي الكتلة وتقاس بالغرام، أما Q فهي كمية الكهرباء المارة بوعاء التحليل وتقاس بالكولومات (C)، وZ هي ثابت التناسب وتقاس بالغرام/كولوم، كما يعرف أيضًا بالمكافئ الكهربائي الكيميائي، وهو كتلة المادة المتولدة في القضيب الكهربائي خلال التحليل الكهربائي بوساطة كولوم واحد من الشحن.

لاحظ فاراداي أن 1 فاراداي (C 96,485) من الشحن سيحرر 1 غرامًا مكافئ من المادة في الأقطاب الكهربائية. هذا يعني أن 1 كولوم سيحرر 1 غرامًا مكافئ من مادة/96,485، والذي هو مكافئ كهروكيميائي للمادة. هذا يؤدي إلى أن هناك علاقة بين المكافئ الكهروكيميائي  Z  والوزن المكافئ أو الكتلة المكافئة E لمادة ما، ويعبر عنه كما يلي:

Z = الوزن المكافئ/96,485

أو:

Z = E/96,485

بالعودة إلى المعادلة: m = ZQ يمكن استبدالها بالتالي:

m = Z x I x t

حيث:  (Q = I x t)

m = E x I x t /96,485

حيث: Z = E/96,485

يساعد قانون فاراداي في حساب كميات المواد المتشكلة خلال التحليل الكهربائي. حيث ستُنتج خلال التحليل مواد في القطب الموجب وفي القطب السالب من البطارية، وسأشرح الأمر على النحو التالي:

التحليل الكهربائي (Electrolysis) هو مرور التيار الكهربائي خلال منحل (أو سائل) وإحداثه تفاعل كيميائي أو تغير كيميائي للقطبين الكهربائيين، حيث تتحرك الكاتونات باتجاه القطب السالب (الكاثود) بعملية تسمى “الاختزال” وهي اتحاد السائل المتحلل مع الكترونات البطارية، بينما تتحرك الأيونات باتجاه القطب الموجب (الأنود) في عملية تسمى “الأكسدة” وتعني فقدان السائل لالكترونات وإعطاءها للمصعد.

مع العلم أن المنحل الكهربائي هو سائل يوصل التيار الكهربائي، أما “خلية التحليل الكهربائي” فهي اسم يطلق على القطبين الكهربائيين والسائل والوعاء الذي يجمعهم كلهم. أما الأنود (anode) هو القطب الكهربائي الموصول إلى القطب الموجب من البطارية. والكاثود (cathode) هو القطب الكهربائي الموصول بقطب البطارية السالب.

ينشأ التيار الكهربائي في أي مكان يوجد فيه تدفق للشحنات، (مثل الإلكترونات)، ويُعرف كنسبة عند تدفق الشحنات، وتكون الصيغة كالتالي:

التيار =كمية الشحنات/الوقت

أو:

I = Q/t

وتمثل I التيار بالأمبير(A)، وهو تدفق 1 كولوم من الشحن بالثانية أو C/s . وt هي الزمن بالثواني، وQ هي كمية التيار الكهربائي بالكولوم (وحدة قياس كمية الكهرباء)

ويعرف ثابت فاراداي بأنه كمية الشحنات التي يحملها الإلكترون الواحد هي:

  1.6023x 10 -19 C

وبالتالي، تكون الشحنات الإجمالية التي يحملها مول من الإلكترونات، والمول هو جزيء غرامي، وحدة قياس كمية المادة. ويُمثل 1 مول من الإلكترونات بعدد أفوكادرو:

الكترون L = 6.022 x 1023

وعلى ذلك فإن:

  الكترون 6.022x 1023

 تحمل شحنة:

 6.022x 1023 x 1.6023 x 10-19 C/mol = 96,485 C/mol

يشار إلى C/mol 96.485 أو فاراداي واحد بالرمز F، هو كمية التيار الكهربائي التي يحملها مول واحد من الالكترونات ويعرف بثابت فاراداي (Faraday constant).

الوزن المكافئ (Equivalent weight ) أو الكتلة المكافئة (equivalent mass) هي المكافئ الآخر الذي يستخدم غالبًا في حسابات التيار الكهربائي، كالتالي:

الوزن المكافئ أو E = Atomic weight/Valency

أي يساوي الوزن الذري/ التكافؤ، حيث يكون الوزن الذري أو الكتلة الذرية في g/mol وتزود بالقيمة عادة. التكافؤ هو قدرة الذرة على الاتحاد مع الذرات الأخرى، ويقاس الوزن المكافئ أو الكتلة المكافئة بالغرام.

على سبيل المثال: لإيجاد الوزن المكافئ للفضة: الوزن الذري للفضة هو 108، والمكافئ=1، حيث يمكن استخدام 1 مول فقط من الإلكترونات للاتحاد مع ذرة أخرى.

الوزن المكافئ= الوزن الذري للفضة/مكافئ الفضة= 108/1=108غ

أكمل القراءة

مايكل فارداي هو عالم فيزيائي وكيميائي إنكليزي، ومن أبرز المشاركين في المجال الكهرومغناطيسي والكهروكيمياوي. درس فارداي المجال المغناطيسي على مصل يحمل تيارًا كهربائيًا مستمرًا، ولذا فهو يعتبر العالم الذي وضع أسس الكهرومغناطيسية، وهو من اكتشف نظرية المحاثة والنفاذية المغناطيسية، كما أنه وضع قانوني التحليل الكهربائي.

فاراداي
أوجد فارداي قانوني التحليل الكهربائي اعتمادًا على الأبحاث والتجارب الكهروكيميائية وبناء على التغيرات الكيميائية التي توجدها الكهرباء. ويهدف القانونان إلى توضيح العلاقة بين مقدار الكهرباء التي تولدها المادة وبين كتلة المادة. لكن قبل فهم قوانين فارداي للتحليل الكهربائي، يجب فهم عملية التحليل الكهربائي للكبريتات المعدنية.

بشكل عام، كلما كان المنحل بالكهرباء مخففًا في الماء (كبريتات المعادن على سبيل المثال)، تنقسم جزيئاته إلى أيونات سالبة وموجبة. حيث تنتقل الأيونات الموجبة إلى الأقطاب الكهربائية التي تتصل بالطرف السالب للبطارية وتأخذ إلكترونات منها لتصبح ذرة معدنية نقية على قطب.

أما الأيونات السالبة فهي تنتقل إلى القطب الذي يتصل بالطرف الموجب للبطارية، وتتخلى الأيونات عن الكتروناتها وتصبح بذلك “أصولية”. وحينها لا يمكن أن توجد في حالة محايدة كهربائيًا فهي ستهاجم القطب الموجب المعدني الفلزي كي تشكل سولفات معدنية ستنحل بدورها في الماء مرة أخرى.

نص قانون فارداي الأول: تتناسب كتلة المادة (أثناء التحليل الكهربائي) طردًا مع كمية الكهرباء التي تمر في خلية التحليل. وتقاس كمية الكهرباء بوحدة “الكولوم” وهي عبارة عن عدد الأمبيرات التي تمر في وحدة الزمن.

الصيغة الرياضية لقانون فارداي الأول:

(m= (Q/F)(M/Z

حيث أن:

  • Q: كمية الشحنة التي تمر عبر المادة أثناء التحليل الكهربائي (أي هي شدة التيار مقاسة بالكولوم).
  • m: الكتلة المولية للمادة.
  • F: ثابت فارداي وقيمته 96500.
  • Z: معدل نقل الالكترونات إلى عدد الأيونات.
  • M: كتلة المادة التي تتفاعل عند القطب.

تطبيقات على قانون فارداي الأول للتحليل الكهربائي:

التطبيق الأول: يمر تيار شدته 3 أمبير في محلول كلوريد النحاس الثنائي، لمدة ساعة كاملة. إن كان وزن النحاس المترسب 1.778 غرام. المطلوب حساب الوزن المكافئ للنحاس.

الحل: نطبق قانون فارداي الأول، وعن طريق الضرب التبادلي يكون الوزن المكافئ للنحاس هو:
63.54

التطبيق الثاني: لدينا مادة فضة، احسب الزمن اللازم لترسب 2.16 غرامًا منها، في حال مرور تيار كهربائي في محلول نترات الفضة. مع العلم أن الكتلة الذرية للفضة هي 108 غرام/مول.

الحل: الزمن اللازم= 60.31 ثانية.

التطبيق الثالث: يمر تيار شدته 10.4 أمبير لمدة 25 دقيقة في مصهور يحوي مادة يوديد البوتاسيوم. المطلوب حساب كتلة المواد التي تجتمع عند القطبين، مع العلم أن الكتلة الذرية للبوتاسيوم هي 39.1 غرام/مول، والكتلة الذرية لليود هي 127 غرام/مول.

الحل: نطبق قانون فادراي الأول ونحسب كتلة البوتاسيوم واليود التي تترسب عند الأقطاب:
الكتلة المولية لليود: 18.89 غرام.
الكتلة المولية للبوتاسيوم: 5.8 غرام.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هو قانون فاراداي الأول"؟