Число Фарадея: интересные факты о физической константе

Число Фарадея - одна из фундаментальных констант, связывающих электрические и химические свойства вещества. Этот параметр лежит в основе электрохимических процессов, таких как электролиз и работа гальванических элементов.

История открытия числа Фарадея

Число Фарадея было открыто в результате классических опытов по электролизу, проведенных в 1830-х годах выдающимся английским ученым Майклом Фарадеем. Именно он сформулировал два важнейших закона электролиза:

1. Масса вещества, выделяющегося на электродах при электролизе, прямо пропорциональна количеству прошедшего электричества.
2. Массы различных элементов, выделяющиеся при прохождении одного и того же количества электричества, пропорциональны их химическим эквивалентам.

Именно второй закон Фарадея и позволил число Фарадея ввести специальную константу F, характеризующую связь между электрическими и химическими явлениями.

Постоянная Фарадея названа в честь английского физика Майкла Фарадея (1791-1867 гг.), внесшего большой вклад в исследование электричества.

Определив численное значение этой константы в своих многочисленных экспериментах по электролизу различных веществ, Фарадей заложил основы современной электрохимии.

Физический смысл числа фарадея

Для понимания физического смысла числа фарадея проанализируем один из опытов Фарадея.

При пропускании электрического тока через расплав хлорида натрия (поваренной соли) на катоде выделяется натрий, а на аноде - хлор. При этом на каждый грамм-эквивалент натрия требуется затратить одно и то же количество электричества, равное 96500 кулонам или 1 фарадею (Ф).

Таким образом, число Фарадея по сути представляет собой количество электричества, необходимое для проведения электролиза 1 моль ионов.

Значение и единицы измерения

В системы единиц СИ точное значение числа фарадея определено следующим образом:

Оно установлено на основе точно известных значений заряда электрона e и постоянной Авогадро NA:

F = NA × e

Где:

• e = 1,602 176 634 × 10^-19 Кл - заряд электрона
• NA = 6,022 140 76 × 10²³ моль^-1 - число Авогадро

Применение числа Фарадея

Основная область применения числа Фарадея - это расчеты параметров процесса электролиза. Используя значение F, можно определить:

• Необходимый заряд для осаждения заданного количества вещества на электроде
• Массу вещества, которая может выделиться при пропускании через ячейку определенного количества электричества

Для таких вычислений используется следующая формула:

m = (A/Z) × (I × t) / F

Где:

• m - масса выделившегося вещества, г
• A - атомная масса элемента, г/моль
• Z - валентность элемента
• I - сила тока, А
• t - время электролиза, с
• F - число фарадея формула, равное 96 485 Кл/моль

Лабораторное определение числа Фарадея

Число Фарадея можно экспериментально определить, основываясь на законах электролиза Фарадея. Для этого проводят следующий опыт:

1. Через водный раствор нитрата серебра AgNO 3 пропускают электрический ток определенной силы в течение измеренного промежутка времени.
2. В результате электролиза на катоде осаждается металлическое серебро. Его масса точно определяется путем взвешивания.
3. По полученным данным о массе серебра, силе тока и времени электролиза рассчитывают число Фарадея.

Интересные факты о числе Фарадея

Хотя значение числа Фарадея в точности установлено относительно недавно, в пересчете на старые единицы электрического заряда оно было известно еще при жизни Майкла Фарадея.

В 1860 году русский химик А.М. Бутлеров на Всероссийском съезде естествоиспытателей выступил с докладом об использовании числа Фарадея для определения атомных масс на основе данных электрохимических измерений. Таким образом, число Фарадея помогло важному научному прорыву.

Перспективы уточнения значения

Несмотря на достигнутую точность, работа по дальнейшему уточнению числа Фарадея ведется и в настоящее время. Так в 2017 году международная группа исследователей опубликовала новое значение с неопределенностью 0,7 ppm.

Повышение точности числа Фарадея важно для проведения электрохимических измерений в области стандартизации. Например, при аттестации образцовых растворов или определении содержания примесей методом кулонометрии.

Связь числа Фарадея и постоянной Авогадро

Как было показано ранее, число Фарадея определяется через постоянную Авогадро NA следующим образом:

F = NA × e

Где e - заряд электрона. Из этого соотношения видно, что точность определения F напрямую зависит от точности NA.

Определение постоянной Авогадро через число Фарадея

В свою очередь, используя экспериментально установленное значение числа Фарадея, можно рассчитать число Авогадро:

NA = F / e

Такой подход применялся в те годы, когда значение F было известно точнее, чем NA. Это позволило значительно повысить точность определения постоянной Авогадро.

Зависимость числа Фарадея от температуры

Стоит отметить, что, подобно большинству физических констант, число Фарадея зависит от температуры. Это связано с температурной зависимостью химических потенциалов участвующих в электролизе веществ.

Поправочный коэффициент к значению F при температуре t градусов Цельсия составляет: 1 + α(t - 25°C)

Где α = 0,002°C−1

Применение константы в спектроскопии

Интересно отметить, что число Фарадея находит применение не только в электрохимии, но и в некоторых спектроскопических методах анализа.

Так, с помощью постоянной Фарадея можно рассчитать концентрацию вещества в пламени по интенсивности спектральных линий. Это используется в пламенной фотометрии и атомно-эмиссионной спектроскопии.