أوجد العالم مايكل فاراداي عام 1834 قانونين فيزيائيين لخدمة التحليل الكهربائي، وذلك باستناده إلى الأبحاث والتجارب الكهروكيميائية المتعلقة بطرق إنتاج الكهرباء وتأثيرها على التغييرات الكيميائية .
نبذة تاريخية عن ظاهرة الحث الكهربي
اكتشف مايكل فاراداي ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي بشكل منفصل في عام 1813، تلاه في ذلك العالم جوزيف هنري في عام 1832.
فاراداي كان أول عالم ينشر نتائج أبحاثه، وفي أول تجاربه للحث الكهرومغناطيسي في تاريخ 29 أغسطس 1831، لف سلكين حول جانبين مختلفين بحلقة حديدية وقام بتقييم خواص المغناطيسات الكهربائية من خلال ذلك .
عندما يبدأ التيار بالتدفق في أحد الأسلاك، سينتقل نوع من الموجات الفيزيائية عبر الحلقة ويسبب تأثيرا كهربائيا في الجانب الآخر، وقام فاراداي بتوصيل أحد طرفي الأسلاك بجهاز يسمى جالفانوميتر وراقبه، في حين قام بتوصيل السلك الآخر ببطارية، وفعلا شاهد تدفقا مؤقتا للتيار (ويطلق عليه اصطلاحا “موجة كهربائية”)، وعندما قطع التوصيل بالبطارية، لاحظ تدفقا آخر للتيار.
هدف قانون فارادي
يهدف قانون فاراداي إلى توضيح العلاقة بين كتلة المادة وكمية الكهرباء التي يمكن أن تولدها تلك المادة.
نص قوانين فاراداي
القانون الأول في التحليل الكهربائي
تتناسب كتلة المادة المستهلكة (المتفاعلة) أو المنتجة في قطب كهربائي خلال التحليل الكهربائي، تناسبًا طرديًا مع كمية التيار الكهربائي الذييمر في خلية التحليل
تُقاس كمية الكهرباء (Q) بوحدة تسمى الكولوم، وتُعبر عن عدد الأمبيرات (شدة التيار) التي تمر خلالها بوحدة الزمن.
القانون الثاني في التحليل الكهربائي
يتناسب وزن المواد التي تنتج أو تستهلك خلال التحليل الكهربائي بشكل متناسب مع كتلتها أو وزنها المكافئ عند مرور نفس كمية الكهرباء في المحلول.
الصيغة الرياضية لقواني فاراداي
قانون فاراداي الأول رياضياً
(m= (Q/F)(M/Z
حيث: m تمثل الكتلة الخاصة بالمادة المتفاعلة عند أقطبها.
Q تمثل كمية الشحنة الكهربائية التي تمر عبر المادة، حيث تكون كمية الكهرباء = شدة التيار (بوحدة الأمبير) × الزمن (بوحدة الثانية)، مع العلم أن F هو ثابت فاراداي وقيمته تساوي 96500 C ،mol-1 M هي رمز يعبر عن الكتلة المولية للمادة. Z هو معدل نقل الإلكترونات بالنسبة إلى عدد الأيونات
تمثل قيمة (M/Z) الوزن المكافئ للمادة، وتعادل الكتلة المولية للعنصر بوحدة الجرام مقسومة على الشحنة الخاصة بالأيون.
قانون فاراداي الثاني رياضياً
(m1/m2)= (Ew1/Ew2)
حيث: Ew1 تمثل الوزن المكافئ للعنصر الأول.
Ew2 تمثل الوزن المكافئ للعنصر الثاني.
مسائل على قانون التحليل الكهربائي
مثال (1)
يتم تمرير تيار ذو شدة تصل إلى 1.5 أمبير في محلول كلوريد النحاس الثنائي لمدة تصل إلى ساعة، وإذا كان وزن النحاس الذي تم ترسيبه يبلغ 1.778 جرام، فإنه يمكن حساب الوزن المكافئ للنحاس
الحل: باستخدام قانون فاراداي الأول (m= (Q/F)(M/Z، وطريقة الضرب التبادلي، يكون الوزن المكافئ للمادة هو 31.77 جم/مكافئ.
مثال (2)
يتم تمرير تيار كهربائي بشدة (10.4 أمبير) لمدة تصل إلى 23 دقيقة على مصهور يوديد البوتاسيوم، ويتم حساب الكتلة الممكن تجمعها عند القطبين، علمًا بأن الكتلة الذرية لليود (127 جرام / مول) ولعنصر البوتاسيوم (39.1 جرام / مول).
الحل: يتم حساب كتلة عنصري اليود والبوتاسيوم المترسبين عند الأقطاب وفقًا لقانون فاراداي الأول، حيث يتم تعيين كتلة المولية لليود بـ 18.89 جرامًا، وذلك بتعويض قيم العناصر والظروف المحيطة بهما في الصيغة المحسوبة.
تساوي الكتلة المولية للبوتاسيوم (5.8 غرام)، وذلك بتطبيق الصيغة (39.1 × 10.4 × 23 × 60) / (1 × 96500).
مثال (3)
احسب الزمن اللازم لترسيب 2.16 جرام من عنصر الفضة بتمرير تيار كهربائي بشدة 32 أمبير في محلول نتراتالفضة، مع العلم أن الكتلة الذرية للفضة تساوي 108 جرام/مول
الحل: كتلة الفضة المتفاعلة تساوي (M × التيار × الزمن) / (z × F)
يتم حساب الزمن اللازم باستخدام الصيغة التالية: (الكتلة × z × F) ÷ (التيار × الكتلة المولية)، وقيمة هذه الصيغة بالأرقام تساوي (2.16 × 1 × 96500) ÷ (102 × 32) = 60.31 ثانية.