Constante de Faraday: qué es, valor y ejemplos
¿Qué es la constante de Faraday?
La constante de Faraday es una unidad cuantitativa de electricidad que corresponde a la cantidad de carga eléctrica en un mol de electrones.
Esta constante también se representa con la letra F, llamada un Faraday. Un F equivale a 96.485 coulomb/mol. De los rayos en las tempestades se puede extraer una idea de la cantidad de electricidad que representa un F.
El coulomb (c) se define como la cantidad de carga que pasa por un punto dado de un conductor, cuando 1 ampere de intensidad de corriente eléctrica fluye por un segundo. Asimismo, un ampere de corriente equivale a un coulomb por segundo (C/s).
Cuando hay un flujo de 6,022·1023 electrones (el número de Avogadro), se puede calcular la cantidad de carga eléctrica a la que corresponde.
Sabiendo la carga de un electrón individual (1,602·10-19 coulomb) se multiplica por NA, número de Avogadro (F=Na·e–). El resultado es, como se definió al inicio, 96.485,3365 C/mol e–, redondeado usualmente a 96.500C/mol.
Aspectos experimentales de la constante de Faraday
Se puede conocer el número de moles de electrones que se producen o se consumen en un electrodo, determinando la cantidad de un elemento que se deposita en el cátodo o en el ánodo durante la electrólisis.
El valor de la constante de Faraday se obtuvo pesando la cantidad de plata depositada en la electrólisis por una determinada corriente eléctrica. El cátodo se pesó antes y después de la electrólisis.
Si se conoce el peso atómico del elemento, se puede calcular el número de moles del metal depositado en el electrodo.
Como se conoce la relación existente entre el número de moles de un metal que se deposita en el cátodo durante la electrólisis, y el número de moles electrones que se transfieren en el proceso, se puede establecer una relación entre la carga eléctrica suministrada y el número de moles de electrones transferidos.
La relación señalada da un valor constante (96.485). Posteriormente, a este valor se denominó, en honor al investigador inglés Michael Faraday, constante de Faraday.
Relación entre los moles de electrones y la constante de Faraday
Los ejemplos siguientes ilustran la relación entre los moles de electrones transferidos y la constante de Faraday.
– El Na+ en disolución acuosa gana un electrón en el cátodo y se deposita 1 mol de Na metálico, consumiéndose 1 mol de electrones que corresponden a una carga de 96.500 coulomb (1 F).
– El Mg2+ en disolución acuosa gana dos electrones en el cátodo y se deposita 1 mol de Mg metálico, consumiéndose 2 moles de electrones que corresponden a una carga de 2×96.500 coulomb (2 F).
– El Al3+ en disolución acuosa gana tres electrones en el cátodo y se deposita 1 mol de Al metálico, consumiéndose 3 moles de electrones que corresponden a una carga de 3×96.500 coulomb (3 F).
Ejemplo numérico de electrólisis
Calcular la masa de cobre (Cu) que se deposita en el cátodo durante un proceso de electrólisis, con intensidad de corriente de 2,5 amperes (C/s o A) aplicada por 50 minutos. La corriente circula por una disolución de cobre (II). Peso atómico del Cu = 63,5 g/mol.
La ecuación de la reducción de los iones cobre (II) a cobre metálico es la siguiente:
Cu2+ + 2 e–=> Cu
63,5 g de Cu (peso atómico) se depositan en el cátodo por cada 2 moles de electrones que equivalen a 2(9,65·104 coulomb/mol). Es decir, 2 Faraday.
En la primera parte se determina el número de coulomb que pasan a través de la celda electrolítica. 1 ampere equivale a 1 coulomb/segundo.
C = 50 min x 60 s/min x 2,5 C/s
7,5 x 103 C
Entonces, para calcular de la masa de cobre depositada por una corriente eléctrica que suministra 7,5 x 103 C se recurre a la constante de Faraday:
g Cu = 7,5·103C x 1 mol e–/9,65·104 C x 63,5 g Cu/2 mol e–
2,47 g Cu
Leyes de Faraday para la electrólisis
Primera Ley
La masa de una sustancia depositada en un electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida al electrodo. Este es un enunciado aceptado de la primera ley de Faraday, existiendo, entre otros enunciados, el siguiente:
La cantidad de una sustancia que experimenta oxidación o reducción en cada electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por la celda.
La primera ley de Faraday se puede expresar matemáticamente de la forma siguiente:
m = (Q/F) x (M/z)
m = masa de la sustancia depositada en el electrodo (gramos).
Q = carga eléctrica que pasó por la solución en coulomb.
F = constante de Faraday.
M = peso atómico del elemento
Z = número de valencia del elemento.
M/z representa el peso equivalente.
Segunda Ley
La cantidad reducida u oxidada de una sustancia química sobre un electrodo es proporcional a su peso equivalente.
La segunda ley de Faraday se puede escribir de la forma siguiente:
m = (Q/F) x PEq
Uso en la estimación del potencial de equilibrio electroquímico de un ion
El conocimiento del potencial de equilibrio electroquímico de los diferentes iones tiene importancia en electrofisiología. Puede ser calculado mediante la aplicación de la fórmula siguiente:
Vion = (RT/zF) Ln(C1/C2)
Vion = potencial de equilibrio electroquímico de un ion
R = constante de los gases, expresada como: 8,31 J.mol-1. K
T = temperatura expresada en grados Kelvin
Ln = logaritmo natural o neperiano
z = valencia del ion
F = constante de Faraday
C1 y C2 son las concentraciones de un mismo ion. C1 puede ser, por ejemplo, la concentración del ion en el exterior celular, y C2, su concentración en el interior celular.
Este es un ejemplo del uso de la constante de Faraday y como su establecimiento ha sido de gran utilidad en numerosos campos de la investigación y el conocimiento.
Referencias
- Faraday constant. Recuperado de en.wikipedia.org
- Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008). Química (8.ª ed.). CENGAGE Learning.
- Giunta C. (2003). Faraday electrochemistry. Recuperado de web.lemoyne.edu