Die Faradayschen Elektrolysegesetze beschreiben die Beziehung zwischen der Stoffmenge $n$ der bei einer Elektrolyse abgeschiedenen Substanz und der durch den Elektrolyten geflossenen elektrischen Ladung $Q$.
1. Faradaysches Gesetz
Wenn man eine Salzlösung (beispielsweise Kupfersulfat-Lösung CuSO4) elektrolysiert, dann scheidet sich am Minuspol eine Schicht aus festem Kupfer Cu(s) ab:
$Cu^{2+}(aq) + 2 \ e^{2+} \to Cu(s)$
Wenn man nun die Elektrolysezeit verdoppelt, dann scheidet sich auch genau doppelt so viel Kupfer an der Kathode ab. Es gilt also
$m(Cu) = k \cdot t$
Die Masse $m(Cu)$ des abgeschiedenen Kupfers ist der Elektrolysezeit $t$ proportional.
Sorgt man nun dafür, dass sich die Stromstärke $I$ verdoppelt, mit der elektrolysiert wird, dann scheidet sich ebenfalls doppelt so viel Kupfer an dem Minuspol ab. Es gilt also:
$m(Cu) = k \cdot I$
Fasst man diese beiden Beziehungen zusammen, so erhält man:
$m(Cu) = k \cdot t \cdot I$
Diese Gesetzmäßigkeit, dass die Masse des abgeschiedenen Metalls sowohl der Elektrolysezeit wie auch der Stromstärke proportional ist, wird als 1. Faradaysches Gesetz bezeichnet. Die allgemeine Formulierung dieses Gesetzes ist dann
$m(Me) = k \cdot t \cdot I$
Eine andere allgemeine Formulierung dieses Gesetzes ist:
$m(Me) = k \cdot Q$
Dabei ist $Q$ die geflossene Ladung oder "Strommenge"mit $Q = I \cdot s$.
2. Faradaysches Gesetz
Wir elektrolysieren nun eine Kupfersulfat- und eine Silbernitrat-Lösung und achten darauf, dass sowohl die Elektrolysezeit $t$ wie auch die Stromstärke $I$ dabei identisch sind.
Wenn wir nun die abgeschiedenen Stoffmengen $n(Cu)$ und $n(Ag)$ bestimmen, so finden wir, dass sich doppelt so viel Silber abscheidet wie Kupfer. Die Erklärung hierfür ist einfach. Um ein Kupfer-Ion zu reduzieren, werden zwei Elektronen benötigt. Für ein Silber-Ion ist aber nur ein Elektron notwendig. Mit der vorhandenen Strommenge $Q = I \cdot t$, die der "Stoffmenge" an Elektronen entspricht, können also doppelt so viele Ag+-Ionen reduziert werden wie Cu2+-Ionen.
Das 2. Gesetz von Faraday ist in dem Lexikon der Physik des Spektrum-Verlags folgendermaßen definiert:
"Die durch gleiche Elektrizitätsmengen aus einem Elektrolyten abgeschiedenen Mengen m1, m2 zweier verschiedener Stoffe verhalten sich wie die chemischen Äquivalente der Stoffe: m1 : m2 = M1 / n1 : M2 / n2."
M1 und M2 sind die Atommassen, n1 und n2 die "elektrochemischen Wertigkeiten" der Ionen (für Ag+ = 1, für Cu2+ = 2).
Bestimmung des Proportionalitätsfaktors
Wenn man die Elektrolyse einer AgNO3-Lösung quantitativ durchführt, also sowohl die Stromstärke $I$ wie auch die Elektrolysezeit $t$ genau misst, und dann die Stoffmenge des abgeschiedenen Silbers $n(Ag)$ genau ermittelt, dann erhält man folgendes Ergebnis:
Um 1 mol Silber abzuscheiden, wird eine Strommenge von 96.485 Coulomb benötigt. 1 Coulomb oder 1 C entspricht dabei der Strommenge, die bei einer Stromstärke von 1 A für genau 1 s fließt: $1 C = A 1 \cdot 1 s$.
Dieser Wert, 96.485 C/mol, wird als Faraday-Konstante $F$ bezeichnet:
$F = 96.485 C / mol = 96.485 A \cdot s / mol$
Diese Seite wurde speziell für Schüler(innen) der gymnasialen Oberstufe geschrieben. Hier wird auch auf eine Abituraufgabe aus dem Jahre 2023 eingegangen, bei der die Masse von Silber berechnet werden musste, die sich an einer Eisengabel abscheidet.
Quellen:
- RÖMPP Chemie-Lexikon, 9. Auflage, Band 2 (1989), S. 1297.
- Spektrum Lexikon der Physik, Artikel "Faradaysche Gesetze"