Faraday-Gesetze

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:

$F = 96.485 C / mol = 96.485 A \cdot s / mol$