L'elettrolisi e le leggi di Faraday

Con elettrolisi si intende l’insieme di fenomeni legati alle soluzioni elettrolitiche in seguito al passaggio di corrente elettrica.

In alcuni casi, ad esempio, si può avere la formazione di gas, oppure la formazione di un corpo solido sugli elettrodi.

Quando gli elettrodi, inseriti all’interno della soluzione, producono corrente elettrica, gli ioni presenti in soluzione vengono attratti verso gli elettrodi di segno opposto, sotto l’azione del campo elettrico che si genera.

Quando gli ioni giungono al rispettivo catodo, essi si trasformano in atomi neutri: lo ione positivo, che giunge al catodo, acquista degli elettroni, pari al suo numero di valenza; lo ione negativo, invece, giunto all’elettrodo positivo, l’anodo,cede degli elettroni, pari al suo numero di valenza, e si trasforma pertanto in un atomo neutro.

Può capitare che gli atomi neutri che si vengono a formare si depositino sul rispettivo elettrodo; è possibile determinare la massa dei depositi che si formano a partire dalla carica elettrica che passa attraverso gli elettrodi, e al tipo di ione considerato.

Le leggi di Faraday

Le leggi di Faraday esprimono come sia possibile produrre, attraverso l’elettrolisi, una determinata quantità di sostanza.

La prima legge di Faraday afferma che la quantità di materia che viene prodotta nel processo di elettrolisi è direttamente proporzionale alla quantità di corrente che ha attraversato la cella elettrolitica.

Si può dimostrare che la massa della sostanza che si crea in un elettrodo è data dalla seguente formula:

$ M = frac(M_A)(N_A * z * e) * Q$

dove con Ma si indica la massa di una mole della sostanza liberata, con Na il numero di Avogadro, con e la carica elementare (cioè quella dell’elettrone), con Q la quantità di carica che giunge nell’elettrodo, e con z il numero di valenza, cioè il valore della carica, in modulo, posseduta dallo ione.

La seconda legge di Faraday riguarda la quantità di massa che viene prodotta nelle soluzioni elettrolitiche nel caso in cui più soluzioni elettrolitiche vengano messe a confronto.

Per soluzioni diverse, infatti, la stessa quantità di carica che passa negli elettrodi produce masse diverse di sostanze, che dipendono dalle proprietà degli elementi che si trovano in soluzione.

La seconda legge, quindi, afferma che nel caso di sostanze diverse, la stessa quantità di carica, produce agli elettrodi masse di sostanze direttamente proporzionali ai rispettivi equivalenti chimici.

Per equivalente chimico si intende il rapporto tra il peso atomico o molecolare della sostanza e il numero di valenza della sostanza stessa.

La seconda legge di Faraday può essere messa in luce anche dalla formula della prima legge, scritta nella forma seguente:

$M = frac(Q)(N_A * e) * frac(M_A)(z)$

dove il secondo fattore, cioè il rapporto Ma/z indica appunto l’equivalente chimico.

Esercizio

Consideriamo una celle elettrolitica in cui la soluzione disciolta in acqua è il solfato di rame (CuSO4); la carica che passa per gli elettrodi è pari a 500 C; determinare la quantità di rame che si deposita su uno dei due elettrodi.

Per risolvere il problema, dobbiamo conoscere come avviene la dissociazione elettrolitica del sale; in questo caso, si formano degli ioni di rame positivi ($Cu^(++))$ e degli ioni solfato negativi ($SO_4^(—))$. Di conseguenza, la valenza del rame è z=2, pari al doppio della carica dell’elettrone, in modulo.

Dalla tavola periodica, possiamo risalire alla massa molecolare della sostanza, a partire dai pesi atomici dei singoli elementi: una mole di rame ha massa 63,55 g/mol.

Il valore della massa molecolare è, quindi:

$M_A = 63,55 g/(mol) $

Per applicare la formula della prima legge di Faraday, ricordiamo che il numero di Avogadro vale $N_a=6,022 * 10^23 mol^(-1) $ ; la carica elementare, cioè quella dell’elettrone, vale $e=1,60 * 10^(-19) C $.

Possiamo procedere, quindi, applicando la formula e determinando la quantità di massa richiesta:

$M = frac(Q)(N_A * e) * frac(M_A)(z)$

$M = frac(500 )(6,022 * 10^23 * 1,60 * 10^(-19)) * frac(63,55)(2) = 1648 * 10^(-4) g = 0,165 g $

Il processo elettrolitico, quindi, porta alla formazione di 0,165g di rame depositato su uno dei due elettrodi.