ファラデーの電気分解の法則
ファラデーの電気分解の法則は電気化学の分野において基本的なものであり、電気分解の研究および応用のための定量的な基礎を提供します。これらの法則は19世紀の著名な科学者マイケル・ファラデーによって開発されました。ファラデーの業績は、現代の電気化学および電気分解に関与する産業応用の基礎を築きました。
電気分解の紹介
電気分解は、電気エネルギーを使用して自発的でない化学反応を促進する化学プロセスです。このプロセスは、金属の抽出および精製、電気めっき、化学化合物の製造などの産業で一般的に使用されます。
電気分解中、電流が電解質を通過し、それを分解します。電解質は通常、融解形態または水に溶解したイオン性化合物であり、イオンが自由に移動できるようにします。電気分解には2種類の電極が関与します：陽極（正電極）と陰極（負電極）。
ファラデーの第1法則
電気分解の第1法則は、電気分解中に電極に生成される物質の質量が、電解質を通過する電気の量に直接比例することを示しています。数学的には、これは以下のように表されます：
m = Z * Qここで:
m – 物質の質量（グラム単位）
Z - 電気化学的当量（クーロン当たりのグラム単位）
Q - 材料を通過する総電荷（クーロン単位）
電気化学的当量（Z）は各物質に固有であり、以下の式で計算されます：
Z = M / (n * F)ここで:
M - 物質のモル質量（モル当たりのグラム単位）
n - 電子の交換モル数
F - ファラデー定数（約96485クーロン/モル）
銅電極を含む硫酸銅溶液の電解槽を想像してください。これに電気を通すと、銅金属が陰極に堆積します。
例と計算
2アンペアの電流を1時間使用して銅を堆積することを考えてみましょう：
電流 (I) = 2 A
時間 (t) = 1時間 = 3600秒
Q = I * T = 2A * 3600 s = 7200 C
銅（Cu）のモル質量 = 63.5 g/mol
n （銅の場合）= 2
電気化学的当量、Z = M / (n * F)
= 63.5 g/mol / (2 * 96485 C/mol)
= 0.000329 g/c
堆積質量、m = Z * Q
= 0.000329 g/C * 7200 C
= 2.37グラム
したがって、2.37 gの銅が陰極に堆積します。
ファラデーの第2法則
電気分解の第2法則は、同じ量の電気がそれらを通過したときに異なる物質が解放される質量がそれぞれの当量重量に比例することを示しています。当量重量は、モル質量を原子価（イオンの結合能力）で割って計算されます。
m1/m2 = E1/E2ここで:
m1, m2 は生成される物質の質量です
E1, E2 は当量重量です
同じ電荷を使用して銅と銀イオンを堆積するセットアップを考えてみましょう。各金属が堆積する質量を計算してみましょう。
銅と銀の例
次のことを考慮します:
- 銅（Cu）のモル質量 = 63.5 g/mol、原子価 = 2
- 銀（Ag）のモル質量 = 107.9 g/mol、原子価 = 1
965モルの電子によって堆積される質量（Cuのm1、Agのm2）を計算します。
E1 （Cu）= 63.5 g/mol / 2 = 31.75 g/equiv
E2 （Ag）= 107.9 g/mol / 1 = 107.9 g/equivalent
ファラデーの第2法則を使用：
m1/m2 = e1/e2
m1/m2 = 31.75 g/equivalent / 107.9 g/equivalent
m1/m2 ≈ 0.294
もし31.75 gの銅が堆積されるなら、
同じ電荷により107.9グラムの銀を堆積させることができます。
これは、同じ電荷にさらされると、異なる当量重量を持つ物質が異なる質量を生成する方法を示しています。
ファラデーの法則の応用
ファラデーの法則は、多くの電気的および工業的プロセスの設計と最適化において重要です。例えば：
- 電気めっき：腐食から保護または美的目的で表面に金属の薄層を堆積するための電気分解を使用します。
- 電解精錬：電気分解を制御して不純物を取り除き金属を精製します。
- 電冶金学：電解セルを使用して鉱石から金属を抽出します。これは冶金産業にとって重要です。
結論
ファラデーの電気分解の法則は、電荷と化学物質がどのように相互作用して変化をもたらすかを理解するための数学的および概念的なフレームワークを提供します。これらの原則は、学術的な文脈に限らず、多くの産業における実践的な応用においても基本的なものです。
電気的な電荷、質量、および物質の特性の関係を理解することにより、科学者やエンジニアは電解プロセスの結果を高精度で予測することができます。
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