Constante de Faraday
La constante de Faraday es la cantidad de carga eléctrica que hay en un mol de electrones. Surge de la multiplicación de número de Avogadro por la carga eléctrica del electrón:
F=6,022×1023 moléculas-1 x 1.602×10−19 culombios= 96484,5561 C/mol
Esta constante fue calculada en base a la cantidad de plata sólida depositada en una reacción electroquímica, en la cual se utilizó una determinada cantidad de corriente eléctrica en un cierto tiempo. El valor de esta constante también fue utilizado para calcular el número de moléculas en un mol, es decir el número de Avogadro.
La constante de Faraday lleva el nombre del físico y químico británico Michael Faraday, quien realizó importantes contribuciones en los campos de la electroquímica y el electromagnetismo. Su trabajo en estos campos sentó las bases para la comprensión moderna de los fenómenos eléctricos y magnéticos, y su constante es un componente fundamental en la descripción cuantitativa de estos procesos.
Para realizar cálculos usando esta constante, tenemos que tener en cuenta las siguientes premisas:
– La cantidad de sustancia producida por electrólisis es proporcional a la cantidad de electricidad usada. Para una cantidad dada de electricidad, la cantidad de sustancia producida es proporcional a su peso.
– La cantidad de corriente o cargas que pasa en un determinado tiempo se puede calcular con la siguiente fórmula:
Q = I x t
Donde Q es la cantidad de cargas en culombios, I es la intensidad de la corriente en amperes y t el tiempo que transcurre, en segundos.
Además de su uso en la electroquímica, la constante de Faraday también tiene aplicaciones en otras áreas de la física y la química. Por ejemplo, se utiliza en la física de partículas para calcular la carga de partículas subatómicas, y en la química cuántica para determinar la energía de los electrones en los átomos.
Teniendo en cuenta el valor de la constante de Faraday, se puede calcular la cantidad de electricidad requerida para depositar una determinada cantidad de metal, según la siguiente fórmula:
Q = n(e) x F
Donde Q es la cantidad de cargas en culombios, n (e) es la cantidad de moles de electrones y F la contante de Faraday.
Es importante mencionar que la constante de Faraday es una constante fundamental en la física y la química, y su valor es independiente del material o del proceso químico considerado. Esto significa que la constante de Faraday es la misma para todas las sustancias y todos los procesos electroquímicos.
Pongamos por ejemplo el siguiente ejercicio: ¿qué tiempo se necesita para depositar 56 gramos de plata sólida a partir de una solución de nitrato de plata y una corriente de 4.5 ampere?
En la tabla periódica podemos observar que el peso atómico de la plata es de 107,9 gramos por mol. Entonces 56 gramos de plata son 0,519 moles. Para producir tal cantidad de moles de plata, se necesita igual número de moles de electrones, de manera que:
Q= 0,519 x 96500 (constante de Faraday)=50083 culombios
El tiempo necesario para depositar 0,519 moles de plata será entonces:
t=Q/I
t= 50083/4,5 ampere=11129 segundos
En horas: 11129/3600= 3,09 horas.
En este tipo de ejercicio, también podemos incluir la energía eléctrica requerida para depositar una determinada cantidad de sustancia, teniendo en cuenta la siguiente fórmula:
E=Q.V
Donde E es la energía eléctrica en Joules, Q es la cantidad de cargas en culombios y V es el voltaje.
1 kWH = 3.6 x 106 J
Por ejemplo: Sabiendo que con un voltaje de 4,5 V se quiere producir un kilo de sodio metálico mediante electrólisis, calcular la energía eléctrica necesaria para el procedimiento, expresada en kilowatt/hora.
Si miramos la tabla periódica, veremos que el peso atómico del sodio es 22,99 gramos por mol, por lo tanto un kilogramo de sodio son 43,5 moles.
Según Q = n(e) x F
Tenemos que las cargas eléctricas necesarias son:
Q= 43,5 x 96500=4197750 culombios.
Sabiendo que E=Q.V
E= 4197750 C x 4,5 V=18889875 J
Expresado en kilowatios/hora: 5,25 kwatt/hora.
En la industria, la constante de Faraday se utiliza en procesos de electroplating y electrorefining. Estos procesos son fundamentales en la producción de metales puros y en la fabricación de dispositivos electrónicos, entre otras aplicaciones. La constante de Faraday también es esencial en la operación de las baterías, que son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química en energía eléctrica.