Was die Faradayschen Gesetze aussagen
Michael Faraday zeigte 1833/34, dass die an einer Elektrode umgesetzte Stoffmenge streng proportional zur geflossenen Ladung ist. Eine bestimmte Ladungsmenge scheidet also immer dieselbe Zahl von Atomen ab, unabhängig davon, wie groß die Elektrode ist oder welche Spannung anliegt. Dieses erste Gesetz bildet die Grundlage jeder quantitativen Elektrochemie.
Das zweite Gesetz verknüpft die Ladung mit der Chemie des Stoffs: Für ein Mol eines einwertigen Ions wird genau ein Mol Elektronen benötigt, also eine Faraday-Konstante von 96.485 Coulomb. Zweiwertige Ionen wie Cu²⁺ brauchen die doppelte Ladung pro Mol. Daraus folgt, dass bei gleicher Ladung von verschiedenen Metallen Massen im Verhältnis ihrer Äquivalentmassen M ÷ z entstehen.
Der Rechner setzt beide Gesetze zusammen. Er multipliziert Stromstärke und Zeit zur Ladung, teilt durch z · F und erhält die Stoffmenge, die mit der molaren Masse zur Masse wird. Über die Stromausbeute lässt sich berücksichtigen, dass ein Teil des Stroms in Nebenreaktionen fließt. Zusätzlich zeigt er das Gasvolumen für den Fall, dass ein Gas wie Wasserstoff oder Sauerstoff entsteht.
Praxis: Galvanik, Schichtdicke und Gasentwicklung
In der Galvanotechnik wird mit dem Ergebnis die Schichtdicke abgeschätzt: Masse geteilt durch Dichte ergibt das Volumen, geteilt durch die beschichtete Fläche die mittlere Dicke. 2,371 g Kupfer mit 8,96 g/cm³ ergeben 0,265 cm³; auf 100 cm² verteilt sind das rund 26 Mikrometer. An Kanten und Spitzen wächst die Schicht wegen der höheren Stromdichte allerdings stärker als in Vertiefungen.
Die Stromausbeute ist der wichtigste Unsicherheitsfaktor. Bei sauren Kupferbädern liegt sie nahe 100 Prozent, bei Chrom- oder Nickelbädern deutlich darunter, weil zugleich Wasserstoff entsteht. Wer die tatsächlich abgeschiedene Masse wiegt und mit dem Rechenwert vergleicht, kann die Ausbeute des eigenen Bads bestimmen und für die nächsten Ansätze einsetzen.
Bei der Wasserelektrolyse entstehen an der Kathode Wasserstoff (z = 2 je H₂) und an der Anode Sauerstoff (z = 4 je O₂). Tragen Sie für Wasserstoff die molare Masse 2,016 g/mol ein, dann zeigt das Gasvolumen die Menge bei 0 °C und 1013,25 hPa. Für Raumtemperatur ist das Volumen um etwa 7 bis 9 Prozent größer; den genauen Wert liefert der Rechner für ideale Gase.
Für Schul- und Praktikumsversuche gilt: Elektrolysegase sind brennbar oder brandfördernd, Knallgas entsteht bereits in kleinen Mengen. Arbeiten Sie nur mit Schutzbrille, in gut belüfteten Räumen und mit Netzgeräten, die eine Strombegrenzung haben. Die Werte des Rechners sind Idealwerte nach den Faradayschen Gesetzen; Messungen weichen durch Verluste, Temperatur und Badzusammensetzung ab.
Tipps und typische Fehler
Elektrolyse richtig ansetzen.
- Zeit: In Sekunden rechnen.
- Ladungszahl: Aus der Halbreaktion.
- Ausbeute: Durch Wiegen prüfen.
- Gase: Gut lüften.
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Häufige Fragen
Wie berechne ich die abgeschiedene Masse bei der Elektrolyse?
Masse = Stromstärke × Zeit in Sekunden × molare Masse ÷ (Ladungszahl × 96.485 C/mol).
Was ist die Ladungszahl z?
Die Zahl der Elektronen, die je abgeschiedenem Teilchen übertragen werden, etwa 2 bei Cu²⁺ zu Cu.
Warum wird weniger abgeschieden als berechnet?
Ein Teil des Stroms fließt in Nebenreaktionen; das erfasst die Stromausbeute.
Wie lange dauert es, 1 g Kupfer abzuscheiden?
Bei 1 A etwa 50,6 Minuten, bei 100 % Stromausbeute.
Wie groß ist die Faraday-Konstante?
96.485,33212 Coulomb pro Mol Elektronen.
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