Faradaysche Gesetze

Die nach ihrem Entdecker Michael Faraday benannten Faradayschen Gesetze beschreiben den Zusammenhang zwischen Ladung und Stoffumsatz bei der Elektrolyse. Sie sind daher die Grundgesetze der Elektrolyse.

Historisches und Grundbegriffe der Elektrolyse

Michael Faraday hatte in seiner Jugend als Gehilfe Davys gearbeitet und führte später dessen Arbeiten auf dem Gebiet der Elektrochemie fort. Davy hatte eine Methode zur Freisetzung einiger neuer Metalle entwickelt. Dabei leitete er einen elektrischen Strom durch eine Schmelze aus Verbindungen dieser Metalle. Diese Methode nannte Faraday Elektrolyse (nach einem griechischen Ausdruck für "mittels Elektrizität befreien").

Faraday bezeichnete eine Flüssigkeit oder eine Lösung die elektrische Leitfähigkeit besaß als Elektrolyten. Die Metallstäbe, die in die Flüssigkeit oder Lösung eingetaucht wurden, bezeichnete er als Elektroden (nach dem griechischen Wort für "die Straße der Elektrizität"). Die positiv geladene Elektrode nannte er Anode (hohe Straße), die negativ geladene Elektrode Kathode (niedere Straße).

Faraday verglich den Elektrizitätsfluss mit Wasser, das von oben (bei Eletrizität also von der Anode) nach unten (zur Kathode) fließt. Er folgte damit dem Beispiel Franklins, der einen Elektrizitätsfluss von positiv nach negativ angenommen hatte - ein Irrtum, wie sich später herausstellt, denn tatsächlich fließt Elektrizität in Elektronenleitern wie Metallen von der negativen zur positiven Elektrode.

Im Jahre 1832 stellte Faraday die Grundgesetze der Elektrolyse, heute bekannt als Faradaysche Gesetze, auf:

Die Stoffmenge, die an einer Elektrode während der Elektrolyse abgeschieden wird, ist proportional zur Ladung, die durch den Elektrolyten geschickt wird.
Die durch eine bestimmte Ladung abgeschiedene Masse eines Elements ist proportional zum Atomgewicht des abgeschiedenen Elements und umgekehrt proportional zu seiner Wertigkeit, daher zur Anzahl von Atomen, die sich mit diesem Element verbinden können.

Heutige Formulierung

Es gilt:

Q = n z F

mit Q = Ladung, n = Stoffmenge, z = Ladungszahl und F = Faraday-Konstante. F ist gleich der Ladung, die zur Abscheidung eines Mols eines einwertigen Stoffes benötigt wird, und auch gleich dem Betrag der Ladung eines Mols Elektronen. Daher gilt F = e N_{A mit e = Elementarladung, N_{A = Avogadro-Konstante, siehe Physikalische Konstanten.}}

F = 96 485,34 C/mol

Aus der Definition der Molmasse M erhält man

m = M n

mit m = Masse, M = Molare Masse. Daraus folgt als Zusammenfassung beider Faradayschen Gesetze:

m = M Q / zF     oder    Q = m zF /M

Anwendungen

Ein interessante Anwendung der Faradayschen Gesetze ist der Gebrauch als Stütze der Atomtheorie, also als starker Hinweis, dass es Atome und Ionen gibt: Wie aufgrund des Millikan-Versuchs bekannt ist, ist die elektrische Ladung gequantelt, d.h. es gibt eine kleinste elektrische Ladung, die Elementarladung. Da gemäß den Faradayschen Gesetzen die Stoffmenge proportional zur Ladung ist, folgt sofort, dass bei der Elektrolyse die Stoffe in kleinsten Portionen umgesetzt werden, eben den Atomen oder den Ionen, die eine Ladung tragen, die entweder der Elementarladung oder einem vielfachen davon entspricht.

Weitere historisch wichtige Anwendungen sind die Bestimmung relativer Molmassen M und von Ladungszahlen z. Dazu wurden zum Beispiel zwei hintereinander geschaltete Elektrolysezellen benutzt, wobei etwa in der einen zwei Silberelektroden in eine Silbersalzlösung tauchen. Da die Zellen in Reihe geschaltet sind, fließt durch beide Zellen dieselbe Ladung, und wenn in der einen ein Mol Silber umgesetzt wird, wird in der anderen 1 Mol/z umgesetzt.

Selbstverständlich werden die Faradayschen Gesetze auch in der Galvanik angewandt, wo sie z.B. bei bekannter geometrischer Oberfläche A eines Werkstücks die Abschätzung der Schichtdicke d erlauben. Nach der Definition der Dichte rho gilt rho = m/V = m/dA. Damit erhält man

d = M Q / z A rho F.