探索法拉第定律：电量与产物量之间的比例关系

1.定律内容

法拉第归纳了多次试验的结果，于1833年总结出了一条基本规律，称为法拉第定律：电解质溶液通电之后，在电极上发生化学变化的物质的物质的量与通入的电量成正比；若将几个电解池串联，通入一定的电量后，在各个电解池的电极上发生反应的物质的物质的量等同，析出物质的质量与其摩尔质量成正比。

1mol质子的电荷（即1mol电子所带电量的绝对值）称为法拉第常数，用F表示，其值为

式中 L——阿伏伽德罗常数；

e——质子的电荷。

工程中，F可取26.8A·h或1608A·min。

如欲从含有M^z＋的溶液中沉积1mol金属M，即

则需要通过1mol×z_＋个电子，z_＋是出现在电极反应式中的电子计量系数。因此，当通过的电量为Q时，沉积出的该金属的物质的量（n）为

或一般写作

所沉积的金属的质量为

式中 M——析出物的摩尔质量，其值随所取的基本单元而定；

Q——总电量（即电流I与通电时间t的乘积）。

式（1-60）和式（1-61）是法拉第定律的数学表达式，它概括了上述法拉第定律的两条文字表述。式（1-61）表示在电极上析出（或溶解）的物质的质量m与通过电解质溶液的总电量Q成正比，即

其中比例系数K的值与所析出（或溶解）的物质有关，称为该物质的电化学当量（简称电化当量）。电化当量等于通过1C电量时析出（或溶解）物质的质量。电化当量的倒数

称为理论耗电量，即生成单位质量物质所需的电量。

【例】 将0.025A（C·s^-1）的电流通过硝酸金[Au（NO₃）3]溶液，当阴极上有1.20 g Au（s）析出时，试计算：（1）通过了多少电量？（2）需通电多长时间？（3）阳极上将放出多少氧气（换算成标准状态，用体积表示）？已知Au（s）的摩尔质量为197.0g·mol^-1。

解：电极反应写为(www.xing528.com)

阴极 Au^3＋＋3e^-→Au（s）

阳极

出现在电极反应式中的电子计量系数z＝3，所取的粒子基本单元为Au和。

（1）通入的电量为

（2）通电时间为

（3）两极上通过的电量Q相同，所以阳极上放出氧气的物质的量为

在标准状态时，O₂的体积为

法拉第定律在任何温度和压力下均适用，没有使用的限制条件。而且试验越精确，所得结果与法拉第定律吻合越好，此类定律在科学上并不多见。

2.电流效率

在实际电解时，电极上常发生副反应或次级反应。例如镀锌时，在阴极上除了进行锌离子的还原反应以外，同时还可能发生氢离子还原的副反应。又例如电解食盐溶液时，在阳极上所生成的氯气，有一部分溶解在溶液中发生次级反应而生成次氯酸盐和氯酸盐。因此要析出一定数量的某一物质时，实际上所消耗的电量要比按照法拉第定律计算的理论电量多。此两者之比称为电流效率，通常用百分数来表示。当析出一定数量的某物质时，电流效率为

或者当通过一定电量后，其为

【例】 需在10cm×10cm的薄铜片两面镀上0.005cm厚的Ni层[镀液用Ni（NO₃）2]，假定镀层能均匀分布，用2.0A的电流得到上述厚度的Ni层时需通电多长时间？[设镀层密度为8.9g·cm^-3，Ni（s）的摩尔质量为58.69g·mol^-1，电流效率为96%。]

解：电镀层中含Ni的物质的量为

电极反应为

Ni^2＋＋2e^-→Ni（s）

则