أوجد العالم مايكل فاراداي عام 1834 قانونين فيزيائيين بغرض خدمة التحليل الكهربائي ، معتمداً بذلك على الأبحاث والتجارب الكهروكيميائية الخاصة بطرق إنتاج الكهرباء ، ووفق التغيرات الكيميائية التي تحدثها العمليات الكهربائية .
نبذة تاريخية عن ظاهرة الحث الكهربي
تم اكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي بشكل منفصل على يد مايكل فاراداي بعام 1813 يليه في ذلك العالم جوزيف هنري في عام 1832.
كان فاراداي هو أول عالم نشر نتائج أبحاثه، و في أولى تجاربه للحث الكهرومغناطيسي في تاريخ (29 أغسطس 1831)قام فاراداي بعملية لف سلكين حول جانبين مختلفين بحلقة حديدية وبناء على التقييم الخاص بخواص المغناطيسات الكهربية .
توقع فاراداي عندما يبدأ التيار بالسريان بأحد السلكين فإن نوعاً ما من الموجات الفيزيائية سينتقل بالحلقة مسبباً تأثيراً كهربياً بالناحية المقابلة فقام بتوصيل أحد طرفي السلكين بجهاز جلفانوميتر وقام بمراقبته بينما قام بتوصيل السلك الآخر ببطارية ، بالفعل رأى تياراً مؤقتاً (والذي أطلق عليه مصطلح “موجة كهربية”) وعندما تم توصيل السلك بالبطارية تم ملاحظ تياراً آخر متكون في حالة فصل السلك عن البطارية.
هدف قانون فارادي
يهدف قانون فاراداي لتوضيح العلاقة بين كتلة المادة ومقدار الكهرباء التي قد تولدها تلك المادة.
نص قوانين فارادايالقانون الأول في التحليل الكهربائي
” تتناسب كتلة المادة المستهلكة (المتفاعلة) أو الناتجة في قطبٍ كهربائي أثناء التحليل الكهربائي، تناسباً طردياً مع كمية الكهرباء المارة في خلية التحليل”
يتم قياس كمية الكهرباء (Q) بوحدة تسمى الكولوم، وھي تعبر عن عدد الأمبيرات (شدة التيار) المارة بوحدة الزمن.
القانون الثاني في التحليل الكهربائي
“تتناسب كتل المواد الناتجة أو المستهلكة، خلال التحليل الكهربائي، تناسباً طردياً مع كتلتها أو وزنها المكافئ عند مرور نفس كمية الكهرباء في المحلول”.
الصيغة الرياضية لقواني فارادايقانون فاراداي الأول رياضياً
(m= (Q/F)(M/Z
حيث: m تمثل الكتلة الخاصة بالمادة المتفاعلة عند أقطبها.
Q تمثل كمية الشحنة الكهربائية التي تعبر خلال المادة، بحيث تكون كمية الكهرباء= شدة التيار (بوحدة تسمى الأمبير× الزمن (بوحدة الثانية) مع العلم أن F هو ثابت فاراداي وقيمته تساوي 96500 C ،mol-1 M هي رمز يعبر عن الكتلة المولية للمادة. Z هي معدل نقل الإلكترونات بالنسبة إلى عدد الأيونات
والجدير بالذكر أن قيمة (M/Z)، تمثل الوزن المكافئ للمادة وهي تساوي (الكتلة المولية للعنصر (بوحدة الجرام)/ الشحنة الخاصة بالأيون).
قانون فاراداي الثاني رياضياً
(m1/m2)= (Ew1/Ew2)
حيث: Ew1 تمثل الوزن المكافئ للعنصر الأول.
Ew2 تمثل الوزن المكافئ للعنصر الثاني.
مسائل على قانون التحليل الكهربائي
مثال (1)
مرر تيار ذو شدة بمقدار (1.5 أمبير) بمحلول كلوريد النحاس الثنائي لمدة تصل إلى ساعة، فإذا كان وزن النحاس ال1ي تم ترسيبه (1.778 جراماً)، أحسب الوزن المكافئ للنحاس؟
الحل: من خلال تطبيق قانون فاراداي الأول (m= (Q/F)(M/Z، ووفق استخدام عملية الضرب التبادلي فإن الوزن المكافئ للمادة= 31.77 g/eq.
مثال (2)
مرر تيار كهربائي ذو شدة (10.4 أمبير)، لمدة تصل إلى23 دقيقةً ، بمصهور يوديد البوتاسيوم قم بحساب كتلة المواد التي قد تتجمع لدى القطبين، مع العلم أنّ الكتلة الذرية لليود (127 جرام/مول)، ولعنصر البوتاسيوم (39.1 جرام/مول).
الحل: من خلال قانون فاراداي الأول نحسب كتلة كل من عنصري اليود والبوتاسيوم المترسبين عند الأقطاب كالآتي: الكتلة المولية لليود تساوي ((2× 127)× (10.4)× (23× 60))/ (2× 96500)= 18.89جراماً.
الكتلة المولية للبوتاسيوم تساوي (39.1× 10.4× 23× 60)/ (1× 96500)= 5.8 جرام.
مثال (3)
احسب الزمن الكافي لترسيب (2.16 جرام) من عنصر الفضة عند مرور تيارٍ كهربائيّ بمحلول نترات الفضة ذو شدة (32 أمبير)، علماً بأنّ الكتلة الذرية للفضة تساوي (108 جرام/مول)؟
الحل: كتلة الفضة المتفاعلة تساوي (M × التيار× الزمن)/ (z× F)
إذاً الزمن اللازم يساوي (كتلة المادة المتفاعلة× z× F)/ (التيار×الكتلة المولية) وتلك القيمة تساوي رقمياً (2.16 × 1× 96500)/ (102× 32)= 60.31 ثانية.
نبذة تاريخية عن ظاهرة الحث الكهربي
تم اكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي بشكل منفصل على يد مايكل فاراداي بعام 1813 يليه في ذلك العالم جوزيف هنري في عام 1832.
كان فاراداي هو أول عالم نشر نتائج أبحاثه، و في أولى تجاربه للحث الكهرومغناطيسي في تاريخ (29 أغسطس 1831)قام فاراداي بعملية لف سلكين حول جانبين مختلفين بحلقة حديدية وبناء على التقييم الخاص بخواص المغناطيسات الكهربية .
توقع فاراداي عندما يبدأ التيار بالسريان بأحد السلكين فإن نوعاً ما من الموجات الفيزيائية سينتقل بالحلقة مسبباً تأثيراً كهربياً بالناحية المقابلة فقام بتوصيل أحد طرفي السلكين بجهاز جلفانوميتر وقام بمراقبته بينما قام بتوصيل السلك الآخر ببطارية ، بالفعل رأى تياراً مؤقتاً (والذي أطلق عليه مصطلح “موجة كهربية”) وعندما تم توصيل السلك بالبطارية تم ملاحظ تياراً آخر متكون في حالة فصل السلك عن البطارية.
هدف قانون فارادي
يهدف قانون فاراداي لتوضيح العلاقة بين كتلة المادة ومقدار الكهرباء التي قد تولدها تلك المادة.
نص قوانين فارادايالقانون الأول في التحليل الكهربائي
” تتناسب كتلة المادة المستهلكة (المتفاعلة) أو الناتجة في قطبٍ كهربائي أثناء التحليل الكهربائي، تناسباً طردياً مع كمية الكهرباء المارة في خلية التحليل”
يتم قياس كمية الكهرباء (Q) بوحدة تسمى الكولوم، وھي تعبر عن عدد الأمبيرات (شدة التيار) المارة بوحدة الزمن.
القانون الثاني في التحليل الكهربائي
“تتناسب كتل المواد الناتجة أو المستهلكة، خلال التحليل الكهربائي، تناسباً طردياً مع كتلتها أو وزنها المكافئ عند مرور نفس كمية الكهرباء في المحلول”.
الصيغة الرياضية لقواني فارادايقانون فاراداي الأول رياضياً
(m= (Q/F)(M/Z
حيث: m تمثل الكتلة الخاصة بالمادة المتفاعلة عند أقطبها.
Q تمثل كمية الشحنة الكهربائية التي تعبر خلال المادة، بحيث تكون كمية الكهرباء= شدة التيار (بوحدة تسمى الأمبير× الزمن (بوحدة الثانية) مع العلم أن F هو ثابت فاراداي وقيمته تساوي 96500 C ،mol-1 M هي رمز يعبر عن الكتلة المولية للمادة. Z هي معدل نقل الإلكترونات بالنسبة إلى عدد الأيونات
والجدير بالذكر أن قيمة (M/Z)، تمثل الوزن المكافئ للمادة وهي تساوي (الكتلة المولية للعنصر (بوحدة الجرام)/ الشحنة الخاصة بالأيون).
قانون فاراداي الثاني رياضياً
(m1/m2)= (Ew1/Ew2)
حيث: Ew1 تمثل الوزن المكافئ للعنصر الأول.
Ew2 تمثل الوزن المكافئ للعنصر الثاني.
مسائل على قانون التحليل الكهربائي
مثال (1)
مرر تيار ذو شدة بمقدار (1.5 أمبير) بمحلول كلوريد النحاس الثنائي لمدة تصل إلى ساعة، فإذا كان وزن النحاس ال1ي تم ترسيبه (1.778 جراماً)، أحسب الوزن المكافئ للنحاس؟
الحل: من خلال تطبيق قانون فاراداي الأول (m= (Q/F)(M/Z، ووفق استخدام عملية الضرب التبادلي فإن الوزن المكافئ للمادة= 31.77 g/eq.
مثال (2)
مرر تيار كهربائي ذو شدة (10.4 أمبير)، لمدة تصل إلى23 دقيقةً ، بمصهور يوديد البوتاسيوم قم بحساب كتلة المواد التي قد تتجمع لدى القطبين، مع العلم أنّ الكتلة الذرية لليود (127 جرام/مول)، ولعنصر البوتاسيوم (39.1 جرام/مول).
الحل: من خلال قانون فاراداي الأول نحسب كتلة كل من عنصري اليود والبوتاسيوم المترسبين عند الأقطاب كالآتي: الكتلة المولية لليود تساوي ((2× 127)× (10.4)× (23× 60))/ (2× 96500)= 18.89جراماً.
الكتلة المولية للبوتاسيوم تساوي (39.1× 10.4× 23× 60)/ (1× 96500)= 5.8 جرام.
مثال (3)
احسب الزمن الكافي لترسيب (2.16 جرام) من عنصر الفضة عند مرور تيارٍ كهربائيّ بمحلول نترات الفضة ذو شدة (32 أمبير)، علماً بأنّ الكتلة الذرية للفضة تساوي (108 جرام/مول)؟
الحل: كتلة الفضة المتفاعلة تساوي (M × التيار× الزمن)/ (z× F)
إذاً الزمن اللازم يساوي (كتلة المادة المتفاعلة× z× F)/ (التيار×الكتلة المولية) وتلك القيمة تساوي رقمياً (2.16 × 1× 96500)/ (102× 32)= 60.31 ثانية.
