패러데이의 전기분해 법칙

패러데이의 전기분해 법칙으로 알려진 전기분해의 두 가지 기본 법칙으로 구성됩니다. 전기 분해는 전류가 비 자발적 반응을 유도하는 전기 화학적 과정입니다. 패러데이의 제1법칙과 제2법칙은 기본적으로 전기분해 과정을 수학적으로 설명하는 두 개의 방법니다.

 

 

 

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1. 전기분해란?

전류가 전해질 용액을 통과하고 이 용액에서 화학 반응이 일어나는 전기화학 공정을 전기분해라고 합니다.

전기분해를 수행하기 위한 배열이 다음 그림에 나와 있습니다.

 

 

 

구리 전압계이며 양극이라고 하는 양극, 음극이라고 하는 음극, 황산구리(CuSO4)의 수용액으로 구성됩니다.

CuSO4가 물에 용해되면 구성 요소, 즉 구리 이온(Cu)과 황산염 이온(SO4)으로 분해되며, 여기서 구리 이온은 양전하를 띠고 황산염 이온은 음전하를 띠게 됩니다.

 

직류가 전극을 통해 흐르면 음전하를 띤 황산염 이온은 양극 쪽으로 이동하고 양전하를 띤 구리 이온은 음극 쪽으로 이동합니다. 따라서 전류의 흐름과 함께 화학 반응이 발생합니다.

이것이 전기 분해 과정이 일어나는 방식입니다. 또한 전기 분해는 직류 또는 DC 전압이 전극에 적용되는 경우에만 발생한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

 

전기 분해는 물 전기 분해, 전기 도금, 전기 정제 등과 같은 여러 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

 

 

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2. 패러데이의 전기분해 제1법칙

패러데이의 전기분해 제1법칙에 따르면 전해질을 통한 전류의 흐름으로 인한 물질의 증착 또는 방출의 질량은 전해질을 통과하는 전하의 양에 정비례합니다.

 

 

여기서 Z는 물질의 전기화학적 등가물이라고 하는 비례 상수입니다.

 

 

여기서 I는 현재이고 t는 시간입니다.

 

그러므로

 

전기화학적 등가물(Z) 값은 원소에 대해 동일하고 다른 원소에 대해 다릅니다.

 

전기화학적 등가물의 정의:

전하 Q가 1쿨롱과 같으면 m = Z입니다.

따라서 전기화학적 등가물은 1쿨롱의 전하가 전해질을 통과할 때 전극에 증착된 물질의 질량으로 정의할 수 있습니다.

원소 또는 물질의 전기화학적 등가물은 gm/C 또는 kg/C로 측정됩니다.

 

 

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3. 패러데이의 전기분해 제2법칙

이 법칙은 증착된 원소의 질량과 원소의 화학적 등가 중량 사이의 정량적 관계를 지정합니다.

이 법칙에 따르면, 전기분해 과정에서 증착된 원소 또는 물질의 질량은 해당 원소 또는 물질의 화학적 등가 중량에 비례합니다.

 

 

여기서 E는 원소 또는 물질의 화학적 등가 중량입니다.

 

전기분해의 두 번째 법칙을 이해하기 위해 예시를 들어보겠습니다. 

 

 

 

두 개의 전압계를 고려해 보면 하나는 은색 전압계이고 다른 하나는 구리 전압계입니다. 이 두 전압계는 도체의 도움으로 직렬로 연결되어 동일한 전류가 흐릅니다.

 

같은 시간 동안 이 두 전압계를 통해 전류가 흐르면 각 음극에 증착된 은과 구리가 108:32의 비율이 된다는 것을 알 수 있습니다. 여기서 108과 32는 각각 은과 구리의 화학적 등가 중량입니다.

 

화학적 등가 중량:

원소의 경우, 화학적 등가물은 원소의 원자량과 원자가의 비율로 정의됩니다.

 

 

 

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E와 Z의 관계

원소의 전기화학적 등가물(Z)과 화학적 등가량(E) 사이의 관계를 결정할 수 있습니다.

이를 위해 음극에 증착되는 두 가지 물질을 고려해 보겠습니다. 이 두 물질의 질량은 m1과 m2이며 ECE는 Z1과 Z2입니다.

 

그런 다음 전기 분해의 첫 번째 법칙에 따라 다음을 얻습니다.

 

 

그러므로

 

 

그러나 전기 분해의 두 번째 법칙은 다음과 같습니다.

 

 

 

위의 두 방정식을 비교하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

 

 

따라서 E와 Z의 비율은 모든 물질에 대해 동일하게 유지됩니다. 이 상수는 패러데이 상수(Faraday Constant)로 알려져 있으며 F로 표시됩니다.

 

 

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4. 전기분해의 기본 방정식

전기분해의 두 가지 법칙을 사용하여 기본 전기분해 방정식을 추론하는 방법에 대해 알아보겠습니다. 

Q 쿨롱의 전하가 전해질을 통과하고 질량 m이 음극에 증착된다고 가정해 보겠습니다. 

 

 

 

 

그러므로

 

이 표현을 전기분해의 기본 방정식이라고 합니다. 이 방정식은 패러데이의 두 법칙을 결합합니다.

 

결론적으로, 마이클 패러데이가 1834년에 제시한 전기분해의 두 가지 기본 법칙을 설명합니다. 이 두 가지 전기 분해 법칙은 전기 분해 과정에서 물질의 질량과 원소의 전기 화학적 등가 및 화학적 등가 중량 사이의 수학적 관계를 제공합니다. 전기 분해의 첫 번째 법칙은 원소의 증착 질량과 전해질을 통과하는 전하 사이의 관계를 제공합니다. 대조적으로, 전기 분해의 두 번째 법칙은 원소의 증착 질량과 해당 원소의 화학적 등가 중량 사이의 관계를 제공합니다.