Открыть сервисСервис

Постоянная Фарадея в физике и химии

Постоянная Фарадея — фундаментальная физическая константа, равная произведению числа Авогадро на элементарный электрический заряд. Обозначается символом \(F\), численно равна приблизительно 96 485,33212 Кл/моль. Константа связывает количество электричества, прошедшего через электролит, с количеством вещества, претерпевшего электрохимическое превращение, и лежит в основе количественных расчётов электролиза. Названа в честь английского физика и химика Майкла Фарадея (1791–1867), установившего законы электролиза.

Определение и физический смысл

Постоянная Фарадея определяется как заряд одного моля одновалентных ионов, то есть заряд, который несёт один моль элементарных зарядов:

\[ F = N_A \cdot e \]

где \(N_A\) — постоянная Авогадро (≈ 6,022·10²³ моль⁻¹), \(e\) — элементарный заряд (≈ 1,602·10⁻¹⁹ Кл). Произведение даёт значение около 96 485 Кл на моль.

Физический смысл константы состоит в том, что она переводит «микроскопический» язык отдельных ионов и электронов в «макроскопические» величины — моли вещества и кулоны заряда. Именно поэтому постоянная Фарадея является мостом между атомно-молекулярной теорией и практической электрохимией.

Связь с законами электролиза

Второй закон электролиза Фарадея утверждает, что массы веществ, выделившихся на электродах при одинаковом количестве электричества, пропорциональны их химическим эквивалентам. В современной формулировке объединённый закон электролиза записывается так:

\[ m = \frac{M \cdot I \cdot t}{n \cdot F} \]

где \(m\) — масса выделившегося вещества, \(M\) — молярная масса, \(I\) — сила тока, \(t\) — время, \(n\) — число электронов в электродной реакции, \(F\) — постоянная Фарадея. Таким образом, константа входит в любое уравнение, описывающее гальваническое осаждение, электролиз и работу химических источников тока.

Числовое значение и точность

Современное рекомендованное значение постоянной Фарадея:

ВеличинаЗначение
\(F\)96 485,33212 Кл/моль
Относительная погрешностьменее 10⁻⁹
Связь с \(N_A\) и \(e\)\(F = N_A \cdot e\)

До реформы Международной системы единиц (СИ) 2019 года постоянная Фарадея считалась измеряемой величиной, а элементарный заряд — фиксированным. После переопределения СИ через фиксированные значения постоянной Планка, элементарного заряда и постоянной Больцмана постоянная Фарадея стала производной величиной, вычисляемой через точно заданные \(e\) и \(N_A\). Это повысило её точность и устранило расхождения между электрохимическими и атомными эталонами.

Применение

Постоянная Фарадея используется в нескольких областях:

История измерения

Майкл Фарадей сформулировал законы электролиза в 1833–1834 годах, однако числовое значение константы тогда ещё не было известно. В конце XIX — начале XX века проводились многочисленные опыты по электрохимическому определению эквивалента серебра: осаждение серебра из раствора азотнокислого серебра давало наиболее воспроизводимые результаты. До 2019 года именно электрохимическое осаждение серебра служило одним из способов определения постоянной Фарадея с высокой точностью.

В России исследования в этой области вели физико-химики конца XIX — начала XX века; значение константы уточнялось в рамках работ по метрологии электрических единиц. В советский период постоянная Фарадея вошла в справочные таблицы физических констант и использовалась в учебных курсах физической химии и электротехники.

Родственные константы

Постоянная Фарадея тесно связана с другими фундаментальными величинами:

  • Число Авогадро \(N_A\) — число структурных единиц в моле вещества.
  • Элементарный заряд \(e\) — минимальный электрический заряд, заряд электрона.
  • Универсальная газовая постоянная \(R\) — через соотношение \(R = F \cdot k/e\), где \(k\) — постоянная Больцмана.
  • Постоянная Больцмана \(k\) — связывает температуру и энергию.

Из комбинации \(F\) и \(R\) получается важное для электрохимии отношение \(RT/F\), входящее в уравнение Нернста и определяющее потенциал электрода при данной температуре и концентрации.

Значение для науки и техники

Постоянная Фарадея относится к числу фундаментальных констант, определяющих количественные связи между электричеством и веществом. Без неё невозможно точное проектирование аккумуляторов, топливных элементов, электролизных установок и коррозионных расчётов. В учебной литературе она традиционно вводится при изучении законов электролиза и служит примером связи микроскопических и макроскопических характеристик материи. Её значение уточняется вместе с развитием метрологии и переопределением единиц СИ.

Источники: справочные таблицы фундаментальных физических постоянных CODATA; учебники по физической химии; работы М. Фарадея по электролизу; материалы по переопределению единиц СИ 2019 года.

Заметили ошибку или не согласны с информацией в статье? Напишите нам support@bfometr.ru