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A constante de Faraday , representada pelo símbolo F , é uma das constantes fundamentais da física e da química e representa o valor absoluto ou magnitude da carga elétrica de um mol de elétrons . A constante leva o nome do físico e químico Michael Faraday, que realizou importantes estudos sobre eletromagnetismo e eletroquímica, especialmente sobre o processo de eletrólise. É uma constante frequentemente usada em cálculos físicos e químicos envolvendo um grande número de portadores de carga, como íons ou elétrons.
Equação da constante de Faraday
Por representar o valor da carga de um mol de elétrons, a constante de Faraday pode ser expressa em termos da carga de cada elétron e do número de elétrons em um mol de elétrons. A carga de cada elétron nada mais é do que a carga elementar, e , uma das constantes universais mais importantes da física. Por outro lado, o número de elétrons presentes em um mol de elétrons é dado pelo número de Avogadro, N A , então a constante de Faraday pode ser expressa como:
Valor da constante de Faraday
Como qualquer constante que não seja adimensional, o valor da constante de Faraday depende das unidades em que é expressa. O valor dessa constante atualmente aceito pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) dos Estados Unidos no sistema internacional de unidades (SI) é:
No entanto, é comum usar essa constante em outras unidades para evitar a necessidade de conversões durante os cálculos:
| F = | 96 485.33212 Asmol -1 |
| F = | 26,80148114 Ahmol -1 |
| F = | 96 485.33212 JV -1 .mol -1 |
| F = | 96,48533212 kJ.V -1 .mol -1 |
| F = | 96 485,33212 JV -1 .grama-equivalente -1 |
| F = | 96,48533212 kJ.V -1 . grama-equivalente -1 |
| F = | 23 060.54783 cal.V -1 .mol -1 |
| F = | 23,06054783 kcal.V -1 .mol -1 |
| F = | 23 060,54783 cal.V -1 .grama-equivalente -1 |
| F = | 23,06054783 kcal.V -1 . grama-equivalente -1 |
Usos da Constante de Faraday
na eletrólise
O primeiro uso que foi dado à constante de Faraday é no campo da eletrólise. Nela, a constante de Faraday permite determinar a quantidade de carga elétrica que precisa ser transferida para produzir uma determinada massa de uma substância por eletrólise, ou seja, a massa ou número de moles da substância produzida, dada a quantidade de eletricidade que passou pela célula. Isso é feito através da seguinte relação:
Onde I representa a intensidade da corrente em ampères (A), t é o tempo de funcionamento em segundos (s), n e é o número de moles de elétrons transferidos e F é a constante de Faraday. O número de moles de elétrons pode ser determinado por estequiometria ou simplesmente por meio da massa do metal dividida por seu peso equivalente:
Esta equação ou a anterior pode ser resolvida para encontrar a variável desejada.
equação de nernts
Outro caso em que a constante de Faraday é usada é na eletroquímica, especificamente no uso da equação de Nernst. Esta equação permite calcular o potencial de redução de um eletrodo que se encontra em condições não padronizadas (concentrações diferentes de 1M e/ou pressões de gás diferentes de 1 atm).
Esta equação é:
onde Q é o quociente da reação, E0 é o potencial padrão da reação, n é o número de elétrons transferidos na reação, T é a temperatura absoluta, R é a constante do gás ideal e F é a constante de Faraday.
O quociente de reação para uma reação do tipo aA + bB → cC + dD, é dado pelo quociente do produto das concentrações dos produtos elevados aos seus coeficientes estequiométricos e o produto das concentrações dos reagentes elevados aos seus:
Cálculo do potencial de equilíbrio de um íon na membrana celular
A equação de Nernst também pode ser usada para determinar o potencial de células de concentração, que contêm os mesmos solutos, mas em concentrações diferentes. Uma aplicação particular desse uso é no cálculo do potencial de equilíbrio de um íon que se encontra em diferentes concentrações em ambos os lados da membrana celular.
Nesse caso, o potencial de reação padrão é zero (já que não ocorre nenhuma reação química), então o potencial de equilíbrio é dado por:
onde z representa a carga elétrica do íon (com todos os seus sinais), e C dentro e C fora são as concentrações do íon dentro e fora da célula, todos os outros fatores sendo os mesmos de antes.
cálculo de energia livre de Gibbs
Finalmente, outra aplicação da constante de Faraday é no cálculo da variação da energia livre de Gibbs de uma reação de oxidação-redução que ocorre em uma célula eletroquímica. Essa relação é dada por:
Onde E célula é o potencial da célula eletroquímica, n o número de elétrons trocados e F é a constante de Faraday.
Vale ressaltar que esses são apenas alguns exemplos do uso da constante de Faraday em química. Existem outras equações em que essa constante vem à tona.
Nota sobre faraday e farad
Na realização de cálculos em eletroquímica e outras áreas, a constante de Faraday, F, aparece com frequência, como acabamos de ver. Mas também existe uma unidade de carga chamada faraday (com f minúsculo). Deve-se tomar cuidado para não confundir Faraday com a constante de Faraday, pois não são iguais.
O faraday é uma unidade adimensional de carga elétrica que é igual à carga liberada por um grama equivalente de substância envolvida em uma reação eletroquímica.
Michale Faraday também realizou estudos sobre eletromagnetismo, incluindo estudos sobre capacitância. Em homenagem ao proeminente cientista inglês, a unidade fundamental de capacitância elétrica foi chamada de farad e não tem nada a ver com faraday ou constante de Faraday.
Referências
NIST, Constantes Físicas Fundamentais
Bolívar, G. (2019, 31 de julho). Constante de Faraday: Aspectos Experimentais, Exemplo, Usos . lifer. https://www.lifeder.com/faraday-constant/
Chang, R. (2008). Físico-Química para as Ciências Químicas e Biológicas (3ª ed.). MCGRAW HILL EDUCAÇÃO.
Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Química (11ª ed.). McGraw-Hill Interamericana de Espanha SL
González, M. (2010, 16 de novembro). constante de Faraday . O Guia de Química. https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/constante-de-faraday
Chemistry.ES. (n.d.). constante de Faraday . https://www.quimica.es/enciclopedia/Constante_de_Faraday.html
