ค่าคงที่ของคูลอมบ์คืออะไร?

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


ค่าคงที่ของฟาราเดย์ ซึ่ง แสดงด้วยสัญลักษณ์Fเป็นหนึ่งในค่าคงที่พื้นฐานในฟิสิกส์และเคมี และแสดงถึงค่าสัมบูรณ์หรือขนาดของประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน 1 โมล ค่าคงที่นี้ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์และนักเคมี ไมเคิล ฟาราเดย์ ผู้ทำการศึกษาที่สำคัญเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าและเคมีไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส เป็นค่าคงที่ที่ใช้บ่อยในการคำนวณทางกายภาพและเคมีที่เกี่ยวข้องกับตัวพาประจุจำนวนมาก เช่น ไอออนหรืออิเล็กตรอน

สมการคงที่ของฟาราเดย์

เนื่องจากมันแทนค่าของประจุบนอิเล็กตรอนหนึ่งโมล ค่าคงที่ของฟาราเดย์สามารถแสดงในรูปของประจุบนอิเล็กตรอนแต่ละตัวและจำนวนอิเล็กตรอนในหนึ่งโมลของอิเล็กตรอน ประจุของอิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่มีอะไรมากไปกว่าประจุไฟฟ้าพื้นฐานeหนึ่งในค่าคงที่สากลที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์ ในทางกลับกัน จำนวนของอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในโมลของอิเล็กตรอนจะได้รับจากจำนวนของ Avogadro, N Aดังนั้นค่าคงที่ของฟาราเดย์สามารถแสดงเป็น:

สมการคงที่ของฟาราเดย์คืออะไร

ค่าคงที่ของคูลอมบ์

เช่นเดียวกับค่าคงที่อื่นๆ ที่ไม่มีมิติ ค่าของค่าคงที่ของฟาราเดย์จะขึ้นอยู่กับหน่วยที่แสดงออกมา ค่าของค่าคงที่นี้ได้รับการยอมรับในปัจจุบันโดยสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NIST) ในระบบหน่วยสากล (SI) คือ:

ค่าคงที่ของคูลอมบ์ต่อโมลคือเท่าใด

อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องปกติที่จะใช้ค่าคงที่นี้ในหน่วยอื่นๆ เพื่อหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการแปลงระหว่างการคำนวณ:

ฉ =  96 485.33212 อัสมอล-1
ฉ =  26.80148114 อาห์มอล-1
ฉ =  96 485.33212 JV -1 .mol ​​-1
ฉ =  96.48533212 kJ.V -1 .mol ​​-1
ฉ =  96 485.33212 JV -1 .gram-equivalent -1
ฉ =  96.48533212 kJ.V -1 . กรัมเทียบเท่า-1
ฉ =  23 060.54783 cal.V -1 .mol ​​-1
ฉ =  23.06054783 kcal.V -1 .mol ​​-1
ฉ =  23 060.54783 cal.V -1 .gram-equivalent -1
ฉ =  23.06054783 kcal.V -1 . กรัมเทียบเท่า-1

การใช้ค่าคงที่ของฟาราเดย์

ในอิเล็กโทรลิซิส

การใช้งานครั้งแรกสำหรับค่าคงที่ของฟาราเดย์คือในสนามของอิเล็กโทรลิซิส ในนั้น ค่าคงที่ของฟาราเดย์ช่วยให้สามารถกำหนดปริมาณของประจุไฟฟ้าที่ต้องถ่ายโอนเพื่อสร้างมวลของสสารตามที่กำหนดโดยอิเล็กโทรลิซิส หรือมวลหรือจำนวนโมลของสสารที่ผลิตขึ้น โดยพิจารณาจากปริมาณไฟฟ้าที่ส่งผ่านเซลล์ สิ่งนี้ทำผ่านความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

สมการอิเล็กโทรลิซิสและค่าคงที่ของคูลอมบ์

เมื่อIแทนความเข้มของกระแสเป็นแอมแปร์ (A) tคือเวลาทำงานเป็นวินาที (s) n eคือจำนวนโมลของอิเล็กตรอนที่ถูกถ่ายโอน และFคือค่าคงที่ของคูลอมบ์ จำนวนโมลของอิเล็กตรอนสามารถกำหนดได้โดยปริมาณสารสัมพันธ์หรือเพียงแค่ใช้มวลของโลหะหารด้วยน้ำหนักที่เท่ากัน:

สมการอิเล็กโทรลิซิสและค่าคงที่ของคูลอมบ์

สามารถแก้สมการนี้หรือสมการก่อนหน้าเพื่อหาตัวแปรที่ต้องการได้

สมการ Nernts

อีกกรณีหนึ่งซึ่งใช้ค่าคงที่ของฟาราเดย์ในวิชาเคมีไฟฟ้า โดยเฉพาะการใช้สมการของเนิร์นสท์ สมการนี้ทำให้สามารถคำนวณศักย์ไฟฟ้ารีดักชันของอิเล็กโทรดที่พบในสภาวะที่ไม่ได้มาตรฐาน (ความเข้มข้นที่มากกว่า 1 โมลาร์ และ/หรือแรงดันแก๊สที่มากกว่า 1 atm)

สมการนี้คือ:

สมการ Nernts และค่าคงที่ของคูลอมบ์

โดยที่Qคือผลหารของปฏิกิริยา, E0 คือศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของปฏิกิริยา, nคือจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกถ่ายโอนในปฏิกิริยา, T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์, R คือค่าคงที่ของแก๊สในอุดมคติ และ F คือค่าคงที่ของฟาราเดย์

ผลหารปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาประเภท aA + bB → cC + dD กำหนดโดยผลหารของผลคูณของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ที่ยกขึ้นเป็นสัมประสิทธิ์สัมพันธ์สัมพันธ์และผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ยกขึ้นเป็น:

สมการ Nernts และค่าคงที่ของคูลอมบ์

การคำนวณศักย์สมดุลของไอออนในเยื่อหุ้มเซลล์

นอกจากนี้ยังสามารถใช้สมการ Nernst เพื่อกำหนดศักยภาพของเซลล์ความเข้มข้นซึ่งมีตัวถูกละลายเหมือนกัน แต่มีความเข้มข้นต่างกัน การใช้งานเฉพาะของการใช้งานนี้คือการคำนวณศักย์สมดุลของไอออนที่พบในความเข้มข้นต่างกันบนทั้งสองด้านของเยื่อหุ้มเซลล์

ในกรณีนี้ ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของปฏิกิริยาเป็นศูนย์ (เนื่องจากไม่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น) ดังนั้นศักย์สมดุลจึงถูกกำหนดโดย:

สมดุลเมมเบรนและเซลล์ความเข้มข้นและค่าคงที่ของคูลอมบ์

โดยที่zแทนประจุไฟฟ้าของไอออน (พร้อมเครื่องหมายทั้งหมด) และ C ภายในและภายนอกคือความเข้มข้นของไอออนภายในและภายนอกเซลล์ ปัจจัยอื่นๆ ทั้งหมดเหมือนเดิม

การคำนวณพลังงานฟรีของ Gibbs

สุดท้าย การประยุกต์ใช้ค่าคงที่ของฟาราเดย์อีกอย่างหนึ่งคือการคำนวณการแปรผันของพลังงานอิสระกิ๊บส์ของปฏิกิริยารีดักชันออกซิเดชันที่เกิดขึ้นในเซลล์ไฟฟ้าเคมี ความสัมพันธ์นี้มอบให้โดย:

พลังงานอิสระของกิ๊บส์และค่าคงที่ของคูลอมบ์

โดยที่เซลล์ Eคือศักยภาพของเซลล์ไฟฟ้าเคมีnคือจำนวนอิเล็กตรอนที่แลกเปลี่ยนกัน และFคือค่าคงที่ของคูลอมบ์

เป็นมูลค่าการกล่าวขวัญว่านี่เป็นเพียงตัวอย่างเล็กๆ น้อยๆ ของการใช้ค่าคงที่ของฟาราเดย์ในวิชาเคมี มีสมการอื่น ๆ ที่แสดงค่าคงที่นี้

หมายเหตุเกี่ยวกับฟาราเดย์และฟารัด

ในการดำเนินการคำนวณในเคมีไฟฟ้าและด้านอื่นๆ ค่าคงที่ของฟาราเดย์ F จะปรากฏขึ้นบ่อยครั้งดังที่เราเพิ่งเห็น แต่ยังมีหน่วยของประจุที่เรียกว่าฟาราเดย์ (มี f เล็ก) ต้องระวังอย่าสับสนระหว่างค่าคงที่ของฟาราเดย์กับค่าคงที่ของฟาราเดย์ เนื่องจากค่าคงที่ของฟาราเดย์ไม่เหมือนกัน

ฟาราเดย์เป็นหน่วยประจุไฟฟ้าที่ไม่มีมิติซึ่งมีค่าเท่ากับประจุที่ปล่อยออกมาจากสารที่เทียบเท่าหนึ่งกรัมที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี

Michale Faraday ยังทำการศึกษาเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า รวมถึงการศึกษาเกี่ยวกับความจุ เพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษที่มีชื่อเสียง หน่วยพื้นฐานของความจุไฟฟ้าเรียกว่าฟารัด และไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับฟาราเดย์หรือค่าคงที่ของฟาราเดย์

อ้างอิง

NIST ค่าคงที่ทางกายภาพพื้นฐาน

Bolívar, G. (2019, 31 กรกฎาคม). ค่าคงที่ของฟาราเดย์: ลักษณะการทดลอง, ตัวอย่าง, การใช้งาน ชีวิต https://www.lifeder.com/faraday-constant/

ช้าง ร. (2551). เคมีฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์เคมีและชีวภาพ (ฉบับที่ 3) MCGRAW HILL การศึกษา

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). เคมี (ฉบับที่ 11) McGraw-Hill Interamericana de España SL

González, M. (2010, 16 พฤศจิกายน). ค่า คงที่ของฟาราเดย์ คู่มือเคมี https://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/constante-de-faraday

เคมี.ศ. (น.ป.). ค่า คงที่ของฟาราเดย์ https://www.quimica.es/enciclopedia/Constante_de_Faraday.html

-โฆษณา-

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados