آخر تحديث: 2026-06-16

فهم قانون فاراداي للتحليل الكهربائي

حين يسري تيار كهربائي عبر إلكتروليت، تُختزل الأيونات أو تُؤكسد عند الأقطاب وتترسب المادة أو تتحرر. وقد بيّن مايكل فاراداي في ثلاثينيات القرن التاسع عشر أن مقدار المادة التي تتفاعل تحدده كلياً الشحنة الكهربائية المارة:

وهنا تكون الشحنة نفسها هي التيار مضروباً في الزمن، $Q = I \, t$، فيمرّر تيار ثابت قدره $I$ أمبير لمدة $t$ ثانية شحنةً قدرها $I \, t$ كولوم.

ثابت فاراداي $F$ هو الشحنة التي يحملها مول واحد من الإلكترونات. وقسمة الشحنة على $n \, F$ تعطي مولات المادة التي تفاعلت، والضرب في الكتلة المولية يحوّل المولات إلى كتلة.

مثال محلول

تعمل خلية طلاء نحاس عند $I = 2\ \text{A}$ لمدة 30 دقيقة. فكم نحاساً يترسب؟ يترسب النحاس من $\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}$، إذن $n = 2$، وكتلته المولية $M = 63.55\ \text{g/mol}$.

أولاً الشحنة المارة، مع الزمن بالثواني ($30\ \text{min} = 1800\ \text{s}$):

ثم مولات النحاس المترسبة:

وأخيراً الكتلة:

إذن يترسب نحو 1.19 g من النحاس.

لماذا تحدد الشحنة الكتلة

يجمع كل أيون يصل إلى القطب عدداً ثابتاً من الإلكترونات من الدارة. فاختزال أيون $\text{Cu}^{2+}$ واحد يحتاج إلكترونين، واختزال أيون $\text{Ag}^+$ واحد يحتاج إلكتروناً واحداً. وبذلك يكون عدد الأيونات المترسبة هو عدد الإلكترونات المزوَّدة مقسوماً على $n$، وعدد الإلكترونات المزوَّدة هو ببساطة الشحنة الكلية مقسومة على شحنة إلكترون واحد. وبالعد بالمولات بدلاً من الجسيمات المفردة، تساوي المولات المترسبة $Q / (n \, F)$. ولا تدخل في العدّ مساحة القطب ولا الجهد ولا التركيز — وحدها الشحنة التي سرت.

أثر التكافؤ

لأن $n$ يقع في المقام، فإن أيوناً يحتاج إلكترونات أكثر ينتج معدناً أقل من أجل الشحنة نفسها. ويبيّن الجدول أدناه الكتلة المترسبة بشحنة قدرها 3,600 C لثلاثة معادن طلاء شائعة.

الفضة، التي تحتاج إلكتروناً واحداً فقط لكل أيون، تترسب كتلة أكبر بكثير لكل كولوم من الألومنيوم رغم أن الألومنيوم هو العنصر الأخف.

استخدام القانون عملياً

في الطلاء والتنقية الكهربائيين يعمل القانون في الاتجاهين. فبمعلومية التيار والزمن يمكنك التنبؤ بكتلة الطلاء، وقسمة تلك الكتلة على المساحة المطلية وكثافة المعدن تعطي سمك الطلاء. وبتطبيق الحساب عكسياً يمكنك تحديد التيار أو ضبط زمن التشغيل اللازم لبلوغ كتلة مستهدفة. وتقصّر الخلايا الحقيقية قليلاً عن المثال لأن جزءاً من الشحنة يدفع تفاعلات جانبية كتصاعد الغاز؛ ويُسمى جزء الشحنة الذي يرسّب المنتج المطلوب فعلاً بكفاءة التيار.