法拉第電解定律

法拉第電解定律 (Faraday’s Laws of Electrolysis)
國立臺灣大學化學系黃俊誠博士/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

英國科學家法拉第 (Michael Feraday, 1791-1867)是十九世紀電磁學與電化學領域中的偉大開拓者。1832年時科學界出現「電」的本質是否會隨生成方法而異之疑惑，但法拉第深信電的本質不變，並與書威爾(W. Shewell, 1794-1866)在1833年合作研究電流引起的化學效應。

從1833年所進行電解電池實驗中，法拉第意識到因電解所產生物質的量與通過的電流量之間存在著正比關係。他設計了一種測量電流的儀器，根據電解過程中釋放的氣體體積來衡量流過的電流量，也就是後來的伏特計（Voltmeter）。他用這種儀器量度了電解過程中每產生1克氫氣所通過的電量與在電解槽中所沉積出的各種物質量的關係，最後歸納整理出現今我們所看到法拉第電解定律。簡述如下：

法拉第第一電解定律：

電解過程中，於電極所游離出之物質的質量與通過電解質之電量成正比。其電量是指電荷(electrical charge)而不是電流(electrical charge)，特別以庫倫(coulomb)作為測量的單位。

法拉第第二電解定律：

電解過程中，用相同之電量，其產生游離物質之質量與它們的化學當量成比例。例如，產生1莫耳，2克氫氣時，在伏特計中所量測到電量等，則在電解槽若是析出氧氣，則其產量為16克。在當時法拉第把這個值稱為各種物質的電化學當量(electro-chemical equivalent)，其值為電解1電化學當量物質所需電量，也就是現在我們後來所用的法拉第常數(F)。

法拉第在1834年發表電解定律，也提出許多今日的電化學名詞，包括電極、陽極、陰極、離子、陰離子、陽離子、離子化、電解質和電解等等。由法拉第電解定律可知，物質在電解過程中，物質在所析出的質量W與通過電極的電量Q成正比。不同物質的質量則正比於該物質的原子量（莫耳質量，符號M）。可由以下方程式表示：

Q = I × t
Q：通過的電量，庫倫，I：電流強度（安培），t：通電時間（秒）。
其中比例常數F為法拉第常數，即每莫耳電子所攜帶的電量為F = 96485.3383±0.0083，約為 96500庫侖/莫耳。

所以得通入的電子莫耳數 = Q / F

物質所析出的原子莫耳數 = W / M

析出物質所需要的電子莫耳數 = (W / M) × Z  （Z：原子價數）

通入的電子莫耳數 = (W / M) × Z = Q / F = I × t / F

析出之物質的質量 W = (Q × M) / (F × Z) = (I × t × M) / (F × Z)

法拉第電解定律適用於一切電極反應的氧化還原過程，是電化學反應中的基本定量定律。

參考資料：
1. 趙匡華，化學通史，第242頁，凡異出版社，1992。
2. 陳竹亭，選修化學（下），第26頁，泰宇出版社，2008。
3. Faraday’s laws of electrolysis.
http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday%27 … ectrolysis
4. 法拉第電解定律、電解與電鍍。
http://host6.wcjhs.tyc.edu.tw/~ta530010 … 4/a6-5.htm