Cálculo de masa de sustancia depositada en electrólisis (leyes de Faraday)

El cálculo de masa depositada en electrólisis determina la cantidad exacta de sustancia formada. Este proceso es fundamental en electroquímica y aplicaciones industriales.

En este artículo se explican las leyes de Faraday, fórmulas esenciales, tablas de valores comunes y ejemplos prácticos detallados. Se ofrece una guía técnica para expertos y profesionales.

Calculadora con inteligencia artificial (IA) para Cálculo de masa de sustancia depositada en electrólisis (leyes de Faraday)

• Calcular masa de cobre depositada con corriente de 3 A durante 2 horas.
• Determinar masa de plata formada con 5 A y 30 minutos de electrólisis.
• Obtener masa de aluminio depositada con 10 A en 1 hora.
• Calcular masa de zinc depositada con corriente de 2.5 A durante 45 minutos.

Tablas de valores comunes para el cálculo de masa depositada en electrólisis

Para realizar cálculos precisos, es fundamental conocer los valores de masa atómica, número de electrones transferidos y equivalentes electroquímicos de los elementos más comunes en electrólisis.

Fórmulas fundamentales para el cálculo de masa depositada en electrólisis

Las leyes de Faraday establecen la relación directa entre la cantidad de electricidad que pasa por un electrolito y la masa de sustancia depositada o liberada en los electrodos. A continuación, se presentan las fórmulas esenciales para realizar estos cálculos.

Primera Ley de Faraday

La masa (m) de una sustancia depositada es directamente proporcional a la cantidad de carga eléctrica (Q) que pasa por el electrolito:

donde:

• m = masa de la sustancia depositada (gramos, g)
• Z = equivalente electroquímico de la sustancia (g/C)
• Q = carga eléctrica total que pasa por el electrolito (coulombs, C)

Segunda Ley de Faraday

El equivalente electroquímico (Z) está relacionado con la masa molar (M), el número de electrones transferidos (n) y la constante de Faraday (F):

donde:

• M = masa molar de la sustancia (g/mol)
• n = número de electrones transferidos por ion en la reacción de electrólisis
• F = constante de Faraday ≈ 96485 C/mol

Cálculo de la carga eléctrica (Q)

La carga eléctrica total que pasa por el electrolito se calcula como:

donde:

• I = corriente eléctrica (amperios, A)
• t = tiempo durante el cual fluye la corriente (segundos, s)

Fórmula combinada para el cálculo de masa depositada

Integrando las fórmulas anteriores, la masa depositada se calcula como:

Esta fórmula es la base para todos los cálculos de masa depositada en procesos de electrólisis.

Valores comunes y unidades

• Masa molar (M): Se obtiene de la tabla periódica, expresada en gramos por mol (g/mol).
• Número de electrones (n): Depende de la reacción redox específica, por ejemplo, Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (n=2).
• Constante de Faraday (F): 96485 C/mol, valor universal.
• Corriente (I): En amperios (A), 1 A = 1 C/s.
• Tiempo (t): En segundos (s), se debe convertir minutos u horas a segundos para precisión.

Ejemplos prácticos detallados de cálculo de masa depositada

Para comprender mejor la aplicación de las leyes de Faraday, se presentan dos casos reales con desarrollo y solución paso a paso.

Ejemplo 1: Depósito de cobre en galvanoplastia

Se desea calcular la masa de cobre depositada en un electrodo cuando una corriente constante de 3 amperios pasa durante 2 horas a través de una solución de sulfato de cobre (CuSO4).

• Datos:
• Corriente, I = 3 A
• Tiempo, t = 2 horas = 2 × 3600 = 7200 s
• Masa molar del cobre, M = 63.55 g/mol
• Número de electrones, n = 2 (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu)
• Constante de Faraday, F = 96485 C/mol

Cálculo:

Primero, calculamos la carga total Q:

Luego, calculamos la masa depositada usando la fórmula combinada:

Por lo tanto, se depositan aproximadamente 7.12 gramos de cobre en el electrodo.

Ejemplo 2: Depósito de plata en fabricación de contactos eléctricos

Se realiza una electrólisis con una corriente de 5 amperios durante 30 minutos para depositar plata sobre un electrodo. Calcule la masa de plata depositada.

• Datos:
• Corriente, I = 5 A
• Tiempo, t = 30 minutos = 1800 s
• Masa molar de plata, M = 107.87 g/mol
• Número de electrones, n = 1 (Ag⁺ + e⁻ → Ag)
• Constante de Faraday, F = 96485 C/mol

Cálculo:

Calculamos la carga total Q:

Calculamos la masa depositada:

Se depositan aproximadamente 10.06 gramos de plata en el electrodo.

Aspectos avanzados y consideraciones en el cálculo de masa depositada

En aplicaciones industriales y de laboratorio, el cálculo de masa depositada puede verse afectado por diversos factores que deben considerarse para obtener resultados precisos y confiables.

• Eficiencia Farádica: No toda la corriente contribuye a la deposición; la eficiencia farádica (η) indica el porcentaje efectivo. Se ajusta la fórmula como m = η × (M × I × t) / (n × F).
• Reacciones secundarias: En algunos electrolitos, pueden ocurrir reacciones paralelas que consumen corriente sin depositar sustancia.
• Pureza del electrolito: Impurezas pueden alterar la transferencia de electrones y la masa depositada.
• Condiciones de temperatura y presión: Afectan la conductividad y la cinética electroquímica.
• Control de corriente y tiempo: Es fundamental para garantizar la reproducibilidad y exactitud del proceso.

Recursos y referencias para profundizar en leyes de Faraday y electrólisis

• Faraday’s laws of electrolysis – ChemEurope
• Electrochemistry Fundamentals – NDE Education Resources
• Teaching Faraday’s Laws of Electrolysis – Journal of Chemical Education
• Faraday’s Law – ScienceDirect Topics

El dominio del cálculo de masa depositada en electrólisis mediante las leyes de Faraday es esencial para el diseño, control y optimización de procesos electroquímicos en múltiples industrias. La comprensión profunda de las fórmulas, variables y factores externos garantiza resultados precisos y eficientes.