Deux énoncés quantitatifs qui relient la quantité de transformation chimique à une électrode à la quantité de charge électrique passée : (1) la masse de substance déposée ou libérée à une électrode est directement proportionnelle à la charge électrique totale; (2) pour une charge donnée, les masses déposées de substances différentes sont proportionnelles à leurs équivalents chimiques (masse molaire divisée par le nombre d'électrons échangés). Formellement m = (Q · M) / (n · F) où m est la masse, Q la charge, M la masse molaire, n le nombre d'électrons, et F la constante de Faraday.

Principe

La conservation de la charge et une stœchiométrie électronique fixe relient la charge électrique macroscopique aux quantités stœchiométriques d'espèces redox ; une charge par mole d'électrons fixe (constante de Faraday) rend la proportionnalité quantitative.

Démonstration

Placage électrolytique du cuivre à partir d'une solution de Cu2+ : en faisant passer Q coulombs on dépose m = (Q·63,55 g·mol−1)/(2·F) de cuivre ; à courant constant I, le temps t requis suit Q = I·t, permettant de prédire la masse déposée et la durée du placage sous une efficacité de courant idéale (100%).

Mauvaise application

Appliquer la formule lorsqu'il y a des courants non faradique significatifs (charge capacitive, effets de double couche) ou des réactions parasites (dégagement d'hydrogène, formation d'oxyde) qui consomment de la charge ; supposer une efficacité de courant de 100 % quand des courants partiels existent conduit à une surestimation de la masse déposée.

Conséquence

Permet de calculer la charge ou le temps nécessaires pour une masse ciblée (coulométrie), de quantifier des espèces électroactives et de concevoir des processus électrolytiques quand l'efficacité de courant et la stœchiométrie électronique sont connues.

Inversion

Utiliser la masse déposée mesurée pour déduire la charge totale passée (coulométrie) ou, retournement conceptuel, reconnaître qu'un courant redox spontané dans une cellule galvanique produit des changements chimiques mais avec des conditions de bord différentes (pas de charge appliquée extérieure).

Limite

S'applique lorsque la stœchiométrie du transfert d'électrons par espèce est connue et constante, l'efficacité de courant est définie et le processus est faradique ; exclut les cas dominés par des courants capacitifs, une chimie de surface mal définie, des réactions électrodes multietapes sans stœchiométrie connue, des effets nanoscopiques ou de fortes limitations de transport de masse non corrigées.

Tension sémantique

Le terme peut être confondu avec la constante de Faraday ou avec d'autres notions portant le nom de Faraday (cage de Faraday, rotation de Faraday) ; il désigne spécifiquement les lois électrochimiques quantitatives liant charge et masse déposée, et non la résistance électrique ou les effets de champ.

Synthèse

Les lois de Faraday quantifient la proportionnalité entre charge électrique et quantité chimique modifiée aux électrodes en combinant la stœchiométrie électronique et la constante de Faraday en une règle pratique pour prédire les changements de masse en électrolyse, valable lorsque les processus faradiques dominent et que l'efficacité de courant est prise en compte.