ファラデーの法則とは?ファラデー電流と非ファラデー電流とは?

ファラデーの法則とは?ファラデー電流と非ファラデー電流とは?


こちらのページでは、ある物質の溶解析出反応などの科学的な解析に使用される

・ファラデーの法則とは?

・ファラデー電流と非ファラデー電流とは?

・クーロン(C)とアンペアアワー(Ah)などとの単位変換方法【演習問題】

について解説しています。


ファラデーの法則とは?


ファラデーの法則とは、流れた電気量(単位C)と反応する物質量は比例するという法則のことです。
 
つまり、流れた電子の量(電流と電子の関係より)と反応する物質量も比例するために反応式の量的関係から、反応する物質量、そして質量が計算できるのです。

リチウムイオン電池における電析の反応を例に考えて具体的に解説していきます。

 

流れた電気量、もしくは反応した電流量が10Ahであるとします。

そして、ファラデー定数と呼ばれる電子1mol辺りの電気量約96500C/molを使用できるように10Ahを3600s/h を用いて変換します。

10Ah = 36000Cとなるため、36000/96500 = 0.37molの電子が反応するとわかります。

量的関係から、リチウムの反応物質量も0.37molであり、リチウムの原子量約7g/molを使用しますと、2.59gのリチウムが析出すると計算できるのです

(※リチウムイオン電池において、低温でサイクル試験にかけると電析が起こる可能性があり、起きた場合急激な容量低下が起こります。その容量低下分が上式で仮定した反応電気量10Ahなどに相当し、これを元に電析量を見積もれるといった具合です。)


電気的なめっきなどもこのファラデーの法則を元にめっき量を制御でき、様々な科学技術にこのファラデーの法則は使用されてるのです。

ファラデーさんは多岐にわたる科学の進歩に貢献されており、他には発電を始めとして利用されている
ファラデーの電磁誘導の法則などが挙げられます。

また、リチウムイオン電池における反応解析において、ファラデーの法則に関わる言葉として、ファラデー電流、非ファラデー電流という言葉があり、下記で解説しています。

>関連記事

電析とは何?電析と安全性
ファラデーの電磁誘導の法則


ファラデー電流、非ファラデー電流とは?

ファラデー電流とは、ファラデーの法則に従い流れる電流のことを指します。
つまり上式のファラデーの法則を適用できます。

これに対して、非ファラデー電流とはファラデーの法則に従わずに流れる電流のことを指します。
つまりファラデーの法則を適用できません。

ファラデー電流は上で反応例を解説したためイメージしやすいかもしれませんが、非ファラデー電流とはどのようなものに当てはまるのでしょうか?

非ファラデー電流の例としては、電気二重層の充電などが挙げられます。高校物理で習う静電気的な力のように電子の授受反応が起きずにさっと電荷が移動する反応をイメージすると良いでしょう。

 

電気化学的な電極反応のプロセスを、ファラデー電流、非ファラデー電流で分類してみます。

電極反応のプロセスは、

①電気二重層の充電
②電荷移動反応(電子授受反応)
③拡散(物質輸送)

というプロセスを経て起こります。

ここで①の電気二重層の充電は上述のように、非ファラデー電流に分類できます。

そして②は電子授受反応そのものであるためファラデー電流に分類でき、③自体はファラデーの法則に従わない拡散のことですが、実質は②と③の反応は同時に起こっており、③の物質輸送は②の電子授受反応に影響を与える反応です。

よって、②の電子授受反応と③の拡散反応を合わせてあるいは③は②の電子授受反応に内包されたものとして、ファラデー電流であるという捉え方をすることができます。


関連記事
静電気力とは?(高校物理)
電極反応のプロセス

クーロン(C)とアンペアアワー(Ah)などとの単位変換方法【演習問題】


先にも述べた部分で、電気量(電荷量)を表すクーロン(C)をアンペアアワー(Ah)との単位変換について、さらっと行いましたが、以下で各種単位換算方法について詳しく解説していきます。

クーロン=アンペア×秒(クーロンとアンペアの換算)

まずは、単位のクーロン(C)=アンペア(A)・秒(s)で表されます。

つまり、1Aで1s電流を流したときや、2Aで0.5s電流を流したときは1Cとなります。1クーロンはどれくらいかと聞かれたら、すぐに答えられるようにしておくといいです。


クーロンとモル数の換算

次に上でも行ったクーロンとモル数(mol)の変換を考えていきましょう。

クーロンとモル数の変換には、1molあたりのクーロンであるファラデー定数96500C/mol を使用します。

単純に、193000 Cの電気量が流れたとすると、 193000 / 96500 = 2mol の物質量と計算できます。

以上のような電気量の化学的な計算はとても重要ですので、きちんと理解しましょう。


クーロン(C)とアンペアアワー(Ah)との換算
 
両方とも電気量を表す量のため、時間の長さの変換のみを行うだけで変換可能です。

C=A・sでしたよね。 ここで、3600s(秒) =1h(時間) です。

そのため、 C = A・h / 3600 とすることで、値の変換ができます。
 
関連記事

静電気力とは?(高校物理)

電極反応のプロセス


ファラデーの法則とは?ファラデー電流と非ファラデー電流とは? 関連ページ

エネルギー変換
化学変化の基礎(エンタルピー、エントロピー、ギブズエネルギー)
反応ギブズエネルギーと標準生成ギブズエネルギー
化学平衡と化学ポテンシャル、活量、平衡定数○
電圧とギブズエネルギーの関係○
化学ポテンシャルと電気化学ポテンシャル、ネルンストの式○
ネルンストの式の導出
【演習問題】ネルンストの式を使用する問題演習をしよう!
電池反応に関する標準電極電位のまとめ(一覧)
標準電極電位とは?電子のエネルギーと電位の関係から解説
標準電極電位の表記例と理論電圧(起電力)の算出
標準電極電位と金属の電子状態○
電池内部の電位分布、基準電極に必要なこと○
基準電極の種類
電気二重層、表面電荷と電気二重層モデル
電気化学の測定方法 -三電極法-
サイクリックボルタンメトリーの原理と測定結果の例
サイクリックボルタンメトリーにおける解析方法
LSVの原理と測定結果の例
クロノアンぺロメトリ―の原理と測定結果の例
クロノポテンショメトリ―の原理と測定結果の例
電荷移動律速と拡散律速(電極反応のプロセス)○
電気化学の測定方法 -等価回路-
電気化学の測定方法 -交流インピーダンス法-○
【拡散律速時のインピーダンス】ワールブルグインピーダンスとは?限界電流密度とは?【リチウムイオン電池の抵抗成分】
電解質の電気抵抗、電気伝導率
イオンの移動度とモル伝導率 輸率とその計算方法は?
イオン強度とは?イオン強度の計算方法は?
電子授受平衡と交換電流、交換電流密度○
Butler-Volmerの式(過電圧と電流の関係式)○
Tafel式とは?Tafel式の導出とTafelプロット○
【演習】アレニウスの式から活性化エネルギーを求める方法
活性化エネルギー詳細
加速劣化試験と電池部材の耐食性評価
腐食とは?腐食の種類と電位-pH図
めっきとは?めっきの役割と種類
自己触媒めっきと自己触媒
【演習問題】電流効率とは?電流効率の計算方法【リチウムイオン電池部材のめっき】
隙間腐食(すきま腐食)の意味と発生メカニズム
電食・ガルバニック腐食・異種金属腐食
濃淡電池の原理・仕組み 酸素濃淡電池など
浸透探傷試験(レッドチェック)
ド・ブロイの物質波とハイゼンベルグの不確定性原理
波動関数と電子の存在確率(粒子性と波動性の結び付け)
シュレーディンガー方程式とは?波の式からの導出
波の式を微分しシュレーディンガー方程式を導出
井戸型ポテンシャルの問題とシュレーディンガー方程式の立式と解
オイラーの公式と導出
光と電気化学 基底状態と励起状態 蛍光とりん光 ランベルト-ベールの式
光束・光度・輝度の定義と計算方法【演習問題】
電磁波の分類 波長とエネルギーの関係式 1eVとは?eV・J・Vの変換方法【計算問題】
光と電気化学 励起による酸化還元力の向上
溶解度積と沈殿平衡 導出と計算方法【演習問題】
再配向エネルギーと活性化エネルギー
内圏型と外圏型電子移動の違い
pHセンサー(pHメーター)の仕組みは?pHセンサー(pHメーター)と電気化学、ネルンストの式
ガスセンサー(固体電解質)の原理とは?ネルンストの式との関係は?
オリゴマーとは?ポリマーとオリゴマーの違いは?数平均分子量と重量平均分子量の求め方【演習問題】
面心立方格子、体心立方格子、ミラー指数とは?【リチウムイオン電池の正極材の結晶構造は】
アタクチックポリマー、イソタクチックポリマー、シンジオタクチックポリマーの違いは?【ポリマーのタクチシチ―】
おすすめの電気化学の参考書
【電流密度】電流密度と電流の関係を計算してみよう【演習問題】
ギブズの相律とは?F=C-P+2とは?【演習問題】
状態関数 示量性状態関数と示強性状態関数
定容熱容量(Cv)と定圧熱容量(CP)とは?違いは?
分子間相互作用
理想気体と実在気体の状態方程式(ファンデルワールスの状態方程式) 排除体積とは?排除体積の計算方法
オクテット則
緩衝作用
電子軌道 s軌道・p軌道とは?
混合エントロピー 計算と導出方法は?
錯体・キレート 錯体平衡の計算問題を解いてみよう【演習問題】
「速度論的に安定」と「熱力学的に安定」
触媒の仕組みと化学反応
分配平衡と分配係数・分配比 導出と計算方法【演習問題】
塩橋の役割と入れる理由
レナードジョーンズポテンシャル 極小値の導出と計算方法【演習問題】
ルイス酸とルイス塩基の定義 見分け方と違い
膜電位の定義と計算方法
トルートンの規則 トルートンの式
化学におけるクラスターとは
結晶粒界(粒界)の定義と粒界腐食
化学におけるキャラクタリゼーションとは
化学におけるバルクとは?バルク水とは
電気化学における活性・不活性とは?活性電極と不活性電極の違い
1eVは熱エネルギー(温度エネルギー)に換算するとどのくらいの大きさになるのか
物質の相図(状態図)と物質の三態の関係 水の状態図の見方 蒸発・凝縮・融解・凝固・昇華・凝結とは? 三重点と臨界点とは?
プランク定数とエイチ÷2πの定数(エイチバー:ディラック定数)との関係

HOME プロフィール お問い合わせ