Tất cả các phản ứng điện hoá dù xảy ra cưỡng bức trong hệ điện phân hay tự xảy ra trong nguyên tố Ganvani đều tuân theo định luật Farađây. Phản ứng điện cực là phản ứng trao đổi điện tích nên khối lượng chất tham gia phản ứng trao đổi liên hệ mật thiết với điện tích đi qua điện cực. Giả sử trên điện cực có phản ứng.
Red1 - ze Ox1 (2.1) Hay Ox2 + ze Red2 (2.2)
Một phân tử (hay 1 ion) trao đổi z điện tử. Một mol (hay 1 ion gam) trao đổi z mol điện tử, tương đương với lượng điện tích là Nazqe (Na là số Avôgađrô, qe là điện tích của điện tử).
Naqe là điện tích của 1 mol-electron hay số Farađây. Như vậy cứ một Farađây điện đi qua ranh giới điện cực dung dịch thì có M/z gam chất tham gia phản ứng, hay ngược lại. M/z được gọi là đương lượng điện hoá và có đơn vị là g/F.
z M
A (g/F) (2.3)
Giá trị của đương lượng điện hoá thay đổi tuỳ thuộc vào đơn vị điện tích q. Trong nghiên cứu đơn vị điện tích thường dùng là Farađây hay Culông, trong sản xuất thì lại là a.h (ampe.giờ). Khi đó
z M A 96500 (g/C) (2.4) z M A 8 , 26 (g/a.h) (2.5) Từ lập luận trên M = A.q (2.6) Trong đó q: điện tích
m: khối lượng tác chất/ sản phẩm của phản ứng điện hoá.
Đây chính là nội dung của định luật Farađây do nhà vật lý học nổi tiếng Farađây tìm ra.
Khối lượng tác chất tham gia phản ứng (hay khối lượng sản phẩm hình thành) trong một phản ứng điện hoá tỉ lệ với điện tích và đương lượng điện hoá của chúng.
Đinh luật Farađây áp dụng cho cả phản ứng tự xảy ra lẫn phản ứng cưỡng bức. Trên thực tế phản ứng điện hoá thường có cường độ dòng biến thiên. Khi đó phải áp dụng công thức
m = A∫Idt (2.7) I: là cường độ dòng điện phân
t: là thời gian điện phân
AI dt dm
(2.8)
Đương lượng điện hoá A là hằng số. dm/dt là khối lượng tác chất hay khối lượng sản phẩm tạo thành của phản ứng điện cực trong một đơn vị thời gian, hay chính là tốc độ của phản ứng điện hoá.
Phản ứng điện hoá là phản ứng dị pha trên ranh giới phân chia pha dung dịch-điện cực nên tốc độ phản ứng phụ thuộc vào diện tích bề mặt tiếp cách S (bề mặt điện cực). Vì vậy người ta đưa ra khái niệm mật độ dòng i.
S I
i (2.10)
v = AiS (2.11)
Tốc độ phản ứng điện cực tỉ lệ thuận với mật độ dòng và thiết diện điện cực.
Có hai cách để tăng tốc độ phản ứng điện hoá. 1) tăng thiết diện điện cực. 2) tăng mật độ dòng.
Trên thực tế khối lượng chất tham gia phản ứng hay sản phẩm hình thành (m) trong nhiều trường hợp nhỏ hơn so với giá trị tính theo định luật Farađây.