SA. Ток в электролитах

Электрический ток в жидкостях

Как и твердые тела, жидкости могут быть диэлектриками и проводниками. Дистиллированная вода, например, — диэлектрик, а небольшое количество поваренной соли NaCl (тоже диэлектрик), добавленной в дистиллированную воду, делает ее проводником.

Объясняется это следующим образом. В дистиллированной воде концентрация свободных зарядов очень мала, поэтому она плохо проводит ток. Диэлектрическая проницаемость воды ε = 81, поэтому при растворении вещества в воде кулоновские силы взаимодействия ионов в молекуле соли уменьшаются. И энергии теплового (беспорядочного) движения частиц может хватить, чтобы молекула распалась на ионы Na⁺ и Cl^–.

• Распад молекул вещества на ионы при растворении его в жидкости называется электролитической диссоциацией.

Теория электролитической диссоциации была разработана в 1887 году немецким ученым Р. Клаузиусом и шведским химиком С. Аррениусом.

Молекулы различных веществ диссоциируют по-разному и могут распадаться на два или больше ионов. Характер диссоциации тесно связан с химическими свойствами вещества.

Например, при растворении в воде соли сульфата меди молекула CuSO₄ диссоциирует на два иона: Cu²⁺ и SO₄^2-:

\(~CuSO_4 \leftrightarrows Cu^{2+} + SO_4^{2-}.\)

При отсутствии внешнего электрического поля ионы находятся в тепловом хаотическом движении.

Ионы противоположного знака при встрече вновь могут образовать нейтральную молекулу. Этот процесс называется рекомбинацией ионов (процесс, обратный диссоциации). При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, когда число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.

Степень диссоциации α определяется отношением числа распавшихся на ионы молекул к их общему числу. Степень диссоциации зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости растворителя. Так как с ростом температуры энергия теплового движения молекул увеличивается, то при этом степень диссоциации электролита возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Пусть в сосуд с раствором электролита помещены два электрода, представляющие собой металлические проводники, к которым присоединяем источник ЭДС. Электрод, подключенный к положительной клемме источника, называется анод, к отрицательной клемме — катод. В сосуде возникнет электрическое поле, и отрицательные ионы (анионы) начнут двигаться к аноду, а положительные (катионы) — к катоду (рис. 1). В результате в растворе электролита установится электрический ток.

Рис. 1

Термин «ион» в переводе с греческого означает «идущий». Отсюда произошли и названия «анион» — идущий к аноду, «катион» — идущий к катоду.

• Электрический ток в жидкостях — это направленное движение ионов обоих знаков.

Поскольку перенос заряда в электролитах осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

Однако некоторые жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

• Жидкости, которые проводят электрический ток, называются электролитами.

Для электролитов также справедлив закон Ома и закон Джоуля-Ленца.

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Отдав или получив электроны, ионы превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы (или образованные из них молекулы) выделяются на электродах.

Образовавшиеся атомы могут вступить в реакцию с электродами или растворителем. Химические реакции, в которые вступают нейтрализовавшиеся ионы, называются вторичными.

• Явление выделения на электродах веществ, при прохождении электрического тока через электролит, называют электролизом.

Необходимым условием электролиза является прохождение через электролит постоянного электрического тока.

Электролиз впервые наблюдался в 1800 г. У.Никольсоном и А. Карлейлем, разложившими воду постоянным током. Через 7 лет Г. Дэви при помощи электролиза выделил и открыл натрий.

Законы электролиза

Электролиз описывается двумя основными законами, экспериментально установленными Фарадеем в 1833-1834 годах.

Первый закон Фарадея:

• масса вещества m, выделившегося на одном из электродов, прямо пропорциональна заряду Δq, прошедшему через электролит:

m = K⋅Δq = K⋅I⋅Δt.

Здесь I — сила тока в электролите, Δt — время протекания тока через электролит, K — электрохимический эквивалент вещества.

• Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества m, выделившегося на электроде при прохождении через раствор электролита заряда q в 1 Кл. В СИ единицей электрохимического эквивалента является килограмм на кулон (кг/Кл).

Таблица 1.

Электрохимические эквиваленты веществ

Вещество (анионы)	K, 10–6 кг/Кл	Вещество (катионы)	K, 10–6 кг/Кл
Гидроксил (OH–)	0,177	Алюминий (Al3+)	0,0932
Кислород (O2–)	0,0829	Водород (H+)	0,1045
Кислотный остаток (SO42–)	0,499	Железо (Fe3+)	0,193
Сера (S2–)	0,167	Золото (Au3+)	0,681
Хлор (Cl–)	0,367	Медь (Cu2+)	0,329
		Натрий (Na+)	0,238
		Никель (Ni2+)	0,30
		Серебро (Ag+)	1,11
		Ртуть (Hg+)	2,079
		Цинк (Zn2+)	0,339

Второй закон Фарадея:

• электрохимический эквивалент вещества K прямо пропорционален его химическому эквиваленту:

\[K=C\cdot \dfrac{M}{Z} .\]

Здесь С — коэффициент пропорциональности, постоянная величина, отношение $\dfrac{M}{Z} $ — химический эквивалент, M — молярная масса вещества, Z — валентность вещества.

Этот закон обычно записывают в ином виде, учитывая, что $C = \dfrac{1}{F}$, где F получила название постоянной Фарадея:

\[K=\frac{1}{F} \cdot \dfrac{M}{Z} .\]

• Постоянная Фарадея F равна произведению элементарного заряда e на число Авогадро N_A:

F = e⋅N_A, F = 9,65⋅10⁴ Кл/моль.

Законы Фарадея сыграли важную роль в истории развития физики. Они послужили толчком к выдвижению гипотезы о существовании в природе элементарного электрического заряда и позволили впервые определить его значение.

См. так же

1. Кикоин А.К. О числе Фарадея и удельном заряде заряженной частицы //Квант. — 1985. — № 2. — С. 25-26

Применение электролиза в технике

Электролиз находит широкое применение в технике.

Очистка или рафинирование металлов. Процесс происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом — тонкая пластинка из чистого металла, а электролитом — раствор соли данного металла, например, при рафинировании меди — раствор медного купороса. В загрязненных металлах могут содержаться ценные примеси. Так, в меди часто содержится никель и серебро. Для того чтобы на катоде выделялся только чистый металл, необходимо учитывать, что выделение каждого вещества начинается лишь при некоторой определенной разности потенциалов между электродами, называемой «потенциалом разложения». При надлежащем ее выборе из раствора медного купороса на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.

Электрометаллургия. Некоторые металлы, например, алюминий, получают методом электролиза из расплавленной руды. Электролитической ванной и одновременно катодом служит железный ящик с угольным полом, а анодом — угольные стержни. Температура руды (около 900 °С) поддерживается протекающим в ней током. Расплавленный алюминий опускается на дно ящика, откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.

Гальваностегия — электролитический способ покрытия металлических изделий слоем благородного или другого металла (золота, платины), не поддающегося окислению. Например, при никелировании предмета он сам служит катодом, кусок никеля — анодом. Пропуская через электролитическую ванну в течение некоторого времени электрический ток, покрывают предмет слоем никеля нужной толщины.

Гальванопластика, или электролитическое осаждение металла на поверхности предмета для воспроизведения его формы, была изобретена в 1837 г. русским ученым Б. С. Якоби, предложившим использовать электролиз для получения металлических отпечатков рельефных предметов (медалей, монет и др.). С предмета снимают слепок из воска или вырезают выпуклое изображение на деревянной доске и делают его проводящим, покрывая слоем графита. Затем опускают слепок или доску в качестве катода в электролит. Анодом служит кусок металла, используемого для осаждения. Этим способом изготовляют, например, типографские клише.

Электролитическим путем получают тяжелую воду (D₂O), в которой атомы водорода заменены атомами его изотопа — дейтерия (D) с атомной массой 2.

См. так же

1. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика //§3.6. Техническое применение электролиза

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 282-287.
2. Буров Л.И., Стрельченя В.Μ. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. — Мн.: Парадокс, 2000. — C. 228-232.
3. Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л. Г. Маркович. — Мн.: Нар. асвета, 2002. — С. 258-263.