"Физика", Андрюшечкин С.М.
Электролиты — растворы и расплавы, проводящие электрический ток благодаря свободным ионам. В электрическом поле положительные и отрицательные ионы движутся к электродам с противоположным зарядом, поэтому заряд в жидкости переносят частицы обоих знаков. У электродов ионы участвуют в химических реакциях, и на поверхности могут выделяться вещества. Это явление называют электролизом. Его используют, чтобы получать и очищать вещества, наносить металлические покрытия и создавать копии рельефных поверхностей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролит — расплав или раствор вещества, в котором есть свободные ионы и который проводит электрический ток. Например, к электролитам относятся растворы солей. Это понятие помогает отличать вещества, где заряд переносят ионы, от проводников, в которых ток создают другие частицы.
Ионы — положительно или отрицательно заряженные частицы, перемещающиеся в электролите. Они появляются, когда частицы вещества в растворе или расплаве распадаются на заряженные части. Зная знак иона, можно определить, к какому электроду он будет двигаться.
Электрод — проводник, через который ток входит в электролит или выходит из него. Обычно электроды погружены в раствор и соединены с источником тока. Их поверхности нужны для обмена электронами между ионами и проводником.
Электролиз — выделение веществ на электродах при прохождении тока через электролит. Он происходит потому, что ионы у электродов вступают в химические реакции. Это определение важно для понимания того, почему ток в растворе может менять состав вещества.
Некоторые вещества проводят ток в растворе или расплаве, потому что распадаются на положительные и отрицательные ионы. В твёрдом веществе частицы часто не могут свободно перемещаться, а в жидкости или расплаве ионы становятся подвижными. Когда свободных заряженных частиц достаточно, они могут переносить заряд через всё вещество. Поэтому, например, раствор соли проводит ток, а соль в обычном твёрдом состоянии — гораздо хуже.
Само наличие ионов ещё не означает, что они движутся в одном направлении: без электрического поля их перемещения беспорядочны. Подключённый источник тока создаёт поле, которое действует на заряженные частицы. Положительные ионы притягиваются к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному. Направленное движение зарядов и образует электрический ток в электролите.
В металлах заряд обычно переносится электронами, а в электролите — ионами обоих знаков. Ионы не только перемещаются, но и переносят заряд от одной части раствора к другой. Когда они доходят до электродов, их движение связано с химическими изменениями. Поэтому прохождение тока через электролит может менять состав раствора и поверхностей электродов.
На поверхности электрода ион обменивается электронами с проводником: он может принять электроны или отдать их. После этого частица иногда становится нейтральным атомом или молекулой. Такие частицы могут осесть на электроде или выделиться в виде газа. Эти процессы объясняют, почему при электролизе на электродах образуются новые вещества.
Поскольку вещества при электролизе могут оседать на электродах, процесс используют в технике. Так получают некоторые вещества и очищают металлы от примесей. Если нужно покрыть изделие тонким слоем металла, его делают одним из электродов, и металл оседает на его поверхности. Электролиз также позволяет изготовить копию рельефа: на поверхности постепенно нарастает слой, повторяющий её форму.
| Свойство | Металлы | Электролиты |
|---|---|---|
| Какие частицы переносят заряд | Свободные электроны | Положительные и отрицательные ионы |
| Что движется при прохождении тока | Электроны направленно движутся внутри металла | Ионы движутся к электродам противоположного заряда |
| Связано ли прохождение тока с химическими изменениями | Обычно нет | Может быть связано с химическими реакциями у электродов |
| Пример | Медный провод | Раствор соли в воде |
Сравнивай сначала частицы-переносчики: это главное различие между двумя видами проводимости. Затем смотри, связаны ли движение зарядов и химические изменения. Таблица помогает не путать перенос электронов в металле с переносом ионов в электролите.
Задача 1. В растворе соли находятся положительные и отрицательные ионы. Нужно указать, к какому электроду движется каждый вид ионов. Чтобы ответить, достаточно сравнить знак заряда иона со знаком электрода: разноимённые заряды притягиваются. Учитывай, что положительный электрод называют анодом, а отрицательный — катодом.
Ответ: положительные ионы движутся к отрицательному электроду, отрицательные — к положительному. Проверка: в каждом случае ион направляется к электроду с противоположным зарядом.
Задача 2. Через раствор электролита в течение 5 минут проходит ток силой 0,4 А. Найдём электрический заряд, прошедший через раствор. Используем формулу q = It, где q — заряд, I — сила тока, а t — время. Перед подстановкой переведём минуты в секунды, чтобы единицы соответствовали амперам.
Ответ: через раствор прошёл заряд 120 Кл. Смысл результата можно проверить по формуле: за каждую секунду переносится 0,4 Кл, а за 300 секунд — в 300 раз больше.
Задача 3. При электролизе на катоде выделился металл. Нужно объяснить, какие частицы переносили заряд в растворе и что произошло с ионами металла. Катод в этой задаче — отрицательный электрод, поэтому к нему движутся положительные ионы металла. Чтобы металл выделился в виде нейтральных атомов, ионам нужно получить электроны.
Ответ: в растворе ток переносили ионы обоих знаков, а ионы металла у катода приняли электроны и осели на нём в виде металла.
Ошибка: считать, что ток в электролите создают только электроны. Так думают, потому что в металлических проводах именно электроны переносят заряд. В растворе же направленно движутся и положительные, и отрицательные ионы. Проверь себя: назови частицы, которые могут свободно перемещаться внутри электролита, а не только у электрода.
Ошибка: путать направление движения ионов с направлением условного тока. Положительный ион движется по направлению условного тока, а отрицательный — против него, поэтому их направления различаются. Путаница возникает, если забыть, что у частиц разные знаки заряда. Для проверки проследи отдельно за движением каждого знака: положительные идут к отрицательному электроду, отрицательные — к положительному.
Ошибка: считать, что электроды не участвуют в электролизе. Ионы достигают поверхности электродов и именно там принимают или отдают электроны. Это можно упустить, если представлять ток только как движение частиц внутри раствора. Проверь себя вопросом: где наблюдаются выделение вещества и химические реакции? Ответ — на электродах.
Ошибка: считать, что любой раствор проводит ток. Вода или раствор без достаточного количества свободных заряженных частиц проводит ток плохо. Растворы солей проводят лучше, потому что в них есть подвижные ионы. Чтобы проверить предположение о проводимости, выясни, имеются ли в жидкости свободные ионы, способные двигаться в электрическом поле.
Чтобы понять ток в электролитах, нужно знать, что такое электрический ток, сила тока, электрический заряд и электрическое поле. С химией тема связана через растворы, ионы и реакции, происходящие на электродах. Формула q = It связывает заряд, силу тока и время; например, она позволяет найти заряд, прошедший через раствор. Знания об электролитах пригодятся при изучении электрохимических источников тока и применения электричества в производстве.
Почему чистая вода проводит ток хуже, чем раствор соли?
В чистой воде намного меньше свободных ионов, чем в растворе соли. Поэтому в ней меньше частиц, способных переносить электрический заряд.
Какие частицы создают ток в электролите?
Ток в электролите создают положительные и отрицательные ионы, которые направленно движутся в электрическом поле. Электроны также участвуют в процессах на электродах, но в растворе заряд переносят именно ионы.
Куда движутся положительные и отрицательные ионы?
Положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному. Частицы притягиваются к электроду с противоположным зарядом.
Почему при электролизе на электродах выделяются вещества?
Достигнув электрода, ионы обмениваются с ним электронами: одни принимают электроны, другие отдают их. После этого частицы могут превратиться в нейтральные атомы или молекулы и выделиться на поверхности.
Где электролиз применяют в повседневной жизни и промышленности?
Электролиз используют для получения и очистки металлов и других веществ, а также для нанесения тонкого металлического слоя на изделия. С его помощью можно изготовить копии рельефных поверхностей.
§ 34. Ток в электролитах
