§ 30. Химическое действие электрического тока. Закон Фарадея

Определения и обозначения

Химическое действие электрического тока — изменения в растворе или расплаве электролита, происходящие при прохождении тока. Например, на электродах может появиться новое вещество. Это понятие помогает отличать химическое действие тока от теплового и других его действий.

Электролиз — выделение вещества на электродах или другие химические изменения в электролите, вызванные током. Электролитом называют раствор или расплав, в котором ток переносится ионами. Термин нужен, чтобы назвать сам процесс и описывать его практическое применение.

Электрохимический эквивалент — масса вещества, выделяемая при прохождении единичного электрического заряда; обозначается k. Например, если k задано в мг/Кл, оно показывает, сколько миллиграммов вещества приходится на один кулон. Эта величина позволяет учитывать, что разные вещества выделяются в неодинаковых количествах.

Закон Фарадея утверждает, что масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит. При одинаковом веществе и условиях удвоение заряда приводит к удвоению массы. Закон нужен для расчёта массы вещества по известному заряду.

Как это устроено

В электролите есть положительные и отрицательные ионы — заряженные частицы, на которые распадаются некоторые вещества в растворе или расплаве. Под действием электрического поля положительные ионы начинают двигаться в одну сторону, отрицательные — в другую. Их упорядоченное движение и создаёт электрический ток. В металлическом проводнике заряд, напротив, переносят свободные электроны.

Электроды — проводники, через которые ток входит в электролит и выходит из него. Положительные ионы притягиваются к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному, потому что заряды противоположных знаков притягиваются. Достигнув электрода, ионы могут получить или отдать электроны. Поэтому состав частиц меняется, и возникают химические превращения.

Когда частицы после превращений образуют вещество, оно может осесть на электроде или выделиться около него. Это один из наблюдаемых результатов электролиза; в иных случаях меняется состав самого раствора или расплава. Причина изменений — взаимодействие ионов с электродами и перенос электронов. Поэтому химическое действие тока нельзя объяснить только нагреванием проводника.

Количество вещества зависит от того, сколько электрического заряда прошло через электролит. Заряд показывает, какое количество электричества перенесено; при неизменных условиях больший заряд означает, что через электролит прошло больше ионов. Следовательно, больше частиц может участвовать в превращениях, и на электроде выделится большая масса. Это прямая пропорциональность: при увеличении заряда в несколько раз масса увеличивается во столько же раз.

Обозначим массу через m, заряд через q, а электрохимический эквивалент через k. Тогда закон Фарадея записывается как m = kq, поскольку k показывает массу, приходящуюся на единицу заряда. Если сила тока I постоянна, а время его прохождения равно t, заряд равен q = It. Подстановка этого выражения в закон Фарадея даёт формулу m = kIt; значение k зависит от вещества.

Величины и соотношения при электролизе

Сначала определите, какие величины известны и какую требуется найти, затем выберите подходящую формулу. В выражении q = It подставляйте время в секундах, а единицы массы согласуйте с единицами k. Например, при k в мг/Кл масса по формуле m = kq получится в миллиграммах.

Разбор задач

Задача 1. Через раствор электролита прошёл заряд 120 Кл. Электрохимический эквивалент вещества равен 0,30 мг/Кл. Найдите массу выделившегося вещества.
Решение:

1. Запишем закон Фарадея: m = kq.
2. Проверим единицы: k задан в мг/Кл, заряд — в кулонах, поэтому результат будет в миллиграммах.
3. Подставим значения: m = 0,30 · 120 = 36 мг.

Ответ: 36 мг.

Задача 2. При силе тока 2 А электролиз продолжался 10 мин. Электрохимический эквивалент равен 0,20 мг/Кл. Определите массу вещества.
Решение:

1. Переведём время в секунды: 10 мин = 600 с.
2. Найдём заряд: q = It = 2 · 600 = 1200 Кл.
3. Применим закон Фарадея: m = kq = 0,20 · 1200 = 240 мг.

Ответ: 240 мг.

Задача 3. За 15 мин электролиза на электроде выделилось 0,72 г вещества. Электрохимический эквивалент равен 0,40 мг/Кл. Найдите силу тока.
Решение:

1. Переведём массу в миллиграммы: 0,72 г = 720 мг, чтобы единицы совпадали с k.
2. Выразим заряд из закона Фарадея: q = m/k = 720/0,40 = 1800 Кл.
3. Переведём время: 15 мин = 900 с. Из q = It найдём I = q/t = 1800/900 = 2 А.

Ответ: 2 А.

Типичные ошибки

Неверно считать, что ток в электролите создают электроны. Такую модель легко перенести с металлического проводника, где заряд действительно переносят электроны. В растворе или расплаве заряд переносят ионы. Проверьте себя: если в условии речь идёт об электролите, укажите в ответе именно движение ионов.

Иногда путают, к каким электродам движутся ионы. Причина ошибки — смешение знаков ионов и электродов. Положительные ионы притягиваются к отрицательному электроду, отрицательные — к положительному. Чтобы проверить направление, вспомните: противоположные заряды притягиваются.

Подстановка времени в минутах в q = It даёт неверный заряд, потому что ампер выражает кулоны в секунду. Минуты нужно превратить в секунды умножением на 60. Перед вычислением проверьте единицу времени: в этой формуле при I в амперах требуется t в секундах.

Если k дано в мг/Кл, а массу подставить в граммах, результат окажется ошибочным. Такое несоответствие возникает, когда единицы проверяют только после вычислений. Переведите граммы в миллиграммы или k в согласованные единицы до подстановки. Самопроверка: в m = kq единица массы должна соответствовать единице в числителе k.

Связь с другими темами

Для расчётов по закону Фарадея нужны понятия электрического тока, силы тока и электрического заряда. Также пригодится связь q = It: она позволяет определить заряд по силе тока и времени его прохождения. Без неё задачу с известными I и t сначала не свести к формуле электролиза.

Химическое действие дополняет изученные действия электрического тока, например тепловое. Оно показывает, что ток способен не только нагревать проводник, но и вызывать химические изменения в электролите. Так электрические явления связываются с превращениями вещества.

Электролиз применяют для получения и очистки веществ, а также для нанесения металлических покрытий. Закон Фарадея помогает рассчитать, сколько вещества выделится за определённое время при заданной силе тока. Поэтому он нужен не только для решения школьных задач, но и для понимания практических процессов.

Что запомнить

• В электролитах электрический ток создаётся направленным движением ионов.
• При электролизе на электродах происходят химические изменения.
• Масса выделившегося вещества прямо пропорциональна прошедшему заряду.
• Закон Фарадея записывается как m = kq.
• Заряд, прошедший через электролит, можно найти по формуле q = It.
• Для расчётов по формуле m = kIt время нужно выражать в секундах.