§ 76. Электропроводность электролитов

Определения и обозначения

Электролиты — растворы или расплавы веществ, где электрический заряд переносят положительные и отрицательные ионы. В металлах проводимость создают свободные электроны, а в электролитах направленно движутся частицы обоих знаков. Это различие объясняет, почему ток в растворе связан не только с переносом заряда, но и с химическими изменениями.

Электролитическая диссоциация — распад молекул вещества на положительные и отрицательные ионы при растворении или плавлении. Процесс создаёт свободные носители заряда, которых не было в подвижном состоянии внутри твёрдого вещества. Поэтому именно диссоциация делает раствор или расплав проводящим.

Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении тока через электролит. Ионы переносят заряд внутри раствора, а на электродах вступают в реакции и превращаются в нейтральные частицы. Термин нужен, чтобы подчеркнуть химический результат прохождения электрического тока.

Электрохимический эквивалент — коэффициент k в формуле m = kIt, показывающий, какая масса вещества выделяется при переносе заряда 1 Кл. Его значение зависит от рода вещества. Чем больше k, тем большая масса выделится при том же токе и времени.

Как это устроено

При растворении соли молекулы воды ослабляют связи между частицами кристалла, а при плавлении нагревание разрушает устойчивую решётку. Ионы получают возможность перемещаться по всему объёму жидкости или расплава. В твёрдом кристалле ионы тоже заряжены, но лишь колеблются около своих мест, поэтому направленного переноса заряда почти нет.

Электрическое поле действует на ионы с силами противоположных направлений. Катионы притягиваются к отрицательно заряженному электроду — катоду, анионы движутся к положительно заряженному аноду. Суммарное направление условного тока совпадает с движением положительных зарядов, хотя отрицательные ионы перемещаются навстречу ему.

У электрода ион взаимодействует с электронами внешней цепи. Катион принимает электроны на катоде и может превратиться в нейтральный атом металла, а анион отдаёт электроны на аноде, образуя нейтральный атом или молекулу. Поэтому на электродах появляется осадок, газ или другое новое вещество, а ток сопровождается химической реакцией.

Масса продукта зависит от того, какой заряд прошёл через электролит: q = It. Закон электролиза Фарадея утверждает, что при неизменном веществе масса прямо пропорциональна заряду: m = kq, или m = kIt. Значит, увеличение силы тока или времени его прохождения во столько же раз увеличивает массу выделившегося вещества.

Электропроводность электролитов и электролиз

Таблицу удобно использовать как краткую схему: сначала определить носители и направление их движения, затем выбрать нужную формулу. Если известны сила тока и время, находят заряд q = It, а после этого массу осадка.

Следите за единицами: при k в кг/Кл время берут в секундах, а массу получают в килограммах. Если k задан в мг/Кл, результат сразу получится в миллиграммах.

Разбор задач

Задача 1

Условие: через раствор электролита 5 мин проходит ток силой 2 А. Найти количество электричества.

1. Количество электричества связано с током формулой q = It.
2. Переведём время: t = 5 · 60 = 300 с.
3. Подставим значения: q = 2 · 300 = 600 Кл.

Ответ: через раствор перенесено 600 Кл электричества. Перевод минут в секунды обязателен, потому что сила тока задана в амперах, то есть в кулонах за секунду.

Задача 2

Условие: k = 0,30 мг/Кл, I = 4 А, t = 10 мин. Найти массу выделившегося вещества.

1. Переведём время: t = 10 · 60 = 600 с.
2. Найдём заряд: q = It = 4 · 600 = 2400 Кл.
3. Используем закон электролиза: m = kq = 0,30 · 2400 = 720 мг.

Ответ: выделилось 720 мг, или 0,72 г вещества. Сначала найден заряд, потому что электрохимический эквивалент показывает массу, приходящуюся на каждый кулон.

Задача 3

Условие: за 20 мин выделилось 1,2 г металла; k = 0,50 мг/Кл. Определить силу тока.

1. Согласуем единицы: 1,2 г = 1200 мг, 20 мин = 1200 с.
2. Из m = kIt выразим ток: I = m/(kt).
3. Вычислим: I = 1200/(0,50 · 1200) = 2 А.

Ответ: сила тока равна 2 А. Перед подстановкой масса переведена в миллиграммы, поскольку именно в миллиграммах задан k.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что ток в растворе создают электроны, как в металле. Так путают два механизма проводимости; проверьте себя: внутри электролита должны быть указаны катионы и анионы, а электроны участвуют в цепи и реакциях на электродах.

Ошибка 2. Менять местами направления движения ионов. Причина — попытка определить электрод только по знаку иона; запомните связь: катион идёт к катоду, анион — к аноду.

Ошибка 3. Считать электролиз только переносом ионов. Это неполное описание, потому что на электродах идут реакции; проверьте ответ вопросом: какое вещество образовалось или выделилось?

Ошибка 4. Подставлять минуты и граммы без согласования единиц. Такая ошибка возникает при механическом использовании формулы; перед расчётом сравните единицы t и k, а также m и единицу массы в k.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия электрического тока, силы тока, заряда и связь q = It. Она опирается и на химию: растворение, ионы и реакции на электродах объясняют поведение электролита.

С металлами электролиты сравнивают по носителям заряда: в металле движутся электроны, в растворе — ионы. Закон электролиза позволяет рассчитывать получение веществ в промышленности, например при нанесении покрытий и очистке металлов.

Что запомнить

• В электролитах носителями заряда служат положительные и отрицательные ионы.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• При электролизе на электродах происходят химические превращения.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду.
• Закон электролиза записывается как m = kIt.
• Электрохимический эквивалент k зависит от вещества.