§ 10. Электрический ток в электролитах. Электролиз и его применение

Определения и обозначения

Электролит — вещество, раствор или расплав, содержащий свободные положительные и отрицательные ионы и проводящий электрический ток. Ионы появляются при распаде вещества на заряженные частицы. Это понятие помогает отличать ионную проводимость растворов и расплавов от электронной проводимости металлов.

Электролиз — совокупность химических реакций на электродах, вызванных прохождением электрического тока через электролит. Внешний источник заставляет реакции идти в нужном направлении. Поэтому электрическая энергия при электролизе превращается в химическую.

Электроды — проводники, погружённые в электролит и соединённые с источником тока. Катод и анод являются местами, где частицы принимают или отдают электроны. Через электроды ток входит в электролит и выходит из него.

Электрохимический эквивалент — масса вещества, выделяющаяся на электроде при прохождении заряда 1 Кл; обозначается k. Он зависит от самого вещества и показывает, насколько эффективно данный заряд вызывает выделение продукта. Основная единица k — кг/Кл.

Как это устроено

Раствор соли проводит ток потому, что при диссоциации, то есть распаде вещества на ионы, в нём появляются подвижные заряженные частицы. В электрическом поле катионы испытывают силу в сторону отрицательного электрода, а анионы — в сторону положительного. В расплаве ионы также свободны, поскольку нагрев разрушает ионную решётку кристалла.

Цепь для электролиза состоит из источника тока, металлических проводов, электродов и электролита. В проводах заряд переносят электроны, а внутри раствора или расплава — ионы, поэтому ток не прекращается на границе металл—электролит. Электроны поступают от отрицательного полюса к катоду, а затем реакции на электродах обеспечивают перенос заряда через электролит.

На катоде частицы принимают электроны, то есть восстанавливаются: например, ион Cu²⁺ превращается в атом меди. На аноде частицы отдают электроны и окисляются, например ионы хлора образуют молекулы Cl₂. При электролизе катод подключён к отрицательному полюсу источника, а анод — к положительному, поэтому к ним притягиваются катионы и анионы соответственно.

Результатом электролиза может быть осаждение металла, выделение водорода, кислорода или другого вещества, а иногда — растворение анода. Продукт определяется тем, какие ионы присутствуют в электролите и какие реакции энергетически выгоднее. Материал электрода тоже важен: инертный электрод почти не расходуется, а активный может сам переходить в раствор.

Количество продукта связано с прошедшим зарядом: чем больше сила тока и время его действия, тем больше частиц участвует в реакциях. Первый закон Фарадея выражается формулой m = kIt = kq, где q = It. По второму закону Фарадея при одинаковом заряде массы пропорциональны химическим эквивалентам, то есть отношению M/z.

Основные понятия, процессы и закономерности электролиза

Таблица помогает сначала определить, какие частицы движутся и какая реакция идёт на каждом электроде. Затем по формулам можно связать массу продукта с зарядом и характеристиками вещества. При решении практической задачи выбирайте строку с нужным законом и проверяйте единицы величин.

Разбор задач

1. Масса меди по первому закону Фарадея

Найти массу меди при токе 2 А за 30 мин, если k = 0,00033 кг/Кл. Электролит содержит ионы меди, поэтому медь осаждается на катоде. Сначала нужно перевести время в секунды.

1. Переводим время: t = 30 · 60 = 1800 с.
2. Находим заряд: q = It = 2 · 1800 = 3600 Кл.
3. Используем первый закон: m = kq = 0,00033 · 3600 = 1,188 кг.

Ответ: на катоде выделится 1,188 кг меди, или примерно 1,19 кг.

2. Заряд и время для выделения алюминия

Нужно выделить 5,4 г алюминия током 10 А. Используем M = 0,027 кг/моль, z = 3 и F ≈ 96500 Кл/моль. Число z равно трём, потому что ион Al³⁺ принимает три электрона.

1. Переводим массу: m = 0,0054 кг.
2. Из формулы m = Mzq/(?) нет; используем правильную запись m = Mq/(zF) и выражаем заряд: q = mzF/M.
3. Получаем q = 0,0054 · 3 · 96500 / 0,027 = 57900 Кл.
4. Время: t = q/I = 57900/10 = 5790 с, то есть 96,5 мин.

Ответ: потребуется заряд 57900 Кл и время 5790 с, или около 1 ч 37 мин.

3. Сравнение масс меди и серебра

При последовательном электролизе через растворы проходит одинаковый заряд. Для меди возьмём M = 64 г/моль, z = 2, для серебра — M = 108 г/моль, z = 1. Поэтому сравниваем не только молярные массы, но и число электронов.

1. Для меди вычисляем химический эквивалент: M/z = 64/2 = 32.
2. Для серебра: M/z = 108/1 = 108.
3. Отношение масс: m₍Ag₎/m₍Cu₎ = 108/32 ≈ 3,375.

Ответ: при одинаковом заряде серебра выделится примерно в 3,4 раза больше, чем меди.

Типичные ошибки

Ученик считает, что ток в электролите создают электроны. Такую ошибку допускают из-за привычного представления о металлических проводниках. Проверьте себя: в растворе или расплаве должны быть указаны движущиеся катионы и анионы.

Иногда катод считают положительным, а анод отрицательным. Причина — смешение электролизёра с химическим источником тока. При электролизе катод соединён с минусом, анод — с плюсом; это можно проверить по направлению движения катионов и анионов.

Неверно говорить, что на катоде идёт окисление, а на аноде — восстановление. Ошибка возникает при запоминании знаков вместо смысла реакций. Подсказка проста: восстановление всегда означает принятие электронов и происходит на катоде, а отдача электронов и окисление — на аноде.

Ещё одна ошибка — подстановка минут или часов в формулу m = kIt. Из-за этого время оказывается завышенным или заниженным в 60 или 3600 раз. Перед вычислением переведите время в секунды и проверьте, что заряд q получился в кулонах.

Связь с другими темами

Для понимания электролиза нужны сила тока, заряд, напряжение, сопротивление и закон Ома. Эти величины позволяют описывать электрическую цепь и рассчитывать прошедший заряд.

Из химии понадобятся строение атома, ионы, валентность, окисление и восстановление. Без них трудно определить направление движения частиц и продукты реакций на электродах.

Тема связана с источниками тока, аккумуляторами, электрохимией и промышленностью. Она объясняет производство и очистку металлов, гальванические покрытия и получение химических веществ.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток благодаря направленному движению ионов.
• Катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду.
• На катоде происходит восстановление, на аноде — окисление.
• При электролизе электрическая энергия превращается в химическую.
• Масса выделившегося вещества определяется формулой m = kIt.
• При одинаковом заряде массы веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.
• Электролиз применяют для получения, очистки и нанесения металлов.