1. Электрический ток в электролитах

Определения и обозначения

Электролит — раствор или расплав, содержащий свободные положительно и отрицательно заряженные ионы и проводящий электрический ток. Это понятие нужно, чтобы отличать проводники с ионными носителями заряда от металлов, где ток создают электроны.

Электролитическая диссоциация — распад молекул вещества на положительные и отрицательные ионы при растворении или плавлении. Благодаря этому в электролите появляются частицы, способные перемещаться под действием электрического поля.

Электролиз — совокупность химических процессов на электродах, вызываемых прохождением тока через электролит. Термин используют, когда ток не просто переносит заряд, а приводит к выделению вещества или образованию новых веществ.

Электрохимический эквивалент — масса вещества, выделяющаяся на электроде при прохождении через электролит заряда 1 Кл. Его обозначают буквой k; он позволяет связать прошедший заряд с массой осадка или выделившегося вещества.

Как это устроено

В кристалле соли ионы удерживаются силами взаимодействия и не могут свободно перемещаться. При растворении полярные молекулы растворителя ослабляют эти связи и окружают ионы, а при плавлении нагревание разрушает упорядоченную решётку. Поэтому частицы становятся свободными носителями заряда, хотя в целом раствор остаётся электрически нейтральным.

Электрическое поле действует на ионы с силами противоположных направлений: катионы движутся к отрицательному электроду — катоду, анионы — к положительному электроду — аноду. Такое движение возникает потому, что сила на заряд равна по направлению полю для положительного заряда и противоположна ему для отрицательного. Условное направление тока совпадает с движением положительных зарядов и противоположно движению электронов; вклад анионов учитывается с обратным направлением.

Ионы не просто перемещаются внутри раствора, а приносят к электродам вещество. На катоде катионы обычно принимают электроны, превращаясь в нейтральные атомы или осаждаясь на поверхности; на аноде анионы могут отдавать электроны и образовывать новые частицы. Поэтому электролиз сопровождается химическими реакциями, выделением металла, газа или изменением состава раствора.

Масса выделившегося вещества определяется тем, какой заряд прошёл через электролит: большее число перенесённых зарядов вызывает больше превращений. Она зависит также от рода вещества и его валентности, то есть от числа электронов, участвующих в превращении одного иона. Закон Фарадея записывают так: m = kq, а при постоянном токе, когда q = It, получают m = kIt.

Электрический ток в металлах и электролитах

Сравнивая столбцы, сначала определите носителей заряда, затем проверьте, переносится ли вещество и меняется ли состав проводника. Последняя строка показывает, где применим закон Фарадея. При решении задач об электролизе особенно важно использовать полный заряд q, а не только силу тока.

Разбор задач

Движение ионов в растворе

В растворе сульфата меди находятся ионы Cu²⁺ и SO₄²⁻. Нужно определить их движение после подключения электродов к источнику тока. Направление находят по знаку заряда, не путая название электрода с зарядом иона.

1. Cu²⁺ — положительный ион, поэтому он движется к катоду.
2. SO₄²⁻ — отрицательный ион, поэтому он движется к аноду.
3. При электролизе катод соединён с отрицательным полюсом, а анод — с положительным.

Ответ: Cu²⁺ движется к катоду, SO₄²⁻ — к аноду.

Масса вещества по электрохимическому эквиваленту

Дано: I = 2 А, t = 10 мин, k = 0,33 мг/Кл. Сначала нужно перевести минуты в секунды и найти заряд, потому что именно заряд определяет массу выделившегося вещества.

1. t = 10 · 60 = 600 с.
2. q = It = 2 · 600 = 1200 Кл.
3. m = kq = 0,33 · 1200 = 396 мг = 0,396 г.

Ответ: на электроде выделится 396 мг, или 0,396 г вещества.

Время выделения серебра

Дано: m = 1,08 г, I = 2 А, M(Ag) = 108 г/моль, z = 1, F = 9,65·10⁴ Кл/моль. Здесь удобнее применить объединённый закон Фарадея: m = MIt/(Fz), а затем выразить время.

1. t = mFz/(MI).
2. t = 1,08 · 9,65·10⁴/(108 · 2) = 482,5 с.
3. 482,5 с примерно равны 8,0 мин.

Ответ: серебро будет выделяться около 483 с, или 8 мин.

Типичные ошибки

Ошибка: называют электроны носителями тока в электролите. Так происходит из-за переноса свойств металлов на растворы; проверить себя можно вопросом: какие частицы свободно перемещаются в растворе — ионы.

Ошибка: считают катод всегда положительным, а анод всегда отрицательным. Для электролиза нужно помнить о подключении к источнику: катод отрицателен, анод положителен.

Ошибка: утверждают, что движение положительных ионов противоположно току. Направление тока совпадает с движением катионов, но противоположно движению анионов; это легко проверить по знаку заряда.

Ошибка: в законе Фарадея используют только силу тока. Масса зависит от полного заряда, поэтому сначала находят q = It и обязательно переводят время в секунды.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны сила тока, электрический заряд, напряжение и условное направление тока. Из химии пригодятся строение атома, понятия иона и валентности, а также окислительно-восстановительные реакции. Знания об электролизе применяются при гальванических покрытиях, получении металлов, работе аккумуляторов и электрохимических источников тока.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток благодаря направленному движению положительных и отрицательных ионов.
• Ионы образуются при электролитической диссоциации вещества.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• Ток в электролите сопровождается химическими реакциями на электродах.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду: m = kq.
• При постоянном токе q = It, поэтому m = kIt.
• Электрохимический эквивалент зависит от рода вещества и его валентности.