4. Электрический ток в жидкостях и газах

Определения и обозначения

Электролит — жидкость, в которой есть свободные положительные и отрицательные ионы, способные переносить заряд. К электролитам относятся растворы и расплавы некоторых веществ. Это понятие помогает отличить проводящую жидкость от той, где заряд переносится иначе или почти не переносится.

Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении тока через электролит. Электроды — проводники, через которые ток входит в жидкость и выходит из неё. Понятие электролиза нужно, чтобы описывать превращение электрической энергии в химические изменения.

Закон Фарадея для электролиза связывает массу выделившегося вещества с зарядом, прошедшим через электролит: m = kq = kIt. Здесь m — масса, q — заряд, I — сила тока, t — время. Закон позволяет по известным электрическим величинам найти массу осадка или, наоборот, определить заряд и ток.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. В отличие от электролита, обычный газ содержит мало свободных заряженных частиц, поэтому для разряда нужны условия, при которых такие частицы появятся. Термин используют при описании свечения газа, искр и пробоя.

Как это устроено

В растворе или расплаве электролита молекулы могут распадаться на положительные и отрицательные ионы. Это происходит потому, что взаимодействие с растворителем или нагрев ослабляет связь между частями вещества. Получившиеся ионы свободны перемещаться, поэтому становятся носителями заряда. Если приложить напряжение, электрическое поле начинает направленно перемещать их.

Положительные ионы движутся к отрицательно заряженному катоду, а отрицательные — к положительно заряженному аноду. Так происходит потому, что заряды противоположных знаков притягиваются, а одноимённых — отталкиваются. Движение ионов обоих знаков создаёт ток в электролите. При этом сами ионы направляются к разным электродам, хотя их перемещение вместе обеспечивает перенос заряда через жидкость.

У катода положительные ионы получают электроны, а у анода отрицательные ионы отдают их. Электроны участвуют в обмене зарядом на границе электрода и электролита. После этого ионы становятся нейтральными атомами или молекулами, которые могут осесть на электроде либо вступить в химическую реакцию. Поэтому прохождение тока способно менять состав электролита и приводить к выделению вещества.

Чем больше электрический заряд проходит через электролит, тем больше ионов может достичь электродов и тем больше вещества выделяется. Закон Фарадея выражает эту пропорциональность формулой m = kq; поскольку q = It, можно записать m = kIt. Коэффициент k называют электрохимическим эквивалентом: он зависит от вещества и показывает, какая масса выделяется при прохождении единичного заряда. Поэтому для одного и того же заряда разные вещества дают разные массы.

В обычных условиях в газе мало свободных электронов и ионов: большинство его частиц электрически нейтральны. Без подвижных зарядов газ почти не проводит ток, поэтому необходимо создать носители заряда. При ионизации от атомов или молекул отделяются электроны либо возникают другие заряженные частицы. Электрическое поле ускоряет их, а столкновения с частицами газа могут вызвать новую ионизацию, поддерживая разряд.

Электрический ток в электролитах и газах

Сравнивайте столбцы, чтобы увидеть, что в обоих случаях ток связан с движением заряженных частиц, но сами частицы и условия их появления различаются. Строки о направлении движения ионов и о процессах у электродов особенно полезны при объяснении электролиза. Не переносите описание электролита на газ: его носители возникают при ионизации.

Разбор задач

Задача 1. Через раствор электролита прошёл заряд 120 Кл. Найдите массу выделившегося вещества, если его электрохимический эквивалент равен 0,33 мг/Кл.

1. Используем закон Фарадея: m = kq. В условии уже дан прошедший заряд, поэтому дополнительно искать его не нужно.
2. Подставляем значения: m = 0,33 мг/Кл · 120 Кл = 39,6 мг. Кл сокращаются, и результат получается в миллиграммах.

Ответ: 39,6 мг.

Задача 2. При электролизе за 10 минут выделилось 0,20 г вещества. Найдите силу тока, если k = 0,20 мг/Кл.

1. Переводим величины: m = 200 мг, t = 600 с. Массу удобно выразить в миллиграммах, чтобы её единица совпадала с единицей k.
2. Из m = kq находим q = m/k = 200/0,20 = 1000 Кл. Затем из q = It получаем I = q/t = 1000/600 ≈ 1,67 А.
3. Проверяем размерность: Кл/с — это ампер. Если оставить время в минутах, значение силы тока получится ошибочным.

Ответ: примерно 1,67 А.

Задача 3. Два электролизёра соединены последовательно. За время t в первом выделилось 0,54 г серебра; k серебра равно 1,12 мг/Кл, k меди — 0,33 мг/Кл. Найдите массу меди во втором электролизёре.

1. В последовательной цепи через оба электролизёра проходит одинаковый заряд. По закону Фарадея для серебра сначала определяем этот заряд.
2. Переводим 0,54 г в 540 мг: q = m/k = 540/1,12 ≈ 482,1 Кл. Тот же заряд проходит через раствор меди.
3. Находим массу меди: m = kq = 0,33 · 482,1 ≈ 159 мг, то есть около 0,159 г.

Ответ: около 0,159 г меди.

Типичные ошибки

Считать, что в электролите ток переносят только электроны, — значит забыть о движении ионов внутри жидкости. Так ошибаются, перенося на раствор модель металлического проводника. Проверьте себя вопросом: какие частицы перемещаются между электродами? В электролите это положительные и отрицательные ионы.

Путать направления движения ионов легко, если помнить только, что частицы движутся к противоположному заряду, но забыть названия электродов. Положительные ионы направляются к катоду, отрицательные — к аноду. Чтобы проверить ответ, вспомните: катод при электролизе отрицателен, а анод положителен.

Подставлять в закон Фарадея время вместо заряда нельзя: формула m = kq содержит q, а не t. Ошибка возникает, если забыть связь q = It. Перед расчётом выпишите известные величины и проверьте, есть ли заряд; если дано только время и сила тока, сначала найдите q.

Считать, что газ проводит ток без свободных носителей, — значит не учитывать почти полное отсутствие заряженных частиц в обычном газе. Иногда путают наличие молекул с наличием носителей заряда, хотя нейтральная молекула не переносит заряд как ион или электрон. Проверка простая: для тока в газе должны быть свободные электроны и ионы, которые создаёт ионизация.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия силы тока, электрического заряда и напряжения, а также знание того, как электрическое поле действует на заряженные частицы. Именно эти идеи объясняют направленное движение ионов в электролите и частиц в газе. Электролиз применяют для получения и очистки металлов, нанесения металлических покрытий и измерения заряда. Ионизация и газовый разряд помогают понять работу ламп, искрового разряда и явление электрического пробоя.

Что запомнить

• В электролитах носителями заряда служат положительные и отрицательные ионы.
• Положительные ионы движутся к катоду, отрицательные — к аноду.
• При электролизе на электродах выделяется вещество.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду: m = kq.
• В газе ток возникает при наличии свободных электронов и ионов.
• Ионизация газа создаёт носители заряда, необходимые для газового разряда.