§ 25. Ток в электролитах

Определения и обозначения

Электролит — вещество, расплав или раствор которого проводит электрический ток благодаря направленному движению ионов. Ионы — заряженные частицы, возникающие из атомов или групп атомов. Это понятие помогает отличить проводник с ионной проводимостью от металла, где ток создают электроны.

Электролитическая диссоциация — распад молекул вещества на положительные и отрицательные ионы при растворении или плавлении. Например, при растворении соли её частицы получают возможность свободно перемещаться в жидкости. Диссоциация объясняет, откуда в электролите берутся носители заряда.

Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении тока через электролит. Электроды — проводники, через которые ток входит в раствор или выходит из него. Понятие электролиза нужно, чтобы описывать химические изменения, вызванные электрическим током.

Электрохимический эквивалент — коэффициент k, показывающий, какая масса вещества выделяется на электроде при прохождении заряда 1 Кл. Его единица в СИ — кг/Кл, но в задачах часто используют мг/Кл. С помощью k связывают прошедший заряд с массой полученного вещества.

Как это устроено

Некоторые вещества состоят из частиц, которые в твёрдом состоянии удерживаются вместе. Когда такое вещество растворяется в подходящей жидкости или плавится, связи между его частицами ослабевают, и они распадаются на ионы. Этот процесс называют электролитической диссоциацией. В результате в растворе или расплаве появляются заряженные частицы, способные перемещаться.

Без электрического поля ионы движутся беспорядочно, поэтому их перемещения в среднем не создают направленного переноса заряда. Если подключить электроды к источнику напряжения, внутри электролита возникает поле. Оно действует на ионы с разными знаками в противоположных направлениях: положительные катионы идут к отрицательному катоду, а отрицательные анионы — к положительному аноду. Движение обоих видов ионов образует электрический ток.

В металле при прохождении тока перемещаются электроны, а сами частицы вещества остаются на месте. В электролите к электродам движутся ионы, перенося заряд и составляющие вещества. На границе с электродом ионы могут отдавать или принимать электроны и превращаться в нейтральные частицы. Поэтому ток здесь сопровождается химическими реакциями и переносом вещества, а не только движением заряда.

Выделенная масса зависит от общего заряда, прошедшего через электролит: чем больше заряд, тем больше вещества вступает в реакцию на электродах. Закон электролиза записывают так: m = kq, где m — масса, q — заряд, k — электрохимический эквивалент. Так как при постоянной силе тока q = It, получаем m = kIt. Значит, одинаковый ток за большее время обычно приводит к выделению большей массы.

Значение k различается для разных веществ и зависит от того, сколько вещества соответствует переносу заданного заряда. Если M — молярная масса вещества, z — валентность иона, а F — постоянная Фарадея, то k = M/(zF). Постоянная Фарадея равна примерно 9,65·10⁴ Кл/моль и связывает заряд с количеством вещества. Поэтому электрохимический эквивалент возрастает с молярной массой и уменьшается при увеличении валентности.

Особенности прохождения тока в металлах и электролитах

Сравнивайте прежде всего носители заряда и то, меняется ли вещество при прохождении тока: это главные различия двух типов проводников. Температурная зависимость в таблице указана для обычных условий: нагревание электролита часто усиливает подвижность ионов. Таблица помогает не переносить свойства металлов на растворы и расплавы.

Разбор задач

Задача 1. Через раствор электролита за 5 мин прошёл ток 2 А. Нужно найти заряд, прошедший через раствор. Здесь известны сила тока и время, поэтому воспользуемся определением силы тока.

1. Запишем формулу заряда: q = It.
2. Переведём время в секунды: 5 мин = 5·60 = 300 с.
3. Подставим значения: q = 2 А · 300 с = 600 Кл.

Ответ: через раствор прошёл заряд 600 Кл. Секунды нужны, потому что ампер равен кулону в секунду.

Задача 2. Электрохимический эквивалент вещества равен 0,30 мг/Кл, а заряд составляет 4 кКл. Требуется найти массу выделившегося вещества. Так как k задан в миллиграммах на кулон, массу сначала получим в миллиграммах.

1. Используем закон электролиза: m = kq.
2. Переведём заряд: 4 кКл = 4000 Кл.
3. Вычислим массу: m = 0,30 мг/Кл · 4000 Кл = 1200 мг.
4. Переведём в граммы: 1200 мг = 1,2 г.

Ответ: на электроде выделится 1,2 г вещества. Кулоны сокращаются с единицей в знаменателе k, поэтому остаётся единица массы.

Задача 3. За 20 мин электролиза на электроде выделилось 0,54 г вещества, электрохимический эквивалент равен 0,30 мг/Кл. Найдём силу тока. Перед подстановкой приведём массу и время к единицам, согласованным с эквивалентом и формулой заряда.

1. Из m = kIt выразим ток: I = m/(kt).
2. Переведём величины: 0,54 г = 540 мг; 20 мин = 1200 с.
3. Подставим: I = 540 мг/(0,30 мг/Кл · 1200 с) = 1,5 Кл/с.
4. Поскольку 1 Кл/с = 1 А, получаем I = 1,5 А.

Ответ: сила тока равна 1,5 А. Проверка единиц показывает, что миллиграммы сокращаются, а кулон, делённый на секунду, даёт ампер.

Типичные ошибки

Считать носителями тока в электролите свободные электроны. Так часто думают по аналогии с металлическими проводниками, но в растворе заряд переносят ионы. Проверь себя: если речь идёт о движении частиц раствора, укажи катионы и анионы, а не электроны.

Путать направления движения ионов. Можно ошибочно направить катионы к аноду, ориентируясь на их название или знак электрода. Катионы положительны и движутся к отрицательному катоду, а анионы — к положительному аноду. Для проверки вспомни: противоположные заряды притягиваются.

Подставлять время в минутах, когда сила тока дана в амперах. Ошибка возникает из-за того, что минуты оставляют как есть, хотя ампер связан с секундами. В формулах q = It и m = kIt переводи минуты в секунды, если используешь амперы и k в Кл. Проверь результат по единицам измерения.

Считать, что масса зависит только от силы тока. Сам по себе ток не определяет массу: важно, сколько времени он проходит, а также каково значение k для данного вещества. Используй m = kIt или m = kq и проверь, учтены ли в расчёте все величины.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия электрического тока, силы тока, электрического заряда, напряжения и электрического поля. Они помогают объяснить, почему заряженные частицы начинают двигаться и как связаны ток и прошедший заряд. Закон электролиза, в свою очередь, показывает, как электрический ток вызывает химические изменения. Эти знания применяются при изучении химических источников тока, гальванического покрытия деталей и электролиза в промышленности.

Что запомнить

• Ток в электролитах создаёт направленное движение ионов.
• При электролитической диссоциации возникают положительные и отрицательные ионы.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• Прохождение тока через электролит сопровождается переносом вещества.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду: m = kq.
• При постоянной силе тока масса вещества определяется формулой m = kIt.