67.  Электрический ток в электролитах

Определения и обозначения

Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря подвижным положительным и отрицательным ионам. К электролитам относятся, например, растворы поваренной соли, кислот и щелочей, а также расплавы некоторых солей. Это понятие помогает отличать ионную проводимость от электронной проводимости металлов.

Электролитическая диссоциация — распад молекул вещества на ионы при растворении или плавлении. Ионы получают возможность перемещаться внутри раствора или расплава под действием электрического поля. Понятие объясняет, откуда в электролите берутся носители тока.

Электролиз — выделение веществ на электродах при прохождении электрического тока через электролит. Электроды — проводники, через которые ток входит в электролит и выходит из него. Электролиз показывает, что прохождение тока в электролите связано не только с переносом заряда, но и с химическими изменениями.

Электрохимический эквивалент — коэффициент k в законе электролиза, показывающий, какая масса вещества выделяется при переносе заряда 1 Кл. Его единица измерения — кг/Кл или г/Кл. По этому коэффициенту можно связать измеренный заряд с массой продукта электролиза.

Как это устроено

При растворении или плавлении электролита часть его молекул распадается на положительные и отрицательные ионы. В растворе частицы взаимодействуют с молекулами растворителя, а в расплаве их подвижности способствует нагревание. Электроны в электролите не могут свободно перемещаться на большие расстояния так, как в металле, поэтому заряд внутри раствора переносят прежде всего ионы. Именно наличие подвижных ионов делает раствор или расплав проводящим.

Если между электродами создать электрическое поле, оно действует на заряженные частицы: катионы притягиваются к отрицательно заряженному катоду, анионы — к положительно заряженному аноду. Хотя ионы движутся в противоположных направлениях, переносимые ими заряды дают ток одного направления. Это можно увидеть, рассматривая движение положительного заряда: движение катиона соответствует направлению тока, а движение отрицательного заряда в обратную сторону — тому же направлению условного тока. Поэтому для описания тока нужно учитывать оба вида ионов.

Достигнув электрода, ионы участвуют в химических реакциях и обмениваются электронами с электродом. Катионы могут принять электроны и стать нейтральными атомами, а анионы — отдать электроны; конкретный результат зависит от состава электролита и материала электродов. Образовавшиеся атомы или молекулы оседают на электроде, выделяются в виде газа либо вступают в другие реакции. Поэтому электролиз сопровождается выделением вещества или изменением электродов.

Масса вещества, образовавшегося на электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через электролит: m = kq. Если сила тока постоянна, за время t проходит заряд q = It, поэтому m = kIt. При неизменном веществе увеличение силы тока вдвое или увеличение времени вдвое приводит к удвоению выделившейся массы. Время нужно подставлять в секундах, если сила тока дана в амперах, а заряд требуется получить в кулонах.

Коэффициент k зависит от того, какое вещество выделяется: одинаковый заряд может дать разные массы разных веществ. Для расчётов его можно выразить через молярную массу и валентность: k = M/(nF). Здесь M — молярная масса вещества, n — валентность иона, F — постоянная Фарадея, примерно равная 9,65 · 10⁴ Кл/моль. Чем больше молярная масса, тем больше масса вещества, выделяемая при прочих равных условиях; увеличение валентности, напротив, уменьшает её.

Носители тока и процессы в электролите

Сначала определите знак иона, а затем проследите, к какому электроду он направляется: это помогает не перепутать катод и анод. Последние две строки показывают типичное направление обмена электронами, но конкретные продукты зависят от вещества и условий электролиза. Таблица связывает перенос заряда с химическими изменениями на электродах.

Разбор задач

Заряд, прошедший через электролит

Через раствор электролита за 5 мин прошёл ток 2 А. Найдём перенесённый заряд. Сила тока показывает, какой заряд проходит за одну секунду, поэтому используем связь q = It. Важно согласовать единицы времени и силы тока.

1. Переводим время в секунды: t = 5 · 60 = 300 с.
2. Подставляем значения: q = It = 2 А · 300 с = 600 Кл.
3. Проверяем единицу: 1 А · 1 с = 1 Кл, значит заряд выражен правильно.

Ответ: через электролит прошёл заряд 600 Кл.

Масса, выделившаяся при известном электрохимическом эквиваленте

Электрохимический эквивалент вещества равен 0,30 мг/Кл. Найдём массу, которая выделится при токе 1,5 А за 4 мин. Сначала определяем заряд по силе тока и времени, а затем умножаем его на k. Поскольку k дан в миллиграммах на кулон, результат получим в миллиграммах.

1. Переводим время: t = 4 · 60 = 240 с.
2. Находим заряд: q = It = 1,5 · 240 = 360 Кл.
3. Используем закон электролиза: m = kq = 0,30 · 360 = 108 мг.
4. При необходимости переводим результат: 108 мг = 0,108 г.

Ответ: выделится 108 мг, или 0,108 г вещества.

Молярная масса металла

При электролизе двухвалентного металла током 3 А за 20 мин выделилось 0,59 г металла. Определим его молярную массу, если F = 9,65 · 10⁴ Кл/моль. Из закона Фарадея m = MIt/(nF) выразим M = mnF/(It). До подстановки переводим массу в килограммы, а время — в секунды, чтобы использовать СИ.

1. Записываем данные: m = 0,59 г = 5,9 · 10⁻⁴ кг; t = 20 · 60 = 1200 с; n = 2.
2. Подставляем в формулу: M = mnF/(It).
3. Вычисляем: M = (5,9 · 10⁻⁴ · 2 · 9,65 · 10⁴)/(3 · 1200) ≈ 0,0316 кг/моль.
4. Переводим молярную массу в более привычные единицы: 0,0316 кг/моль = 31,6 г/моль.

Ответ: молярная масса металла примерно равна 31,6 г/моль.

Типичные ошибки

Считать, что ток внутри электролита переносят свободные электроны, как в металле, — ошибка: основными носителями здесь служат ионы. Так путаются, потому что оба вещества проводят ток, хотя механизм проводимости различается. Проверка простая: внутри раствора или расплава нужно проследить движение катионов и анионов, а не электронов.

Катионы иногда ошибочно направляют к аноду, а анионы — к катоду. Причина — смешение названий электродов со знаками ионов; катионы притягиваются отрицательным катодом, а анионы — положительным анодом. Чтобы проверить себя, сначала обозначьте заряды частиц и вспомните, что противоположные заряды притягиваются.

Подстановка времени в минутах непосредственно в формулу m = kIt даёт неправильный заряд и массу. Ошибку допускают, забывая, что ампер равен кулону в секунду, поэтому время должно быть выражено в секундах. Перед вычислением проверьте единицы: если I задан в амперах, переведите минуты в секунды.

Считать электрохимический эквивалент одинаковым для любых веществ тоже неверно. Масса, выделяемая на единицу заряда, зависит от природы вещества, его молярной массы и валентности. Проверьте, что используете k именно для указанного вещества, или найдите его по формуле k = M/(nF).

Связь с другими темами

Для изучения электролитов нужны понятия электрического тока, силы тока, заряда и напряжения, а также формула q = It. Химическая диссоциация объясняет появление ионов, а окислительно-восстановительные реакции — превращения частиц на электродах. Закон электролиза применяют при гальванических покрытиях, получении и очистке металлов. Он также позволяет рассчитывать количество вещества, которое выделится при заданных токе и времени.

Что запомнить

• В электролитах ток создаёт направленное движение положительных и отрицательных ионов.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• На электродах происходят химические реакции, сопровождающие электролиз.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду: m = kq.
• При постоянном токе q = It, поэтому m = kIt.
• Электрохимический эквивалент зависит от вещества; для расчётов используют k = M/(nF).