2. Электролиз

Определения и обозначения

Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит. Это происходит потому, что ионы переносят заряд к электродам и там участвуют в химических реакциях. Понятие помогает связать электрический ток с получением новых веществ.

Электролит — раствор или расплав, в котором есть свободные положительные и отрицательные ионы и который проводит ток. Ионы возникают, когда некоторые вещества распадаются на заряженные частицы в растворе или расплаве. Это определение объясняет, почему электролит проводит ток не так, как металлический проводник.

Катод и анод — электроды, на которых происходят реакции: на катоде положительные ионы принимают электроны, а на аноде отрицательные ионы отдают их. Приём электронов называют восстановлением, отдачу — окислением. Названия электродов нужны, чтобы точно описывать место каждой реакции.

Электрохимический эквивалент k — коэффициент пропорциональности между массой выделившегося вещества m и прошедшим зарядом q. Он входит в формулу m = kq и показывает массу, которая выделится при заряде 1 Кл. Единица k в СИ — кг/Кл; для разных веществ значение различается.

Как это устроено

В растворе или расплаве электролита есть ионы обоих знаков, способные перемещаться. Когда создаётся электрическое поле, оно действует на заряженные частицы: положительные ионы движутся в одну сторону, отрицательные — в противоположную. Их движение и создаёт электрический ток внутри электролита, поэтому перенос заряда здесь связан с ионами, а не только с электронами.

Достигнув катода, положительный ион получает возможность принять электроны от электрода. После этого он превращается в нейтральную частицу или входит в состав вещества, выделяющегося на электроде. У анода отрицательный ион отдаёт электроны электроду, и в результате тоже может образоваться новое вещество. Так перемещение ионов приводит к химическим изменениям на поверхности электродов.

Чем больше электрического заряда проходит через электролит, тем больше ионов достигает электродов и тем больше вещества может выделиться. Поэтому при неизменном веществе масса m прямо пропорциональна заряду q: m = kq. Коэффициент k учитывает, сколько вещества соответствует единице заряда, и зависит от того, какие именно частицы участвуют в реакции.

Если сила тока I постоянна и действует в течение времени t, прошедший заряд равен q = It. Подстановка этой связи в формулу электролиза даёт m = kIt: массу можно увеличить, увеличив ток или время его прохождения. В единицах СИ ток измеряют в амперах, время — в секундах, заряд — в кулонах, а массу при использовании k в кг/Кл получится в килограммах.

Закон Фарадея уточняет зависимость массы от химических свойств вещества: m = Mq/(Fz). Здесь M — молярная масса, z — зарядовое число иона, а F — постоянная Фарадея; для одновалентного иона z = 1. Формула показывает, что одинаковый заряд может выделить разную массу: результат зависит и от молярной массы, и от числа электронов, необходимых для реакции одного иона.

Электролиз: основные понятия и зависимости

Сначала выбери формулу по данным задачи: для известного k удобно применять m = kq, а для молярной массы и заряда иона — закон Фарадея. Если указаны ток и время, сперва вычисли q = It. Проверь единицы: минуты переведи в секунды, а массу вырази в тех единицах, которые требуются в ответе.

Разбор задач

Задача 1. Через электролит пропускали ток 2 А в течение 5 мин. Нужно найти прошедший заряд. Искомая величина связана с током и временем формулой q = It, поэтому перед вычислением переведём минуты в секунды.

1. Переводим время: t = 5 · 60 = 300 с.
2. Подставляем данные в формулу: q = It = 2 · 300 = 600 Кл.

Ответ: через электролит прошёл заряд 600 Кл. Умножение ампер на секунды даёт кулоны, так что единица результата соответствует искомому заряду.

Задача 2. Электрохимический эквивалент вещества равен 0,30 мг/Кл, через электролит прошёл заряд 200 Кл. Найдём массу выделившегося вещества по формуле m = kq. Здесь можно оставить массу в миллиграммах, потому что k дан в мг/Кл.

1. Записываем связь массы и заряда: m = kq.
2. Подставляем значения: m = 0,30 · 200 = 60 мг.
3. При необходимости переводим в килограммы: 60 мг = 0,00006 кг.

Ответ: выделилось 60 мг, или 6 · 10⁻⁵ кг вещества. Проверка единиц даёт (мг/Кл) · Кл = мг.

Задача 3. Раствор соли одновалентного металла электролизовали током 3 А в течение 20 мин. Требуется выразить массу металла через его молярную массу M и постоянную Фарадея F. Так как ион одновалентный, в формуле закона Фарадея зарядовое число z равно 1.

1. Переводим время: t = 20 · 60 = 1200 с.
2. Находим прошедший заряд: q = It = 3 · 1200 = 3600 Кл.
3. Используем закон Фарадея: m = Mq/(Fz). При z = 1 получаем m = 3600M/F.

Ответ: m = 3600M/F, если M и F подставлены в согласованных единицах СИ. Например, при M в кг/моль и F в Кл/моль результат будет в килограммах.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что в электролите ток создают только электроны. Так можно подумать, потому что в металлических проводниках заряд действительно переносится электронами, но раствор устроен иначе. В нём заряд переносят положительные и отрицательные ионы; проверь себя, указав, какие частицы движутся внутри электролита.

Катод и анод иногда пытаются определять только по знаку электрода. Названия путают, потому что знак электрода может зависеть от устройства цепи, а в электролизе важны реакции на его поверхности. На катоде идёт восстановление, на аноде — окисление; проверь ответ по приёму и отдаче электронов.

Подстановка времени в минутах в формулу q = It без перевода в секунды завышает или занижает рассчитанный заряд. Ошибка возникает из-за привычки считать время в удобных бытовых единицах, хотя ампер связан с кулоном в секунду. Перед расчётом проверь размерность: для результата в кулонах время должно быть выражено в секундах.

Нельзя считать электрохимический эквивалент одинаковым для всех веществ или забывать z в законе Фарадея. Это происходит, когда формулу запоминают без связи с составом и зарядом ионов. Сверь, дано ли k именно для нужного вещества, и проверь, сколько электронов соответствует реакции иона: это помогает выбрать z.

Связь с другими темами

Для расчётов электролиза нужны понятия электрического тока, силы тока и заряда, а также связь q = It. Объяснить движение частиц помогают знания о строении вещества и ионах. Реакции на электродах опираются на представления об окислении и восстановлении. На практике электролиз используют для гальванических покрытий, получения и очистки металлов; он также связан с принципом работы аккумуляторов.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток благодаря направленному движению ионов.
• Положительные ионы движутся к катоду, отрицательные — к аноду.
• На катоде ионы принимают электроны, на аноде — отдают.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду: m = kq.
• При постоянном токе q = It, поэтому m = kIt.
• Электрохимический эквивалент зависит от вещества.