§ 119. Электрический ток в жидкостях

Определения и обозначения

Электролит — раствор или расплав, в котором электрический ток переносится положительными и отрицательными ионами. Ионы — заряженные частицы, способные перемещаться внутри вещества. Понятие электролита помогает отличить проводники с ионным током от металлов, где заряд переносят электроны.

Электролитическая диссоциация — распад молекул вещества на положительные и отрицательные ионы при растворении или плавлении. Например, вода помогает частицам растворённой соли разделиться на ионы. Это понятие объясняет, откуда в электролите берутся подвижные носители заряда.

Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит. Электроды — проводники, через которые ток входит в раствор и выходит из него. Термин нужен, чтобы описать химические изменения, сопровождающие ток в жидкости.

Электрохимический эквивалент — коэффициент k в законе Фарадея, показывающий массу вещества, выделяемую при переносе заряда 1 Кл. Его единица может быть кг/Кл или г/Кл. Значение k позволяет по прошедшему заряду рассчитать массу продукта электролиза.

Как это устроено

В твёрдом веществе ионы часто удерживаются около своих мест и не могут свободно перемещаться. При растворении в подходящей жидкости или при плавлении связи между частицами ослабевают, и некоторые молекулы распадаются на ионы. Поэтому в электролите появляются подвижные носители заряда, без которых устойчивый ток возникнуть не мог бы.

Если подключить электроды к источнику напряжения, в электролите возникает электрическое поле. На положительный ион поле действует в направлении отрицательного электрода, а на отрицательный — в противоположном направлении. Поэтому катионы идут к катоду, анионы — к аноду; движение обоих видов частиц создаёт ток, хотя они движутся в разные стороны.

Добравшись до электрода, ион взаимодействует с ним и обменивается электронами. Катион может получить недостающие электроны и стать нейтральным атомом, анион может отдать лишние электроны и также превратиться в нейтральную частицу. Из-за таких реакций возле электродов появляется вещество или выделяется газ, поэтому ток сопровождается химическими изменениями.

Чем больше заряд прошёл через электролит, тем больше ионов участвовало в переносе заряда и тем больше вещества обычно образуется на электроде. Заряд определяется силой тока и временем: q = It, где q измеряется в кулонах, I — в амперах, t — в секундах. Закон Фарадея выражает эту связь для массы: m = kq = kIt, где m — масса выделившегося вещества, а k — его электрохимический эквивалент.

Значение k зависит от вещества и от заряда его ионов. Для ионов с валентностью z электрохимический эквивалент находят по формуле k = M/(zF), где M — молярная масса, а F — постоянная Фарадея, приблизительно равная 9,65·10⁴ Кл/моль. Валентность учитывают потому, что иону с большим зарядом требуется обменять больше электронов, чтобы стать нейтральным атомом.

Электрический ток в металлах и электролитах

Сравнивайте сначала носители заряда: это главное отличие тока в металле от тока в электролите. Затем обратите внимание, что формула для заряда одинакова, хотя движение частиц и последствия прохождения тока различаются. Таблица помогает не смешивать перенос электрического заряда с переносом вещества.

Разбор задач

Через раствор электролита за 20 с прошёл заряд 40 Кл. Найдите силу тока. Здесь заряд и время известны, а силу тока можно выразить из формулы q = It. Запишем решение по шагам, не забывая указать единицы измерения.

1. Используем связь заряда, силы тока и времени: q = It. Из неё получаем I = q/t. Это позволяет найти ток, если известны заряд и время.
2. Подставляем данные: I = 40 Кл / 20 с = 2 Кл/с. Поскольку 1 Кл/с = 1 А, получаем силу тока в амперах. Деление показывает, какой заряд проходил за каждую секунду.
3. Проверяем результат: при токе 2 А за 20 с прошло бы 2 · 20 = 40 Кл. Значит, вычисление согласуется с условием. Ответ: I = 2 А.

Через электролит пропускали ток 2 А в течение 5 мин. Найдите массу вещества, если k = 0,33 мг/Кл. Чтобы применить закон Фарадея, сначала нужно определить заряд, прошедший через раствор. Время в формуле q = It должно быть выражено в секундах.

1. Переводим время: 5 мин = 5 · 60 с = 300 с. Это необходимо, потому что ампер равен кулону в секунду. Подставлять минуты без перевода нельзя.
2. Вычисляем заряд: q = It = 2 А · 300 с = 600 Кл. Теперь применяем закон Фарадея: m = kq. Заряд получен в кулонах, поэтому его единицы совпадают с единицами в значении k.
3. Находим массу: m = 0,33 мг/Кл · 600 Кл = 198 мг. Кулоны сокращаются, остаются миллиграммы. Ответ: m = 198 мг.

При электролизе раствора двухвалентного металла за 10 мин выделилось 0,20 г металла. Найдите силу тока, если M = 64 г/моль, F = 9,65·10⁴ Кл/моль. Валентность z = 2, поэтому сначала найдём электрохимический эквивалент. Затем выразим ток из закона Фарадея; время и массу удобно перевести в единицы СИ.

1. Переводим величины: m = 0,20 г = 2,0·10⁻⁴ кг, t = 10 мин = 600 с. Находим k = M/(zF), используя M = 0,064 кг/моль. Получаем k = 0,064/(2 · 9,65·10⁴) ≈ 3,32·10⁻⁷ кг/Кл.
2. Из формулы m = kIt выражаем силу тока: I = m/(kt). В знаменатель подставляем k и t, а в числитель — массу в килограммах. Такой порядок позволяет сохранить согласованность единиц.
3. Вычисляем: I ≈ 2,0·10⁻⁴/(3,32·10⁻⁷ · 600) ≈ 1,0 А. При проверке можно подставить найденный ток в m = kIt и получить примерно 0,20 г. Ответ: I ≈ 1,0 А.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что в электролите ток создают свободные электроны, как в металле. Её допускают, потому что в обоих случаях речь идёт о движении зарядов, но носители в средах различны. Проверьте себя вопросом, какие частицы свободно перемещаются в растворе: ответ — ионы.

Ошибка: путать знак иона и направление его движения. Положительный заряд притягивается к отрицательному электроду — катоду, а отрицательный направляется к положительному аноду. Для проверки можно назвать знак электрода и мысленно применить правило притяжения разноимённых зарядов.

Ошибка: подставлять время в минутах в q = It, оставляя ток в амперах. Так получают неверный заряд, потому что ампер выражен в кулонах за секунду. Перед вычислением переведите минуты в секунды и убедитесь, что единицы дают кулоны.

Ошибка: находить k по формуле M/(zF), но забывать валентность z. Её часто пропускают, если сразу подставляют молярную массу и постоянную Фарадея. Проверьте, сколько зарядов несёт ион: для двухвалентного металла нужно взять z = 2, а не 1.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия электрического тока, силы тока, заряда и напряжения, а также представление о положительных и отрицательных зарядах в строении атома. Они помогают объяснить, почему поле заставляет частицы двигаться и как измерить перенесённый заряд. Тема также связывает физику с химическими реакциями: принципы электролиза используют в гальванических процессах, аккумуляторах и промышленном получении веществ.

Что запомнить

• Ток в электролитах создаёт направленное движение положительных и отрицательных ионов.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• При электролизе на электродах выделяется вещество.
• Заряд, прошедший через электролит, равен q = It.
• Масса выделившегося вещества определяется законом Фарадея: m = kq.
• Электрохимический эквивалент зависит от молярной массы и валентности ионов.