"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Растворы и расплавы электролитов проводят ток благодаря направленному движению положительных и отрицательных ионов. У электродов ионы вступают в химические реакции: одни вещества выделяются, другие могут растворяться. Законы электролиза связывают массу вещества с зарядом, прошедшим через электролит. Эти закономерности помогают рассчитывать получение и очистку металлов, нанесение покрытий и другие процессы, в которых электрический ток вызывает химические изменения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролит — раствор или расплав, в котором есть свободные положительные и отрицательные ионы, способные переносить электрический заряд. Примеры таких сред — солёная вода и расплав соли. Наличие подвижных ионов объясняет, почему через электролит может проходить ток.
Электролитическая диссоциация — распад молекул вещества на ионы при растворении или плавлении. Например, частицы растворённой соли разделяются на положительные и отрицательные ионы. Этот процесс создаёт носителей заряда, без которых электролит не проводил бы ток.
Электролиз — химические реакции на электродах, происходящие при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. Электроды — проводники, через которые ток входит в электролит и выходит из него. Понятие электролиза нужно, чтобы описывать превращение электрической энергии в химические изменения.
Закон Фарадея для электролиза утверждает, что масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через электролит. Чем больше прошедший заряд, тем больше масса продукта при прочих равных условиях. Закон позволяет рассчитывать результат электролиза, даже если непосредственно наблюдать движение ионов нельзя.
При растворении некоторых веществ в воде или при их плавлении связи между частицами ослабевают настолько, что молекулы распадаются на ионы. В растворе ионы взаимодействуют с молекулами растворителя, но могут перемещаться внутри жидкости; в расплаве они движутся между другими ионами. Поэтому внутри электролита появляются подвижные носители заряда. В металле носителями служат электроны, а здесь эту роль выполняют ионы обоих знаков.
Если подключить электроды к источнику напряжения, между ними возникает электрическое поле. Оно действует на заряженные ионы: положительные частицы, катионы, перемещаются к отрицательному катоду, а отрицательные анионы — к положительному аноду. Такое упорядоченное движение зарядов и есть электрический ток в электролите. Без поля ионы движутся беспорядочно, поэтому их перемещения в среднем не создают направленного тока.
Достигнув электрода, ионы могут принять или отдать электроны, потому что источник напряжения поддерживает обмен зарядом на границе электрода и раствора. На катоде частица принимает электроны — это восстановление; например, катион металла может превратиться в нейтральный атом и осесть на электроде. На аноде частица отдаёт электроны — это окисление. В зависимости от вещества продукт реакции выделяется на электроде, остаётся в растворе или сам электрод постепенно растворяется.
При постоянной силе тока I за время t через электролит проходит заряд q = It. Закон Фарадея связывает этот заряд с массой продукта: m = kq, поэтому m = kIt. Коэффициент k называют электрохимическим эквивалентом; он показывает, какая масса вещества выделится при прохождении заряда в один кулон. Следовательно, при неизменных условиях увеличение силы тока или времени пропорционально увеличивает массу продукта.
Электрохимический эквивалент связан с устройством вещества: k = M/(zF), где M — молярная масса, z — валентность иона, F — постоянная Фарадея, приблизительно равная 96500 Кл/моль. Молярная масса задаёт массу одного моля частиц, а z показывает, сколько электронов приходится на образование одного иона. Поэтому при большей валентности на один моль продукта нужен больший заряд и масса, получаемая на каждый кулон, меньше. Подставив k в m = kIt, можно найти массу по силе тока, времени и свойствам вещества.
| Понятие или закономерность | Обозначение и смысл | Формула или правило | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Сила тока — заряд, проходящий через электролит за единицу времени | I — сила тока | I = q/t | ампер (А) |
| Время прохождения тока | t — длительность процесса | В расчётах переводят в секунды | секунда (с) |
| Электрический заряд, прошедший через электролит | q — заряд | q = It | кулон (Кл) |
| Масса вещества, выделившегося на электроде | m — масса продукта | m = kq = kIt | килограмм (кг) |
| Электрохимический эквивалент вещества | k — масса, приходящаяся на единицу заряда | k = m/q | кг/Кл |
| Первый закон Фарадея: связь массы вещества с зарядом | m — масса, q — заряд | m = kq | кг |
| Зависимость электрохимического эквивалента от молярной массы и валентности | M — молярная масса; z — валентность; F — постоянная Фарадея | k = M/(zF) | кг/Кл |
Сначала определите, какие величины известны и что требуется найти, затем выберите соответствующую формулу. Если известны I и t, сначала вычислите заряд q, а после этого — массу по закону Фарадея. Проверяйте, что время выражено в секундах, а единицы M согласованы с единицами массы в ответе.
Условие: через раствор электролита в течение 3 минут проходит постоянный ток силой 2 А. Найдём заряд, прошедший через раствор. В формуле q = It время должно быть выражено в секундах, поэтому сначала переведём минуты. Затем перемножим силу тока и время.
Ответ: через раствор прошёл заряд 360 Кл. Проверка единиц подтверждает, что получена именно величина заряда, а не масса или сила тока. Если бы время оставили в минутах, численный результат оказался бы меньше в 60 раз.
Условие: сила тока в растворе равна 2 А, электролиз длится 5 минут, электрохимический эквивалент вещества k = 3,3 · 10⁻⁷ кг/Кл. Определим массу, выделившуюся на электроде. Сначала найдём заряд, поскольку закон Фарадея связывает массу именно с зарядом. Для этого переведём время в секунды и вычислим q = It.
Ответ: на электроде выделится 0,198 г вещества. Умножение кг/Кл на кулоны даёт килограммы, поэтому размерность верна. При постоянном k масса увеличилась бы вдвое, если бы вдвое увеличили силу тока или время.
Условие: электролизуют раствор, содержащий ионы металла с молярной массой M = 63,5 г/моль и валентностью z = 2. Через раствор проходит ток I = 2 А в течение 965 с; найдём массу металла. Сначала вычислим k по формуле k = M/(zF), затем используем m = kIt. Переведём молярную массу в кг/моль, чтобы масса в результате получилась в килограммах.
Ответ: выделится примерно 0,635 г металла. Валентность 2 включена в знаменатель формулы для k, поэтому её нельзя опускать. Если оставить M в граммах, а результат считать в килограммах, возникнет ошибка в тысячу раз.
Считать, что ток в растворе переносится электронами, как в металле. Такая ошибка возникает, если переносить знакомую модель металлического проводника на любую среду. В электролите заряд перемещают катионы и анионы, хотя на электродах электроны участвуют в реакциях. Проверка: назовите носители заряда отдельно для металла и электролита.
Путать направления движения ионов. Иногда название электрода принимают за знак иона, но катод и катер не определяют заряд частицы. Катионы идут к катоду, анионы — к аноду, потому что разноимённые заряды притягиваются. Проверка: укажите знак иона и знак электрода, к которому он направляется.
Путать катод с анодом или реакции на них. Это происходит, когда запоминают только слова «плюс» и «минус», не связывая их с процессами. На катоде всегда идёт восстановление — частицы принимают электроны, на аноде окисление — частицы отдают электроны. Проверка: восстановление связано с присоединением электронов, а окисление — с их отдачей.
Не переводить время в секунды или забывать валентность z. Минуты и часы нельзя без преобразования подставлять в q = It, если ток задан в амперах. В формуле k = M/(zF) валентность стоит в знаменателе и влияет на результат. Проверка: перед расчётом запишите единицы всех величин и отдельно отметьте z.
Для изучения электролиза нужны понятия электрического тока, силы тока и электрического заряда: связь q = It помогает находить заряд, прошедший через раствор. Представления об ионах объясняют, какие частицы переносят заряд, а знания об окислении и восстановлении — что происходит у электродов. Законы электролиза применяют в гальванотехнике, при получении и очистке металлов. Они также помогают рассчитывать процессы, связанные с аккумуляторами.
Почему раствор электролита проводит ток, а растворённые молекулы сами по себе — нет?
В растворе электролита часть молекул распадается на свободные ионы, способные двигаться и переносить заряд. Нейтральные молекулы сами по себе не создают направленного переноса электрического заряда. Поэтому проводимость раствора связана именно с наличием и подвижностью ионов.
Чем перенос заряда в электролите отличается от переноса заряда в металле?
В металлах заряд переносят свободные электроны, а ионы кристаллической решётки остаются на местах. В электролите заряд переносят положительные и отрицательные ионы, движущиеся в противоположных направлениях. На электродах это движение сопровождается химическими реакциями.
Почему катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду?
Катионы имеют положительный заряд и притягиваются к отрицательно заряженному катоду. Анионы имеют отрицательный заряд и притягиваются к положительно заряженному аноду. Так действует электрическое поле между электродами.
От чего зависит масса вещества, выделившегося при электролизе?
Масса зависит от заряда, прошедшего через электролит: m = kq, а при постоянном токе q = It. Значит, влияют сила тока, время его прохождения и электрохимический эквивалент вещества. Последний определяется молярной массой и валентностью.
Как учесть валентность иона при расчёте электрохимического эквивалента?
Используйте формулу k = M/(zF), где M — молярная масса, z — валентность иона, F — постоянная Фарадея. Валентность ставят в знаменатель: при большей z для переноса одного моля вещества требуется больший заряд. Перед вычислением согласуйте единицы величин.
§ 10. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Законы электролиза
