§ 7. Применение электропроводности жидкости

Определения и обозначения

Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит. Заряд в растворе переносят ионы, а у электродов они участвуют в химических реакциях: могут принимать или отдавать электроны. Поэтому электролиз позволяет не только проводить ток, но и получать вещества или изменять их состав.

Гальваностегия — нанесение тонкого слоя металла на изделие с помощью электролиза. Покрытие может защищать поверхность от коррозии, придавать ей нужный вид или улучшать свойства. Само изделие подключают как катод, чтобы катионы металла осаждались именно на нём.

Гальванопластика — получение металлической копии изделия путём электролитического осаждения металла. Сначала металл наращивают на форме, повторяющей поверхность оригинала, а затем осаждённую оболочку отделяют. Такая оболочка становится самостоятельной копией рельефа формы.

Электролитическое рафинирование — очистка металла от примесей с помощью электролиза. Загрязнённый металл делают анодом, он растворяется, а более чистый металл выделяется на катоде. Этот способ нужен, когда примеси мешают использовать металл, например из-за снижения его электропроводности.

Как это устроено

Электролит проводит ток потому, что в нём есть подвижные ионы. Положительные ионы — катионы — притягиваются к отрицательно заряженному катоду, а отрицательные — анионы — к положительному аноду. Достигнув электродов, ионы участвуют в химических превращениях, поэтому электрическая энергия направляет перенос вещества и может приводить к его выделению или растворению.

При гальваностегии изделие тщательно подготавливают и подключают к отрицательному полюсу источника, так что оно становится катодом. Электролит должен содержать катионы того металла, которым требуется покрыть поверхность. Под действием поля катионы движутся к изделию, принимают электроны и превращаются в атомы металла; постепенно на катоде образуется слой покрытия.

Для гальванопластики используют форму с рельефом, который нужно воспроизвести. Поскольку осаждение возможно на проводящей поверхности, форму делают электропроводящей или покрывают тонким проводящим слоем. Металл нарастает, повторяя её очертания, а после завершения процесса оболочку снимают; именно отделение слоя отличает получение копии от обычного покрытия.

При электролитическом рафинировании анодом служит кусок загрязнённого металла, а катодом — пластина, на которой собирают очищенный металл. Атомы металла на аноде отдают электроны и переходят в раствор в виде положительных ионов. Эти ионы достигают катода, принимают электроны и осаждаются; примеси могут остаться в растворе или образовать осадок.

Во всех трёх случаях используют один принцип — управляемые реакции ионов на электродах, но цель процесса различается. Для покрытия слой оставляют на готовом изделии, для копии отделяют от формы, а при рафинировании переносят очищаемый металл с анода на катод. Состав электролита определяет, какие ионы доступны для переноса, а режим тока влияет на ход и качество осаждения.

Применение электролиза

Сравнивай процессы по их цели и по тому, что происходит с электродами. В таблице слово «осаждение» означает выделение металла из раствора на поверхности катода, а «растворение» — переход металла в раствор с анода.

Чтобы определить вид процесса, сначала выясни, нужна ли обработка изделия, отдельная копия или очищенный металл. Затем проследи, какой предмет является катодом и где осаждается металл. Это позволяет не перепутать технологические цели, даже если в электролите присутствуют похожие ионы.

Разбор задач

Задача 1. На изделие требуется нанести тонкий слой меди электролизом. Определите, к какому полюсу источника подключить изделие и что должен содержать электролит. Нужно установить, куда направятся ионы меди и на каком электроде они смогут осесть.

1. Катионы меди имеют положительный заряд, поэтому притягиваются к катоду.
2. Чтобы изделие стало катодом, его подключают к отрицательному полюсу источника.
3. В электролите должны быть ионы меди, которые смогут переноситься к поверхности изделия и восстанавливаться там до атомов металла.

Ответ. Изделие подключают к отрицательному полюсу. Электролит должен содержать катионы меди; на катоде они превращаются в атомы и образуют покрытие.

Задача 2. Нужно получить точную металлическую копию рельефной формы. Опишите, какую роль играет форма и как получают готовую копию. Важно учесть, что поверхность, на которой осаждается металл, должна проводить ток, а готовый слой требуется отделить.

1. Форма задаёт рельеф будущей копии, поэтому на ней формируют электропроводящую поверхность.
2. Форму подключают как катод и проводят электролиз в растворе с ионами выбранного металла.
3. Металл наращивают до нужной толщины, затем оболочку аккуратно отделяют от формы.

Ответ. Форма служит проводящей основой, на которой осаждается металл и повторяет её рельеф. После отделения оболочка становится самостоятельной металлической копией.

Задача 3. При электролитическом рафинировании меди нужно определить, какой электрод изготовить из загрязнённой меди и на каком будет накапливаться чистая медь. Проследим перенос вещества: металл сначала должен перейти в раствор, а затем выделиться на другом электроде.

1. Загрязнённую медь делают анодом, где атомы меди отдают электроны и переходят в раствор в виде катионов.
2. Катионы меди движутся к катоду, потому что он заряжен отрицательно.
3. На катоде ионы принимают электроны и осаждаются в виде металлической меди.

Ответ. Загрязнённая медь служит анодом. Чистая медь накапливается на катоде.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что металлическое покрытие осаждается на аноде. Так думают, путая, какой заряд имеют ионы металла: катионы положительны и движутся к катоду. Проверь себя: если речь идёт об осаждении металла из раствора, найди отрицательный электрод — им должно быть покрываемое изделие.

Не смешивай гальваностегию с гальванопластикой: в первом случае металл остаётся на изделии, а во втором оболочку снимают с формы и используют как копию. Путаница возникает потому, что в обоих процессах металл осаждается электролизом. Спроси себя, должен ли слой стать частью исходного изделия или самостоятельной деталью: ответ покажет, какой процесс описан.

При рафинировании чистый металл получают не на аноде, а на катоде. Ошибка появляется, если считать, что очищение означает накопление металла на исходной заготовке. Проследи этапы отдельно: загрязнённый анод растворяется, ионы переносятся через раствор, а осадок формируется на катоде.

Неверно описывать электролиз как один лишь перенос ионов без химических превращений. Движение ионов действительно переносит заряд, но возле электродов они отдают или принимают электроны и превращаются в другие частицы. Для самопроверки всегда называй оба этапа: куда движутся ионы и какая реакция происходит у электрода.

Связь с другими темами

Для понимания электролиза нужно знать, как устроен раствор электролита и какие частицы переносят в нём заряд. Пригодятся направления движения катионов и анионов, а также различие между катодом и анодом. Правила электролиза помогают объяснять, где выделится вещество, и решать количественные задачи на его массу.

Тема связывает физику с практическими технологиями: электролизом получают металлические покрытия, защищают изделия от коррозии и изготавливают копии. Рафинирование позволяет очищать металлы для дальнейшего применения. Во всех этих случаях электрический ток управляет переносом вещества в растворе.

Что запомнить

• Электролиз позволяет использовать ток для получения и переноса вещества.
• При нанесении металлического покрытия изделие является катодом.
• В гальваностегии металлический слой остаётся на изделии.
• В гальванопластике осаждённый слой отделяют от формы.
• При электролитическом рафинировании загрязнённый металл служит анодом.
• При рафинировании чистый металл осаждается на катоде.