§ 3.4. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Определения и обозначения

Электролит — раствор или расплав вещества, проводящий электрический ток благодаря движению положительных и отрицательных ионов. Примеры — раствор поваренной соли и расплав некоторых солей. Это понятие помогает отличать ионные проводники от металлов, в которых заряд переносят в основном электроны.

Электролитическая диссоциация — распад молекул или кристаллических частиц электролита на ионы при растворении или плавлении. Например, в воде частицы соли разделяются на положительные и отрицательные ионы. Понятие объясняет, откуда в электролите берутся подвижные носители заряда.

Ионная проводимость — перенос электрического заряда направленным движением катионов к катоду и анионов к аноду. Катионы — положительно заряженные ионы, анионы — отрицательно заряженные. Это название подчёркивает, что ток в электролите связан с движением ионов, а не только электронов.

Электролиз — совокупность химических реакций на электродах, вызываемых прохождением тока через электролит. Ионы на электродах принимают электроны или отдают их. Термин нужен, чтобы обозначить химический результат прохождения тока, например осаждение металла.

Как это устроено

Раствор или расплав проводит ток потому, что при растворении или плавлении часть частиц вещества распадается на ионы. Без такого распада носителям заряда было бы нечем перемещаться через жидкость. Когда к электродам подключают источник напряжения, в электролите возникает электрическое поле, которое упорядочивает хаотическое движение ионов.

Катионы движутся к отрицательному электроду — катоду, а анионы — к положительному электроду — аноду. Это происходит потому, что электрическое поле притягивает заряды противоположного знака и отталкивает одноимённые. Движение обоих видов ионов переносит заряд, поэтому в электролите возникает ток; условное направление тока совпадает с движением положительных зарядов.

Ток сопровождается химическими превращениями, поскольку у электродов ионы взаимодействуют с электронами проводника. Катионы могут принять электроны, а анионы — отдать их; после этого частицы превращаются в атомы или вступают в дальнейшие реакции. Поэтому на электродах могут оседать вещества или выделяться газы, а состав электролита меняется.

В металле носителями заряда служат преимущественно свободные электроны, которые перемещаются внутри вещества, почти не перенося сами атомы металла. В электролите заряд переносят ионы, а их направленное движение связано с переносом вещества. Поэтому ток в растворе может менять состав электролита и состояние электродов, тогда как обычное прохождение тока по металлическому проводу таких химических изменений не вызывает.

Масса вещества, выделившегося при электролизе, зависит от количества электричества, прошедшего через раствор. При постоянной силе тока заряд равен q = It, где I — сила тока, t — время. По закону Фарадея m = kq = kIt, где k — электрохимический эквивалент: масса вещества, выделяющаяся при прохождении единичного заряда. Значение k зависит от вещества и равно k = M/(Fz), где M — молярная масса, F — постоянная Фарадея, z — число электронов, участвующих в реакции выделения одного иона.

Сравнение электронной и ионной проводимости

Сравнивайте проводники по одной строке: так легче увидеть, чем различаются носители заряда и последствия их движения. Знаки электродов в таблице относятся к электролитической ячейке: её катод отрицателен, анод положителен. Температурная зависимость указана для обычных условий и типичных металлов и электролитов.

Разбор задач

Задача 1. Объяснить, какие частицы переносят ток в растворе хлорида натрия и как движутся ионы при подключении электродов к источнику тока. Нужно определить носители заряда, а затем учесть знаки их зарядов. В растворе хлорид натрия распадается на ионы Na⁺ и Cl⁻.

1. Na⁺ — катионы, а Cl⁻ — анионы; оба вида частиц являются носителями заряда. Поэтому ток в растворе создают не только электроны в электродах, но и ионы внутри раствора.
2. Подключённый источник создаёт электрическое поле между электродами. Положительные ионы Na⁺ движутся к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные Cl⁻ — к положительному электроду, аноду.
3. Движение ионов в противоположные стороны переносит заряд через раствор. Ответ: ток переносят Na⁺ и Cl⁻; катионы идут к катоду, анионы — к аноду.

Задача 2. Через раствор сульфата меди пропускают ток силой 2 А в течение 30 минут. Найти массу меди на катоде, если k = 0,00033 кг/Кл. Сначала вычислим заряд, потому что закон Фарадея связывает массу именно с зарядом. Затем переведём массу в граммы для удобства ответа.

1. Переводим время в секунды: t = 30 · 60 = 1800 с. Это необходимо, чтобы использовать силу тока в амперах и получить заряд в кулонах.
2. Находим заряд: q = It = 2 · 1800 = 3600 Кл. Через раствор прошло 3600 Кл электричества.
3. Применяем закон Фарадея: m = kq = 0,00033 · 3600 = 1,188 кг. Ответ: на катоде выделится примерно 1,19 кг меди.

Задача 3. При электролизе соли двухвалентного металла током 5 А за 40 минут выделилось 2,0 г металла. Найти электрохимический эквивалент и проверить его по формуле k = M/(Fz). Сначала определим k из измеренных величин; для численной проверки по формуле также нужна молярная масса металла.

1. Переводим величины в СИ: t = 40 · 60 = 2400 с, m = 2,0 г = 0,0020 кг. Перевод единиц нужен, чтобы получить k в кг/Кл.
2. Вычисляем заряд: q = It = 5 · 2400 = 12 000 Кл. Затем находим k = m/q = 0,0020/12 000 ≈ 1,67 · 10⁻⁷ кг/Кл.
3. Для двухвалентного металла z = 2, поэтому формула проверки имеет вид k = M/(2F). При F ≈ 96 500 Кл/моль найденному k соответствует M ≈ 1,67 · 10⁻⁷ · 2 · 96 500 ≈ 0,0322 кг/моль, то есть 32,2 г/моль.
4. Ответ: k ≈ 1,67 · 10⁻⁷ кг/Кл. Проверка показывает, что это значение согласуется с формулой при молярной массе около 32,2 г/моль; без указанной молярной массы конкретного металла окончательно проверить результат нельзя.

Типичные ошибки

Считать, что ток в электролите создают только электроны, — значит упускать движение катионов и анионов в растворе. Такую ошибку часто вызывает привычка рассматривать металлические провода, где заряд переносят электроны. Проверьте себя: назовите носители отдельно в электродах и в электролите.

Путать направление тока с направлением движения анионов неверно, потому что отрицательный заряд переносит ток противоположно своему движению. Ошибка возникает, если запомнить только, куда перемещаются ионы, но не учитывать знак их заряда. Проверка простая: условный ток направлен так, как двигался бы положительный заряд.

Считать анод положительным, а катод отрицательным во всех устройствах нельзя: эти знаки соответствуют электролитической ячейке. В гальваническом элементе знаки электродов могут быть другими, поэтому переносить правило без указания режима опасно. Перед решением определите, идёт ли электролиз от внешнего источника, или устройство само отдаёт электрическую энергию.

Подставлять в m = kIt время в минутах или часах — значит получить неверный заряд, если сила тока задана в амперах. Это происходит, когда забывают, что ампер равен кулону в секунду. Проверьте единицы перед вычислениями: для результата в СИ время должно быть в секундах.

Связь с другими темами

Для изучения электролитов нужны понятия электрического тока, силы тока, заряда, напряжения и работы электрического поля: они описывают движение заряженных частиц и действие источника. Также важно знать строение атома и понимать окислительно-восстановительные процессы, при которых частицы принимают или отдают электроны. Эти знания применяются при изучении аккумуляторов и гальванических элементов, коррозии, получения и рафинирования металлов и других электрохимических технологий.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток благодаря направленному движению ионов.
• В растворах и расплавах одновременно движутся катионы и анионы.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• На электродах происходят химические реакции — электролиз.
• Заряд, прошедший через электролит, равен q = It.
• Масса выделившегося вещества определяется законом Фарадея: m = kIt.
• Электрохимический эквивалент зависит от вещества и равен k = M/(Fz).