§ 67. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Определения и обозначения

Электролит — вещество, раствор или расплав которого содержит подвижные ионы и проводит электрический ток. К электролитам относятся многие соли, кислоты и основания в растворах, а также расплавы солей. Это понятие нужно, чтобы отличать ионную проводимость от электронной проводимости металлов.

Электролитическая диссоциация — распад вещества на положительные и отрицательные ионы при растворении или плавлении. Например, CuSO₄ распадается на ионы Cu²⁺ и SO₄²⁻. Именно диссоциация объясняет появление свободных носителей заряда в электролите.

Электролиз — химические превращения веществ на электродах при прохождении тока через электролит. В результате могут выделяться металл, газ или изменяться состав раствора. Понятие помогает связать электрическое явление с наблюдаемым образованием новых веществ.

Электрод — проводник, через который ток входит в электролит или выходит из него. Электродами служат, например, металлические пластинки или угольные стержни. При электролизе их называют катодом и анодом, а реакции на них определяют конечный результат процесса.

Как это устроено

При растворении соли молекулы растворителя ослабляют связи между ионами в кристаллической решётке. Ионы окружаются молекулами растворителя и получают возможность перемещаться по всему раствору. При плавлении кристаллическая решётка разрушается из-за нагревания, поэтому ионы также становятся подвижными, хотя состав вещества не меняется.

Без внешнего поля ионы движутся хаотично, поэтому их среднее перемещение в каком-либо направлении равно нулю. Электрическое поле действует на заряд силой, поэтому катионы дрейфуют к отрицательно заряженному катоду, анионы — к положительно заряженному аноду. Движения направлены противоположно, но оба переносят заряд в согласованном с током направлении, создавая электрический ток.

В электролите ионы не только переносят заряд, но и сами перемещают вещество из одного места в другое. Достигнув электрода, они принимают или отдают электроны и превращаются в нейтральные атомы, молекулы либо новые ионы. В металле электроны движутся внутри проводника, а узлы кристаллической решётки почти не переносятся, поэтому заметного переноса вещества не происходит.

На катоде катионы принимают электроны: это восстановление, например Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. На аноде анионы отдают электроны, то есть окисляются; из хлорид-ионов образуется хлор: 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂. Чем больше заряд прошло через электролит, тем больше ионов достигло электродов и тем больше вещества выделилось.

Проводимость растворов и расплавов электролитов

Таблица помогает сравнить два состояния электролита по источнику подвижности ионов и результатам прохождения тока. При решении задач сначала определяют состав среды, затем заряды ионов и возможные реакции на электродах. Температура и состав раствора влияют на число и подвижность носителей.

Разбор задач

1. Ионы и продукты электролиза

Условие. Для раствора CuSO₄ и расплава NaCl нужно указать носители тока, направление движения ионов и вещества, образующиеся на катоде и аноде. Считаем электроды инертными, если это существенно для реакции. Знак иона сразу подсказывает направление его движения.

1. В растворе CuSO₄ носители — Cu²⁺ и SO₄²⁻; Cu²⁺ движутся к катоду, SO₄²⁻ — к аноду.
2. На катоде: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, поэтому выделяется медь. На аноде в водном растворе обычно окисляется вода, образуется O₂.
3. В расплаве NaCl носители — Na⁺ и Cl⁻; Na⁺ идут к катоду, Cl⁻ — к аноду.
4. Реакции расплава: Na⁺ + e⁻ → Na и 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂.

Ответ: в растворе выделяются Cu и O₂, а в расплаве NaCl — Na и Cl₂. В обоих случаях катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.

2. Масса меди по закону Фарадея

Условие. Через раствор соли меди проходит ток I = 2 А в течение 30 мин; k = 0,329 мг/Кл. Требуется найти массу меди. Используем закон Фарадея m = kIt, предварительно переводя минуты в секунды.

1. Время: t = 30 · 60 = 1800 с.
2. Прошедший заряд: q = It = 2 · 1800 = 3600 Кл.
3. Масса: m = kq = 0,329 · 3600 = 1184,4 мг.
4. Переводим единицы: 1184,4 мг = 1,1844 г.

Ответ: на катоде выделится примерно 1,18 г меди. Чем больше ток или продолжительность процесса, тем больше масса осадка.

3. Медь и газ при электролизе CuSO₄

Условие. При I = 3 А ток проходит 32 мин через раствор CuSO₄ с инертными электродами. Нужно найти массу меди и объём кислорода при нормальных условиях. Сначала находим заряд, затем количество меди по закону Фарадея и количество газа по электронному балансу.

1. t = 32 · 60 = 1920 с, поэтому q = It = 3 · 1920 = 5760 Кл.
2. Для меди k = 0,329 мг/Кл: m(Cu) = 0,329 · 5760 = 1895,04 мг ≈ 1,90 г.
3. На аноде: 2H₂O − 4e⁻ → O₂ + 4H⁺. Четыре электрона дают одну молекулу O₂, поэтому n(O₂) = q/(4F), где F ≈ 96500 Кл/моль.
4. n(O₂) ≈ 5760/(4 · 96500) ≈ 0,0149 моль; при н.у. V = n · 22,4 ≈ 0,334 л.

Ответ: m(Cu) ≈ 1,90 г, объём кислорода V(O₂) ≈ 0,33 л. Расчёт показывает, что масса металла и объём газа определяются одним и тем же прошедшим зарядом.

Типичные ошибки

Считать, что ток в электролите создают электроны между ионами, неверно: в растворе заряд переносят катионы и анионы. Так думают из-за привычной модели металлического проводника. Проверьте себя: назовите частицу, которая реально движется в растворе, и укажите её знак.

Катод и анод нельзя различать только по знаку электрода. При электролизе катод — место восстановления, анод — место окисления; их знаки зависят от режима цепи. Проверка проста: на катоде частица принимает электроны, на аноде отдаёт.

Нельзя направлять катионы и анионы к одному электроду. Положительный ион притягивается к катоду, отрицательный — к аноду, поэтому движения встречные. Нарисуйте знаки электродов и мысленно примените правило притяжения разноимённых зарядов.

В законе Фарадея часто забывают перевести минуты в секунды или путают единицы k. Из-за этого ответ отличается в 60 или 1000 раз. Проверьте размерность: при k в мг/Кл произведение kIt должно дать миллиграммы, а время — быть выражено в секундах.

Связь с другими темами

Для понимания электролитов нужны представления о строении атома, образовании ионов, электрическом поле, силе тока и количестве электричества. Эти знания объясняют, почему частицы движутся и как измерить перенесённый заряд.

Электролиз связан с гальваническими элементами, аккумуляторами и другими электрохимическими источниками тока. В них химические реакции и движение ионов также связаны с превращением энергии и электрическим током.

Законы электролиза применяют в гальваностегии, очистке металлов и промышленном получении веществ. На их основе рассчитывают толщину покрытия, массу осадка и расход электричества.

Что запомнить

• Электролиты проводят ток благодаря направленному движению положительных и отрицательных ионов.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• Электролитическая диссоциация создаёт в растворе или расплаве свободные ионы.
• На катоде происходит восстановление, на аноде — окисление.
• Прохождение тока через электролит сопровождается химическими превращениями и переносом вещества.
• Масса выделившегося вещества прямо пропорциональна силе тока и времени его прохождения: m = kIt.
• Растворы и расплавы электролитов проводят ток по-разному в зависимости от состава, температуры и концентрации.