§16. Электрический ток в растворах и расплавов электролитов

Определения и обозначения

Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток благодаря свободным ионам. К электролитам относятся, например, растворы солей, кислот и щелочей. Это понятие помогает отличать ионную проводимость от электронной проводимости в металлах.

Электролитическая диссоциация — распад молекул электролита на положительные и отрицательные ионы при растворении или плавлении. Ионы называют катионами и анионами соответственно. Диссоциация объясняет, откуда в электролите берутся подвижные носители заряда.

Электролиз — выделение веществ на электродах при прохождении 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.

Электрохимический эквивалент — величина, показывающая, какая масса вещества выделяется на электроде при прохождении единичного электрического заряда. Его обозначают k и выражают, например, в килограммах на кулон или миллиграммах на кулон. По k можно рассчитать массу вещества, если известен прошедший заряд.

Как это устроено

При растворении электролита взаимодействие с молекулами растворителя ослабляет связи между его частицами, а при плавлении тепловое движение разрушает упорядоченную структуру твёрдого вещества. Поэтому появляются свободно перемещающиеся катионы и анионы. В твёрдом кристалле соли ионы, напротив, закреплены в узлах решётки и не могут переносить заряд по всему веществу.

Источник тока создаёт электрическое поле в растворе и задаёт полярность электродов. Положительный заряд катионов заставляет их двигаться к отрицательно заряженному катоду, а отрицательный заряд анионов — к положительному аноду. Поскольку оба вида частиц перемещаются направленно, оба вносят вклад в электрический ток; для анионов направление движения противоположно условному направлению тока.

Дойдя до электрода, ион может вступить с ним в обмен электронами. На катоде катионы обычно принимают электроны и превращаются в нейтральные атомы, а на аноде анионы могут отдавать электроны; конкретная реакция зависит от состава раствора и электродов. Образовавшиеся частицы осаждаются на поверхности или выделяются в виде газа, поэтому именно на электродах наблюдается результат электролиза.

При постоянной силе тока I за время t через электролит проходит заряд q = It. Закон Фарадея связывает этот заряд с массой выделившегося вещества: m = kq = kIt. Причина пропорциональности в том, что больший заряд означает большее число перенесённых ионов и, при прочих равных, большее количество вещества, вступившего в реакцию.

Электрохимический эквивалент k показывает массу, приходящуюся на один кулон заряда: k = m/q. Поэтому при известном k и заряде можно найти массу по формуле m = kq, а если известны масса и время — определить ток. Значение k зависит от вещества, так как для разных ионов различаются их масса и число электронов, необходимых для реакции.

Электрический ток в металлах и электролитах

Сравнивайте прежде всего носители заряда: это позволяет понять, почему проводимость металла не сопровождается таким же переносом вещества, как в электролите. Затем проследите, что происходит на границе проводника и среды. В электролите именно реакции на электродах связывают движение ионов с выделением веществ.

Разбор задач

Задача 1. Указать, к какому электроду движутся катионы и анионы в растворе электролита, подключённом к источнику тока. Направление определяется зарядом иона: противоположные заряды притягиваются. В электролизной установке катод имеет отрицательный потенциал относительно анода, поэтому катионы притягиваются к нему.

1. Катионы имеют положительный заряд и движутся к отрицательному катоду.
2. Анионы имеют отрицательный заряд и движутся к положительному аноду.
3. Проверяем соответствие: к каждому электроду направляются ионы противоположного знака.

Ответ: катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.

Задача 2. Через электролит прошёл ток 2 А в течение 5 минут. Найти массу выделившегося вещества, если k = 0,33 мг/Кл. Сначала определим, какой заряд прошёл через раствор, используя q = It. Затем применим закон Фарадея; поскольку k дан в миллиграммах на кулон, массу получим в миллиграммах.

1. Переводим время в секунды: t = 5 · 60 = 300 с.
2. Находим заряд: q = It = 2 · 300 = 600 Кл.
3. Вычисляем массу: m = kq = 0,33 · 600 = 198 мг.

Ответ: на электроде выделится 198 мг вещества, или 0,198 г.

Задача 3. При электролизе раствора соли за 20 минут на катоде выделилось 0,64 г меди. Найти силу тока, если k = 0,33 мг/Кл. Выразим ток из закона Фарадея: I = m/(kt). Единицы массы и времени согласуем с k, заданным в мг/Кл: массу переведём в миллиграммы, а время — в секунды.

1. Переводим величины: m = 0,64 г = 640 мг; t = 20 · 60 = 1200 с.
2. Подставляем в формулу: I = 640/(0,33 · 1200) А.
3. Вычисляем: I ≈ 1,62 А. Единицы сокращаются до ампер, поскольку 1 А = 1 Кл/с.

Ответ: сила тока примерно равна 1,6 А.

Типичные ошибки

Считать, что ток в электролите создают только положительные ионы, — значит забывать о движении анионов. Ошибка возникает из-за привычки связывать условное направление тока с движением положительного заряда. Проверьте себя: в растворе перемещаются и катионы, и анионы, хотя их направления противоположны.

Путать направление движения ионов с направлением условного тока особенно легко для анионов. Условное направление тока совпадает с движением положительных зарядов, а отрицательные заряды движутся против него. Чтобы проверить ответ, мысленно замените движущийся анион равным по модулю положительным зарядом: направления тока должны совпасть.

Считать, что вещество выделяется в объёме раствора, — ошибка: реакция происходит там, где ионы обмениваются электронами с проводником. Иногда перемещение ионов по всему раствору ошибочно принимают за место самой реакции. Проверьте себя: осадок, пузырьки газа или другое заметное выделение ищут у поверхности электрода.

Подставлять время в минутах или массу в граммах без проверки единиц — частая причина неверного численного результата. Закон Фарадея связывает кулоны с единицами массы, указанными для k, а заряд вычисляется при времени в секундах. Перед расчётом сверяйте единицы: для k в мг/Кл нужны секунды, кулоны и масса в миллиграммах.

Связь с другими темами

Для изучения электролитов нужны понятия электрического тока, силы тока, заряда и электрического поля, а также закон Ома. Они позволяют описать движение носителей и определить заряд по формуле q = It. Электролиз связан с химическими реакциями и окислительно-восстановительными процессами на электродах, где частицы отдают или принимают электроны. Закон Фарадея пригодится при изучении электрохимических источников тока и практического применения электролиза.

Что запомнить

• Ток в растворах и расплавах электролитов создают положительные и отрицательные ионы.
• Катионы движутся к катоду, анионы — к аноду.
• При электролизе на электродах происходят процессы, приводящие к выделению веществ.
• Прошедший через электролит заряд равен q = It.
• Масса выделившегося вещества пропорциональна заряду: m = kq.
• Электрохимический эквивалент зависит от вещества.