Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза

Во всех ранее рассмотренных нами случаях перенос заряда не сопровождался переносом вещества. Но существует класс проводников, прохождение электрического тока в которых всегда сопровождается химическими изменениями и переносом вещества. Такими проводниками являются растворы многих солей, кислот и щелочей, а также расплавы солей и оксидов металлов. Эти вещества называют электролитами.

Чтобы понять природу электрического тока в электролитах, соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампы накаливания и ванны с дистиллированной водой, в которой находятся два угольных электрода. Замкнём цепь. Лампочка не светится. Следовательно, дистиллированная вода является диэлектриком.

Давайте повторим опыт, предварительно растворив в дистиллированной воде сахар. Лампа не светится и в этом случае. Значит, раствор сахара в воде тоже является диэлектриком.

А теперь растворим в дистиллированной воде небольшое количество соли, например, хлорида меди и повторим опыт. Как видим, в цепи проходит электрический ток, о чём наглядно свидетельствует свечение лампы. Вывод напрашивается сам собой: раствор соли в воде является проводником электрического тока.

При изучении химии вы узнали, что при растворении солей, кислот и щелочей в воде происходит электролитическая диссоциация, то есть распад молекул электролита на ионы.

В проведённом опыте хлорид меди в водном растворе диссоциирует на положительно заряженные ионы меди и отрицательно заряженные ионы хлора, которые при отсутствии электрического поля движутся хаотически:

Однако, стоит создать внешнее электрическое поле, как на хаотическое движение частиц накладывается направленное движение положительно и отрицательно заряженных ионов. При этом положительно заряженные ионы меди движутся к электроду, подключённому к отрицательному полюсу источника тока (то есть к катоду), а отрицательно заряженные ионы хлора — к положительному аноду. На аноде будет происходить процесс окисления ионов хлора до атомов хлора: Cl^– – e^– = Cl. А нейтральные атомы хлора будут образовывать молекулы хлора, который выделяется на аноде: Cl + Cl = Cl₂↑.

На катоде же будет происходить процесс восстановления ионов меди до нейтральных атомов и осаждение металлической меди (о чём и свидетельствует бурый налёт на катоде): Cu²⁺ + 2e^– = Cu.

Таким образом, свободными носителями электрического заряда в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации. Следовательно, проводимость электролитов является ионной.

Давайте изучим сопротивление электролитов. Для этого соберём простую электрическую цепь, состоящую из источника тока, электролитической ванны и амперметра. Поддерживая постоянное напряжение между электродами, приблизим их друг к другу. Нетрудно заметить, что амперметр показывает увеличение силы тока в цепи.

Теперь установим один из электродов так, чтобы его часть выступала над поверхностью раствора, — показания амперметра уменьшились.

Таким образом, при уменьшении расстояния между электродами и площади перекрытия электродов, сопротивление электролита уменьшается.

А сейчас давайте нагреем электролит. Как видим, с ростом температуры показания амперметра увеличиваться. Следовательно, увеличение температуры электролита ведёт к уменьшению его сопротивления.

Теперь давайте будем увеличивать напряжение между электродами в целое число раз. Не трудно заметить, что показания амперметра в этом случае также увеличиваются в целое число раз, пропорционально напряжению. Это свидетельствует о том, что для электролитов выполняется закон Ома:

Отметим также тот факт, что при прохождении электрического тока через электролит проявляется тепловое действие тока, то есть выполняется закон Джоуля—Ленца:

Идём дальше. При изучении химии вы узнали, что процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими при прохождении электрического тока через растворы (расплавы) электролитов, называют электролизом.

Первый закон электролиза был экспериментально установлен Фарадеем в 1833 году. Согласно ему, масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит: m = kq.

Коэффициент пропорциональности k в формуле называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося на одном из электродов при прохождении через электролит единичного электрического заряда.

В СИ электрохимический эквивалент измеряют в килограммах на кулон: [k] = [Кл/кг].

Но вернёмся к первому закону электролиза и вспомним, что заряд, прошедший через поперечное сечение проводника (в нашем случае, через раствор электролита) за единицу времени, можно найти, как произведение силы тока на время его прохождения: q = It.

Массу вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит электрического заряда, можно определить, зная массу одного иона и число осевших на этом электроде ионов: m= m₀N.

А массу одного иона легко найти, зная молярную массу вещества и число Авогадро:

Выразим из последних двух формул число ионов:

Теперь вспомним, это же число ионов мы можем определить, как отношение заряда, прошедшего через электролит, к заряду одного иона, который кратен элементарному заряду:

В записанной формуле n — это валентность иона.

Прировняв правые части последних двух равенств, найдём массу выделившегося на катоде вещества.

Сравнивая полученное выражение с первым законом электролиза легко получить формулу для определения электрохимического эквивалента вещества:

Произведение двух универсальных постоянных называют постоянной Фарадея:

А отношение молярной массы вещества к валентности иона называют химическим эквивалентом вещества:

Отсюда вытекает второй закон Фарадея для электролиза: электрохимические эквиваленты веществ пропорциональны их химическим эквивалентам:

А теперь давайте подставим выражение для электрохимического эквивалента вещества в первый закон электролиза:

Полученное выражение называют объединённым законом Фарадея для электролиза. Согласно этому закону масса вещества, выделившегося на каждом из электродов, пропорциональна молярной массе ионов этого вещества, силе тока и времени его прохождения через электролит и обратно пропорциональна валентности ионов вещества.

Используя закон электролиза, можно определить значение заряда электрона:

В 1874 году именно таким путём и было впервые получено значение элементарного электрического заряда.

А теперь, для закрепления материала решим с вами такую задачу. Хромирование тонкой прямоугольной пластинки размерами а = 5,0 см и b = 8,0 см в большой гальванической ванне осуществляется в течение трёх часов при силе тока 1,5 А. Определите толщину образовавшегося на пластинке слоя хрома.

В заключении урока отметим, что электролиз нашёл широкое применения в технике. Так, например, английский химик и один из основателей электрометаллургии сэр Гемфри Дэви разработал методику получения металлов с наименьшим количеством примесей.

С помощью электролиза наносят защитные и декоративные покрытия на металлические изделия (это называется гальваностегией).

В 1836 году русский академик Борис Семёнович Якоби разработал метод для производства идеальных копий исходного предмета. Его назвали гальвванопластикой.

Первым изделием, полученным с помощью гальванотехники, стала монета. Якоби сначала использовал монету для получения матрицы-негатива, а с неё создал копию, находящейся в обороте, монеты. Осознав, что он открыл новый метод фальшивомонетничества, учёный уничтожил полученное изделие. Технология быстро распространилась в Российской империи. В частности, таким способом были созданы скульптуры на нефах Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.

С помощью электролиза также получают электронные платы, служащие основой всех электронных изделий. На диэлектрик наклеивают тонкую медную пластину, на которую наносят особой краской сложную картину соединяющих проводов. Затем пластину помещают в электролит, где вытравливаются не закрытые краской участки медного слоя. После этого краска смывается, и на плате появляются детали микросхемы.