Электрический ток в электролитах

Электрический ток в электролитах – материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Электрический ток в электролитах

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в жидкостях

Электролитом мы называем раствор (или расплав) вещества, через который может идти электрический ток; при этом исходное вещество проводником тока не является.

Например, кристаллы поваренной соли не проводят ток. Дистиллированная вода — тоже диэлектрик. Однако при растворении соли в воде получается среда, через которую ток отлично проходит! Следовательно, солёная вода будет электролитом (Вот почему запрещено купаться во время грозы — в водоёмах всегда растворено некоторое количество солей. При ударе молнии по воде пойдёт электрический ток).

Электролитами оказываются растворы солей, кислот и оснований. Прохождение тока через эти растворы означает, что в них имеются свободные заряды. Откуда же они там берутся, если ни в воде, ни в исходном веществе свободных зарядов не было?

Электролитическая диссоциация

Механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в электролите, называется электролитической диссоциацией. Мы ограничимся рассмотрением электролитической диссоциации в растворах.

Вообще, диссоциация — это распад молекулы на составные части под влиянием тех или иных факторов.В процессе электролитической диссоциации молекулы растворяемого вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы в результате действия электрических сил со стороны молекул воды.

Многие свойства воды объясняются тем, что её молекулы являются полярными, то есть в электрическом отношении ведут себя как диполи (напомним, что диполь — это система двух одинаковых по модулю и противоположных по знаку зарядов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга). Полярность молекул обусловлена их геометрическим устройством (рис. 1 (изображение с сайта howyourbrainworks.net)).

Рис. 1. Молекулы воды

Угол, образованный линиями центров атома кислорода и двух атомов водорода, составляет примерно . Кроме того, электронные оболочки смещены в сторону кислорода. В результате центры положительных и отрицательных зарядов оказываются пространственно разделёнными: «минусы» преобладают в кислородной части молекулы воды, а «плюсы» — в водородной части.

Будучи диполями, молекулы воды создают вокруг себя электрическое поле и действуют электрическими силами как друг на друга, так и на молекулы примесей (притягиваясь друг к другу противоположно заряженными частями, молекулы воды создают весьма прочные связи. Вот почему столь велики удельная теплоёмкость и удельная теплота парообразования воды — на разрыв этих связей требуется значительная энергия).

Почему же соли, кислоты и основания распадаются в воде на ионы? Всё дело в том, что молекулы этих веществ также являются полярными. Давайте вернёмся к нашему примеру с растворением поваренной соли .

У атома натрия на внешнем электронном уровне находится один электрон. Он слабо связан с атомом и всегда готов покинуть место своего обитания. У атома хлора на внешнем электронном уровне семь электронов — одного как раз не хватает до полного комплекта. Атом хлора всегда готов захватить себе недостающий электрон.

Поэтому при образовании молекулы внешний электрон атома натрия уходит к атому хлора, и в результате молекула становится полярной — она состоит из положительного иона и отрицательного иона . Эта молекула схематически изображена на рис. 2 (атом хлора крупнее, чем атом натрия).

Рис. 2. Молекула

Иными словами, с электрической точки зрения молекула также оказывается диполем.

Взаимодействие двух сортов диполей — молекул и — как раз и вызывает процесс растворения.

На рис. 3 мы видим, как протекает этот процесс (изображение с сайта intro.chem.okstate.edu). Более крупные зелёные шарики изображают ионы хлора, более мелкие серые — ионы натрия.

Рис. 3. Электролитическая диссоциация: растворение в воде

Левая часть рисунка показывает ситуацию до начала растворения. Крупица соли в виде небольшого кубического кристаллика (Кристаллическая решётка поваренной соли имеет кубическую структуру. В вершинах куба в шахматном порядке, крест-накрест расположены атомы натрия и хлора) только что оказалась в воде.

Сразу же начинается «электрическая атака» со стороны молекул воды.

Отрицательно заряженные (кислородные) части молекул обращаются к положительным ионам натрия, а положительные (водородные) части молекулы воды — к отрицательным ионам хлора.

Молекулы начинают «растягиваться» разнонаправленными электрическими силами притяжения к молекулам-диполям воды, и связь между ионами натрия и хлора, скрепляющая молекулу соли, ослабевает.

В конце концов эта связь становится настолько слабой, что удары соседних частиц, совершающих тепловое движение, разрушают молекулу . Она распадается на положительный ион и отрицательный ион .

В правой части рис. 3 мы видим результат такого распада: вырванные из кристаллической решётки ион хлора и ион натрия отправляются «в свободное плавание», окружённые прицепившимися к ним молекулами воды.

Обратите внимание, что молекулы воды прилипли к отрицательному иону хлора своими положительными водородными частями, а к положительному иону натрия, наоборот, повернулись их отрицательные кислородные части.

Таким образом, при растворении соли в воде появляются свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы (рис. 4). Это и является необходимым условием прохождения тока через раствор.

Рис. 4. Раствор в воде

Описанный выше процесс растворения совершенно аналогично протекает и в случае других примесей.Так, щёлочь распадается в водном растворе на положительные ионы калия и отрицательные ионы гидроксильной группы .

Молекула серной кислоты при распаде даёт два положительных иона и отрицательно заряженный ион кислотного остатка В растворе медного купороса появляются положительные ионы меди и отрицательно заряженные ионы

Все ли молекулы растворяемого вещества распадутся на ионы? Это зависит от ряда условий.

Степенью диссоциации называется отношение числа распавшихся молекул к общему начальному числу молекул. При полном растворении вещества степень диссоциации равна .

Наряду с диссоциацией имеет место и обратный процесс: рекомбинация. А именно, две частицы противоположного знака могут встретиться и снова образовать нейтральную молекулу (рекомбинировать).

С течением времени в растворе устанавливается состояние динамического равновесия: среднее число диссоциаций в единицу времени равно среднему числу рекомбинаций, в результате чего концентрация раствора остаётся неизменной (вспомните аналогичную ситуацию с насыщенным паром: при динамическом равновесии пара и жидкости среднее число вылетевших из жидкости молекул равно среднему числу молекул, вернувшихся обратно из пара в жидкость, так что концентрация насыщенного пара неизменна).

Процессы диссоциации-рекомбинации записываются в виде следующих уравнений, отражающих состояние динамического равновесия:

Изменение внешних условий может нарушить текущее динамическое равновесие и сместить его в ту или иную сторону. Например, при повышении температуры увеличивается скорость диссоциации, и концентрация положительных и отрицательных ионов в растворе возрастает.

Ионная проводимость

В металлах, как вы помните, имеется лишь один тип свободных зарядов — это свободные электроны. В электролитах ситуация иная: здесь возникают свободные заряды двух типов.

1. Положительные ионы, образовавшиеся из атомов металлов или водорода.

2. Отрицательные ионы — атомные или молекулярные кислотные остатки (например, или ), а также гидроксильная группа .

Второе отличие от металлов заключается в том, что носители свободных зарядов в электролите могут иметь заряд, равный по модулю как элементарному заряду , так и целому числу элементарных зарядов . Здесь — валентность атома или группы атомов; например, при растворении медного купороса имеем .

Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды электролита совершают лишь хаотическое тепловое движение наряду с окружающими молекулами. Но при наложении внешнего поля положительные и отрицательные ионы начинают упорядоченное движение.

Поместим в сосуд с электролитом два электрода; один из электродов присоединим к положительной клемме источника тока, а другой — к отрицательной (рис. 5).

Когда речь идёт о прохождении тока через электролиты, положительный электрод называют анодом, а отрицательный — катодом (Имеется народная мудрость для запоминания знаков анода и катода: Андрей — парень положительный, Катька — девка отрицательная ;-)).

Рис. 5. Ионная проводимость электролита

В электрическом поле, возникшем между электродами, положительные ионы электролита устремляются к «минусу» катода, а отрицательные ионы — к «плюсу» анода.

Таким образом, электрический ток в электролите образуется в результате встречного движения ионов: положительных — к катоду, отрицательных — к аноду.

Поэтому проводимость электролитов называется ионной (в отличие от электронной проводимости металллов).

На положительном аноде имеется недостаток электронов. Отрицательные ионы, достигнув анода, отдают ему свои лишние электроны; эти электроны отправляются по цепи к «плюсу» источника.

Наоборот, на отрицательном катоде — избыток электронов. Положительные ионы, придя на катод, забирают у него электроны, и это количество ушедших электронов немедленно восполняется их доставкой на катод с «минуса» источника.

Таким образом, в той части цепи, которая состоит из источника тока и металлических проводников, возникает циркуляция электронов по маршруту «анод источник катод».

Цепь замыкается электролитом, где электрический ток обеспечивается двусторонним движением ионов.

Электролиз

Положительные и отрицательные ионы, будучи носителями свободных зарядов, в то же время являются частицами вещества. Поэтому важнейшее отличие тока в электролитах от тока в металлах состоит в том, что электрический ток в электролите сопровождается переносом вещества.

Явление переноса вещества при прохождении электрического тока через электролит называется электролизом. Законы электролиза были экспериментально изучены Фарадеем.

В процессе электролиза происходит разложение растворённого вещества на составные части и выделение этих частей на электродах. Так, в растворе медного купороса положительные ионы меди идут на катод, в результате чего катод покрывается медью. Кислотный остаток выделяется на аноде.

Естественным образом возникает вопрос о нахождении массы вещества, выделяющегося на электроде за определённое время . Эта масса, очевидно, совпадает с массой данного вещества, перенесённого током за время через электролит.

Пусть — масса одного иона этого вещества, — заряд иона ( — валентность вещества). Предположим, что за время через электролит прошёл заряд . Число ионов, пришедших на электрод, тогда равно . Масса выделившегося на электроде вещества равна суммарной массе пришедших ионов:

(1)

Величина является характеристикой вещества и называется его электрохимическим эквивалентом. Значения электрохимических эквивалентов различных веществ приводятся в таблицах.

При протекании через электролит постоянного тока за время проходит заряд . Подставляя это в формулу (1), получим первую формулу Фарадея:

(2)

Первый закон Фарадея. Масса выделяющегося на электроде вещества пропорциональна силе тока, протекающего через электролит, и времени прохождения тока.

Теперь преобразуем выражение для электрохимического эквивалента, введя молярную массу вещества:

Подставляя это выражение в (2), получим вторую формулу Фарадея:

(3)

Второй закон Фарадея. Масса выделяющегося на электроде вещества прямо пропорциональна молярной массе этого вещества и обратно пропорциональна его валентности.

В формуле (3) мы видим произведение двух констант и . Оно также является константой и называется постоянной Фарадея:

Кл/моль.

Формула (3) с постоянной Фарадея запишется так:

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/elektricheskij-tok-v-elektrolitax/

SA. Ток в электролитах

Электрический ток в электролитах

Как и твердые тела, жидкости могут быть диэлектриками и проводниками. Дистиллированная вода, например, — диэлектрик, а небольшое количество поваренной соли NaCl (тоже диэлектрик), добавленной в дистиллированную воду, делает ее проводником.

Объясняется это следующим образом. В дистиллированной воде концентрация свободных зарядов очень мала, поэтому она плохо проводит ток.

Диэлектрическая проницаемость воды ε = 81, поэтому при растворении вещества в воде кулоновские силы взаимодействия ионов в молекуле соли уменьшаются.

И энергии теплового (беспорядочного) движения частиц может хватить, чтобы молекула распалась на ионы Na+ и Cl–.

  • Распад молекул вещества на ионы при растворении его в жидкости называется электролитической диссоциацией.

Теория электролитической диссоциации была разработана в 1887 году немецким ученым Р. Клаузиусом и шведским химиком С. Аррениусом.

Молекулы различных веществ диссоциируют по-разному и могут распадаться на два или больше ионов. Характер диссоциации тесно связан с химическими свойствами вещества.

Например, при растворении в воде соли сульфата меди молекула CuSO4 диссоциирует на два иона: Cu2+ и SO42-:

\(~CuSO_4 \leftrightarrows Cu{2+} + SO_4{2-}.\)

При отсутствии внешнего электрического поля ионы находятся в тепловом хаотическом движении.

Ионы противоположного знака при встрече вновь могут образовать нейтральную молекулу. Этот процесс называется рекомбинацией ионов (процесс, обратный диссоциации). При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, когда число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.

Степень диссоциации α определяется отношением числа распавшихся на ионы молекул к их общему числу. Степень диссоциации зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости растворителя.

Так как с ростом температуры энергия теплового движения молекул увеличивается, то при этом степень диссоциации электролита возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Пусть в сосуд с раствором электролита помещены два электрода, представляющие собой металлические проводники, к которым присоединяем источник ЭДС.

Электрод, подключенный к положительной клемме источника, называется анод, к отрицательной клемме — катод.

В сосуде возникнет электрическое поле, и отрицательные ионы (анионы) начнут двигаться к аноду, а положительные (катионы) — к катоду (рис. 1). В результате в растворе электролита установится электрический ток.

Термин «ион» в переводе с греческого означает «идущий». Отсюда произошли и названия «анион» — идущий к аноду, «катион» — идущий к катоду.

  • Электрический ток в жидкостях — это направленное движение ионов обоих знаков.

Поскольку перенос заряда в электролитах осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

Однако некоторые жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

  • Жидкости, которые проводят электрический ток, называются электролитами.

Для электролитов также справедлив закон Ома и закон Джоуля-Ленца.

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов.

На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

Отдав или получив электроны, ионы превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы (или образованные из них молекулы) выделяются на электродах.

Образовавшиеся атомы могут вступить в реакцию с электродами или растворителем. Химические реакции, в которые вступают нейтрализовавшиеся ионы, называются вторичными.

  • Явление выделения на электродах веществ, при прохождении электрического тока через электролит, называют электролизом.

Необходимым условием электролиза является прохождение через электролит постоянного электрического тока.

Электролиз впервые наблюдался в 1800 г. У.Никольсоном и А. Карлейлем, разложившими воду постоянным током. Через 7 лет Г. Дэви при помощи электролиза выделил и открыл натрий.

Законы электролиза

Электролиз описывается двумя основными законами, экспериментально установленными Фарадеем в 1833-1834 годах.

Первый закон Фарадея:

  • масса вещества m, выделившегося на одном из электродов, прямо пропорциональна заряду Δq, прошедшему через электролит:

m = K⋅Δq = K⋅I⋅Δt.

Здесь I — сила тока в электролите, Δt — время протекания тока через электролит, K — электрохимический эквивалент вещества.

  • Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества m, выделившегося на электроде при прохождении через раствор электролита заряда q в 1 Кл. В СИ единицей электрохимического эквивалента является килограмм на кулон (кг/Кл).

Таблица 1.

Электрохимические эквиваленты веществ

Вещество (анионы)K, 10–6 кг/Кл Вещество (катионы)K, 10–6 кг/Кл
Гидроксил (OH–)0,177Алюминий (Al3+)0,0932
Кислород (O2–)0,0829Водород (H+)0,1045
Кислотный остаток (SO42–)0,499Железо (Fe3+)0,193
Сера (S2–)0,167Золото (Au3+)0,681
Хлор (Cl–)0,367Медь (Cu2+)0,329
Натрий (Na+)0,238
Никель (Ni2+)0,30
Серебро (Ag+)1,11
Ртуть (Hg+)2,079
Цинк (Zn2+)0,339

Второй закон Фарадея:

  • электрохимический эквивалент вещества K прямо пропорционален его химическому эквиваленту:

\[K=C\cdot \dfrac{M}{Z} .\]

Здесь С — коэффициент пропорциональности, постоянная величина, отношение $\dfrac{M}{Z} $ — химический эквивалент, M — молярная масса вещества, Z — валентность вещества.

Этот закон обычно записывают в ином виде, учитывая, что $C = \dfrac{1}{F}$, где F получила название постоянной Фарадея:

\[K=\frac{1}{F} \cdot \dfrac{M}{Z} .\]

  • Постоянная Фарадея F равна произведению элементарного заряда e на число Авогадро NA:

F = e⋅NA, F = 9,65⋅104 Кл/моль.

Законы Фарадея сыграли важную роль в истории развития физики. Они послужили толчком к выдвижению гипотезы о существовании в природе элементарного электрического заряда и позволили впервые определить его значение.

Применение электролиза в технике

Электролиз находит широкое применение в технике.

Очистка или рафинирование металлов. Процесс происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом — тонкая пластинка из чистого металла, а электролитом — раствор соли данного металла, например, при рафинировании меди — раствор медного купороса. В загрязненных металлах могут содержаться ценные примеси.

Так, в меди часто содержится никель и серебро. Для того чтобы на катоде выделялся только чистый металл, необходимо учитывать, что выделение каждого вещества начинается лишь при некоторой определенной разности потенциалов между электродами, называемой «потенциалом разложения».

При надлежащем ее выборе из раствора медного купороса на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.

Электрометаллургия. Некоторые металлы, например, алюминий, получают методом электролиза из расплавленной руды.

Электролитической ванной и одновременно катодом служит железный ящик с угольным полом, а анодом — угольные стержни. Температура руды (около 900 °С) поддерживается протекающим в ней током.

Расплавленный алюминий опускается на дно ящика, откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.

Гальваностегия — электролитический способ покрытия металлических изделий слоем благородного или другого металла (золота, платины), не поддающегося окислению. Например, при никелировании предмета он сам служит катодом, кусок никеля — анодом. Пропуская через электролитическую ванну в течение некоторого времени электрический ток, покрывают предмет слоем никеля нужной толщины.

Гальванопластика, или электролитическое осаждение металла на поверхности предмета для воспроизведения его формы, была изобретена в 1837 г. русским ученым Б. С. Якоби, предложившим использовать электролиз для получения металлических отпечатков рельефных предметов (медалей, монет и др.).

С предмета снимают слепок из воска или вырезают выпуклое изображение на деревянной доске и делают его проводящим, покрывая слоем графита. Затем опускают слепок или доску в качестве катода в электролит. Анодом служит кусок металла, используемого для осаждения.

Этим способом изготовляют, например, типографские клише.

Электролитическим путем получают тяжелую воду (D2O), в которой атомы водорода заменены атомами его изотопа — дейтерия (D) с атомной массой 2.

Литература

  1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 282-287.
  2. Буров Л.И., Стрельченя В.Μ. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. — Мн.: Парадокс, 2000. — C. 228-232.
  3. Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л. Г. Маркович. — Мн.: Нар. асвета, 2002. — С. 258-263.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/SA._%D0%A2%D0%BE%D0%BA_%D0%B2_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%85

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть