Что представляет собой электрический ток в электролитах

Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами. Вода и кристаллы хлорида меди практически не проводят электрический ток. Раствор хлорида меди в воде является хорошим проводником. При прохождении электрического тока через водный раствор хлорида меди у положительного электрода, называемого анодом, выделяется газообразный хлор. На отрицательном электроде, называемом катодом, выделяется медь.

Изменение химического состава раствора или расплава при прохождении через него электрического тока, обусловленное потерей или присоединением электронов ионами, называется электролизом.

Фарадей установил, что при прохождении электрического тока через электролит масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду прошедшему через электролит:

где I — сила тока; — время пропускания тока через электролит.

Выражения (47.1) или (47.2) называются законом электролиза. Коэффициент пропорциональности в этих выражениях называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Механизм электролиза.

Особенностью молекул электролитов является перераспределение электрических зарядов, в результате которого одна часть молекулы вещества электролита оказывается заряженной положительно, другая — отрицательно. Разноименно заряженные части молекулы связываются кулоновскими силами притяжения.

При растворении электролита в жидкости, например хлорида натрия в воде, взаимодействие молекул жидкости с молекулами электролита ослабляет связь между частями молекул электролита и некоторые из них разделяются на положительный и отрицательный ион. Разделение молекул электролита на ионы происходит за счет энергии теплового движения молекул. В электрическом поле ионы электролита приходят в движение:

положительные ионы движутся к катоду, отрицательные — к аноду. Так возникает электрический ток в электролите. При встрече положительного и отрицательного ионов происходит их соединение — рекомбинация. Сила взаимодействия ионов в воде уменьшается в 81 раз (диэлектрическая проницаемость воды и это затрудняет процесс рекомбинации ионов. При повышении температуры электролита возрастает средняя кинетическая энергия теплового движения молекул, увеличивается и число пар ионов, образующихся в единицу времени.

Из-за увеличения концентрации ионов при повышении температуры значение электрического сопротивления электролита с повышением температуры уменьшается.

Примером твердого электролита может служить стекло, в котором имеются ионы натрия. При низких температурах перемещение ионов в стекле затруднено и стекло является хорошим изолятором. При нагревании стекла до 300-400 °С ионы получают возможность перемещаться под действием электрического поля и стекло становится проводником электрического тока.

Электрический ток в любых электролитах создается движением положительных и отрицательных ионов, т. е. заряженных атомов или молекул вещества.

Применение электролиза.

Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве. С помощью электролиза из солей и оксидов получают многие металлы, например медь, никель, алюминий. Электролитический способ дает возможность получать вещества с малым количеством примесей. Поэтому его применяют для получения многих веществ, когда требуется высокая степень химической чистоты.

Путем электролиза можно наносить тонкие слои металлов, например хрома, никеля, серебра, золота, на поверхность изделий из других металлов. Эти слои могут служить защитой изделия от окисления, повышать его прочность или просто украшать изделие. Электролитический способ покрытия изделий тонким слоем металла называется гальваностегией.

Читайте также:  Как прогнать муравьев из дома

При более длительном пропускании тока через электролит можно получить на изделии такой толстый слой металла, который может быть отделен от него с сохранением формы. Электролитическое получение точных копий различных изделий называется гальванопластикой. С помощью гальванопластики получают копии изделий сложной формы, копии скульптур и других произведений искусства.

Явление электролиза лежит в основе принципа действия кислотных и щелочных аккумуляторов, где используется важное свойство процесса электролиза — его обратимость.

Электрический ток в электролитах всегда связан с переносом вещества. В металлах и в полупроводниках, например, вещество, при прохождении через них тока, не переносится, поскольку в этих средах носителями тока являются электроны и дырки, а в электролитах — переносится. Так происходит потому, что в электролитах носителями свободных зарядов выступают положительно и отрицательно заряженные ионы вещества, а вовсе не электроны или дырки.

Многочисленные соединения металлов будучи расплавленными, а также некоторые твердые вещества — относятся к электролитам. Но главными представителями данного типа проводников, которые широко используются в технике, являются водные растворы неорганических кислот, оснований и солей.

Вещество, при прохождении электрического тока через среду электролита, выделяется на электродах. Данное явление называется электролизом. Когда через электролит течет электрический ток, положительно и отрицательно заряженные ионы вещества движутся одновременно в противоположных направлениях.

Отрицательно заряженные ионы (анионы) устремляются к положительному электроду источника тока (аноду), а положительно заряженные (катионы) — к отрицательному его полюсу (катоду).

Источниками ионов в водных растворах кислот, щелочей и солей являются нейтральные молекулы, часть которых расщепляется под действием приложенной электрической силы. Данное явление расщепления нейтральных молекул называется электролитической диссоциацией. К примеру хлорид меди CuCl2 распадается при диссоциации в водном растворе на ионы хлора (отрицательно заряженный) и меди (положительно заряженный).

Когда электроды подключаются к источнику тока, электрическое поле начинает действовать на ионы в растворе или расплаве, при этом анионы хлора движутся к аноду (положительному электроду), а катионы меди — к катоду (отрицательному электроду).

По достижении отрицательного электрода, положительно заряженные ионы меди нейтрализуются избытком электронов на катоде и становятся нейтральными атомами, которые на катоде и оседают. По достижении положительного электрода, отрицательно заряженные ионы хлора отдают по одному электрону в ходе взаимодействия положительным зарядом анода. При этом образовавшиеся нейтральные атомы хлора объединяются парами в молекулы Cl2, и хлор выделяется в виде пузырьков газа на аноде.

Читайте также:  Большое зеркало в прихожую настенное в раме

Часто процесс электролиза сопровождается взаимодействием продуктов диссоциации (это называется вторичными реакциями) когда продукты разложения, выделяющиеся на электродах, взаимодействуют с растворителем или непосредственно с материалом электрода. Для примера возьмем электролиз водного раствора сульфата меди (медный купорос — CuSO4). В данном примере электроды будут изготовлены из меди.

Молекула сульфата меди диссоциирует с образованием положительно заряженного иона меди Cu+ и отрицательно заряженного сульфат-иона SO4-. Нейтральные атомы меди оседают твердым осадком на катоде. Таким путем добывают химически чистую медь.

Сульфат-ион отдает положительному электроду два электрона и становится нейтральным радикалом SO4, который тут же реагирует с медным анодом (вторичная реакция на аноде). Продукт реакции на аноде — сульфат меди, который переходит в раствор.

Получается, что когда электрический ток пропускается через водный раствор сульфата меди, медный анод просто постепенно растворяется, а на катоде оседает медь. При этом концентрация водного раствора сульфата меди не изменяется.

В 1833 году английский физик Майкл Фарадей в ходе экспериментальной работы установил закон электролиза, который называется теперь его именем.

Закон Фарадея позволяет определить количество первичных продуктов, которые выделятся на электродах в процессе электролиза. Закон звучит так: «Масса m вещества, выделяющегося на электроде при электролизе прямо пропорциональна заряду Q, который прошел через электролит».

Коэффициент пропорциональности k в данной формуле называется электрохимическим эквивалентом.

Масса вещества, которое выделяется на электроде при электролизе, равна суммарной массе всех ионов, которые пришли к данному электроду:

В формуле присутствует заряд q0 и масса m0 одного иона, а также прошедший через электролит заряд Q. N – это количество ионов, которые пришли к электроду при прохождении заряда Q через электролит. Электрохимическим эквивалентом k поэтому называется отношение массы иона m0 к его заряду q0.

Поскольку заряд иона численно равен произведению валентности вещества на элементарный заряд, то химический эквивалент может быть представлен в следующем виде:

Где: Nа — постоянная Авогадро, М — молярная масса вещества, F – постоянная Фарадея.

Фактически постоянная Фарадея может быть определена как величина заряда, который должен пройти через электролит, чтобы на электроде при этом выделился один моль одновалентного вещества. Закон Фарадея для электролиза тогда приобретает вид:

Явление электролиза находит широчайшее применение в современном производстве. Например, путем электролиза в промышленности получают алюминий, медь, водород, диоксид марганца, пероксид водорода. Многие металлы извлекаются из руд и перерабатываются с помощью электролиза (электрорафинирование и электроэкстракция).

Также благодаря электролизу функционируют химические источники тока. Электролиз служит в очистке сточных вод (электроэкстракция, электрокоагуляция, электрофлотация). Многие вещества (металлы, водород, хлор и др.) получаются благодаря электролизу при гальваностегии и гальванопластике.

Читайте также:  Простой интерьер однокомнатной квартиры фото

В жидких проводниках (электролитах) происходит непрерывный самопроизвольный распад молекул на составные части . Иногда этот процесс называется процессом диссоциации молекул. Например, молекула медного купороса CuS04 распадается на положительный ион меди Cu и отрицательный ион S04 (так называемый кислотный остаток). В электролите происходит беспорядочное тепловое движение ионов и молекул. Ионы соединяются, образуют молекулы, вновь распадаются и т. д. В целом раствор электрически нейтрален, так как количество положительных и отрицательных ионов в нем одинаковое.

Проделаем следующий опыт. В стеклянный сосуд с раствором медного купороса (CuS04) опустим две медные пластины (электроды) и подключим их к источнику электрической энергии (рис. 1). Пластина, соединенная с положительным полюсом источника, называется анодом (эта пластина имеет положительный потенциал), а другая, соединенная с отрицательным- полюсом,— катодом (эта пластина имеет отрицательный потенциал).

Рисунок 1. Прохождение электрического тока через раствор медного купороса.

Как только мы подключим пластины к источнику электрической энергии, между ними образуется электрическое поле. На положительные и отрицательные ионы, находящиеся в растворе, начнут действовать электрические силы.

Очевидно, что отрицательные ионы (SO4) пойдут к аноду, а положительные (Сu)—к катоду, т. е. в электролите начнется упорядоченное движение ионов. Это упорядоченное движение ионов в электролите под воздействием сил электрического поля и называется ионным электрическим током. Ионный электрический ток существует до тех пор, пока между электродами имеется разность потенциалов.

Мы видим существенное отличие электрического тока в электролите от электрического тока в металлическом проводнике: первый создается движением ионов, а второй — свободных электронов.

Что же будет происходить в электролите после того, как положительные ионы подошли к катоду, а отрицательные — к аноду?

Положительные ионы (Сu) присоединяют недостающие электроны и превращаются в молекулы чистой меди. Молекулы меди в виде тончайшего слоя отлагаются на катоде. Отрицательные ионы отдают излишние электроны аноду и вступают в химическую реакцию с материалом анода, т. е. с медью, образуя молекулы медного купороса (CuSO4). Эти молекулы вступают в электролит.

Таким образом, в электролите при прохождении электрического тока происходит следующий процесс: катод покрывается слоем меди, выделяющейся из электролита, а анод растворяется и пополняет убыль меди в электролите.

Определение: Процесс прохождения ионного электрического тока в электролите, сопровождающийся химическими превращениями вещества и выделением его, получил название электролиза

Честь открытия явления электролиза принадлежит русскому академику Б. С. Якоби. В настоящее время явление электролиза широко применяется в промышленности (очистка металлов, снятие копий с различных предметов, никелирование, золочение, серебрение и т. д.).

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector