Чему равен ток в электролитах

Чему равен ток в электролитах

Передача электричества

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями заряда электрического тока в электролитах являются ионы. Они образуются в результате распада (электролитической диссоциации) молекул вещества под действием молекул воды в растворе или при нагревании и образовании расплава.

Расщепление молекул происходит за счёт разрыва полярных ковалентных или ионных связей. Интенсивность диссоциации зависит от температуры и концентрации раствора. Также на степень диссоциации влияет природа электролита. В связи с этим выделяют:

  • слабые электролиты, распадающиеся частично или не распадающиеся вообще;
  • сильные электролиты, быстро распадающиеся на ионы.

К слабым электролитам относится большинство органических веществ, слабые кислоты, плохо растворимые соли и нерастворимые основания. Сильные кислоты, щёлочи, соли относятся к сильным электролитам.

Рис. 1. Процесс электролитической диссоциации.

Образованные в результате диссоциации ионы делятся на два типа:

  • катионы – положительно заряженные частицы;
  • анионы – отрицательно заряженные частицы.

Проводником электрического тока в электролитах является электрод. Он может быть анодом или катодом. Анод присоединён к положительному полюсу источника тока, катод – к отрицательному. Анод окисляет вещества, находящиеся в электролите, катод – восстанавливает.

Рис. 2. Электроды.

Если в раствор электролита поместить два электрода – катод и анод – и включить электрический ток, то ионы начнут двигаться под действием электрического поля. Катионы устремятся к катоду, анионы – к аноду. Достигнув электродов, ионы нейтрализуются, превращаются в нейтральные атомы и оседают.

Процесс разложения вещества на составные части, которые оседают на электродах, называется электролизом.

Закон Фарадея

Процесс электролиза экспериментально изучил английский физик и химик Майкл Фарадей в 1833 году. Он сформулировал закон, согласно которому масса выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна прошедшему через электролит заряду. Этот закон закрепился в науке как первый закон Фарадея.

Рис. 3. Майкл Фарадей.

  • m – масса вещества;
  • Q – заряд;
  • k – электрохимический эквивалент;
  • I – сила тока;
  • t – время действия тока.

Согласно второму закону Фарадея масса выделившегося на электроды вещества прямо пропорциональна отношению молярной массы к валентности и равна электрохимическому эквиваленту.

  • m – масса выделившегося вещества;
  • k – электрохимический эквивалент;
  • M – молярная масса;
  • z – валентность вещества.

Электролиз используется в щелочных и кислотных аккумуляторах. С помощью электролиза можно защитить изделие металлическим покрытием.

Что мы узнали?

Электрический ток в электролитах передают ионы, образовавшиеся в результате электролитической диссоциации. Положительно заряженные ионы – катионы – движутся к отрицательно заряженному электроду – катоду. Отрицательно заряженные анионы устремятся к положительно заряженному электроду – аноду. Достигнув электрода, ионы нейтрализуются, превращаясь в атомы вещества, и оседают на электродах. Это явление было изучено Майклом Фарадеем и получило название электролиза.

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.

Читайте также:  Hotpoint ariston hfo 3c23 wf x отзывы

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).

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.

Читайте также:  Как украсить тарелку на свадьбу

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:

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:

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:

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:

Формула (3) с постоянной Фарадея запишется так:

Звоните нам: 8 (800) 775-06-82 (бесплатный звонок по России) +7 (495) 984-09-27 (бесплатный звонок по Москве)

Или нажмите на кнопку «Узнать больше», чтобы заполнить контактную форму. Мы обязательно Вам перезвоним.

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.

Читайте также:  Генераторы хитачи официальный сайт

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.

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.

Ссылка на основную публикацию
Чем резать композитную арматуру
Для разрезания стеклопластиковой арматуры можно использовать: топор; болторез; ножовку по металлу; углошлифовальную машину (болгарку). Использование топора или болтореза влечёт за...
Чем заделывают швы в пластиковых окнах
Думаете, новое окно решит проблему сквозняков в квартире? Вы глубоко заблуждаетесь, даже новая оконная рама, не обеспечивает герметичность квартиры, а...
Чем заклеить порез на натяжном потолке
Во многих квартирах и частных домах в качестве отделки потолка используют натяжные полотна. Это связано с простотой скрытия дефектов на...
Чем растворяется монтажная пена
Обратной стороной медали при применении монтажной пены являются загрязнения, которые она оставляет. Наиболее страдает пистолет, который с ней непосредственно контактирует....
Adblock detector