- Электрическая диссоциация
- Ток в электролитах
- Электролиз и его применение
- Законы Фарадея для электролиза
- знать, что такое электрическая диссоциация
- знать, что такое электролит
- знать, что такое электролиз
- уметь использовать законы Фарадея для электролиза в решении задач
- Кто является свободными носителями заряда в электролитах?
- Что необходимо для протекания тока?
- Чему равно число Авогадро и элементарный заряд электрона?
Электрическая диссоциация
Рис. 1. Процесс диссоциации молекул NaCl
Сам по себе процесс диссоциации — это распад молекулы на составные части под влиянием различных сил. В процессе электролитической диссоциации молекулы растворяемого вещества (щелочей, кислот и солей) распадаются на положительные и отрицательные ионы в результате действия электрических сил. Рассмотрим процесс электролитической диссоциации на примере молекулы поваренной соли ($N a C l$), помещённой в воду. Из-за чего происходит распад молекулы?
Всё дело в том, что молекулы воды являются полярными, то есть положительные и отрицательные заряды в этих молекулах смещены друг относительно друга, что-то вроде диполя. Такая конфигурация молекулы создает вокруг себя электрическое поле, которое действует на молекулы примесей. В случае поваренной соли к положительному иону $N a^{+}$ молекулы воды притягиваются своими отрицательными полюсами, а к отрицательному иону $C l^{-}$ — своими положительными полюсами, происходит распад молекулы (рис. 1). Помимо диссоциации в растворе происходит процесс воссоединения разноимённых ионов в нейтральные молекулы — рекомбинация.
В результате процессов диссоциации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие. Оно характеризуется степенью диссоциации — отношением числа молекул электролита, распавшихся на ионы, к общему числу его молекул.
Ток в электролитах
Рис. 2. Протекание электрического тока в растворе электролита
Электролит — это химически сложная жидкость (растворы кислот, солей и т. п.), через которую может проходить электрический ток. Для протекания электрического тока необходимы свободные носители заряда. Они появляются в результате электролитической диссоциации. При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы начинают упорядоченное движение. Чтобы в растворе электролита создать электрическое поле, опустим туда два электрода — анод и катод. Анод подсоединяется к положительному полюсу источника тока, а катод — к отрицательному. В результате действия электрического поля в электролите отрицательные ионы (анионы) упорядоченно двигаются к аноду, при достижении которого отдают ему лишние электроны.
А положительные (катионы) — к катоду, достигнув которого получают от него недостающие электроны. Таким образом, источник тока, подключённые к нему электроды и раствор электролита в сосуде образуют замкнутую цепь, по которой течёт электрический ток.
Электролиз
Положительные и отрицательные ионы, полученные в результате электролитической диссоциации, являются не только носителями свободных зарядов, но и частицами вещества. Это значит, что электрический ток в электролите сопровождается переносом ионов веществ.
При окислительной реакции на аноде выделяется одно вещество, а при восстановительной реакции на катоде — другое. Соответственно, электролиз — это явление выделения веществ на электродах.
Электролиз используют для получения чистых металлов, для нанесения тонких металлических покрытий, для изготовления микросхем и электронных плат. Например, в растворе медного купороса $C u S O_{4}$ положительные ионы меди $C u^{2 +}$идут на катод, в результате чего катод покрывается медью.
Законы Фарадея для электролиза
Возникает вопрос о нахождении массы $m$ вещества, выделяющегося на электроде за определённое время $t$. Фарадей сформулировал законы электролиза и связал массу выделяющегося вещества с силой тока, протекающей в электролите.
Первый закон Фарадея. Количество $m$ вещества, выделившегося при прохождении тока через электролит в течение времени $t$, пропорционально силе тока $I$ и времени $t$:
$m = k \cdot I \cdot t$,
где $k = \frac{m}{q}$ — постоянная для данного вещества величина, называемая его электрохимическим эквивалентом; в системе СИ измеряется в килограммах на кулон (кг/Кл). Например, электрохимический эквивалент серебра равен 1,118 мг/Кл.
Второй закон Фарадея. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален молярной массе этого вещества и обратно пропорционален его валентности:
$k = \frac{M}{z \cdot e \cdot N_{A}}$.
Тогда массу, выделяющуюся на электроде, можно записать как:
$m = \frac{M \cdot I \cdot t}{z \cdot e \cdot N_{A}} = \frac{M \cdot \Delta q}{z \cdot e \cdot N_{A}}$.
Величина $F = e \cdot N_{A} = 96 485 \frac{K\text{л}}{\text{м}o\text{ль}}$ является константой и называется постоянной Фарадея.
Величина $\frac{M}{z} = A$ называется химическим эквивалентом.
Пример 1
В процессе электролиза под действием тока на электроде выделился слой меди толщиной 0,02 мм. В течение какого времени протекал электролиз, если плотность тока равна 250 А/м2?
Решение
1. Запишем исходные данные:
$\begin{cases} d = 0,02 \text{мм} = 0,02 \cdot 10^{- 3} \text{м} \\ j = 250 \frac{A}{\text{м}^{2}} \\ k = 0,3 \frac{\text{мг}}{K\text{л}} = 0,3 \cdot 10^{- 6} \frac{\text{кг}}{K\text{л}} \end{cases}$.
2. Воспользуемся первым законом Фарадея, чтобы выразить время электролиза:
$m = k \cdot I \cdot t \rightarrow t = \frac{m}{k \cdot I}$.
3. Свяжем массу меди с толщиной слоя:
$m = \rho_{\text{м}} \cdot V = \rho_{\text{м}} \cdot S \cdot d$.
Также из определения плотности тока выразим силу тока:
$j = \frac{I}{S} \rightarrow I = j \cdot S$.
4. Подставим выражения выше в уравнение времени электролиза:
$t = \frac{\rho_{\text{м}} \cdot S \cdot d}{k \cdot j \cdot S} = \frac{\rho_{\text{м}} \cdot d}{k \cdot j} = \frac{9 \cdot 10^{3} \cdot 0,02 \cdot 10^{- 3}}{0,3 \cdot 10^{- 6} \cdot 250} = 2 400 c$.
Ответ: $t = 2 400 c$.
Упражнение 1
1. Электролиз длился 45 минут при силе тока 4 А. Найдите температуру выделившегося атомарного водорода, если при нормальном атмосферном давлении его объём равен 1 л. Электрохимический эквивалент водорода 10−8 кг/Кл.
2. Электрохимический эквивалент серебра 1,118 мг/Кл. Найдите электрохимический эквивалент золота.
Контрольные вопросы
1. В чём различие процесса электролитической диссоциации и рекомбинации?
2. Что такое электролит?
3. Что такое электролиз?
4. Сформулируйте первый закон Фарадея.
5. Что характеризует степень диссоциации?
6. Где используется электролиз?
Упражнение 1
1. $T = \frac{P \cdot V \cdot M}{R \cdot k \cdot I \cdot t} = 223 K$
2. $\approx 2 \frac{\text{мг}}{K\text{л}}$
