Тема: Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів. Закони електролізу. Застосування електролізу

Рідини, як і тверді тіла, можуть бути діелектриками, провідниками і напівпровідниками. Діелектриком є також дистильована вода. До провідників належать розплави і розчини електролітів: кислот, лугів і солей. Рідкими напівпровідниками є розплавлений селен, розплави сульфідів та ін.

Під час розчинення електролітів під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул електролітів на іони. Цей процес називають електролітичною дисоціацією, в результаті якої нейтральні молекули розпадаються на позитивні та негативні іони. В електроліті з'являються вільні носії зарядів і він починає проводити струм. Оскільки заряд у водних розчинах чи розплавах електролітів переноситься іонами, то таку провідність називають іонною. За іонної провідності проходження струму пов'язано із перенесенням речовини. На електродах відбувається виділення речовин, які входять до складу електроліту. На аноді негативно заряджені частинки віддають свої зайві електрони (окиснювальна реакція), а на катоді позитивні іони отримують електрони (реакція відновлення). Процес виділення на електроді речовини, пов'язаний із окиснювально-відновлювальними реакціями, називають електролізом.

Розглянемо явище електролізу на прикладі мідного купоросу. В результаті електролітичної дисоціації CuSO₄ = Cu^{2 +} + SO₄^{2 +}. Позитивно заряджені іони міді під дією електричного струму будуть переміщуватися до катода, де отримають електрони і виділяться на ньому у вигляді нейтральних атомів міді (рис. 4.3.4). Негативно заряджені іони під дією електричного поля перемістяться до анода, де віддадуть вільні електрони і також виділяться на ньому.

Нехай за час t через електроліт буде перенесено заряд . Кількість іонів, які досягли електрода, дорівнюватиме:

,

де q₀ = Ze - заряд іона; Z - валентність іона; e - елементарний заряд.

Кількість іонів N дорівнює кількості атомів речовини, що виділиться на електроді, а маса виділеної речовини

, (4.3.3)

де m₀ - маса одного атома, ; m - молярна маса речовини.

Для кожного хімічного елемента можна у виразі (4.3.3) виділити сталу величину k, яку називають електрохімічним еквівалентом речовини:

. (4.3.4)

У СІ електрохімічний еквівалент вимірюють у кілограмах на кулон:

[k] = кг/Кл.

Виходячи з цього можна записати, що

m = kq = kIDt. (4.3.5)

Маса речовини, яка виділяється на катоді за час Dt, пропорційна силі струму і часу. Це твердження, встановлене експериментально Фарадеєм (1831 р.), має назву першого закону Фарадея для електролізу.

Електрохімічний еквівалент речовини визначено для всіх хімічних елементів. Він є табличною величиною, але його не важко розрахувати: , де - хімічний еквівалент речовини. Добуток числа Авогадро на заряд електрона називають сталою Фарадея:

F = N_Ae = 6,02·10²³ 1/моль ×1,6·10^-19 Кл = 96500 Кл/моль.

Стала Фарадея дорівнює заряду, під час перенесення якого одновалентними іонами через розчин або розплав електроліту виділяється 1 моль речовини.

З цих міркувань вираз (4.3.4) набуде вигляду:

. (4.3.6)

Формула (4.3.6) виражає другий закон Фарадея для електролізу: електрохімічні еквіваленти різних речовин прямо пропорційні їх хімічним еквівалентам. Якщо у вираз (4.3.5) підставити співвідношення (4.3.4), то отримаємо об'єднаний закон Фарадея для електролізу:

.

Явище електролізу має широке застосування в електрометалургії (добування чистих металів); у гальваностегії (нанесення металевих покриттів для запобігання корозії металів); у гальванопластиці (виготовлення копій з матриць) тощо. Будову хімічних джерел струму (гальванічних елементів та акумуляторів) також засновано на процесах взаємодії металів з електролітами.

Запитання для самоперевірки

1. Які речовини належать до електролітів?

2. Що таке електролітична дисоціація?

3. Що називають електричним струмом у рідинах?

4. Чим зумовлено електропровідність електролітів?

5. Чому під час проходження струму через розчин електроліту відбувається перенесення речовини, а під час проходження по металевому провіднику не відбувається?

6. Що називають електролізом?

7. Запишіть і сформулюйте перший закон Фарадея для електролізу.

8. Що називають електрохімічним еквівалентом речовини? Який його фізичний зміст?

9. Запишіть і сформулюйте другий закон Фарадея для електролізу.

10. Що називають сталою Фарадея для електролізу? Який фізичний зміст цієї сталої? Запишіть її значення.

11. Наведіть приклади застосування електролізу.