Конспект урока: Электрический ток в электролитах. Электролиз и его применение

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 ($NaCl$), 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.

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.

Электролиз используют для получения чистых металлов, для нанесения тонких металлических покрытий, для изготовления микросхем и электронных плат. Например, в растворе медного купороса $CuS{O}_4$ 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 $t$:

$m=k·I·t$,

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:

$k=\frac{M}{z·e·N_A}$.

Тогда массу, выделяющуюся на электроде, можно записать как:

$m=\frac{M·I·t}{z·e·N_A}=\frac{M·∆q}{z·e·N_A}$.