Электрический ток в жидкости. Законы Фарадея для электролиза. 1 страница

Электролитами принято называть проводящие среды,в кото-рых протекание электрического тока сопровождается переносом и выделением на электродах вещества. Это явление получило назва-ние электролиза. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К элек-тролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, водные растворы неорганических кислот, солей и оснований, расплавленные соли, кристаллы которых по-строены из ионов (например, NaCl, NaNO3), а также некоторые твердые вещества.

Электрический ток в электролитах представляет собой пере-мещение положительных ионов к отрицательному электроду (ка-тоду)и отрицательных ионов к положительному электроду(ано-ду).Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей,ки-слот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциаци-ей.Например,хлорид медиCuCl2диссоциирует в водном растворена ионы меди и хлора:

 

CuCl2 Cu 2Cl .

 

При подключении электродов к источнику тока ионы под дей-ствием электрического поля начинают упорядоченное движение: по-ложительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряжен-ные ионы хлора – к аноду (рис. 6.3.1).

 

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседаю-щие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают по одному элек-трону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl2, который выделяется на аноде в виде пузырьков.


 


Анод Катод

 

Cl Cu++

 

Рис. 6.3.1

 

Мерой электролитической диссоциации является коэффициент диссоциации ,который определяет,какая доля всех молекул распа-лась на ионы. Величина коэффициента диссоциации зависит от кон-центрации раствора и от природы растворяемого вещества и раство-рителя. Для слабых электролитов выполняется закон Оствальда (бал-тийский немец Вильгельм Фридрих Оствальд):

 

        n const, (6.3.1)  
     
           
       
       

где п – концентрация молекул соединения.

 

Для слабых электролитов значение близко к единице, т. к. концен-трация ионов мала, и рекомбинация (процесс, обратный электролитиче-ской диссоциации) почти отсутствует. Как следует из формулы (6.3.1),

 

коэффициент диссоциации убывает с увеличением концентрации рас-твора сильных электролитов, и молекулы в них диссоциированы полно-стью, но часть ионов из-за действия электрических сил образуют, на-пример, пары, и поэтому не принимают участие в переносе заряда.

 

Законы электролиза были экспериментально установлены англий-ским физиком Майклом Фарадеем в 1833 г.

Первый закон Фарадея определяет количества первичных продук-тов, выделяющихся на электродах при электролизе, и формулируется следующим образом: масса m вещества, выделившегося на электро-де, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:

 

m = kq = kIt, (6.3.2)

 

где kэлектрохимический эквивалент вещества; I – сила постоянного тока, протекающего через электролит в течение времени t.

 

Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:

 


m m N m q   m0 It, (6.3.3)  
   
0 q   q    
           

где m0 и q0 – масса и заряд одного иона; N – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда q.

Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отноше-нию массы m0 иона данного вещества к его заряду q0. Так как заряд иона равен произведению валентности z вещества на элементарный заряд e (q0 = ze), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде:

k m0   m0 NA , (6.3.4)  
  q   zeN A    
         

где NA – постоянная Авогадро; M = m0NA – молярная масса вещества.

Величина eNA = F называется постоянной (числом) Фарадея и яв-

 

ляется одинаковой для всех веществ величиной:

 

F = eNA= 96 485Кл/моль.

 

Постоянная Фарадея численно равна заряду , который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде 1 моля од-новалентного вещества.

 

Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:

k M . (6.3.5)  
F  
  z    

Формула (6.3.5) является вторым законом Фарадея, который фор-

 

мулируется следующим образом: электрохимический эквивалент ве-щества пропорционален отношению молярной массы М вещества к валентности z его ионов.

 

Отношение молярной массы М вещества к валентности z его ио-нов называется химическим эквивалентом этих ионов (x = M/z). Тогда второй закон Фарадея можно сформулировать также следующим об-

 

разом: электрохимический эквивалент вещества пропорционален его химическому эквиваленту: k = x/F.

 

Подставив это выражение для k в (6.3.2), получим обобщенное уравнение закона электролиза:

m M It. (6.3.6)  
F  
  z    

Электролиз широко применяется в различных электрохимических производствах. Например, это электролитическое получение металлов


 


из водных растворов их солей и из расплавленных солей: гальвано-

 

стегия, гальванопластика, электрополировка.Электролитическое по-

лучение металлов из водных растворов их солей может быть осуще-

ствлено рафинированием или электроэкстракцией.

Рафинирование представляет собой очищение металла от не-большого количества примесей путем электролиза с активным анодом (в качестве анодов в электролитическую ванну помещают металл с примесями, электролитом служит раствор соли очищаемого металла). При электролизе такой анод растворяется, примеси оседают на дно, а на катоде выделяется чистый металл. Рафинированием получают чис-тые медь, серебро и золото.

 

Электроэкстракцией называется извлечение металла из электроли-та при неактивном аноде. Электролитом служит водный раствор соли металла, выделяющий кислород на катоде, а на аноде выделяются ки-слород или хлор. Таким способом получают чистые цинк и никель.

 

Электролиз расплавленных солей проводится с помощью неактив-

 

ных (угольных) электродов и при высокой температуре, применяется при добывании металлов, реагирующих с водой и поэтому не выде-ляющихся из водных растворов. Таким путем добывают магний, алю-миний, бериллий, литий и другие металлы.

 

Гальваностегией называется покрытие металлических предметовслоем другого металла с помощью электролиза на активном аноде. Таким способом пользуются для покрытия предметов не окисляю-щимся на воздухе металлом, чтобы предохранить их от коррозии (на-пример, никелирование, хромирование и т. д.). Гальваностегией также пользуются для изготовления украшений (серебрение и золочение).

Гальванопластикой называется получение металлических копий срельефных изображений на каких-либо поверхностях путем электро-лиза при активном катоде. Гальванопластика имеет большое значение, например, для изготовления клише, применяемых в литографии.

 

Электрополировка заключается в выравнивании металлическойповерхности с помощью электролиза. В электролитическую ванну в качестве анода опускается предмет, поверхность которого должна быть отполирована. При электролизе в раствор уходит главным обра-зом вещество с выступающих частей на поверхности анода, т. е. про-исходит его полировка.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

 

И РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Наркевич, И. И. Физика для ВТУЗов / И. И. Наркевич, Э. И. Вол-мянский, С. И. Лобко. – Минск: Новое знание, 2004. – 680 с.

 

2. Наркевич, И. И. Физика для ВТУЗов: в 2 т. / И. И. Наркевич, Э. И. Волмянский, С. И. Лобко. – Минск: Вышэйшая школа, 1992, 1994. – Т. 1: Механика. Молекулярная физика. – 1992. – 432 с.; Т. 2: Электричество и магнетизм. Оптика. Строение вещества. – 1994. – 432 с.

 

3. Курс физики: учеб. пособие для ВТУЗов: в 3 т. / А. А. Детлаф

[и др.]. – М.: Высшая школа, 1987, 1989. – 3 т.

4. Детлаф, А. А. Курс физики: учеб. пособие для студентов вту-зов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Академия, 2007. – 720 с.

5. Савельев, И. В. Курс общей физики: в 3 т. / И. В. Савельев. –

М.: Наука, 1987. – 3 т.

6. Курс физики: учебник для вузов: в 2 т. / под ред. В. Н. Лозов-ского. – СПб.: Лань, 2000. – 2 т.

7. Трофимова, Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М.: Высшая школа, 1998. – 542 с.

8. Джанколи, Д. Физика: в 2 т. / Д. Джанколи. – М.: Мир, 1989. – 2 т.


 

 


СОДЕРЖАНИЕ    
Тема 1. Электрическое поле в вакууме  
Лекция № 1  
1.1. Электрический заряд. Свойства электрического заряда.  
Закон сохранения электрического заряда  
1.2. Закон Кулона  

1.3. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Силовые линии. Принцип