Фізика. Рівень стандарту. 11 клас. Бар’яхтар

§ 6. Електричний струм в електролітах. Електроліз

Насправді прикраса на малюнку не є золотою — вона виготовлена зі срібла, а тонкий шар золота (6 мікронів) нанесено на прикрасу електрохімічним способом — способом електролізу. Автомобільний диск виготовлений зі сплаву алюмінію, а блиску йому надає тонкий шар хрому. І вироблення алюмінію, і рівномірне нанесення хрому на поверхню деталі — це теж електроліз. Про електроліз та його застосування згадаємо в цьому параграфі.

1. Що являє собою електричний струм в електролітах

Електроліти — тверді або рідкі речовини, які мають йонну провідність.

Механізм йонної провідності твердих речовин є досить складним, тому розглянемо йонну провідність лише рідких електролітів.

Солі, кислоти або луги під час розчинення можуть розпастися на окремі йони. Це явище називають електролітичною дисоціацією (див. текст ліворуч), а розчини відповідних речовин — електролітами.

Нагадуємо

Електролітична дисоціація (від латин, dissociatio — розділення) — це розпад речовин на йони внаслідок дії полярних молекул розчинника.

Так, коли кристалик кухонної солі потрапляє у воду, полярні молекули води оточують йони Натрію та йони Хлору і відокремлюють їх від кристалика.

У результаті в розчині з’являються вільні заряджені частинки — позитивні й негативні йони.

Розпад речовин на йони може бути спричинений не тільки розчинником. Деякі солі та оксиди металічних елементів розпадаються на йони внаслідок значного підвищення температури. Розплави цих речовин теж є електролітами.

За відсутності електричного поля йони перебувають у хаотичному тепловому русі. А от якщо в розчин або розплав помістити електроди, приєднані до різнойменних полюсів джерела струму, то, як і вільні електрони в металах, йони дрейфуватимуть у певному напрямку: позитивні йони (катіони) — до негативного електрода (катода); негативні йони (аніони) — до позитивного електрода (анода). Тобто в розчині виникне електричний струм.

Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів являє собою напрямлений рух вільних йонів.

Зазначимо, що зі збільшенням температури кількість йонів в електроліті значно збільшується, тому, незважаючи на збільшення кількості ефективних зіткнень, опір електроліту зменшується (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Приблизний графік залежності опору R електроліту від температури t

2. Що таке електроліз

Під час проходження електричного струму через електроліт відбувається перенесення хімічних складових електроліту й ті виділяються на електродах — осідають у вигляді твердого шару або виділяються в газоподібному стані.

Так, якщо через водний розчин купрум(ІІ) хлориду пропускати струм, то поверхню катода вкриє тонкий шар міді, а біля анода виділиться хлор. Це відбувається тому, що під дією електричного поля вільні позитивні йони Купруму (Сu2+) прямують до катода, а вільні негативні йони Хлору (Сl-) — до анода (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Електроліз розчину СuСl2. У ванну з розчином занурені катод і анод. Після замикання кола позитивні йони (катіони) рухаються до катода, негативні йони (аніони) — до анода

Досягши катода, катіони Купруму «захоплюють» з його поверхні електрони, яких їм «бракує», — відбувається хімічна реакція відновлення: катіони Купруму перетворюються на нейтральні атоми, і на поверхні катода осідає мідь. Водночас аніони Хлору, досягши поверхні анода, «віддають» йому «надлишкові» електрони — відбувається хімічна реакція окиснення: аніони Хлору перетворюються на нейтральні атоми, і на аноді виділяється хлор.

Процес виділення речовин на електродах, пов'язаний з окисно-відновними реакціями, які відбуваються на електродах під час проходження струму, називають електролізом.

3. Закони М. Фарадея для електролізу

Уперше явище електролізу докладно вивчив англійський фізик Майкл Фарадей (1791-1867). Точно вимірюючи маси речовин, які виділялися на електродах під час електролізу, вчений сформулював два закони електролізу.

4. Де застосовують електроліз

Електроліз широко застосовують у сучасній техніці, зокрема для полірування поверхонь, зарядження кислотних і лужних акумуляторів, отримання чистого водню (електроліз води), багатьох металів тощо.

5. Учимося розв'язувати задачі

Задача. Під час рафінування міді анодом слугує пластина з неочищеної міді, що має 12 % домішок. Скільки електроенергії витратили для очищення 2 кг такої міді, якщо процес відбувається за напруги 0,5 В?

Аналіз фізичної проблеми. Витрати енергії дорівнюють роботі струму: ΔW = А = qU, де q — заряд, який пройшов через електроліт за час рафінування. За першим законом Фарадея знайдемо заряд q і, скориставшись табличним значенням електрохімічного еквівалента міді (Сu2+) (див. Додаток 1), визначимо шукану величину.

Підбиваємо підсумки

• Електричний струм в електролітах — це напрямлений рух вільних позитивних і негативних йонів. Процес виділення речовин на електродах, пов’язаний з окисно-відновними реакціями, що відбуваються на електродах під час проходження струму, називають електролізом.

• Перший закон електролізу: маса речовини, що виділяється на електроді, прямо пропорційна силі струму та часу його проходження через електроліт: m = kIt, де k — електрохімічний еквівалент.

Контрольні запитання

1. У чому полягає явище електролітичної дисоціації? Наведіть приклади. 2. Що таке електроліт? 3. Що являє собою електричний струм у розчинах і розплавах електролітів? 4. Опишіть процес електролізу. 5. Сформулюйте закони Фарадея. 6. Наведіть приклади застосування електролізу.

Вправа № 6

1. Через розчин мідного купоросу (CuSO4) досить довгий час пропускають електричний струм. Як змінюється маса міді, що виділяється на катоді за одиницю часу, якщо напруга на електродах є незмінною?

2. Заповніть таблицю.*

Речовина, яка виділилася на катоді

Час електролізу

Сила струму під час електролізу

назва

маса

електрохімічний еквівалент

Мідь

6,6 г

0,4 А

0,30 мг/Кл

1 год

0,6 А

Алюміній

1,35 г

50 хв

5 А

* Зрозуміло, що в цьому та аналогічних завданнях таблиці, креслення тощо слід перенести в зошит.

3. Дві однакові електролітичні ванни заповнені розчином аргентум(І) нітрату. Концентрація розчину у ванні 1 більша, ніж у ванні 2. Визначте, на катоді якої ванни виділиться більше срібла, якщо ванни з’єднані: а) послідовно; б) паралельно.

4. На рис. 1 наведено зображення електричного кола, до складу якого входить електролітична ванна з водним розчином цинк сульфату. Напруга на електродах становить 2 В; густина цинку — 7100 кг/м3. Визначте:

  • а) який електрод є катодом, який — анодом;
  • б) на якому електроді виділяється цинк;
  • в) за який час на електроді утвориться шар цинку завтовшки 6,8 мкм і яка енергія буде на це витрачена.

Рис. 1

5. Дізнайтеся докладніше, що таке електролізер (рис. 2). Чи відрізняється електролізер від електролітичної ванни?

Рис. 2