Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 37. Електричний струм в електролітах
Дистильована вода — діелектрик, адже в ній майже немає вільних заряджених частинок; діелектриком є і кухонна сіль. Однак якщо дрібку кухонної солі кинути в дистильовану воду, то отриманий розчин добре проводитиме струм. Чому це так? Звідки в розчині взялися вільні частинки, які мають електричний заряд?
1. Знайомимося з електролітами
Багато кристалічних речовин являють собою позитивні і негативні йони, з’єднані в одне ціле силою електричного притягання. Так, кристали хлориду натрію — кухонної солі (NaCl) складаються з позитивних йонів натрію (Na+) і негативних йонів хлору (Сl-) (рис. 37.1), кристали сульфату міді (CuSO4) — з позитивних йонів міді (Сu2+) і негативних йонів сульфату (SO2-4). Якщо такі речовини розчинити у воді, вони можуть розпастися на окремі йони.
Рис. 37.1. Модель кристалічної ґратки кухонної солі (NaCl): позитивні йони натрію (Na+) — жовті кульки; негативні йони хлору (Сl-) — зелені кульки
Рис. 37.2. Схематичне зображення молекули води
Рис. 37.3. Механізм електролітичної дисоціації кухонної солі
Розглянемо процес розпаду речовин на йони на прикладі розпаду кухонної солі (NaCl) у воді (Н2О). Як ви вже знаєте з курсу хімії, молекули води є полярними: атоми водню й атом кисню в молекулі води розташовані несиметрично, тому з одного боку молекули домінує позитивний заряд, а з іншого боку — такий самий негативний (рис. 37.2, а). Отже, молекулу води можна уявити як електричний диполь* (рис. 37.2, б).
Коли кристалик солі (NaCl) потрапляє у воду, диполі води оточують йони натрію та йони хлору, орієнтуючись певним чином (рис. 37.3, а). Деякі диполі води потрапляють у проміжки між йонами та значно послабляють силу їх притягання. Унаслідок цього процесу і внаслідок теплового руху молекул води йони натрію і хлору відокремлюються від кристалика солі (рис. 37.3, б).
Розпад речовин на йони внаслідок дії полярних молекул розчинника називають електролітичною дисоціацією (від латин. dissociatio — роз’єднання, розділення).
У результаті електролітичної дисоціації в розчині з’являються вільні заряджені частинки — позитивні і негативні йони, тому розчин починає проводити струм.
Досліди показують, що розпад речовин на йони може бути спричинений не тільки розчинником. Деякі солі та оксиди металів можуть розпадатися на йони внаслідок значного збільшення температури. Тому розплави цих речовин теж проводять електричний струм. Розчини й розплави, які проводять електричний струм, відносять до електролітів.
2. Досліджуємо природу електричного струму в електролітах
Візьмемо два вугільні електроди та з’єднаємо їх із полюсами джерела струму (див. рис. 37.4). Електрод, з’єднаний із позитивним полюсом джерела струму, називають анодом, а електрод, з’єднаний із негативним полюсом, — катодом. Опустимо електроди в посудину з електролітом, наприклад із водним розчином хлориду міді (CuCl2), і замкнемо коло. У розчині виникне електричне поле, через дію якого вільні позитивні йони міді (Cu2+) попрямують до катода, а вільні негативні йони хлору (Сl-) — до анода (рис. 37.4). Отже, в розчині виникне напрямлений рух вільних заряджених частинок — електричний струм.
* Електричний диполь — сукупність двох однакових за значенням різнойменних зарядів, які розташовані на певній відстані один від одного.
Електричний струм в електролітах являє собою напрямлений рух позитивних і негативних йонів.
Йонний механізм провідності мають не тільки деякі розчини та розплави, а й деякі тверді речовини, наприклад йодид срібла (AgI), йодид калію (КI), сульфід срібла (Ag2S). У твердих речовинах із йонною провідністю переміщуються йони тільки одного знаку — або тільки позитивні, або тільки негативні.
Електроліти — це тверді або рідкі речовини, які мають йонну провідність.
Зазначимо, що зі збільшенням температури кількість йонів у електролітах збільшується, відповідно збільшується й сила струму. Це означає, що зі збільшенням температури опір електролітів зменшується.
3. Даємо означення електролізу
У процесі проходження електричного струму через електроліт (на відміну від проходження струму через метал) відбувається перенесення хімічних складових електроліту й ті виділяються на електродах — осідають у вигляді твердого шару або виділяються в газоподібному стані. Наприклад, якщо через водний розчин хлориду міді протягом кількох хвилин пропускати струм, то поверхню катода вкриє тонкий шар міді (рис. 37.5), а на аноді виділиться газоподібний хлор. Наявність хлору можна виявити за характерним запахом.
Пояснимо, чому так відбувається. Під час проходження струму вільні позитивні йони міді (Cu2+) прямують до катода, а вільні негативні йони хлору (Сl-) — до анода (див. рис. 37.4). Досягши катода, катіони міді «беруть» з його поверхні електрони, яких їм «бракує», тобто відбувається хімічна реакція відновлення. Унаслідок цієї реакції йони міді перетворюються на нейтральні атоми; на поверхні катода осідає мідь. Водночас негативні йони хлору, досягши поверхні анода, навпаки, «віддають» йому «надлишкові» електрони — відбувається хімічна реакція окиснення; на аноді виділяється хлор.
Рис. 37.4. Схема дослідження електричного струму в рідинах. У ванну з розчином електроліту (CuCl2) занурені катод і анод. Після замикання кола позитивні йони рухаються до катода, негативні йони — до анода
Рис. 37.5. Через кілька хвилин після початку пропускання струму через розчин хлориду міді поверхню катода вкриє тонкий шар міді
Процес виділення речовин на електродах, пов’язаний з окисно-відновними реакціями, які відбуваються на електродах під час проходження струму, називають електролізом.
4. Дізнаємося про перший закон Фарадея
Уперше явище електролізу докладно вивчив англійський фізик М. Фарадей (рис. 37.6). Він сформулював закон, який згодом назвали законом електролізу, або першим законом Фарадея:
Маса речовини, яка виділяється на електроді, прямо пропорційна заряду, який пройшов через електроліт:
Рис. 37.6. Майкл Фарадей (1791-1867) — англійський фізик, засновник учення про електромагнітне поле. Виявив хімічну дію електричного струму, установив закони електролізу і здійснив чимало інших видатних відкриттів
де m — маса речовини; k — коефіцієнт пропорційності, який називають електрохімічним еквівалентом; q — значення електричного заряду.
Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі певної речовини, яка виділяється на електроді внаслідок проходження через електроліт заряду 1 Кл.
Одиниця електрохімічного еквіваленту в CI — кілограм на кулон:
Зверніть увагу: перший закон електролізу можна також записати в такому вигляді:
де m — маса речовини; k — електрохімічний еквівалент; I — сила струму в електроліті; t — час, протягом якого тривав електроліз.
Доведіть ідентичність формул m = kq і m = kIt.
5. Учимося розв’язувати задачі
Задача. Щоб визначити електрохімічний еквівалент міді, через розчин сульфату міді протягом 30 хв пропускали струм силою 0,5 А. Яке значення електрохімічного еквівалента отримали, якщо маса катода до початку досліду була 75,20 г, а після досліду — 75,47 г?
Аналіз фізичної проблеми. Для розв’язання задачі скористаємося законом електролізу. Масу міді, яка виділилася на катоді, знайдемо як різницю мас катода після досліду й до нього. Електрохімічні еквіваленти найчастіше подають у міліграмах на кулон, тому маси катода подамо в міліграмах.
Підбиваємо підсумки
Електроліти — це тверді та рідкі речовини, які мають йонну провідність. Розпад електролітів на йони внаслідок дії полярних молекул розчинника називають електролітичною дисоціацією. У результаті дисоціації в розчині з’являються вільні заряджені частинки — позитивні і негативні йони.
Електричний струм в електролітах — це напрямлений рух позитивних і негативних йонів.
Під час проходження електричного струму через електроліт хімічні складові електроліту осідають на електродах або виділяються в газоподібному стані. Це явище називають електролізом. Електроліз — це процес виділення речовин на електродах, пов’язаний з окисно-відновними реакціями, які відбуваються на електродах під час проходження струму.
Для електролізу справджується перший закон Фарадея (закон електролізу): маса m речовини, яка виділяється на електроді, прямо пропорційна заряду q, що пройшов через електроліт: m = kq, або m = kIt. Коефіцієнт пропорційності k називають електрохімічним еквівалентом.
Контрольні запитання
1. У чому полягає явище електролітичної дисоціації? Наведіть приклади. 2. Що таке електроліт? 3. Що являє собою електричний струм в електролітах? 4. Опишіть процес електролізу. 5. Сформулюйте перший закон Фарадея. 6. Яким є фізичний зміст електрохімічного еквівалента?
Вправа № 37
1. Скориставшись законом електролізу, виведіть одиницю електрохімічного еквівалента в СІ.
2. Дистильована вода не є провідником. А чому водопровідна вода, річкова й морська вода проводять електричний струм?
3. Чому розчин солі у воді добре проводить електричний струм, а розчин цукру у воді — погано?
4. Під час електролізу, де електролітом був розчин нітрату срібла, на катоді виділилося 25 г срібла. Скільки часу тривав електроліз, якщо сила струму була незмінною й дорівнювала 0,5 А?
5. Через розчин нітрату срібла протягом 2 год пропускали електричний струм. Визначте масу срібла, яке виділилося на катоді, якщо напруга на електродах була 2 В, а опір розчину — 0,4 Ом.
6. Під час електролізу, де електролітом був розчин сульфатної кислоти, за 50 хв виділилося 3 г водню. Визначте втрати потужності на нагрівання електроліту, якщо його опір становив 0,4 Ом.
7. Син коваля й учень палітурника Майкл Фарадей зміг стати видатним ученим свого часу. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про життя М. Фарадея та історію його відкриттів.
8. Під час сріблення сталевої ложки на її поверхню було нанесено тонкий шар срібла завтовшки 55 мкм. Визначте масу срібла, якщо площа поверхні ложки дорівнює 40 см2.