Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 9. Електричний струм у рідинах

Електролітична дисоціація. Електроліз. З курсів хімії та фізики основної школи ми дізналися, що речовини поділяють на електроліти та неелектроліти. Електроліти — це речовини, що мають йонну провідність. Але у твердому стані йони міцно зв’язані один з одним, оскільки мають протилежні електричні заряди, тому їх рухливість ускладнена. У розплаві або розчині рухливість йонів збільшується. У розчині під впливом полярних молекул води речовина-електроліт розпадається на позитивно й негативно заряджені йони.

Розпад деяких речовин на йони під дією полярних молекул води називається електролітичною дисоціацією.

Якщо в такому розчині створити електричне поле, то позитивно заряджені йони рухатимуться до катода (негативно зарядженого електрода), а негативно заряджені йони — до анода (позитивно зарядженого електрода). Відповідно позитивно заряджені йони назвали катіонами, а негативно заряджені — аніонами.

Особливістю проходження електричного струму через електроліт є те, що йони переносять хімічні складники електроліту, і ті виділяються на електродах — відкладаються у вигляді твердого шару або виділяються в газоподібному стані.

Процес виділення речовини на електродах, пов’язаний з окисно-відновними реакціями, що відбуваються на електродах під час проходження струму, називають електролізом. У процесі електролізу катод є відновником, оскільки він віддає електрони катіонам, а анод — окисником, оскільки він приймає електрони від аніонів.

Закони електролізу. З курсу фізики 8 класу нам відомо, що, вивчаючи проходження електричного струму через електроліти, англійський фізик Майкл Фарадей експериментально встановив закони електролізу.

1-й закон Фарадея

Маса речовини m, що виділилася на електроді в результаті електролізу, прямо пропорційна силі струму І і часу t проходження струму через електроліт, m = kIt, де k — коефіцієнт пропорційності (електрохімічний еквівалент).

Електрохімічний еквівалент речовини дорівнює масі речовини, яка виділяється на електроді за 1 с під час проходження через електроліт струму силою 1 А.

2-й закон Фарадея

Електрохімічний еквівалент речовини к пропорційний хімічному еквіваленту,

де М — молярна маса, F — стала Фарадея, n — валентність речовини.

Фізичний зміст законів Фарадея легко пояснити, використавши електронно-йонну теорію. Маса речовини, що виділяється на електродах під час електролізу, визначається масою N йонів, що осідають на електроді.

Кількість йонів дорівнює

де m — маса речовини, М — її молярна маса, Nа — число Авогадро.

З іншого боку, кількість йонів, що осіли, можна визначити через величину заряду q = It, що пройшов крізь електроліт, і заряд одного йона q0,

Отже,

Звідки

Модуль заряду будь-якого йона дорівнює модулю заряду електрона, помноженому на валентність йона,

Отже,

Величини Nа і е є універсальними сталими, а М і n — сталі для даної речовини.

Тож вираз

є електрохімічним еквівалентом речовини. Добуток

— стала Фарадея — фізична константа.

Як видно з формули, стала Фарадея — це модуль електричного заряду 1 моля електронів.

Закони Фарадея можна записати в об’єднаному вигляді так:

Електричний заряд будь-якого йона

Вольт-амперна характеристика проходження електричного струму крізь електроліт має лінійний характер, як і в металах, але відрізняється тим, що для створення електричного струму в електроліті необхідна певна робота зовнішнього електричного поля — для поляризації електроліту (напруга цього поля для різних електролітів має різне значення) (мал. 56, а).

Мал. 56. Графіки залежності: а — сили струму від напруги І(U); б — опору від температури R(Т) для електролітів

Залежність опору електроліту від температури (мал. 56, б) — лінійна. Це пояснюється тим, що за зростання температури тепловий рух молекул стає інтенсивнішим, і тому кількість йонів у розчині та їх концентрація зростають, а отже, змінюється питомий опір електроліту ρ. Його зміну можна розрахувати за рівнянням, яке використовували в аналогічних розрахунках для металів, ρ = ρ0(1 + α∆Т), де ρ0 — питомий опір електроліту за температури 273 К (0 °С); а — термічний коефіцієнт опору. Для електролітів термічний коефіцієнт опору завжди є від’ємним, а отже, за нагрівання провідність електроліту зростає, а його опір зменшується.

Явище електролізу широко застосовують. Детальніше — в електронному додатку.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Дистильована вода не проводить електричний струм. Чому вона стає провідником унаслідок розчинення в ній солей, кислот, лугів? 2. Чому вольт-амперна характеристика електроліту не починається з початку координат? 3. Що називають електрохімічним еквівалентом речовини? Який фізичний зміст сталої Фарадея? 4. Чому опір розчинів електролітів залежить від температури?

Експериментуємо

Визначте масу йона міді. Обладнання: джерело постійного струму, набір обладнання для електролізу, розчин Купрум(ІІ) сульфату (мідного купоросу), терези з важками, амперметр, секундомір, з’єднувальні провідники, вимикач.

Приклади розв’язування задач

Задача. Який найменший заряд повинен мати акумулятор, щоб під час електролізу підкисленої води вивільнилось 5 л кисню за температури 27 °С і нормального атмосферного тиску?

Вправа 6

  • 1. Скільки часу потрібно для того, щоб унаслідок нікелювання виробу на його поверхні утворився шар двовалентного нікелю завтовшки 0,03 мм? Скільки енергії (у Вт • год) буде затрачено? Площа поверхні виробу дорівнює 120 см2. Напруга на клемах ванни — 1,8 В, опір розчину — 3,75 Ом.
  • 2. Скільки алюмінію виділиться за витрати електричної енергії 1 кВт • год, якщо електроліз проводиться під напругою 5 В, а ККД всієї установки — 80 %?
  • 3. У електролітичній ванні за 20 хв виділилося 1,98 г міді. Визначте електричну потужність, що витрачається на нагрівання електроліту. Опір розчину ванни становить 0,8 Ом.
  • 4. Під час електролізу розчину сірчаної кислоти за 2 год 23 хв виділяється 5 л водню за нормальних умов. Визначте опір розчину, якщо потужність струму дорівнює 32,5 Вт.
  • 5. Під час електролізу води через ванну пройшов заряд 4 кКл, унаслідок чого виділилося 0,4 л водню за тиску 128 кПа. Визначте температуру водню.