Фізика і астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 12. 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 й 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 k 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, NA — 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,

Заряд будь-якого йона дорівнює заряду одновалентного йона, тобто, заряду електрона е, помноженому на валентність n йона, q0 = en. Отже,

Величини NA і е є універсальними сталими, а M і n — сталі для даної речовини.

Тож вираз є електрохімічним еквівалентом речовини.

Добуток — стала Фарадея — фізична константа.

Для одновалентної речовини стала Фарадея дорівнює електричному заряду 1 моля речовини.

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. 55, а).

Мал. 55. Графіки залежності: а — сили струму від напруги I(U); б — опору від температури R(T) для електролітів

Залежність опору електроліту від температури (мал. 55, 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 р. Його зміну можна розрахувати за рівнянням, яке використовували в аналогічних розрахунках для металів ρ = ρ0(1 + αΔΤ), де ρ0 — питомий опір електроліту за температури 273 K (0 °С); α — 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 має широке застосування. 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 °C та нормального атмосферного тиску?

Вправа 10

1. Скільки часу потрібно для того, щоб унаслідок нікелювання виробу на його поверхні утворився шар двовалентного нікелю завтовшки 0,03 мм? Скільки енергії буде затрачено для цього? 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, і при цьому виділилося 0,4 л водню за тиску 128 кПа. Визначте температуру водню.