Передача электротока
Электрический ток представляет собой упорядоченное движение свободных зарядов. Чтобы выяснить, как проводится электрический ток в растворах, необходимо понять, какие частицы являются его переносчиками. В твердых телах ток создается электронами. Переносчиками электрического тока в электролитах являются ионы. Эти частицы образуются в результате процесса разложения (электрической диссоциации) молекул вещества под действием воды в растворах или при нагревании и последующем появлении расплава.
Молекулы веществ расщепляются за счет разрыва ионных или полярных ковалентных связей. Количество носителей заряда в электролите определяется концентрацией и температурой. Кроме того, степень распада молекул зависит от природы электролита. В связи с этим их делят на две группы:
- слабый – не подвержен гниению, либо этот процесс протекает крайне медленно;
- сильный — в таких электролитах происходит быстрое расщепление молекул на ионы.
К первой группе относится большинство органических веществ — нерастворимые основания, слабые кислоты и малорастворимые соли. К сильным электролитам относятся щелочи, сильные кислоты и хорошо растворимые соли.
Ионная проводимость
В металлах, как вы помните, есть только один вид свободного заряда — это свободные электроны. В электролитах дело обстоит иначе: здесь возникают свободные заряды двух типов.
1. Положительные ионы, образованные атомами металла или водорода.
2. Отрицательные ионы — атомарные или молекулярные остатки кислоты
При отсутствии внешнего электрического поля свободные заряды электролита совершают лишь хаотическое тепловое движение вместе с окружающими молекулами. Но когда приложено внешнее поле, положительные и отрицательные ионы начинают упорядоченное движение.
Поместите два электрода в сосуд с электролитом; один из электродов подключим к плюсовой клемме источника тока, а другой к минусовой клемме (рис. 5). Когда речь идет о протекании тока через электролиты, то положительный электрод называется анодом, а отрицательный — катодом (Есть народная мудрость запомнить знаки анода и катода: Андрей — положительный парень, Катя — негативная девушка ;-)).
Рис. 5. Ионная проводимость электролита
В электрическом поле, возникшем между электродами, положительные ионы электролита устремляются к «минусу» катода, а отрицательные ионы — к «плюсу» анода. Таким образом, в электролите образуется электрический ток в результате поступательного движения ионов: положительных — к катоду, отрицательных — к аноду. Поэтому проводимость электролитов называется ионной (в отличие от электронной проводимости металлов).
На положительном аноде не хватает электронов. Отрицательные ионы, достигнув анода, отдают ему свои дополнительные электроны; эти электроны направляются по цепи к «плюсу» истока.
Напротив, на отрицательном катоде имеется избыток электронов. Положительные ионы, попав на катод, забирают у него электроны, и это количество ушедших электронов тут же восполняется, доставляясь к катоду из «минуса» источника.
Цепь замыкается электролитом, где электрический ток обеспечивается двусторонним движением ионов.
Электрическая диссоциация
Это основной процесс возникновения электрического тока в растворах, поэтому его необходимо рассмотреть более подробно. Все ионы, образующиеся при распаде молекул, можно разделить на 2 типа:
- Анионы. Имеют отрицательный заряд.
- Катионы. Имеют положительный заряд.
Большинство свойств воды обусловлено полярностью молекул вещества. Другими словами, с точки зрения электротехники они являются диполями. Здесь следует вспомнить определение диполя — системы двух частиц, находящихся близко друг к другу. При этом их заряды противоположны по знаку, но одинаковы по модулю. Свойство полярности H2O объясняется геометрическим строением молекул вещества:
- угол между центральными линиями атомов составляет около 104,5 градусов;
- электроны движутся к кислороду.
Являясь диполями, молекулы воды способны создавать вокруг себя электрическое поле, которое воздействует не только на них, но и на частицы растворенного вещества.
Для выяснения характера процесса распада молекул на ионы следует рассмотреть раствор поваренной соли. На внешней орбите атома натрия находится только 1 электрон. Его связь с атомом слаба, поэтому он способен быстро покинуть свое место. Атом хлора уже имеет 7 электронов на своей внешней орбите, и одной частицы в наборе не хватает. Из-за этого при образовании кристалла NaCl внешний электрон натрия присоединяется к атому хлора. В результате получается диполь.
Взаимодействие между двумя типами диполей и способствует активации процесса растворения. Если в раствор электролита поместить 2 электрода – катод (отрицательный) и анод (положительный), к ним будут устремляться свободные ионы. При этом направление их движения продолжается по определенным правилам:
- катионы пойдут на катод;
- анионы начинают двигаться к аноду.
Как только носители электрического тока достигают электродов, они теряют заряд, становятся нейтральными и оседают на поверхности электродов.
Читайте также: Закон Кулона: формула, определение, сила взаимодействия зарядов, коэффициент
Электролиз
Положительные и отрицательные ионы, являющиеся носителями свободных зарядов, являются в то же время частицами вещества. Поэтому основное отличие тока в электролитах от тока в металлах состоит в том, что электрический ток в электролите сопровождается переносом вещества.
Явление переноса вещества при прохождении электрического тока через электролит называется электролизом. Законы электролиза были экспериментально изучены Фарадеем.
В процессе электролиза растворенное вещество расщепляется на составные части и эти части высвобождаются на электродах.
Законы Фарадея
Процесс прохождения электрического тока в электролитах называется электролизом. Среди ученых его наиболее активно изучал известный химик и физик Майкл Фарадей в 1833 году. В результате ему удалось сформулировать 2 названных в его части закона:
- Первый закон. Масса вещества (m), образовавшегося на одном из электродов, прямо пропорциональна заряду (Δq), прошедшему через раствор. Формула выглядит так: m = K*Δq = K*I*Δt, где I — сила тока в электролите, Δt — время прохождения электрического тока через раствор, K — химический эквивалент вещества.
- Второй закон. Электрохимический эквивалент вещества (К) прямо пропорционален его химическому эквиваленту. K=C*M/Z, где C — коэффициент пропорциональности (постоянная величина), M — молярная масса вещества, Z — валентность вещества.
Сегодня электролиз нашел широкое применение в технике и промышленности. Например, этот процесс используется в щелочных и кислотных батареях. Для сдачи экзамена студенты должны кратко объяснить механизм возникновения свободных зарядов в электролитах, сформулировать законы Фарадея, а также рассказать об электрической диссоциации.
Что мы узнали?
Электрический ток в электролитах переносится ионами, образующимися в результате электролитической диссоциации. Положительно заряженные ионы – катионы – движутся к отрицательно заряженному электроду – катоду. Отрицательно заряженные анионы устремятся к положительно заряженному электроду – аноду. Достигнув электрода, ионы нейтрализуются, превращаются в атомы вещества и оседают на электродах. Это явление было изучено Майклом Фарадеем и названо электролизом.
