Электрический ток в жидкостях (электролитах)
Введение
С электропроводностью растворов солей в воде (электролитов) связано очень многое в нашей жизни. С первого удара сердца («живое» электричество в теле человека, на 80% состоящем из воды) до автомобилей на улице, плееров и мобильных телефонов (неотъемлимой частью этих устройств являются «батарейки» – электрохимические элменты питания и различные аккумуляторы – от свинцово-кислотных в автомобилях до литий-полимерных в самых дорогих мобильных телефонах). В огромных, дымящихся ядовитыми парами чанах из расплавленного при огромной температуре боксита электролизом получают алюминий – «крылатый» металл для самолётов и банок для «Фанты». Все вокруг – от хромированной решетки радиатора иномарки до посеребрённой серёжки в ухе когда-либо сталкивалось с раствором или расплавом солей, а следовательно и с электротоком в жидкостях. Не зря это явление изучает целая наука – электрохимия. Но нас сейчас больше интересуют физические основы этого явления.
Электроток в растворе. Электролиты
Из уроков физики в 8 классе нам известно, что заряд в проводниках (металлах) переносят отрицательно заряженные электроны.
Упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током.
Но если мы соберем прибор (с электродами из графита):
то убедимся, что стрелка амперметра отклоняется – через раствор идет ток! Какие же заряженные частицы есть в растворе?
Ещё в 1877 году шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводность растворов различных веществ, пришел к выводу, что её причиной являются ионы, которые образуются при растворении соли в воде. При растворении в воде молекула CuSO4 распадается (диссоциирует) на два разнозаряженных иона – Cu2+ и SO42- . Упрощенно происходящие процессы можно отразить следующей формулой:
CuSO4ÞCu2++SO42-
ü Проводят электрический ток растворы солей, щелочей, кислот.
ü Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.
ü Растворы сахара, спирта, глюкозы и некоторых других веществ не проводят электрический ток.
ü Вещества, растворы которых не проводят электрический ток, называются неэлектролитами.
Электролитическая диссоциация
Процесс распада электролита на ионы называется электролитической диссоциацией.
С. Аррениус, который придерживался физической теории растворов, не учитывал взаимодействия электролита с водой и считал, что в растворах находятся свободные ионы. В отличие от него русские химики И. А. Каблуков и В. А. Кистяковский применили к объяснению электролитической диссоциации химическую теорию Д. И. Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходит химическое взаимодействие растворённого вещества с водой, которое приводит к образованию гидратов, а затем они диссоциируют на ионы. Они считали, что в растворах находятся не свободные, не «голые» ионы, а гидратированные, то есть «одетые в шубку» из молекул воды. Следовательно, диссоциация молекул электролитов происходит в следующей последовательности:
а) ориентация молекул воды вокруг полюсов молекулы электролита
б) гидратация молекулы электролита
в) её ионизация
г) распад её на гидратированные ионы
По отношению к степени электролитической диссоциации электролиты делятся на сильные и слабые.
ü Сильные электролиты – такие, которые при растворении практически полностью диссоциируют.
У них значение степени диссоциации стремится к единице.
ü Слабые электролиты – такие, которые при растворении почти не диссоциируют. Их степень диссоциации стремится к нулю.
Из этого делаем вывод, что переносчиками электрического заряда (носителями электрического тока) в растворах электролитов являются не электроны, а положительно и отрицательно заряженные гидратированные ионы.
Температурная зависимость сопротивления электролита
При повышении температурыоблегчается процесс диссоциации, повышается подвижность ионов и сопротивление электролита падает.
Катод и анод. Катионы и анионы
А что же происходит с ионами под воздействием электрического тока?
Вернёмся к нашему прибору:
В растворе CuSO4 диссоциировал на ионы – Cu2+ и SO42-. Положительно заряженный ион Cu2+ (катион) притягивается к отрицательно заряженному электроду – катоду, где получает недостающие электроны и восстанавливается до металлической меди – простого вещества. Если извлечь катод из прибора после прохождения через раствор тока, то нетрудно заметить красно-рыжий налет – это металлическая медь.
Первый закон Фарадея
А можем ли мы узнать сколько меди выделилось? Взвешивая катод до и после опыта, можно точно определить массу осадившегося металла. Измерения показывают, что масса вещества, выделевшегося на электродах, зависит от силы тока и времени электролиза:
m=K´I´t
где K – коэффиент пропорциональности, называемый также электрохимическим эквивалентом.
Следовательно, масса выделевшегося вещества прямо пропорциональна силе тока и времени электролиза. Но ток за время (согласно формуле):
q=I´t
есть заряд.
Итак, масса вещества, выделевшегося на электроде, пропорциональна заряду, или количеству электричества, прошедшему через электролит.
M=K´q
Этот закон был эксперементально открыт в 1843 году английским ученым Майклом Фарадеем и называется первый закон Фарадея.
Второй закон Фарадея
А что такое и от чего зависит электрохимический эквивалент? На этот вопрос тоже дал ответ Майкл Фарадей.
На основании многочисленных опытов он пришёл к выводу, что эта величина является характерной для каждого вещества. Так, например при электролизе раствора ляписа (азотнокислого серебра AgNO3) 1 кулон выделяет 1,1180 мг серебра; точно такое же количество серебра выделяется при электролизе зарядом в 1 кулон любой серебряной соли. При электролизе соли другого металла 1 кулон выделяет другое количество данного металла. Таким образом, электрохимическим эквивалентом какого-либо вещества называется масса этого вещества, выделяемая при электролизе 1кулоном протекшего через раствор электричества. Приведем его значения для некоторых веществ:
| Вещество | K в мг/к |
| Ag (серебро) | 1,118 |
| H (водород) | 0,01045 |
| Cu (медь) | 0,3294 |
| Zn (цинк) | 0,3388 |