Электролитами принято называть проводящие среды, в которых
протекание электрического тока сопровождается переносом вещества.
Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и
отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие
соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а
также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями
электролитов, широко используемыми в технике, являются водные
растворы неорганических кислот, солей и оснований.
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается
выделением веществ на электродах. Это явление получило название
электролиза.
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение
ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные
ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные
ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков
появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате
расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется
электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl2
диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:
При подключении электродов к источнику тока ионы под действием
электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные
ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора –
к аноду (рис 4.15.1).
Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами
катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде.
Ионы хлора, достигнув анода, отдают но одному электрону. После
этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют
молекулы хлора Cl2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.
Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями
продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом
электродов или растворителей. Примером может служить электролиз
водного раствора сульфата меди CuSO4 (медный купорос) в том случае,
когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди.
Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме
Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде.
Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион отдает аноду
два электрона и превращается в нейтральный радикал SO4 вступает во
вторичную реакцию с медным анодом:
SO4 + Cu = CuSO4.
Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор.
Таким образом, при прохождении электрического тока через водный
раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и
отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при
этом не изменяется.
Рисунок 4.15.1.
Электролиз водного раствора хлорида меди.
Закон электролиза был экспериментально установлен английским
физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет
количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при
электролизе:
Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна
заряду Q, прошедшему через электролит:
m = kQ = kIt.
Величину k называют электрохимическим эквивалентом.
Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов,
пришедших к электроду:
Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона, – число ионов, пришедших
к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким
образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0
иона данного вещества к его заряду q0.
Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на
элементарный заряд e (q0 = ne), то выражение для электрохимического
эквивалента k можно записать в виде
Здесь NA – постоянная Авогадро, M = m0NA – молярная масса вещества,
F = eNA – постоянная Фарадея.
F = eNA = 96485 Кл / моль.
Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо
пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля
одновалентного вещества.
Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:
Явление электролиза широко применяется в современном промышленном
производстве.