Меню

Условия возникновения электрического тока в электролите

Электрический ток в электролитах — механизм возникновения, законы и применение

Передача электротока

Электроток представляет собой упорядоченное движение свободных зарядов. Чтобы выяснить, как электрический ток проводится в растворах, следует понять, какие частицы являются его носителями. В твердых телах ток создается электронами. Носителями электрического тока в электролитах являются ионы. Эти частицы образуются в результате процесса распада (электрической диссоциации) молекул вещества под воздействием воды в растворах либо при нагревании и последующем появлении расплава.

Молекулы веществ распадаются благодаря разрыву ионных либо полярных ковалентных связей. Количество носителей заряда в электролите определяют концентрация и температура. Кроме того, степень распада молекул зависит от природы электролита. В результате они делятся на две группы:

  • слабые — не подвержены распаду либо этот процесс протекает крайне медленно;
  • сильные — в таких электролитах наблюдается быстрое расщепление молекул на ионы.

К первой группе принадлежит большая часть органических веществ — нерастворимые основания, слабые кислоты и плохо растворимые соли. Сильными электролитами являются щелочи, сильные кислоты и хорошо растворимые соли.

Электрическая диссоциация

Это основополагающий процесс для появления электротока в растворах, поэтому его необходимо рассмотреть более подробно. Все ионы, образующиеся при распаде молекул, можно разделить на 2 типа:

  1. Анионы. Имеют отрицательный заряд.
  2. Катионы. Обладают положительным зарядом.

Большинство свойств воды обусловлено полярностью молекул вещества. Говоря иначе, с точки зрения электротехники они являются диполями. Здесь следует вспомнить определение диполи — это система двух частиц, расположенных 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 равен примерно 104,5 градуса;
  • электронны смещены в направлении кислорода.

Являясь диполями, молекулы воды способны создавать вокруг себя электрополе, которое воздействует не только на них, но и на частицы растворенного вещества.

Чтобы установить, какова природа процесса распада молекул на ионы, следует рассмотреть раствор поваренной соли. На внешней орбите атома натрия расположен лишь 1 электрон. Его связь с атомом слаба, поэтому он способен быстро уйти со своего места. У атома хлора на внешней орбите находится уже 7 электронов и до комплекта не хватает одной частицы. Благодаря этому при образовании кристалла NaCl внешний электрон натрия присоединяется к атому хлора. В итоге образуется диполь.

Взаимодействие двух видов диполей и способствуют активизации процесса растворения. Если в раствор электролита поместить 2 электрода — катод (отрицательный) и анод (положительный), то свободные ионы устремятся к ним. При этом направление их движения протекает по конкретным правилам:

  • катионы направятся к катоду;
  • анионы начинают двигаться в направлении анода.

Как только переносчики электротока достигают электродов, они теряют свой заряд, превращаясь в нейтральные, и оседают на поверхности электродов.

Законы Фарадея

Процесс протекания электротока в электролитах называется электролизом. Среди ученых его наиболее активно изучал известных химик и физик Майкл Фарадей в 1833 году. В результате ему удалось сформулировать 2 закона, названных в его часть:

  1. Первый закон. Масса вещества (m), образованная на одном из электродов, прямо пропорциональна заряду (Δq), проходящему через раствор. Формула выглядит так: m = K*Δq = K*I*Δt, где I — сила тока в электролите, Δt — время прохождения электротока через раствор, K — химический эквивалент вещества.
  2. Второй закон. Электрохимический эквивалент вещества (K) прямо пропорционален его химическому эквиваленту. K = C * M / Z, где C — коэффициент пропорциональности (величина постоянная), M — молярная масса вещества, Z — валентность вещества.

Сегодня электролиз нашел широкое применение в технике и промышленности. Например, этот процесс используется в щелочных и кислотных аккумуляторах. Для успешной сдачи экзамена учащимся необходимо кратко пояснить механизм возникновения свободных зарядов в электролитах, сформулировать законы Фарадея, а также рассказать об электрической диссоциации.

Источник

Электрический ток в электролитах — механизм возникновения, законы и применение

Не только твердые тела могут выступать в роли проводников электротока, но и жидкости. В физике такие вещества называются электролитами. Отличным примером здесь может служить раствор поваренной соли. При этом вода и кристаллы NaCl в отдельности являются диэлектриками. Появление электрического тока в электролитах предполагает наличие в них свободных заряженных частиц. Для успешной сдачи ЕГЭ следует разобраться с этим процессом.

Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

Передача электротока

Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

Электроток представляет собой упорядоченное движение свободных зарядов. Чтобы выяснить, как электрический ток проводится в растворах, следует понять, какие частицы являются его носителями. В твердых телах ток создается электронами. Носителями электрического тока в электролитах являются ионы. Эти частицы образуются в результате процесса распада (электрической диссоциации) молекул вещества под воздействием воды в растворах либо при нагревании и последующем появлении расплава.

Молекулы веществ распадаются благодаря разрыву ионных либо полярных ковалентных связей. Количество носителей заряда в электролите определяют концентрация и температура. Кроме того, степень распада молекул зависит от природы электролита. В результате они делятся на две группы:

  • слабые — не подвержены распаду либо этот процесс протекает крайне медленно;
  • сильные — в таких электролитах наблюдается быстрое расщепление молекул на ионы.

К первой группе принадлежит большая часть органических веществ — нерастворимые основания, слабые кислоты и плохо растворимые соли. Сильными электролитами являются щелочи, сильные кислоты и хорошо растворимые соли.

Электрическая диссоциация

Это основополагающий процесс для появления электротока в растворах, поэтому его необходимо рассмотреть более подробно. Все ионы, образующиеся при распаде молекул, можно разделить на 2 типа:

Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

  • Анионы. Имеют отрицательный заряд.
  • Катионы. Обладают положительным зарядом.

    Большинство свойств воды обусловлено полярностью молекул вещества. Говоря иначе, с точки зрения электротехники они являются диполями. Здесь следует вспомнить определение диполи — это система двух частиц, расположенных 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 равен примерно 104,5 градуса;
    • электронны смещены в направлении кислорода.

    Являясь диполями, молекулы воды способны создавать вокруг себя электрополе, которое воздействует не только на них, но и на частицы растворенного вещества.

    Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

    Чтобы установить, какова природа процесса распада молекул на ионы, следует рассмотреть раствор поваренной соли. На внешней орбите атома натрия расположен лишь 1 электрон. Его связь с атомом слаба, поэтому он способен быстро уйти со своего места. У атома хлора на внешней орбите находится уже 7 электронов и до комплекта не хватает одной частицы. Благодаря этому при образовании кристалла NaCl внешний электрон натрия присоединяется к атому хлора. В итоге образуется диполь.

    Читайте также:  Источник питания постоянного тока spd 73606

    Взаимодействие двух видов диполей и способствуют активизации процесса растворения. Если в раствор электролита поместить 2 электрода — катод (отрицательный) и анод (положительный), то свободные ионы устремятся к ним. При этом направление их движения протекает по конкретным правилам:

    • катионы направятся к катоду;
    • анионы начинают двигаться в направлении анода.

    Как только переносчики электротока достигают электродов, они теряют свой заряд, превращаясь в нейтральные, и оседают на поверхности электродов.

    Законы Фарадея

    Процесс протекания электротока в электролитах называется электролизом. Среди ученых его наиболее активно изучал известных химик и физик Майкл Фарадей в 1833 году. В результате ему удалось сформулировать 2 закона, названных в его часть:

    Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

  • Первый закон. Масса вещества (m), образованная на одном из электродов, прямо пропорциональна заряду (Δq), проходящему через раствор. Формула выглядит так: m = K*Δq = K*I*Δt, где I — сила тока в электролите, Δt — время прохождения электротока через раствор, K — химический эквивалент вещества.
  • Второй закон. Электрохимический эквивалент вещества (K) прямо пропорционален его химическому эквиваленту. K = C * M / Z, где C — коэффициент пропорциональности (величина постоянная), M — молярная масса вещества, Z — валентность вещества.

    Сегодня электролиз нашел широкое применение в технике и промышленности. Например, этот процесс используется в щелочных и кислотных аккумуляторах. Для успешной сдачи экзамена учащимся необходимо кратко пояснить механизм возникновения свободных зарядов в электролитах, сформулировать законы Фарадея, а также рассказать об электрической диссоциации.

    Источник

    Электрический ток в электролитах — механизм возникновения, законы и применение

    Процесс электролитической диссоциации Электрический ток в электролитах Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

    Передача электричества

    Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями заряда электрического тока в электролитах являются ионы. Они образуются в результате распада (электролитической диссоциации) молекул вещества под действием молекул воды в растворе или при нагревании и образовании расплава.

    Расщепление молекул происходит за счёт разрыва полярных ковалентных или ионных связей. Интенсивность диссоциации зависит от температуры и концентрации раствора. Также на степень диссоциации влияет природа электролита. В связи с этим выделяют:

    • слабые электролиты, распадающиеся частично или не распадающиеся вообще;
    • сильные электролиты, быстро распадающиеся на ионы.

    К слабым электролитам относится большинство органических веществ, слабые кислоты, плохо растворимые соли и нерастворимые основания. Сильные кислоты, щёлочи, соли относятся к сильным электролитам.

    Процесс электролитической диссоциации

    Рис. 1. Процесс электролитической диссоциации.

    Образованные в результате диссоциации ионы делятся на два типа:

    • катионы – положительно заряженные частицы;
    • анионы – отрицательно заряженные частицы.

    Проводником электрического тока в электролитах является электрод. Он может быть анодом или катодом. Анод присоединён к положительному полюсу источника тока, катод – к отрицательному. Анод окисляет вещества, находящиеся в электролите, катод – восстанавливает.

    Электроды

    Рис. 2. Электроды.

    Если в раствор электролита поместить два электрода – катод и анод – и включить электрический ток, то ионы начнут двигаться под действием электрического поля. Катионы устремятся к катоду, анионы – к аноду. Достигнув электродов, ионы нейтрализуются, превращаются в нейтральные атомы и оседают.

    Процесс разложения вещества на составные части, которые оседают на электродах, называется электролизом.

    Передача электротока Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

    Электрическая диссоциация

    Это основополагающий процесс для появления электротока в растворах, поэтому его необходимо рассмотреть более подробно. Все ионы, образующиеся при распаде молекул, можно разделить на 2 типа:

    Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

    • Анионы. Имеют отрицательный заряд.
    • Катионы. Обладают положительным зарядом.

    Большинство свойств воды обусловлено полярностью молекул вещества. Говоря иначе, с точки зрения электротехники они являются диполями. Здесь следует вспомнить определение диполи — это система двух частиц, расположенных 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 равен примерно 104,5 градуса;
  • электронны смещены в направлении кислорода.
  • Являясь диполями, молекулы воды способны создавать вокруг себя электрополе, которое воздействует не только на них, но и на частицы растворенного вещества.

    Электрический ток в электролитах - механизм возникновения, законы и применение

    Чтобы установить, какова природа процесса распада молекул на ионы, следует рассмотреть раствор поваренной соли. На внешней орбите атома натрия расположен лишь 1 электрон. Его связь с атомом слаба, поэтому он способен быстро уйти со своего места. У атома хлора на внешней орбите находится уже 7 электронов и до комплекта не хватает одной частицы. Благодаря этому при образовании кристалла NaCl внешний электрон натрия присоединяется к атому хлора. В итоге образуется диполь.

    Взаимодействие двух видов диполей и способствуют активизации процесса растворения. Если в раствор электролита поместить 2 электрода — катод (отрицательный) и анод (положительный), то свободные ионы устремятся к ним. При этом направление их движения протекает по конкретным правилам:

    • катионы направятся к катоду;
    • анионы начинают двигаться в направлении анода.

    Как только переносчики электротока достигают электродов, они теряют свой заряд, превращаясь в нейтральные, и оседают на поверхности электродов.

    Закон Фарадея

    Процесс электролиза экспериментально изучил английский физик и химик Майкл Фарадей в 1833 году. Он сформулировал закон, согласно которому масса выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна прошедшему через электролит заряду. Этот закон закрепился в науке как первый закон Фарадея.

    Читайте также:  Как называют прибор для измерения силы тока мой ответ

    Майкл Фарадей

    Рис. 3. Майкл Фарадей.

    • m – масса вещества;
    • Q – заряд;
    • k – электрохимический эквивалент;
    • I – сила тока;
    • t – время действия тока.

    Согласно второму закону Фарадея масса выделившегося на электроды вещества прямо пропорциональна отношению молярной массы к валентности и равна электрохимическому эквиваленту.

    • m – масса выделившегося вещества;
    • k – электрохимический эквивалент;
    • M – молярная масса;
    • z – валентность вещества.

    Электролиз используется в щелочных и кислотных аккумуляторах. С помощью электролиза можно защитить изделие металлическим покрытием.

    Электролиз с переменным током. Вступление

    Как происходит электролиз? Например, представим себе раствор хлорида меди, в который опущено два графитовых (инертных) электрода. Напряжение — обычно 4-12 В, ток, разумеется, постоянный.

    На положительном электроде (анод) будут окисляться анионы хлора с выделением газообразного хлора (Cl2), на отрицательном электроде (катод) будут восстанавливаться катионы меди и выделяться металлическая медь (часто — в виде губки, чтобы получилось прочное покрытие нужно следить за плотностью тока на катоде).

    А что будет, если к электродам подключить переменный ток, например, частотой 50 Гц? Т.е., чтобы каждый электрод становился, то катодом, то анодом и так 50 раз в секунду. Большинство людей, столкнувшись с этим вопросом, отвечали, что электролиза не будет. Некоторые были настолько не согласны с возможностью протекания электролиза с переменным током, что выходили за рамки приличного поведения. — Как будто это была неслыханная ересь.

    Как впервые ответил на этот вопрос я сам? Увы, не пришлось: сначала я столкнулся с растворением родия под действием переменного тока, и только потом задался вопросом, как такое возможно?

    Родий, в отличие от золота, платины и палладия, не растворяется даже в царской водке. Перевести его в раствор — проблема. Тем не менее, растворять родий приходится, например, с целью приготовления электролита для получения родиевого покрытия.

    Решение оказалось простым. Два родиевых электрода опускают в раствор соляной или серной кислоты и подключают через ЛАТР переменный ток от сети (50 Гц), напряжение — около 10 В. Родиевые электроды постепенно растворяются, раствор окрашивается в темно-вишневый (или коричневый) цвет: мы имеем дело с электролизом с неинертным (растворимым) анодом.

    Почему родий переходит из электродов в раствор — понятно: происходит анодное растворение, но почему катионы родия не осаждаются из раствора назад на электроды (в тот момент, когда электрод играет роль катода)?

    Именно этот вопрос я задал сотруднику, который много лет занимался анодным растворением родия с помощью электрического тока. Оказывается, растворение родия с электродов и обратное его осаждение на электроды из раствора происходит с разной скоростью (растворение идет быстрее): благодаря этому в растворе и накапливается родий.

    В разбавленной соляной кислоте родий растворяется быстрее, чем в разбавленной серной кислоте (анодное растворение переменным током), но для приготовления электролита родирования нужен именно сульфат. Если вы получите хлорид родия, его придется переводить в сульфат через промежуточное осаждение гидроксида. Лично я занимался анодным растворением родия в бромистоводородной кислоте — в ней родий растворялся еще медленнее, чем в серной, но для синтезов был нужен именно гидратированный бромид родия.

    В сказанном выше нет ничего оригинального: упомянутая методика приготовления электролита для родирования изложена в ОСТ-107 460092 001 — 96 [1] (издание официальное). Проблема была в том, что оно было под грифом «ДСП» [2] т.е. секретно. Благодаря этому некоторые не совсем порядочные сотрудники держали методику в секрете, якобы как личное ноу-хау, и зарабатывали тем, что готовили электролит за деньги (хотя заказчики (Запорожье), если бы у них была методика, легко справились бы с этим сами).

    Но времена меняются: появились сканеры и появился интернет. Поэтому отсканировал ОСТ и выложил для всех.

    Выше упомянут случай электрохимического растворения родия с переменным током, который, кстати, применим и для других благородных металлов. Но в промышленности и лабораторной практике переменный и импульсный ток используется также для осаждения металлов, например, с целью получения гальванических покрытий или мелкодисперсных порошков металлов. Применяться может, как симметричный (синусоида), так и ассиметричный переменный ток.

    Протекание электролиза с переменным током зависит от частоты, напряжения, силы тока и от ряда других факторов. При частоте в десятки, сотни и тысячи герц ионы успевают дойти до электродов и там разрядиться. Если частота поднимается до миллионов герц (МГц), разрядка ионов прекращается, т.к. ионы не успевают достигнуть электродов и разрядиться.

    Большое значение имеет химическая природа системы, на которую действует электрический ток (состав электролита и материал электродов). Забегая наперед, скажу: часто все совсем не так, как с постоянным током. Кроме того, в некоторых случаях поверхность электрода может играть роль выпрямителя, превращая симметричный переменный ток в ассиметричный переменный или в импульсный ток.

    Во многих случаях переменный или импульсный ток используют для электролиза не от хорошей жизни: делается это в основном тогда, когда применение постоянного тока или методов без участия электрического тока (например, химическое растворение и химическое осаждение) дает плохие результаты.

    Читайте также:  Не тока в багажнике

    В некоторых случаях электролиз переменным током — нежелательное явление, которое возникает мимо нашей воли. Например, в нагревателях и парогенераторах, которые работают за счет омического тепла от прохождения переменного тока через воду, может происходить разложение воды на водород и кислород — так же, как при действии постоянного тока (такие нагреватели работают по принципу «Кипятильника из двух лезвий

    » [3]). В данном случае наиболее важной является критическая плотность тока на электродах, после превышения которой происходит активный электролиз воды. Разумеется, при этом энергия электрического тока расходуется не на нагрев (или испарение) воды, а на бесполезное ее разложение.

    Но я и не утверждаю, что электролиз с постоянным током — замечательное и уникальное явление. Достаточно констатации самого факта: электролиз с переменным током существует, в чем можно убедиться, поставив несколько простых экспериментов.

    Далее описаны опыты по электролизу с переменным током частотой в 50 Гц, напряжением 10-25 и 220 В.

    __________________________________________________ 1 ОСТ-107_460092_001-96. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Типовые технологические процессы. [ссылка]

    2 ДСП — для служебного пользования (т.е. ограниченного пользования).

    3 Самодельный кипятильник из двух лезвий [ссылка]

    Источник

    

    Условия возникновения электрического тока в электролите

    Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы.

    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 (рис.9.10).

    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.

    Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году.

    Первый 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,

    где kэлектрохимический эквивалент вещества:

    F = eNA = 96485 Кл / моль. – постоянная Фарадея.

    Второй закон Фарадея электрохимические эквиваленты различных веществ относятся их химические эквиваленты :

    Объединенный закон Фарадея для электролиза:

    Электролитические процессы классифицируются следующим образом:

    получение неорганических веществ (водорода, кислорода, хлора, щелочей и т.д.);

    получение металлов (литий, натрий, калий, бериллий, магний, цинк, алюминий, медь и т.д.);

    очистка металлов (медь, серебро,…);

    получение металлических сплавов;

    получение гальванических покрытий;

    обработка поверхностей металлов (азотирование, борирование, электрополировка, очистка);

    получение органических веществ;

    электродиализ и обессоливание воды;

    нанесение пленок при помощи электрофореза.

    Практическое применение электролиза

    Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии, биохимии и т. д. В химической промышленности электролизом получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, химически чистые водород и кислород и т. д. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.).

    Электролиз в гидрометаллургии является одной из стадий переработки металлсодержащего сырья, обеспечивающей получение товарных металлов. Электролиз может осуществляться с растворимыми анодами – процесс электрорафинирования или с нерастворимыми – процесс электроэкстракции. Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах. В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки.

    Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др. Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов 1 в электролизер 3 (рис.9.11). При пропускании тока металл, подлежащий очистке 1, подвергается анодному растворению, т. е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде 2, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми 4, либо переходят в электролит и удаляются.

    На рисунке 9.11 приведена схема электролитического рафинирования меди.

    Гальванотехника – область прикладной электрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника подразделяется на гальваностегиюи гальванопластику.

    Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера (рис. 9.12).

    Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла.

    Рис. 9.12 Рис. 9.13

    Рекомендуем просмотреть демонстрацию «Гальванопластика».

    Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами (рис. 9.13).

    С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д. Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование «накладного» слоя никеля, серебра, золота и т. д.).

    Источник