Знайомимося з електролітами

Багато кристалічних речовин являють собою позитивні і негативні йони, з’єднані в одне ціле силою електричного притягання. Так, кристали хлориду натрію — кухонної солі (NaCl) складаються з позитивних йонів натрію (Na+) і негативних йонів хлору (Сl-), кристали сульфату міді (CuSO4) — з позитивних йонів міді (Сu2+) і негативних йонів сульфату (SO2-4). Якщо такі речовини розчинити у воді, вони можуть розпастися на окремі йони.

Розпад речовин на йони внаслідок дії полярних молекул розчинника називають електролітичною дисоціацією (від латин. dissociatio — роз’єднання, розділення).

У результаті електролітичної дисоціації в розчині з’являються вільні заряджені частинки — позитивні і негативні йони, тому розчин починає проводити струм.

Досліди показують, що розпад речовин на йони може бути спричинений не тільки розчинником. Деякі солі та оксиди металів можуть розпадатися на йони внаслідок значного збільшення температури. Тому розплави цих речовин теж проводять електричний струм. Розчини й розплави, які проводять електричний струм, відносять до електролітів.

Електричний диполь — сукупність двох однакових за значенням різнойменних зарядів, які розташовані на певній відстані один від одного.

Електричний струм в електролітах являє собою напрямлений рух позитивних і негативних йонів.

Йонний механізм провідності мають не тільки деякі розчини та розплави, а й деякі тверді речовини, наприклад йодид срібла (AgI), йодид калію (КI), сульфід срібла (Ag2S). У твердих речовинах із йонною провідністю переміщуються йони тільки одного знаку — або тільки позитивні, або тільки негативні.

Електроліти — це тверді або рідкі речовини, які мають йонну провідність.

Зазначимо, що зі збільшенням температури кількість йонів у електролітах збільшується, відповідно збільшується й сила струму. Це означає, що зі збільшенням температури опір електролітів зменшується.

Даємо означення електролізу 

У процесі проходження електричного струму через електроліт (на відміну від проходження струму через метал) відбувається перенесення хімічних складових електроліту й ті виділяються на електродах — осідають у вигляді твердого шару або виділяються в газоподібному стані. Наприклад, якщо через водний розчин хлориду міді протягом кількох хвилин пропускати струм, то поверхню катода вкриє тонкий шар міді, а на аноді виділиться газоподібний хлор. Наявність хлору можна виявити за характерним запахом.

Пояснимо, чому так відбувається. Під час проходження струму вільні позитивні йони міді (Cu2+) прямують до катода, а вільні негативні йони хлору (Сl-) — до анода. Досягши катода, катіони міді «беруть» з його поверхні електрони, яких їм «бракує», тобто відбувається хімічна реакція відновлення. Унаслідок цієї реакції йони міді перетворюються на нейтральні атоми; на поверхні катода осідає мідь. Водночас негативні йони хлору, досягши поверхні анода, навпаки, «віддають» йому «надлишкові» електрони — відбувається хімічна реакція окиснення; на аноді виділяється хлор.

Він сформулював закон, який згодом назвали законом електролізу, або першим законом Фарадея:

Маса речовини, яка виділяється на електроді, прямо пропорційна заряду, який пройшов через електроліт: 

m = kIt, де   т  ―  маса  виділеної  речовини;  k  ―  електрохімічний  еквівалент виділеної  речовини;  I  ―  сила  струму,  що  протікає  через  електроліт;  t  ―  час  протікання  електричного  струму.

Електрохімічний еквівалент речовини дорівнює масі цієї речовини, що виділяється на електроді за 1 с під час проходження через електроліт струму силою 1 А. 

Явище електролізу застосовується в сучасній техніці. 

Питання для самоперевірки

1. Які речовини називають електролітами? Чому кристали з йонним зв’язком є електролітами?

2. Поясніть механізм виникнення струму в електролітах.

3. Що називають електролізом?

4. Сформулюйте закон Фарадея.

5. У чому полягає фізичний зміст електрохімічного еквівалента речовини?

Поясніть

1. Чому електроліт у розчині чи розплаві є електрично нейтральним, хоча він містить величезну кількість йонів обох знаків?

2. За яких умов у посудині з електролітом, де є носії струму обох знаків, струму немає?

3. Чому під час проходження струму крізь електроліт на електродах виділяється чиста речовина, що входить до складу електроліту?

4. У чому полягає відмінність між негативним йоном в електроліті й електроном?

Задачі

1. У розчині електроліту внаслідок проходження заряду 1 Кл на катоді виділяється 1,118 мг срібла. Визначте масу срібла, що виділиться внаслідок проходження електричного заряду 500 Кл.

2. Під час електролізу розчину цинк сульфату виділилося 2,45 г цинку. Визначте електрохімічний еквівалент цього металу, якщо крізь електроліт протягом 60 хв проходив електричний струм силою 2 А.

3. Якою була сила струму під час електролізу розчину мідного купоросу, якщо за 50 хв на катоді виділилося 1,98 г міді?

4. Під час посріблення виробу на катоді за 30 хв осіло 4,55 г срібла. Визначте силу струму під час електролізу.

5. Під час електролізу необхідно затратити 2 кВт • год енергії. Визначте масу цинку, яка в цьому разі виділиться, якщо напруга на клемах становить 4 B.

6. Скільки часу тривало нікелювання, якщо на виробі осів шар нікелю масою 1,8 г? Сила струму становила 2 А.

7. У разі пропускання через електроліт струму силою 1,5 А за 5 хв на катоді виділяється 137 мг деякої речовини. Що це за речовина?

Чи існують тверді електроліти? Так. Прикладом твердого електроліту може бути усім відоме скло. Наявні у склі іони натрію за низьких температур переміщуються слабо, і скло є непоганим ізолятором. Якщо ж нагріти скло до 300 – 400 0С, то іони натрію мають можливість переміщуватися під дією сил електричного поля і скло стає провідником електричного струму.