Электрический ток в жидкостях Электролиз

Электрический ток в
жидкостях
Электролиз
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 (неотъемлемой частью этих устройств являются
«батарейки» – электрохимические элементы 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. Все вокруг сталкивалось с раствором или расплавом
солей, а следовательно и с электротоком в жидкостях. Не зря
это явление изучает целая наука – электрохимия.
Электроток в растворе. Электролиты
Упорядоченное движение заряженных частиц называется
электрическим током. В металлах заряженные частицы –
электроны. Но если мы проведем опыт – то 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(диссоцирует)
на два разнозаряженных иона – Cu (2+) и SO4 (2-).
• Проводят электрический ток растворы солей,
•
•
•
щелочей, кислот.
Вещества, растворы которых проводят
электрический ток, называются электролитами.
Растворы сахара, спирта, глюкозы и некоторых
других веществ не проводят электрический ток.
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
ионы, а гидратированные, то есть окруженные молекулами
воды.
•
•
•
Следовательно,
диссоциация молекул
электролитов происходит
в следующей
последовательности:
а) ориентация молекул
воды вокруг полюсов
молекулы электролита;
б) гидратация молекулы
электролита;
в) распад её на
гидратированные ионы.
Схема электролитической диссоциации
По отношению к степени электролитической
диссоциации электролиты делятся на сильные
и слабые.
Сильные электролиты – такие, которые при
растворении практически полностью
диссоциируют.У них значение степени
диссоциации стремится к единице.
Слабые электролиты – такие, которые при
растворении почти не диссоциируют. Их
степень диссоциации стремится к нулю.
Из этого делаем вывод, что электрический ток в
жидкостях представляет собой направленное
движение не электронов, как в металлах, а
гидратированных ионов, что показано на схеме.
Следовательно, если в жидкости нет ионов, то и
электрический ток не будет проводится. Но с
появлением ионов ток будет проходить через
жидкостях. Продемонстрируем это опытом.
-
+
-
+
+
-
Электролиз
Электролиз — физико-химическое
явление, состоящее в выделении
на электродах составных частей растворённых
веществ, являющихся результатом
окислительно-восстановительных
на электродах, которое возникает при
прохождении электрического тока через
раствор либо расплав электролита.
Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях
происходит в электрическом поле,
которое создается электродами — проводниками, соединёнными с
полюсами источника электрической энергии. Анодом называется
положительный электрод, катодом — отрицательный.
Положительные ионы катионы (ионы металлов) движутся к
катоду, отрицательные ионы анионы ионы кислотных остатков и
гидроксильной группы — движутся к аноду.
+
−
+
−
+
−
+
−
−
+
−
−
+
+
Ряд активности металлов
Катионы активных
металлов
Li+, Cs+, K+, Ca2+,
Na+, Mg2+, Al3+
Катионы менее
активных
металлов
Катионы
неактивных
металлов
Zn2+, Cr3+, Fe2+, Cd2+,
2+, Ag+, Hg2+, Au3
Cu
Co2+, Ni2+, Sn2+, Pb2+
В водном растворе
Тяжело разряжаются восстанавливаются
(только с расплавов) только металл и
водород
Легко разряжаются и
восстанавливается
только металл
Закон Фарадея
Физик Майкл Фарадей
подробно изучил явление
электролиза и пришел
к выводу, что масса
выделяющегося на
электроде вещества
прямо пропорциональна
силе тока (I) и времени (t). Этот закон был
назван первым законом Фарадея.
Первый закон Фарадея
Формула этого закона – m=k I t
Где k – электрохимический эквивалент
вещества. k равно массе вещества, которая
выделяется на электроде за 1с при силе тока
1А. Это постоянное табличное значение
отличное для каждого вещества.
Прорешаем задачу с использованием этого
закона.
Применение электролиза
Электролитический метод используется для
получения чистых металлов. Хорошим примером
является электролитическое промышленное
получение алюминия. Для этого в качестве
электролита используют Al2O3 растворенный в
расплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре
950 С. Раствор помещают в специальные
электролитические ванны, где стенки и дно,
выложенные графитом, используются в качестве
катода, а погруженные в электролит угольные блоки.
В процессе пропускания тока на катоде выделяется
чистый алюминий.
Аналогично (аффинаж) очищают и драгоценные
металлы (золото Au, серебро Ag).
Схема получения алюминия
Гальваностегия
Посредством электролиза можно покрыть
предметы слоем того или иного металла. Этот
процесс называется гальваностегией. Изделие,
которое хотят покрыть слоем металла,
опускают в ванну в качестве катода. В ванне
раствор электролита, который содержит
нужный металл. Пластина из этого же
металла – анод. В процессе пропускания тока
через раствор нужный металл выделяется на
аноде (изделии), а пластинка (анод)
постепенно растворяется.
Гальваностегия используется для защиты металлических
изделий коррозии. Гальваностегию активно используют в
ювелирном деле, ведь именно с помощью этой технологии
наводят позолоту на изделия.
На схеме раствор
AgNO3,
катод – изделие, анод –
серебренная пластина.
Под действием
электролиза серебро
оседает на поверхности
изделия.
Гальванопластика
Также с помощью электролиза можно изготовить
рельефные металлические копии изделий (например,
монет, медалей). Этот процесс был изобретен
русским физиком и электротехником Борисом
Семеновичем Якоби (1801 1874) в сороковых годах\
XIX века и называется гальванопластикой. Для
изготовления рельефной копии предмета сначала
делают слепок из какого-либо пластичного
материала, например из = воска. Этот слепок
натирают графитом и погружают в
электролитическую ванну в качестве катода, где на
нём и осаждается слой металла . Это применяется в
полиграфии при изготовлении печатных форм.
Если нужно получить точную копию изделия, то сначала надо
из пластичного материала (воска) сделать слепок изделия, а
потом покрыть его поверхность графитом. После слепок
помещают в ванну с электролитом в качестве катода.
Пластина нужного металла – анод. Во время прохождения
тока толстый слой металла покрывает слепок. После слепок
отделяют от металла и получают точную копию изделия.
На схеме 1 – слепок
(катод), 2 – пластина
металла (анод).
Растворенный
электролит содержит
нужный металл, в
данном случае –
серебро
Кроме указанных выше , электролиз нашел применение
и в других областях:
• получение оксидных защитных пленок на металлах
•
•
•
•
(анодирование);
электрохимическая обработка поверхности металлического
изделия (полировка);
электрохимическое окрашивание металлов (например, меди,
латуни, цинка, хрома и др.);
очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В
результате получается так называемая мягкая вода (по своим
свойствам приближающаяся к дистиллированной);
электрохимическая заточка режущих инструментов (например,
хирургических ножей, бритв и т.д.).