Электрический ток в электролитах. Закон электролиза

(закон Фарадея).

Растворы, проводящие электрический ток, называются электролитами. Ток в электролите обусловлен движением поло­жительных и отрицательных ионов, т.е. осуществляется ионной

проводимостью.

Электролитами являются растворы кислот, щелочей и солей, а также расплавленные соли. Электролиты иначе называют про­водниками II рода (проводники с ионной проводимостью). Про­хождение тока в электролитах связано с переносом вещества.

Ионами называют атомы или молекулы, потерявшие или присоединившие к себе один или несколько электронов. Положи­тельно заряженные ионы называют иначе катионами (ионы ме­таллов в растворах солей, водорода в растворе кислот), а отрица­тельно заряженные — анионами (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы ОН~).

Пластины, создающие электрическое поле в электролите, на­зывают электродами. Электрод, который соединен с положитель­ным полюсом источника тока, называется анодом, а электрод, соединенный с отрицательным полюсом, — катодом. Возникно­вение ионов в электролитах объясняется процессом электролити­ческой диссоциации — распадом молекул растворенного вещест­ва на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя. Молекулы растворяемых веществ состоят из взаи­мосвязанных ионов противоположного знака, которые удерживаются друг около друга электри­ческими силами притяжения.

Взаимодействие этих молекул с полярными молекулами рас­творителя — воды — приводит к уменьшению силы взаимодейст­вия притяжения ионов в молекулах (диэлектрическая проницае­мость воды равна 81). При хаотическом тепловом движении молекул растворенных веществ и растворителей происходят их столкновения, которые приводят к распаду молекул на отдельные разноименно заряженные ионы.

Степенью диссоциации, а называют долю молекул растворен­ного вещества, распадающихся на ионы, т.е. это отношение числа молекул п, диссоциировавших на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества N

Степень диссоциации зависит от температуры, диэлектричес­кой проницаемости растворителя и концентрации электролита. При повышении температуры степень диссоциации возрастает, т.к. тепловое движение способствует разрыву молекул на ионы и, следовательно, концентрация ионов увеличивается. Чем больше диэлектрическая проницаемость £ растворителя, тем выше сте­пень диссоциации, поскольку сила взаимодействия ионов в моле­куле электролита в растворе уменьшена b£ раз.

Ионы разных знаков могут объединяться (рекомбинировать) в нейтральные молекулы при тепловом хаотическом движении ионов в растворе. В результате в растворе при неизменных усло­виях устанавливается динамическое равновесие между процесса­ми электролитической диссоциации и рекомбинации ионов, при котором число молекул, распадающихся на ионы в единицу вре­мени, равно числу пар ионов, которые за это время воссоединяют­ся в нейтральные молекулы- Ионы в электролитах движутся хао­тически до тех пор, пока в жидкость не опускаются электроды. Тогда на хаотическое движение ионов накладывается их упорядо­ченное движение к соответствующим электродам. В жидкости при этом возникает электрический ток.

Прохождение тока через электролит сопровождается выделе­нием на электродах составных частей растворенного вещества — электролизом. Положительно заряженные ионы (катионы) дви­жутся к катоду и приобретают на этом электроде недостающие электроны. Отрицательно заряженные ионы (анионы) отдают аноду лишние электроны. Таким образом, на аноде происходит реакция окисления, а на катоде — восстановления.

Электролизом называют процесс выделения на электродах веществ, связанный с окислительно-восстановительными реак­циями.

Количественные характеристики электролиза определяются законами электролиза (законами Фарадея).

Первый закон электролиза (первый закон Фарадея)

Масса вещества, выделившегося на электроде за время Д? при прохождении электрического тока, пропорциональна силе токаи времени.

Коэффициент пропорциональности k называется электрохи­мическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе

вещества, которые выделяется при переносе ионами через электро­лит единичного заряда. Единица измерения электрохимического эквивалента k = [кг/Кл].

Второй закон электролиза (второй закон Фарадея) устанавливает пропорциональность между электрохимическим и химическим эквивалентом вещества:

k =1/eN_a * m / n

где/; — молярная масса вещества, п — валентность, N_a — число Авогадро, e— заряд электрона, m / n — химический эквивалент (или грамм-эквивалент) вещества.

Произведение заряда электрона на постоянную Авогадро носит название постоянной (числа) Фарадея:

F=e N_a

Законы Фарадея можно объединить выражением:

т. = 1/F * m / n IDt

Это выражение называют объединенным законом электроли­за Фарадея.

Постоянная Фарадея численно равна электрическому заряду, который нужно пропустить через электролит для выделения на электроде массы любого вещества, равной в килограммах отноше­нию молярной массы вещества к валентности. Значение числа Фарадея в СИ:

F = 96485 Кл/моль

Электрический заряд q любого иона согласно объединенному закону Фарадея равен:

q= +- nF/ N_a

Заряд одновалентного иона (л = 1) равен по абсолютному зна­чению заряду электрона:

q=e=1,602*10^-19 Kл

Таким образом, любой электрический заряд является крат­ным элементарному заряду — заряду электрона е.

Электролиз широко применяется в различных электрохими­ческих производствах. Например, это электролитическое получе­ние металлов из водных растворов их солей и из расплавленных солей; гальваностегия, гальванопластика, электрополировка. Электролитическое получение металлов из водных растворов их солей может быть осуществлено рафинированием или электроэкстракцией.

Рафинирование представляет собой очищение металла от не­большого количества примесей путем электролиза с активным анодом (в качестве анодов в электролитическую ванну помещают металл с примесями), электролитом служит раствор соли очища­емого металла. При электролизе такой анод растворяется, приме­си оседают на дно, а на катоде выделяется чистый металл. Рафи­нированием получают чистые медь, серебро и золото.

Электроэкстракцией называется извлечение металла из электролита при неактивном аноде. Электролитом служит вод­ный раствор соли металла, выделяющегося на катоде, а на аноде выделяются кислород или хлор. Таким способом получают чис­тые цинк и никель.

Электролиз расплавленных солей проводится с помощью не­активных (угольных) электродов и при высокой температуре, применяется при добывании металлов, реагирующих с водой и поэтому не выделяющихся из водных растворов. Таким путем добывают магний, алюминий, бериллий, литий, калий, кальций и другие металлы.

Гальваностегией называется покрытие металлических пред­метов слоем другого металла с помощью электролиза на активном аноде. Таким путем пользуются для покрытия предметов не окис­ляющимся на воздухе металлом, чтобы предохранить их от кор­розии. Например, при никелировании, хромировании и т.д. Галь­ваностегией также пользуются для изготовления украшений (серебрение и золочение).

Гальванопластикой называется получение металлических копий с рельефных изображений на каких-либо поверхностях путем электролиза при активном катоде. Гальванопластика имеет большое значение, например, для изготовления клише, применяемых в литографии.

Электрополировка заключается в выравнивании металличес­кой поверхности с помощью электролиза. В электролитическую ванну в качестве анода опускается предмет, поверхность которого должна быть отполирована. При электролизе в раствор уходит больше всего вещества с выступающих неровностей на поверхнос­ти анода, т.е. происходит его полировка.

Расчётная часть

2.1Задание на курсовую работу

Расчет разветвлённой электрической цепи постоянного тока.

Для заданной электрической цепи необходимо:

1) Записать систему уравнений по законам Кирхгофа (без расчетов);

2) Определить все токи и напряжения методами контурных токов и узловых потенциалов;

3) Проверить результаты расчетов по уравнениям баланса мощностей;

4) Построить потенциальные диаграммы для двух замкнутых контуров.

ЭДС=E1=E2=50 В

Резисторы R1=12 Ом

R2=24 Ом

R3=15 Ом

R4=18 Ом

R5=30 Ом

R6=30 Ом

R7=30 Ом