Физика
Учебник для 10-11 классов

       

§ 3.4. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

  • К электролитам относят соли, кислоты и щелочи. Какова электропроводность этих веществ? Обратимся к опыту.

Соединим последовательно источник тока, электрическую лампочку и два электрода (две пластинки). Электроды разъединены (цепь не замкнута), поэтому, естественно, лампочка не горит. Опустим теперь электроды в сосуд с дистиллированной водой. Лампочка также не горит. Значит, дистиллированная вода не является проводником электрического тока.

Вынем электроды из воды и поставим их на лист бумаги, на который насыпана поваренная соль NaCl. Лампочка и теперь не горит. Следовательно, и сухая соль не является проводником электрического тока. Наконец, еще раз опустим в дистиллированную воду электроды с прилипшей к ним солью. Мы увидим, что лампочка загорелась, что свидетельствует о появлении электрического тока.

Таким образом, хотя в отдельности дистиллированная вода и соль не являются проводниками, раствор соли в воде является хорошим проводником электрического тока. То же можно сказать (и на опыте в этом убедиться) о водных растворах кислот и щелочей.

Электролитическая диссоциация

Заряженные частицы, обеспечивающие электрический ток в этих растворах, образуются в результате электролитической диссоциации. Из-за взаимодействия с полярными молекулами воды молекулы растворяемых веществ распадаются на разноименно заряженные «осколки» — ионы. Положительно заряженными оказываются ионы металлов и водорода, а отрицательно заряженными — кислотные остатки и гидроксильная группа (ОН).

Рассмотрим этот процесс подробнее на примере бромида калия КВг.

Взаимодействие атомов брома и калия в молекуле бромида калия упрощенно можно представить как взаимодействие двух ионов: положительно заряженного иона К+ и отрицательно заряженного иона Вг-. Объясняется это тем, что единственный валентный электрон у калия слабо связан с атомом. При образовании молекулы КВг этот электрон переходит к атому брома, превращая его в отрицательный ион Вг-. В соответствии с этим молекулу КВг можно схематически изобразить в виде диполя (рис. 3.4).

Рис. 3.4

При растворении соли бромида калия в воде молекулы КВг попадают в окружение молекул воды, которые тоже являются диполями. В электрическом поле, создаваемом молекулой КВг, молекулы воды ориентируются, как показано на рисунке 3.5. При этом они растягивают молекулу КВг настолько, что незначительная встряска при столкновении с другими молекулами, участвующими в тепловом движении, разрушает ее. Часть молекул КВг распадается — диссоциирует на ионы К+ и Вг-.

Рис. 3.5

Степень диссоциации, т. е. доля молекул растворенного вещества, которые распадаются на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости ε растворителя. С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Наряду с процессом диссоциации в растворах электролитов происходит и обратный процесс. Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в нейтральные молекулы — рекомбинировать (воссоединяться). При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь воссоединяются в нейтральные молекулы. При наступлении динамического равновесия концентрация ионов в растворе электролита сохраняется постоянной (при неизменной температуре).

Ионная проводимость растворов и расплавов электролитов

При отсутствии внешнего электрического поля ионы вместе с нераспавшимися молекулами находятся в хаотическом тепловом движении.

Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то между электродами образуется электрическое поле и ионы в растворе придут в упорядоченное движение (рис. 3.6). Положительно заряженные ионы станут двигаться по направлению напряженности поля, т. е. к катоду (электроду, соединенному с отрицательным полюсом источника тока), а отрицательно заряженные ионы — в противоположном направлении, т. е. к аноду (электроду, соединенному с положительным полюсом источника тока).

Рис. 3.6

Отрицательные ионы, пришедшие к аноду и называемые поэтому анионами, отдают свои лишние электроны аноду, а посредством его и соединительных проводников — положительному полюсу источника, возмещая на нем недостаток электронов. Положительные ионы, пришедшие к катоду и потому называемые катионами, получают недостающие им электроны из избытка их на катоде. Так устанавливается во внешней цепи перемещение электронов от отрицательного полюса источника тока к положительному. При этом через раствор электролита заряд переносится вместе с частицами вещества — ионами. Такую проводимость называют ионной. В расплавах электролитов проводимость также ионная, так как при плавлении твердых электролитов их молекулы распадаются на положительные и отрицательные ионы. Жидкие же металлы обладают электронной проводимостью.

Электролиз

При прохождении электрического тока через г раствор электролита анионы отдают свои лишние электроны на аноде (в химии это называется окислительной реакцией), а катионы на катоде получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Таким образом, на электродах при прохождении через раствор электрического тока происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов.

Процесс выделения на электродах вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, называют электролизом.

В ряде случаев нейтрализуемые на электродах ионы вступают в химические реакции с растворителем, растворенными веществами или с веществом электродов. Эти реакции называют вторичными.

Так, например, при электролизе раствора медного купороса (CuSO4) на катоде выделяется медь, а на аноде — кислотный остаток SO4, который вступает в реакцию с веществом анода — медью;

Сu + SO4 = CuSO4

Благодаря этой реакции концентрация раствора медного купороса остается неизменной. Происходит лишь перенос меди с анода на катод, пока анод полностью не израсходуется.

В случае платинового анода при электролизе раствора медного купороса происходит реакция с растворителем:

2SO4 + 2Н2О → 2H2SO4 + O2

Молекулы серной кислоты попадают в раствор, а молекулярный кислород выделяется в виде пузырьков.

Закон Ома

Для растворов электролитов справедлив закон Ома. Это утверждение можно обосновать подобно тому, как это было сделано в предыдущем параграфе для металлических проводников.

При постоянной температуре графиком, выражающим зависимость силы тока от напряжения (вольт-амперная характеристика) для растворов электролитов, является, как и для металлического проводника, прямая линия. Однако эта прямая не проходит через начало координат, а «сдвинута» вправо (рис. 3.7).

Рис. 3.7

Это объясняется тем, что при электролизе происходит поляризация электродов, погруженных в раствор электролита (см. § 2,12), причем ЭДС поляризации в имеет знак, противоположный знаку напряжения U на электродах. На рисунке 3.7 отрезок ОА соответствует ЭДС поляризации.

В растворах и расплавах электролитов свободные электрические заряды появляются за счет распада на ионы нейтральных молекул. Движение ионов в поле означает перенос вещества.

Рейтинг@Mail.ru