Тема. Количество вещества, выделяемое за время электролиза

26.12.2014

Урок 32 (9 класс)

Тема. Количество вещества, выделяемое за время электролиза

Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К числу диэлектриков относится дистиллированная вода, к проводникам - растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов и др.

Электролиз. При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, называют электролизом. Фа­ра­дей пред­ло­жил тер­ми­но­ло­гию этих ионов по при­зна­ку того элек­тро­да, к ко­то­ро­му они дви­жут­ся. По­ло­жи­тель­ные ионы на­зы­ва­ют­ся ка­ти­о­на­ми, по­то­му что они дви­жут­ся к от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­но­му ка­то­ду, от­ри­ца­тель­ные за­ря­ды на­зы­ва­ют­ся ани­о­на­ми как дви­жу­щи­е­ся к аноду.

Вы­ше­опи­сан­ное дей­ствие воды по раз­ры­ву мо­ле­ку­лы на два иона на­зы­ва­ет­ся элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ци­ей.

По­ми­мо рас­тво­ров, про­вод­ни­ка­ми вто­ро­го рода могут быть и рас­пла­вы. В этом слу­чае на­ли­чие сво­бод­ных ионов до­сти­га­ет­ся тем, что при вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ре на­чи­на­ют­ся очень ак­тив­ные мо­ле­ку­ляр­ные дви­же­ния и ко­ле­ба­ния, в ре­зуль­та­те ко­то­рых и про­ис­хо­дит раз­ру­ше­ние мо­ле­кул на ионы.

1.За­ко­ны Фа­ра­дея

При электролизе на электродах происходит выделение вещества. От чего зависит масса вещества, выделяющегося за определенное время? Это определяет закон электролиза. Очевидно, что масса выделившегося вещества m равна произведению массы одного иона m_0i на число ионов достигших электрода за время :

Масса иона m_0i согласно формуле (8.4) равна:

где М - молярная (или атомная) масса вещества, а N_A - постоянная Авогадро, т. е. число ионов в одном моле.
Число ионов, достигших электрода, равно:

где - заряд, прошедший через электролит за время ; - заряд иона, который определяется валентностью n атома: (е - элементарный заряд).
При диссоциации молекул, состоящих из одновалентных атомов (n = 1), возникают однозарядные ионы. Например, при диссоциации молекул КВr возникают ионы K⁺ и Вr. Диссоциация молекул медного купороса ведет к появлению двухзарядных ионов Cu²⁺ и SO₄^2-, так как атомы меди в данном соединении двухвалентны (n = 2). Подставляя в формулу (16.3) выражения (16.4) и (16.5) и учитывая, что , получаем

Обозначим через k коэффициент пропорциональности между массой вещества m и зарядом :

Коэффициент k зависит от природы вещества (значений М и n). Согласно формуле (16.6) имеем:

Следовательно, масса вещества, выделившегося на электроде за время при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени.
Это утверждение, полученное нами теоретически, впервые было установлено экспериментально Фарадеем и носит название закона электролиза Фарадея.
Из формулы (16.8) видно, что коэффициент k численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда, равного 1 Кл. Величину k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражают в килограммах на кулон (кг/Кл).
Электрохимический эквивалент имеет простой физический смысл. Так как , то согласно формуле (16.7) , т. е. k - отношение массы иона к его заряду.
Измеряя величины m и , можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.
Убедиться в справедливости закона Фарадея можно на опыте. Соберем установку, показанную на рисунке 16.26. Все три электролитические ванны заполнены одним и тем же раствором электролита, но токи, проходящие через них, различны. Обозначим силы токов черезI₁, I₂, I₃. Тогда I₁ = I₂ + I₃. Измеряя массы m₁, m₂, m₃ веществ, выделившихся на электродах в разных ваннах, можно убедиться, что они пропорциональны соответствующим силам токов I₁, I₂, I₃.

Определение заряда электрона. Формулу (16.6) для массы выделившегося на электроде вещества можно использовать для определения заряда электрона. Из этой формулы вытекает, что модуль заряда электрона равен:

Зная массу m выделившегося вещества при прохождении заряда , молярную массу М, валентность атомов n и постоянную Авогадро N_A, можно найти значение модуля заряда электрона. Оно оказывается равным е = 1,6•10^-19 Кл.
Именно таким путем и было впервые в 1874 г. получено значение элементарного электрического заряда.

Произведение силы тока на время определяет массу вещества, выделяемого при электролизе. Закон электролиза позволяет найти значение элементарного электрического заряда.

2. Прак­ти­че­ское при­ме­не­ние элек­тро­ли­за

Пер­вое прак­ти­че­ское при­ме­не­ние элек­тро­ли­за про­изо­шло в 1838 году рус­ским уче­ным Якоби. С по­мо­щью элек­тро­ли­за он по­лу­чил от­тиск фигур для Иса­а­ки­ев­ско­го со­бо­ра. Такое при­ме­не­ние элек­тро­ли­за по­лу­чи­ло на­зва­ние галь­ва­но­пла­сти­ка. Дру­гой сфе­рой при­ме­не­ния яв­ля­ет­ся галь­ва­но­сте­гия – по­кры­тие од­но­го ме­тал­ла дру­гим (хро­ми­ро­ва­ние, ни­ке­ли­ро­ва­ние, зо­ло­че­ние и т.д., рис. 1). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии.

Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от поверхности, на которую осаждается металл (этого достигают, например, нанося на поверхность графит), то можно получить копию с рельефной поверхности.
В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с матриц (оттиск набора на пластичном материале), для чего осаждают на матрицах толстый слой железа или другого вещества. Это позволяет воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров. Если раньше тираж книги ограничивался числом оттисков, которые можно получить с одного набора (при печатании набор постепенно стирается), то сейчас использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж. Правда, в настоящее время с помощью электролиза получают стереотипы только для книг высококачественной печати.

Также элек­тро­лиз при­ме­ня­ет­ся в ме­тал­лур­гии для вы­плав­ки ред­ких ме­тал­лов в чи­стом виде (алю­ми­ний, на­трий, каль­ций, маг­ний).

Рис. 1. При­ме­ры галь­ва­но­пла­сти­ки и галь­ва­но­сте­гии со­от­вет­ствен­но

При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.
При помощи электролиза получают алюминий из расплава бокситов. Именно этот способ получения алюминия сделал его дешевым и наряду с железом самым распространенным в технике и быту.
С помощью электролиза получают электронные платы, служащие основой всех электронных изделий. На диэлектрик наклеивают тонкую медную пластину, на которую наносят особой краской сложную картину соединяющих проводов. Затем пластину помещают в электролит, где вытравливаются незакрытые краской участки медного слоя. После этого краска смывается и на плате появляются детали микросхемы.

Домашнее задание

1. Ф.Я.Божинова, Н.М.Кирюхин, Е.А.Кирюхина. Физика, 9 класс, «Ранок», Харьков, 2009. § 19-20 (с.105-113) читать.

2. Упражнение 19, задача 1-5 (решить).

3. Ответить на вопросы:

1. Сформулируйте закон электролиза Фарадея.
2. Почему отношение массы вещества, выделившегося при электролизе, к массе иона равно отношению прошедшего заряда к заряду иона?