Электролиты. Электролиз
Вещества, раствор которых в воде и некоторых других диэлектрических жидкостях проводит электрический ток, называются электролитами. Молекулы электролита и растворителя являются дипольными. Поэтому в растворе каждую молекулу окружает группа молекул растворителя (см. рис. слева). Очевидно, что молекулы растворителя стремятся как бы разорвать молекулу электролита на две части; этому способствует также тепловое движение – колебание молекул в атоме электролита. В результате большинство молекул электролита распадается на положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы).
Описанный процесс называется электролитической диссоциацией. Обратному процессу – воссоединению (рекомбинации) ионов электролита в нейтральные молекулы – препятствует образующаяся на иона сольватная оболочка, состоящая из молекул растворителя (см. рис. справа).Степенью или коэффициентом диссоциации называется отношение числа диссоциированных молекул электролита к общему числу его молекул:
.
Степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, концентрации электролита и температуры. В слабых растворах ( ) почти все молекулы электролита диссоциированы ( ), с повышением концентрации степень диссоциации уменьшается.
При отсутствии электрического поля ионы электролита вместе со своими сольватными оболочками движутся хаотически. При наличии поля их движение упорядочивается: катионы движутся по полю, анионы – против поля. В жидкости возникает электрический ток, обусловленный встречным движением разноимённых ионов. Такого рода проводимость называется ионной.
Кроме указанных растворов ионной проводимостью обладают расплавы солей и окислов металлов: они также относятся к группе электролитов.
Определим плотность тока в жидкости, т. е. заряд, переносимый за 1 с через воображаемую площадку в , перпендикулярную направлению движению ионов (рис. ниже).
Так как перенос заряда осуществляется ионами обоих знаков, то
,
где и - заряды обоих катионов и анионов, и - концентрации этих ионов, и - средние скорости упорядоченного движения этих ионов.
Учитывая, что раствор в целом нейтрален, можем написать:
, (1)
где - заряд иона любого знака, - концентрация ионов этого же знака. Заряд иона обусловлен потерей (для катиона) или сохранением (для аниона) валентных электронов при диссоциации молекулы. Поэтому, обозначив валентность электрона через найдём
, (2)
где - абсолютное значение заряда электрона. Тогда, учитывая формулы (1) и (2), получим
.
В электрическом поле на движение иона оказывают влияние две силы: во-первых ускоряющая электрическая сила
,
где - напряжённость поля; во-вторых, тормозящая сила
,
где - вязкость жидкости. При установившемся движении жидкости (которое наступает практически одновременно с появлением поля) , тогда
, (3)
где - подвижность иона. Из формулы (3) следует, что при . Таким образом подвижность иона равна скорости равномерного движения этого иона под действием электрического поля единичной напряжённости.
Учитывая формулу (3), запишем выражения для плотности тока в виде
, (4)
или
, (5)
где
(6)
- удельная электропроводность жидкости. Таким образом, выражения (4) и (5) представляют собой закон Ома в дифференциальной форме для жидкости. Величина
(7)
является удельным сопротивлением жидкости. Так как с повышением температуры подвижность и концентрация возрастают, то, согласно формуле (7), с повышением температуры сопротивление жидкости уменьшается.
Подходя к электродам, ионы электролита нейтрализуются и оседают на электродах или же выделяются около электродов в виде газа (первичная реакция). Зачастую нейтрализовавшиеся ионы вновь вступают в реакцию с растворителем, образуя новые ионы, которые затем оседают на электродах (вторичная реакция).
Выделение на электродах продуктов разложения раствора электролита при прохождении через этот раствор тока называется электролизом.