Электрический ток в жидкости. Законы Фарадея для электролиза. 1 страница

CuCl₂ Cu 2Cl.

При подключении электродов к источнику тока ионы под дей-ствием электрического поля начинают упорядоченное движение: по-ложительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряжен-ные ионы хлора – к аноду (рис. 6.3.1).

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседаю-щие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают по одному элек-трону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl₂, который выделяется на аноде в виде пузырьков.

Анод Катод

_Cl^– Cu⁺⁺

Рис. 6.3.1

Мерой электролитической диссоциации является коэффициент диссоциации,который определяет,какая доля всех молекул распа-лась на ионы. Величина коэффициента диссоциации зависит от кон-центрации раствора и от природы растворяемого вещества и раство-рителя. Для слабых электролитов выполняется закон Оствальда (бал-тийский немец Вильгельм Фридрих Оствальд):

где п – концентрация молекул соединения.

Для слабых электролитов значение близко к единице, т. к. концен-трация ионов мала, и рекомбинация (процесс, обратный электролитиче-ской диссоциации) почти отсутствует. Как следует из формулы (6.3.1),

коэффициент диссоциации убывает с увеличением концентрации рас-твора сильных электролитов, и молекулы в них диссоциированы полно-стью, но часть ионов из-за действия электрических сил образуют, на-пример, пары, и поэтому не принимают участие в переносе заряда.

Законы электролиза были экспериментально установлены англий-ским физиком Майклом Фарадеем в 1833 г.

Первый закон Фарадея определяет количества первичных продук-тов, выделяющихся на электродах при электролизе, и формулируется следующим образом: масса m вещества, выделившегося на электро-де, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:

где k – электрохимический эквивалент вещества; I – сила постоянного тока, протекающего через электролит в течение времени t.

Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:

где m ₀ и q ₀ – масса и заряд одного иона; N – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда q.

Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отноше-нию массы m ₀ иона данного вещества к его заряду q ₀. Так как заряд иона равен произведению валентности z вещества на элементарный заряд e (q ₀ = ze), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде:

где N _A – постоянная Авогадро; M = m ₀ N _A – молярная масса вещества.

Величина eN _A = F называется постоянной (числом) Фарадея и яв-

ляется одинаковой для всех веществ величиной:

F = eN _A= 96 485Кл/моль.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде 1 моля од-новалентного вещества.

Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:

Формула (6.3.5) является вторым законом Фарадея, который фор-

мулируется следующим образом: электрохимический эквивалент ве-щества пропорционален отношению молярной массы М вещества к валентности z его ионов.

Отношение молярной массы М вещества к валентности z его ио-нов называется химическим эквивалентом этих ионов (x = M / z). Тогда второй закон Фарадея можно сформулировать также следующим об-

разом: электрохимический эквивалент вещества пропорционален его химическому эквиваленту: k = x / F.

Подставив это выражение для k в (6.3.2), получим обобщенное уравнение закона электролиза:

Электролиз широко применяется в различных электрохимических производствах. Например, это электролитическое получение металлов

из водных растворов их солей и из расплавленных солей: гальвано-

стегия, гальванопластика, электрополировка. Электролитическое по-

лучение металлов из водных растворов их солей может быть осуще-

ствлено рафинированием или электроэкстракцией.

Рафинирование представляет собой очищение металла от не-большого 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 чис-тые медь, серебро и золото.

Электроэкстракцией называется извлечение металла из электроли-та при неактивном аноде. Электролитом служит водный раствор соли металла, выделяющий кислород на катоде, а на аноде выделяются ки-слород или хлор. Таким способом получают чистые цинк и никель.

Электролиз расплавленных солей проводится с помощью неактив-

ных (угольных) электродов и при высокой температуре, применяется при добывании металлов, реагирующих с водой и поэтому не выде-ляющихся из водных растворов. Таким путем добывают магний, алю-миний, бериллий, литий и другие металлы.

Гальваностегией называется покрытие металлических предметовслоем другого металла с помощью электролиза на активном аноде. Таким способом пользуются для покрытия предметов не окисляю-щимся на воздухе металлом, чтобы предохранить их от коррозии (на-пример, никелирование, хромирование и т. д.). Гальваностегией также пользуются для изготовления украшений (серебрение и золочение).

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

Электрополировка заключается в выравнивании металлическойповерхности с помощью электролиза. В электролитическую ванну в качестве анода опускается предмет, поверхность которого должна быть отполирована. При электролизе в раствор уходит главным обра-зом вещество с выступающих частей на поверхности анода, т. е. про-исходит его полировка.