Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза

Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза

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

Электролиты – это водные растворы солей, кислот, щелочей, обладающие ионной проводимостью.   Носителями свободных зарядов в них являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Электролитами также называют и проводящие среды, в которых протекание электрического тока происходит в результате переноса вещества. Особенность электролитов состоит в том, что при их растворении происходит распад молекул на ионы под влиянием электрического поля полярных молекул воды. Этот процесс называют электролитической диссоциацией. Характеристикой электролитической диссоциации является степень диссоциации, то есть количество молекул, распавшихся на ионы. Степень диссоциации зависит от температуры, концентрации раствора и электрических свойств вещества.  Рассмотрим это на примере хлорида меди (соль), попавшем в воду.

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является диэлектриком. Однако, если растворить в воде различные вещества - кислоты, щелочи, соли и др., раствор из-за распада молекул вещества на ионы становится проводником - электролитом, способным проводить ток. В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.
Растворим кристаллы хлорида меда в воде. Попав в воду, соль под действием полярных молекул воды купрум хлор два распадается на ионы – хлора и меди. 
 Расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя называется электролитической диссоциацией. 
Если в раствор хлорида меди опустить два заряженных проводника – анод и катод, т.е. создать электрическое поле, то ионы придут в упорядоченное движение: положительные ионы меди будут двигаться к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду. Таким образом, можно сказать, что  электрический ток в электролитах представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов.

Однако, разноименные ионы, встречаясь в результате теплового хаотичного движения, могут соединяться в нейтральную молекулу - рекомбинировать.
Каждый ион хлора, достигнув анода, отдает ему один электрон и превращается в нейтральный атом хлора.
Затем нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы газа хлора, который в виде пузырьков выделяется на аноде.    Ионы меди, достигнув катода, нейтрализуются с помощью избыточных электронов катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде.
Делаем вывод: прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через него электрического тока. Этот процесс называется электролизом.
Явление электролиза было открыто в 1800 году английскими учеными У. Никольсоном и А. Карлейном, наблюдавшими выделение пузырьков кислорода на аноде и водорода на катоде при погружении в воду электродов.
Фарадей в 1833 году открыл закон для электролиза. Суть, которого заключается в следующем: Масса m ЭМ вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду q (кю), прошедшему через электролит.
      Величину k (ка) называют электрохимическим эквивалентом, измеряют в килограммах на кулон. 
Электрохимический эквивалент k равен отношению массы m₀ иона данного вещества к его заряду q₀. Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e, то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в следующем виде. 
 Электрохимический эквивалент зависит от рода вещества: молярной массы и валентности. Эта величина постоянна для каждого определенного вещества, поэтому её значение находим в таблице.
Здесь N_A – постоянная Авогадро, M– молярная масса вещества, F – постоянная Фарадея. 
Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества, т.е. Закон Фарадея для электролиза можно записать в виде: 
Масса вещества, выделившегося на электроде, равна массе всех ионов, пришедших к электроду.
Электролиз широко применяется в технике для различных целей. Электролитическим путем покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого – хромирование, никелирование, омеднение. Такие покрытия защищают поверхность от коррозии. 
Процесс декоративного или антикоррозийного покрытия металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, омеднение, золочение, серебрение) называется гальваностегия.

Если электролитическое покрытие будет хорошо отслаиваться от поверхности, на которую осаждается металл, то можем получить копию с рельефной поверхности. В полиграфической промышленности такие копии получают с матриц, на поверхности которых осажден толстый слой железа или другого вещества. Это позволяет получить большое количество копий печатной продукции. 
Гальванопластика – это электролитическое изготовление металлических копий, рельефных предметов. Другими словами, гальванопластика -  процесс получения отслаиваемых покрытий, который был разработан ученым Борисом Семёновичем Якоби в 1836 году. 
Электрометаллургия – это получение чистых металлов (Al, Na, Mg, Be) при электролизе расплавленных руд.                          
Рафинирование металлов – это очистка металлов от примесей  с помощью электролиза, когда неочищенный металл является анодом, а на катоде оседает очищенный.