Химическое действие электрического тока. Закон Фарадея

Ключевые слова: химическое действие тока, электрохимический эквивалент, закон Фарадея.

На этом уроке вы:

• узнаете, как возникает природа электрического тока в жидкостях.

Известно, что если в воду опустить электрический провод под напряжением, то вода будет проводить ток. Как вы думаете, проводят ли ток другие жидкости?

Это вы знаете. Тело человека, на 80% состоящее из воды, хорошо проводит электрический ток. Действие тока на человеческий организм оказывает как отрицательное, так и положительное действие.

С электропроводностью жидкостей в нашей жизни связано очень многое. С ней мы встречаемся, пользуясь батарейками в мобильных телефонах, аккумуляторами в автомобилях. Из расплавленных бокситов получают алюминий — металл, который используют в самолетостроении и изготовлении банок для напитков. Электропроводность жидкостей также используют для того, чтобы получить хромированные, никелированные изделия.

Соберем электрическую цепь (рис. 30.1) из источника тока, лампочки, ключа и сосуда с дистиллированной водой, в которую опущены два электрода. Лампочка после замыкания ключа светиться не будет. Значит, в дистиллированной воде ток не возникает. Объясняется это тем, что в чистой воде нет свободных зарядов — все заряды связанные (рис. 30.2). Если вместо воды в сосуд насыпать соли, то лампочка такая не светится. Если же постепенно добавлять в воду соль, то лампочка начнет светиться. Это означает, что в водном растворе соли электрический ток идет. Следовательно, в водном растворе появились свободные заряженные частицы (рис. 30.3, а).

Рис. 30.1 и рис. 30.2

Молекулы воды окружают молекулы соли и разрывают ее на две частицы, заряженные положительно и отрицательно (рис. 30.3, б). Их называют ионами. Значит, проводимость жидкостей ионная. Процесс распада нейтральных молекул на ионы называется электролитической диссоциацией.

Растворы солей, кислот и щелочей в воде называются электролитами. Электролиты являются хорошими проводниками тока.

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.

Рис. 30.3

Явление выделения на электродах вещества называется электролизом. Электролиз изучал английский физик М. Фарадей. Он установил закон электролиза.

Майкл Фарадей (1791—1867).

Масса вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит.

$$m = kq. \qquad (30.1)$$

Так как $q = It$, то закон электролиза можно записать в виде:

$$m = kIt. \qquad (30.2)$$

Следовательно, масса вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока, текущего по электролиту, и времени его прохождения. Коэффициент $k$ в формуле (30.1) называется электрохимическим эквивалентом вещества. Его находят экспериментально.

Электрохимический эквивалент вещества — это физическая величина, определяемая массой вещества, которая выделится на электроде при прохождении через электролит 1 Кл электричества.

Единица измерения электрохимического эквивалента вещества: $[k] = \left[\dfrac{\text{кг}}{\text{Кл}}\right]$.

Электролиз широко применяется в технике. Приведем примеры применения электролиза:

1. Электролитический метод получения чистых металлов. Иначе этот метод называется рафинированием. Хорошим примером является электролитическое очищение меди, драгоценных металлов — золота и серебра.
2. Посредством электролиза можно покрыть металлические предметы тонким слоем другого металла. Этот процесс называется гальваностегией. Делается это для защиты изделий от коррозии. Изделия покрываются трудно окисляемыми металлами — никелем или хромом (никелирование и хромирование).
3. Гальванопластика — изготовление рельефной копии предмета. Этот процесс был разработан русским ученым Б. С. Якоби (1801—1874), который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.
4. Получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование).
5. Электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка).
6. Очистка воды — удаление из нее растворимых примесей, в результате получается так называемая «мягкая» вода.
7. Электрохимическая заточка режущих инструментов (хирургические ножи, бритвы).

Вопросы

1. Почему дистиллированная вода не проводит электрический ток?
2. Что произойдет в воде, если в нее добавить соль или кислоту?
3. Что вы понимаете под электролитом?
4. Что называется электролизом?
5. Почему нельзя прикасаться к неизолированным электрическим проводам голыми руками?
6. Почему для гальванического покрытия изделия чаще используют никель и хром?
7. Почему провода осветительной сети обязательно имеют резиновую оболочку, а провода, предназначенные для сырых помещений, кроме того еще просмолены снаружи?
8. Приведите примеры применения электролиза в технике.

Упражнение 19

1. Сколько алюминия выделится при электролизе за 20 мин, если сила тока 4 А? (Ответ: 0,445 г)
2. За 10 мин на электроде выделилось серебро массой 670 мг. Амперметр, включенный последовательно с емкостью с водой, показал 0,9 А. Верно ли показание амперметра? (Ответ: нет, 1 А)
3. За какое время при электролизе раствора хлорной меди ($\text{CuCl}_2$) на катоде выделится медь массой 4,74 г, если сила тока в цепи 2 А? (Ответ: 2 ч)
4. На электроды, помещенные в раствор медного купороса, подано напряжение 12 В. Какую энергию необходимо израсходовать, чтобы получить 1 кг меди? (Ответ: 36 МДж)
5. Какая мощность расходуется на нагревание раствора азотнокислого серебра, если за 6 ч из него выделилось 120 г серебра? Сопротивление раствора 1,2 Ом. (Ответ: 30 Вт)

Самое важное в главе

Постоянный электрический ток.

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Условия существования тока: наличие свободных заряженных частиц и электрического поля. Силу тока определяют по формуле $I = \dfrac{q}{t}$, напряжение — $U = \dfrac{A}{q}$.

Закон Ома для участка цепи: $I = \dfrac{U}{R}$. Сопротивление проводника: $R = \rho\dfrac{l}{S}$; зависимость от температуры: $R = R_0(1 + \alpha t)$.

Последовательное соединение	Параллельное соединение
$I = I_1 = I_2$	$I = I_1 + I_2$
$U = U_1 + U_2$	$U = U_1 = U_2$
$R = R_1 + R_2$	$\dfrac{1}{R} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$

Работа тока: $A = IUt$; мощность: $P = UI$; закон Джоуля — Ленца: $Q = I^2Rt$.

Закон Ома для полной цепи: $I = \dfrac{\mathcal{E}}{R + r}$.

Закон электролиза (Фарадея): $m = kIt$.