Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Электрический ток в расплавах электролитовНосители электрического заряда в растворах и расплавах электролитов.

Электрический ток в метал­лах никакими химическими процессами не сопровождается. Это объяс­няется тем, что носителями тока в металлах являются электроны. Но существует такой класс проводников, в которых электрический ток всегда сопровождается определенными хи­мическими изменениями: растворы солей, кислот и оснований, т. е. растворы электролитов, а также их расплавы.

Соединим с источником тока по­следовательно лампу и электроли­тическую ванну с дистиллированной водой, в которую опущены угольные электроды. Химически чистая вода почти не проводит электрического тока. Замкнув цепь, мы увидим, что лампа не горит. Однако если мы раст­ворим в воде какую-нибудь соль, например медный купорос, то лампа загорится, а на катоде из раствора выделится медь.

При протекании электрического тока через растворы электролитов вместе с зарядом всегда перено­сится вещество (это явление назы­вается электролизом). Отсюда сле­дует, что носителями тока в этих проводниках являются заряженные атомы, или группы атомов, т. е. ионы.

Как известно из курса химии, при растворении в воде солей, кислот и щелочей нейтральные молекулы этих веществ расщепляются на поло­жительные и отрицательные ионы. Это явление называется электроли­тической диссоциацией. Растворы электролитов всегда содержат неко­торое число ионов: катионов (поло­жительных ионов) и анионов (отри­цательных ионов). Пока электрическое поле отсутствует, ионы совер­шают только беспорядочное тепло­вое движение. Но в электрическом поле ионы, подобно электронам в ме­таллах, начинают дрейфовать в на­правлении действующей на них силы: катионы — к катоду, анионы — к аноду.

Электрический ток в растворах (или расплавах) электролитов пред­ставляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Опыт показывает, что сила тока при постоянном сопротивлении элект­ролитов линейно зависит от напряжения, т.е. для растворов электролитов справедлив закон Ома.

Следовательно, чтобы определить за­ряд электрона е, необходимо в опы­те с электролизом раствора како­го-либо электролита, например, мед­ного купороса, определить массу выделившейся меди, время процесса и силу тока в цепи. Тогда, зная мо­лярную массу меди и ее валентность, можно вычислить заряд электрона. Опыты, выполненные с различны­ми электролитами, показали, что е=1,6*10-19 Кл. Это и есть наи­меньший элементарный свободный электрический заряд, существующий в природе. Любой другой электри­ческий заряд состоит из целого числа элементарных зарядов, т. е. кратен модулю заряда электрона. Значение закона Фарадея в раз­витии понятия об электроне. Современная наука позволяет, как показа­но выше, вывести закон Фарадея теоретически из электронной тео­рии, не прибегая к эксперименту. Но во времена Фарадея не существова­ло электронной теории и даже самого понятия об электроне. Более того, именно закон, полученный Фарадеем опытным путем, послужил толчком к выдвижению гипотезы о существова­нии в природе элементарной наи­меньшей порции электричества. Проводя опыты с различными раствора­ми электролитов, Фарадей устано­вил, что масса выделившегося ве­щества пропорциональна количеству протекшего через раствор электри­чества (или силе тока и времени про­цесса электролиза).

Далее было выяснено, что для выделения одного моля любого одно­валентного вещества (т. е. одинако­вого числа частиц любого из ве­ществ) требуется всегда одно и то же количество электричества. Отсюда уже непосредственно следовал вывод и том, что на каждую частицу ве­щества, переносящего заряд в растворах электролитов, приходится всег­да в среднем одно и то же количество электричества. Это количество элект­ричества и представляет собой эле­ментарный электрический заряд. Та­кую гипотезу впервые высказал в конце прошлого века (1881 г.) не­мецкий физик Г. Гельмгольц в ре­чи, посвященной памяти Фарадея: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принужде­ны заключить отсюда далее, что так­же и электричество, как положитель­ное, так и отрицательное, разделяет­ся на определенные элементарные ко­личества, которые играют роль ато­мов электричества».

Технические применения электро­лиза.

Электролиз получил широкое применение в технике. На нем ос­нована электрометаллургия — полу­чение щелочных и щелочноземель­ных металлов (алюминия, магния, бериллия и др.) путем электролиза расплавленных руд.

Для очистки металлов от приме­сей, например рафинирования меди, тоже используется явление электро­лиза.

Медные руды содержат сернистые соединения меди, ее оксиды, а также примеси посторонних металлов (ни­кель, свинец, сурьма, висмут и др.). Для получения меди, очищенной от примесей, медную пластину, выплав­ленную непосредственно из руды, по­мещают в качестве анода в раствор сернокислой меди (CuSO4). Подби­рая определенное напряжение на электродах ванны, можно добиться, чтобы на катоде выделялась только чистая металлическая медь. Посторонние примеси при этом на катод не попадают. Они переходят в раст­вор либо выпадают на дно ванны в виде осадка.

Электролитическим способом из­влекают чистые металлы не только из раствора, но и из расплавов ионных кристаллов, которые и в твер­дом состоянии состоят из ионов. Та­ким образом добывают в настоящее время алюминий. Этот металл полу­чают электрохимическим путем из расплавленных оксидов, содержащих оксид алюминия Аl2О3 (бокситов). Расплавленные бокситы помещают в ванну, угольные дно и стенки кото­рой служат катодом. Анодом служат угольные стержни, опущенные в ван­ну. Так как в этом процессе применя­ют очень сильные токи (в несколько десятков тысяч ампер), то за счет выделяемой током теплоты вещество все время поддерживается в расплав­ленном состоянии.

На явлении электролиза основа­ны такие распространенные в тех­нике технологические процессы, как гальваностегия и гальванопласти­ка. Для предохранения металлов от коррозии их поверхность часто по­крывают трудно окисляемыми метал­лами, т. е. производят никелирование или хромирование. Этот процесс называется гальваностегией. Гальвано­стегию также применяют для покры­тия ювелирных изделий тончайшими слоями серебра или золота. С этой целью покрываемый слоем другого металла предмет помещают в ка­честве катода в электролитическую ванну. Анодом служит пластинка ме­талла, которым требуется покрыть предмет, а ванна содержит раствор соли этого металла.

С помощью электролиза можно также изготовить рельефные ме­таллические копии предметов. Этот процесс называется гальванопласти­кой, его изобрел русский ученый Б. С. Якоби в 40-х годах прошлого века.

Для изготовления рельефной ко­пии предмета его покрывают вна­чале каким-нибудь пластичным мате­риалом (воском) и делают из этого материала слепок. Затем слепок покрывают графитом, чтобы сделать его электропроводным, и помещают в электролитическую ванну, в которой он служит катодом. Анодом и в этом случае является пластинка металла, из которого хотят изготовить рельеф­ную копию, а ванна содержит раст­вор соли этого металла. Таким же образом в типографском деле изго­тавливают металлические (медные) копии с пластмассовых или воско­вых слепков набранного текста. По­лученные рельефные копии текста затем применяются для печатания.