1.3 Электрический ток в жидкостях

Электролиты – вещества, растворы которых проводят электри­ческий ток. Носители тока в электролитах образуются за счет диссоциации (разделении на ионы различных знаков) молекул раство­ренного вещества под воздействием электрического поля полярных молекул воды. Таким образом, носители тока в электролитах – положительно и отрицательно заряженные ионы. Проводимость за счет направленного движения ионов под действием электрического поля называют ионной. С увеличением температуры степень диссоциации возрастает, следовательно увеличивается концентрация носителей тока, а сопротивление, как правило, падает.

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.

Законы Фарадея для электролиза. Электронная тео­рия позволяет рассчитать массу ве­ществ, выделяющихся на электродах при электролизе. Она равна произве­дению массы одного иона т₀ на число ионов N, которые осели на электроде. Масса одного иона

где М – молярная масса вещества, N_А - постоянная Авогадро.

С другой стороны, число ионов, осевших на электроде, можно выра­зить через заряд Q, прошедший че­рез электролит, и заряд одного иона q₀:

Следовательно, , откуда

Заряд любого иона равен заряду одновалентного иона, т. е. заряду электрона е, умноженному на валент­ность Z иона: q₀ = eZ. Таким образом,

Величины N_A и е являются уни­версальными постоянными, а М и Z постоянны для данного вещества. Если постоянный множитель в формуле обозначить через k, то получим:

m = k Q (1)

Масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (количеству электричества) Эта зависи­мость впервые была эксперименталь­но установлена М. Фарадеем в 30-х годах девятнадцатого века и называ­ется первым законом Фарадея.

Коэффициент k называется элект­рохимическим эквивалентом данно­го вещества. Он выражается в килограммах на кулон (кг / Кл).

Электрохимический эквивалент вещества численно равен массе данного вещества, выделившегося из электролита на одном из электродов при прохождении через электролит единицы электрического заряда.

Второй закон Фарадея. Электрохимические эквиваленты различных веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:

k = СХ

где Х — химический эквивалент вещества.

Химический эквивалент равен молярной массе, деленной на валентность, т. е. на число, показываю­щее, со сколькими атомами водорода соединяется или сколь­ко атомов водорода замещает один атом данного вещества:

Х = М/n

где (м — молярная масса вещества, n — валентность. Сле­довательно, электрохимический эквивалент k = СМ/n. В этом выражении коэффициент С пишут в виде C=1/F. Величина F называется постоянной Фарадея. Тогда электрохимический эквивалент . Подставив выражение для k в формулу (1), можно выра­зить оба закона Фарадея одной формулой:

, или Постоянная Фарадея F выражается следующим соотноше­нием; (2)

Из формулы (2) видно, что постоянная Фарадея числен­но равна заряду, который требуется пропустить через любой электролитический раствор для получения 1 /п молей вещества. Это число не зависит от вещества— ни от его молярной массы, ни от валентности. Опытами ус­тановлено, что постоянная Фарадея F = 96,5 ^. Ю³ Кл/моль.