Электролиз: заряд и осадок
Изменяй ток и длительность, сравни медь и серебро. Наблюдай массу выделившегося металла.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
100 % выхода по току для выбранной реакции; F = 96485 Кл/моль, M(Cu) = 0,0635, M(Ag) = 0,1079 кг/моль. Остальные реакции и перенос вещества в реальной ванне не рассчитываются.
Раствор: положительные и отрицательные носители
Электролитическая диссоциация образует в растворе или расплаве положительные и отрицательные ионы. Под действием поля катионы движутся к катоду, анионы — к аноду. Оба движения вносят вклад в условный ток.
В электролизёре с внешним источником катод соединён с отрицательным полюсом, анод — с положительным. Названия электродов определяются процессами восстановления и окисления; для других электрохимических устройств знак электрода нужно уточнять.
| Носитель | Знак | Дрейф в электролизёре |
|---|---|---|
| Катион | Плюс | К катоду (−) |
| Анион | Минус | К аноду (+) |
| Оба вида | Разные знаки и направления | Вклад в ток одного направления |
В электролите ток переносят ионы двух знаков, а не только электроны.
Почему противоположное движение ионов не даёт нулевой ток?
Направление переноса положительного заряда одним видом совпадает с условным вкладом отрицательного заряда, движущегося обратно.
Электролиз: реакции на электродах
При электролизе на электродах происходят реакции, связанные с получением или отдачей электронов. Они могут сопровождаться выделением металла или газа. Поэтому ток в электролитах связан с переносом вещества и химическими превращениями.
Продукты зависят от состава раствора, материала электродов и условий. Нельзя обещать выделение любого растворённого металла из любого водного раствора: возможны конкурирующие реакции. Учебная модель рассматривает заданное осаждение одного металла.
Ионы приходят к электроду
Переносят заряд
Обмениваются электронами
Идёт электрохимическая реакция
Образуется продукт
Масса связана с прошедшим зарядом
Выделение вещества определяют конкретной реакцией, а не только наличием тока.
Чем ток в электролите отличается от тока в металлическом проводе?
В растворе носителями служат ионы и возможен перенос вещества к электродам; в металле ток связан преимущественно с электронным дрейфом.
Кристаллы меди, полученные электролизом
Осаждение меди связано с восстановлением ионов на катоде. Форму кристаллов определяют условия роста; масса идеального осадка пропорциональна прошедшему заряду.
范皓程 · CC0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Цифровой мультиметр
Масса осадка зависит от прошедшего заряда. Для постоянного тока измеряют I и время, обязательно переводя минуты в секунды.
André Karwath aka Aka · CC BY-SA 2.5 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Закон Фарадея: масса пропорциональна заряду
Масса выделенного вещества m = kэq = kэIt при постоянном токе. Электрохимический эквивалент kэ = M/(zF), где M — молярная масса в кг/моль, z — число электронов на одну частицу продукта, F ≈ 96485 Кл/моль.
При переменном токе нужно суммировать прошедший заряд по времени. Формула m = MIt/(zF) предполагает, что соответствующая доля тока полностью идёт на нужную реакцию; при выходе по току меньше 100 % вводят дополнительный коэффициент.
Прошедший заряд
q = It
Масса
m = kэq
Электрохимический эквивалент
kэ = M/(zF)
Для расчёта массы важен прошедший заряд, а не одно значение силы тока.
Почему одинаковый заряд выделяет разные массы веществ?
Различаются M и число электронов z, необходимых для образования частицы продукта.
Пример: осаждение меди
Для Cu²⁺ нужно два электрона на атом меди: z = 2. При M = 0,0635 кг/моль, I = 2 А и t = 600 с масса m ≈ 0,000395 кг = 0,395 г при 100 % выхода по току.
В модели ионы показаны условно; счётчик массы использует реальное количество заряда и выбранную реакцию. Меняй время и ток отдельно: их удвоение при неизменных остальных условиях одинаково удваивает массу.
Реакция
Уточнить M и z
Заряд
2·600 = 1200 Кл
Масса
0,0635·1200/(2·96485) ≈ 0,395 г
Минуты переводят в секунды, а молярную массу согласуют с требуемой единицей массы.
Если ток вдвое больше, а время вдвое меньше, что будет с массой?
Произведение It остаётся прежним, поэтому при той же реакции и выходе масса та же.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 35. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 35. Электрический ток в электролитах.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.