ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 10 класс · § 35
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 35. Электрический ток в электролитах

Как перенос ионов связывает электрический заряд с массой выделившегося вещества?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как перенос ионов связывает электрический заряд с массой выделившегося вещества?

Наблюдаем и объясняем

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.

2 А
10 мин

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.

01

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.

Раствор: положительные и отрицательные носители: сравнение
НосительЗнакДрейф в электролизёре
КатионПлюсК катоду (−)
АнионМинусК аноду (+)
Оба видаРазные знаки и направленияВклад 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.

02

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.

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.

03

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.

04

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.

Соберём главное

Шесть выводов

01В электролите ток переносят ионы двух знаков, а не только электроны.
02Выделение вещества определяют конкретной реакцией, а не только наличием тока.
03Для расчёта массы важен прошедший заряд, а не одно значение силы тока.
04Минуты переводят в секунды, а молярную массу согласуют с требуемой единицей массы.
05Направление условного тока учитывает и знак носителя, и направление его движения.
06Реальные продукты электролиза зависят от всей химической системы.
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.

1. Какие частицы переносят заряд в электролите?
2. Что такое электролитическая диссоциация?
3. К какому электроду движутся положительные ионы при электролизе?
4. Каков знак катода в электролитической ячейке с внешним источником?
5. Какова формула закона Фарадея для массы осадка при полном выходе по току?
6. Как изменится масса осадка при удвоении времени с прежним током?
7. Какой заряд проходит при I = 2 А за 10 мин?
8. Какой примерно будет масса меди при q = 1200 Кл, M = 0,0635 кг/моль, z = 2, F = 96485 Кл/моль?
9. Что означает z в формуле электролиза?
10. Почему реальная масса осадка может быть меньше идеального расчёта?

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.

↑

Загрузка прогресса…