Лекции для студентов

Электричество и магнетизм. Часть 2

Лекция 7

Электрический ток в различных средах.

2.14. Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея.

Электролиты относятся к так называемым проводникам второго рода. В отличие от металлов и полупроводников (проводников первого рода), протекание тока в которых не сопровождается какими-либо химическими превращениями, в электролитах протекание тока всегда сопровождается химическими превращениями. Электролитами являются растворы солей, кислот и щелочей в воде и некоторых других жидкостях, а также расплавы солей, являющихся в твердом состоянии ионными кристаллами.

Носителями тока в электролитах являются положительные и отрицательные ионы, на которые диссоциируют (расщепляются) молекулы растворенного вещества. Степень диссоциации характеризуется коэффициентом диссоциации α, показывающим, какая доля молекул растворенного вещества находится в диссоциированном состоянии. Коэффициент диссоциации зависит от химической природы растворителя и концентрации растворяемого вещества. В частности, чем ниже концентрация растворяемого вещества, тем выше коэффициент диссоциации.

Если в электролит ввести твердые проводящие электроды и подать на них напряжение, то ионы придут в движение — возникнет электрический ток (рис.7.1). Положительные ионы (катионы) движутся к отрицательному электроду (катоду); отрицательные ионы (анионы) — к положительному электроду (аноду).

Рис.7.1. Электрический ток в электролите.

Достигнув соответствующих электродов, анионы и катионы отдают избыточные или получают недостающие электроны и превращаются в нейтральные молекулы. Таким образом, прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением на электродах составных частей электролита. Это явление называется электролизом. Основные законы электролиза были установлены в 1836г. Майклом Фарадеем (Faraday M., 1791-1867):

Первый закон Фарадея. Количество вещества, выделившегося на каждом из электродов при электролизе, пропорционально заряду, протекшему через электролит:

,

где К- электрохимический эквивалент, зависящий от природы вещества.

Второй закон Фарадея. Электрохимический эквивалент всех веществ пропорционален их химическому эквиваленту:

где  — атомный вес,  — валентность химического элемента; -число Фарадея.

Выделение вещества на электродах начинается лишь с некоторого напряжения, называемого пороговым напряжением разложения электролита U_p. Начиная с этого напряжения, в электролите появляется ток, плотность которого подчиняется закону Ома:

где n⁺ и n^- — концентрация положительных и отрицательных ионов, соответственно; q⁺ и q^- — заряды ионов; u⁺и u^- — подвижности ионов; σ — электропроводность электролита.

Подвижность ионов зависит от их природы и свойств растворителя. С повышением температуры подвижность ионов возрастает. В электролитах подвижность ионов очень мала. Так, для водных растворов при комнатной температуре она составляет 10^-8-10^-7 (для сравнения, подвижность электронов в металлах ~10^-4).

Если молекула диссоциирует только на пару ионов, то и . В этом случае

На рис.7.2 представлена ВАХ электролита: , R — сопротивление слоя электролита между электродами.

Рис.7.2. Вольтамперная характеристика электролита.

Электролиз находит самые разнообразные технические применения: гальванопластика и гальваностегия; электрометаллургия; электрополировка металлов; получение тяжелой воды и другие.