Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 11. Електричний струм в електролітах. Електролітична дисоціація

Розглянемо, як проходить електричний струм через рідини. Чисті рідини не пропускають електричний струм (дистильована вода, гліцерин, гас тощо). Це пояснюється тим, що в таких рідинах мало носіїв струму — йонів. Вони являють собою атоми або групи атомів, у яких не вистачає або є надлишок електронів порівняно з нейтральними частинками. Якщо в рідині, наприклад у воді, розчинити сіль, кислоту або луг, то вона стає електропровідною. Це пояснюється тим, що під впливом розчинника молекули розчиненої речовини розпадаються (дисоціюють) на різнойменні йони.

Електролітична дисоціація — це процес розпаду нейтральних молекул розчиненої речовини на йони під впливом молекул розчинника та теплового руху молекул.

Електричне поле молекул розчинника послаблює електричне поле молекул розчиненої речовини. Так, молекули води послаблюють йонні зв’язки молекул розчиненої речовини у 81 раз.

Рекомбінація (молізація) — процес возз’єднання різнойменних йонів у нейтральні молекули.

Якщо в посудину з електролітом занурити два електроди й приєднати до них джерело струму (мал. 1.55), то між електродами виникне електричне поле. Позитивні йони, що рухаються до катода, — катіони, а негативні, що рухаються до анода, — аніони.

Мал. 1.55

Електроліти — це провідники, у яких проходження струму спричиняє електроліз.

Електроліз — це окисно-відновні реакції з виділенням на електродах речовини. На катоді при цьому виділяється чистий метал.

З підвищенням температури електропровідність електролітів збільшується унаслідок збільшення швидкості теплового руху молекул та більш інтенсивної їхньої руйнації на йони. При цьому збільшується концентрація йонів, їхня рухливість, що веде до зменшення опору електроліту. Механічне збільшення концентрації розчиненої речовини також зменшує опір.

Майкл Фарадей експериментально встановив у 1834 р. закон електролізу.

Закон Фарадея полягає в тому, що маса речовини, яка виділяється на кожному з електродів, пропорційна значенню заряду, що проходить через електроліт:

m = kq,

де k — електрохімічний еквівалент речовини, що визначається масою речовини, яка виділяється на катоді під час проходження через електроліт одиниці заряду.

Якщо прийняти, що q = It, то формула m = kq набуде вигляду: m = kIt.

Електроліз застосовують в електрометалургії. В електролітичній ванні (залізний ящик з вугільним дном), що є одночасно катодом, відбувається електроліз руд за високих температур (близько 900 °С) для отримання чистих металів. Анод — вугільні стержні. Так отримують алюміній, натрій, магній, берилій, фтор, кальцій та інші метали.

Електроліз також використовують для очищення (рафінування) металів. Для цього очищений метал відливають у вигляді пластин та роблять їх анодами в електролітичній ванні. Електролітом слугує розчин солі цього металу. Добирають напругу між анодом і катодом так, щоб тільки очищений метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді. Домішки випадають на дно у вигляді осаду.

Гальванопластика, або електричне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми, здійснюється так. З предмета знімають спочатку зліпок з воску, гіпсу, покривають його порошком графіту для надання електропровідності. Потім зліпок поміщають в електролітичну ванну, яка містить розчинену сіль відповідного металу. Під час електролізу метал електроліту виділяється на поверхні зліпка й утворює металеву копію предмета (безшовні труби, металеві деталі складної форми).

Гальваностегія — електричне осадження металів для покриття одних металів шаром інших для оздоблення або захисту їх від корозії.

За допомогою електролізу можна травити та полірувати поверхні металевих виробів.

Явище електролізу використовується для виготовлення електролітичних конденсаторів. Електролітичне розкладання води на водень і кисень широко використовується для добування важкої води. У звичайній воді завжди в незначній кількості є молекули важкої води (вода, у якій замість водню містяться нукліди водню-дейтерію з атомною масою 2). Унаслідок електролізу концентрація важкої води в електроліті підвищуватиметься.

Постійний електричний струм використовують для лікувальних цілей. Метод лікування за допомогою постійного струму малої сили (до 50 мА) називають гальванізацією.

Під час гальванізації в результаті проходження електричного струму через тканини організму в клітинах відбувається зміна звичайної концентрації йонів. Функціональний стан клітини змінюється, чим і зумовлюється терапевтична дія постійного струму.

Одним з різновидів гальванізації є електрофорез — електролітичне введення лікарських речовин в організм через шкіру або слизові оболонки за допомогою постійного струму. За допомогою електрофорезу через шкіру і слизові оболонки в організм уводять як позитивні (Натрій, Кальцій, кодеїн, новокаїн тощо), так і негативні (Бром, Йод, кофеїн тощо) йони. Причому позитивні йони завжди вводять з позитивного електрода, а негативні — з негативного. Сила струму під час електрофорезу коливається від 2 до 50 мА залежно від характеру процедури та індивідуальних особливостей хворого.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що таке електролітична дисоціація? Рекомбінація? Електроліз?
  • 2. Назвіть речовини, які належать до електролітів.
  • 3. У чому полягає закон Фарадея?
  • 4. У яких сферах застосовують електроліз? Наведіть приклади.