Химическое действие электрического тока

§ 27. ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Растворы солей и кислот в воде или в каком-либо другом растворителе проводят электрический ток и называются электроли­тами или проводниками второго рода в отличие от металлических проводников, называемых проводниками первого рода.

Электрический ток может проходить через среды, имеющие электрически заряженные частицы, обладающие способностью перемещаться.        

При растворении солей и кислот в воде или в каком-либо ином растворителе (этиловый спирт, бензин, бензол и др.) часть молекул распадается на две части, называемые ионами, причем одна часть имеет положительный заряд, другая — отрицательный заряд.

Таким образом, в отличие от металлических проводников, где переносчиками электричества являются электроны, в электролитам ими служат ионы. Ионы могут быть простыми и сложными. Простой ион образован одним атомом вещества. Ионы, состоящие из нескольких атомов, называются сложными.

Распад химических соединений на ионы под действием раство­рителя называется электролитической диссоциацией и выражается обычными химическими уравнениями, в левой части которых помещаются химические символы распадающихся веществ, а в правой — образующиеся из этих веществ ионы.  Например, уравнение диссоциации поваренной соли (хлористого натрия) записывается следующим образом:

Для  более сложных  соединений процесс диссоциации  может протекать в несколько стадий.

Если в сосуд с электролитом погружены две металлические пластины, называемые электродами, которые при помощи прово­лочных проводников присоединены к источнику энергии постоянно­го тока, то вследствие разности потенциалов между электродами, через электролит будет протекать ток. Прохождение тока через электролит сопровождается химическим процессом, называемым электролизом. Находящиеся в электролите ионы, притягиваясь к электродам, двигаются в противоположных направлениях: положи­тельные ионы — к катоду, а отрицательные ионы — к аноду. Подойдя к катоду, положительные ионы получают от него недоста­ющие им электроны и образуют электрически нейтральные атомы. На аноде происходит обратный процесс: отрицательные ионы отда­ют аноду свои избыточные электроны. Например, при электролизе раствора поваренной соли на катоде отлагаются положительные ионы натрия, а на аноде — отрицательные ионы хлора.

В результате непрерывного перехода электронов с катода на ионы и поступления их на анод поддерживается движение элек­тронов в проводах, соединяющих источник электрической энергии с электродами.

При прохождении электрического тока через электролит на электродах выделяются определенные количества веществ, содер­жащихся в виде химического соединения в электролите. Зависи­мость выделенного вещества от силы тока устанавливается двумя законами Фарадея.

Первый закон Фарадея сформулирован так: количество вещест­ва, выделившегося на электродах при прохождении тока через электролит, прямо пропорционально количеству электричества, про­шедшему через электролит. При прохождении одного кулона элект­ричества из электролита выделяется определенное весовое количе­ство вещества, которое называется электрохимическим эквивален­том данного вещества.

В практических расчетах для определения количества электри­чества удобнее пользоваться не кулонами, а ампер-часами (а·ч). Так как один кулон равен ампер-секунде, то между ампер-часом и рулоном имеет место следующее соотношение:

1 а·ч = 60х60 = 3600 а·сек = 3600 к.

Электрохимический эквивалент выражается в граммах, отнесенных к одному ампер-часу количества электричества (г/а-ч), т. е. это весовое количество вещества, выделившегося из электролита и  выраженное в граммах, при прохождении через электролит одного ампер-часа количества электричества.

Обозначив через I неизменную силу тока, протекающего через электролит в течение t (ч), а электрохимический эквивалент данно­го вещества через К, определим весовое количество данного веще­ства q (r), выделившегося за это время:

Например, если при прохождении через меднокислый электро­лит тока в 1 а в течение одного часа на катоде выделяется 1,186 г меди, то при силе тока в 10 а из такого же раствора за 10 ч выде­лится

1,186·10·10= 118,6 г.

Второй закон Фарадея гласит: при одном и том же количестве электричества, протекающего через различные электролиты, весо­вые количества веществ, выделившихся на электродах, пропорцио­нальны их химическим эквивалентам.

Из курса химии известно, что одновалентный элемент имеет атомный вес, равный химическому эквиваленту, а n-валентный эле­мент обладает химическим эквивалентом, в n раз меньшим атом­ного веса, т. е.

где A-атомный вес, n- валентность, а-химический эквивалент

Например,   атомный   вес  алюминия   А=27,  валентность  n = 3, следовательно, его химический эквивалент

Из сопоставления 1-го и 2-го законов Фарадея вытекает, что электрохимические эквиваленты пропорциональны их химическим эквивалентам, т. е.

Следовательно, отношение электрохимических эквивалентов к их  химическим  эквивалентам   является   величиной  постоянной  и равно

Итак, второй закон Фарадея может быть выражен следующим образом:

Пример. Из электролита в течение 10 ч выделилось 50 г цинка. Определить ток, протекающий через электролит. Электрохимический эквивалент цинка К= 1,22 г/а· ч.

Решение, Согласно первому закону Фарадея имеем:

откуда

Электролиз получил широкое применение в различных отраслях промышленности. Впервые он был использован для гальванопла­стики, представляющей собой получение копий с рельефов. С этой целью гипсовый оттиск (негатив) со снимаемого рельефа покрыва­ют слоем графита и погружают в раствор соли металла, который осаждается на оттиске, как на катоде. После удаления гипса полу­чается металлическая копия рельефа.

С помощью электролиза наносят относительно тонкие покрытия одних металлов на другие (гальваностегия). Гальваностегия ис­пользуется для придания изделиям декоративного вида и для защи­ты от коррозии. Таким способом производят золочение, серебрение, никелирование и т. д.

Электролиз служит также для очистки (рафинирования) метал­лов, например меди. Пластины литой меди, полученной путем обжига руды, опускают в качестве анодов в ванны, содержащие раствор медного купороса, подкисленный серной кислотой для по­вышения проводимости электролита. Катодами в этих ваннах явля­ются тонкие медные кисти, на которых отлагается электролитиче­ская медь, а примеси осаждаются на дно ванны.

Весьма распространен электролитический способ получения едких щелочей натрия, калия и хлора, а также кислорода и водоро­да путем разложения воды, подкисленной серной кислотой.

Явление электролиза представляет опасность для ряда подзем­ных сооружений. Под действием электролиза блуждающими тока­ми могут быть разрушены броня кабелей, водопроводных и газовых труб и других металлических сооружений. Главнейшим источником этих токов является электрооборудование транспорта — трамваев и электрифицированных железных дорог. Особенно вредно действу­ют блуждающие, токи на подземные телефонные кабели, покровом которых является голая свинцовая оболочка.