Электрический ток в электролитах всегда связан с переносом вещества. В металлах и в полупроводниках, например, вещество, при прохождении через них тока, не переносится, поскольку в этих средах носителями тока являются электроны и дырки, а в электролитах — переносится. Так происходит потому, что в электролитах носителями свободных зарядов выступают положительно и отрицательно заряженные ионы вещества, а вовсе не электроны или дырки.
Многочисленные соединения металлов будучи расплавленными, а также некоторые твердые вещества — относятся к электролитам. Но главными представителями данного типа проводников, которые широко используются в технике, являются водные растворы неорганических кислот, оснований и солей.
Вещество, при прохождении электрического тока через среду электролита, выделяется на электродах. Данное явление называется электролизом. Когда через электролит течет электрический ток, положительно и отрицательно заряженные ионы вещества движутся одновременно в противоположных направлениях.
Отрицательно заряженные ионы (анионы) устремляются к положительному электроду источника тока (аноду), а положительно заряженные (катионы) — к отрицательному его полюсу (катоду).
Источниками ионов в водных растворах кислот, щелочей и солей являются нейтральные молекулы, часть которых расщепляется под действием приложенной электрической силы. Данное явление расщепления нейтральных молекул называется электролитической диссоциацией. К примеру хлорид меди CuCl2 распадается при диссоциации в водном растворе на ионы хлора (отрицательно заряженный) и меди (положительно заряженный).
Когда электроды подключаются к источнику тока, электрическое поле начинает действовать на ионы в растворе или расплаве, при этом анионы хлора движутся к аноду (положительному электроду), а катионы меди — к катоду (отрицательному электроду).
По достижении отрицательного электрода, положительно заряженные ионы меди нейтрализуются избытком электронов на катоде и становятся нейтральными атомами, которые на катоде и оседают. По достижении положительного электрода, отрицательно заряженные ионы хлора отдают по одному электрону в ходе взаимодействия положительным зарядом анода. При этом образовавшиеся нейтральные атомы хлора объединяются парами в молекулы Cl2, и хлор выделяется в виде пузырьков газа на аноде.
Часто процесс электролиза сопровождается взаимодействием продуктов диссоциации (это называется вторичными реакциями) когда продукты разложения, выделяющиеся на электродах, взаимодействуют с растворителем или непосредственно с материалом электрода. Для примера возьмем электролиз водного раствора сульфата меди (медный купорос - CuSO4). В данном примере электроды будут изготовлены из меди.
Молекула сульфата меди диссоциирует с образованием положительно заряженного иона меди Cu+ и отрицательно заряженного сульфат-иона SO4-. Нейтральные атомы меди оседают твердым осадком на катоде. Таким путем добывают химически чистую медь.
Сульфат-ион отдает положительному электроду два электрона и становится нейтральным радикалом SO4, который тут же реагирует с медным анодом (вторичная реакция на аноде). Продукт реакции на аноде — сульфат меди, который переходит в раствор.
Получается, что когда электрический ток пропускается через водный раствор сульфата меди, медный анод просто постепенно растворяется, а на катоде оседает медь. При этом концентрация водного раствора сульфата меди не изменяется.
В 1833 году английский физик Майкл Фарадей в ходе экспериментальной работы установил закон электролиза, который называется теперь его именем.
Закон Фарадея позволяет определить количество первичных продуктов, которые выделятся на электродах в процессе электролиза. Закон звучит так: «Масса m вещества, выделяющегося на электроде при электролизе прямо пропорциональна заряду Q, который прошел через электролит».
Коэффициент пропорциональности k в данной формуле называется электрохимическим эквивалентом.
Масса вещества, которое выделяется на электроде при электролизе, равна суммарной массе всех ионов, которые пришли к данному электроду:
В формуле присутствует заряд q0 и масса m0 одного иона, а также прошедший через электролит заряд Q. N – это количество ионов, которые пришли к электроду при прохождении заряда Q через электролит. Электрохимическим эквивалентом k поэтому называется отношение массы иона m0 к его заряду q0.
Поскольку заряд иона численно равен произведению валентности вещества на элементарный заряд, то химический эквивалент может быть представлен в следующем виде:
Где: Nа — постоянная Авогадро, М — молярная масса вещества, F – постоянная Фарадея.
Фактически постоянная Фарадея может быть определена как величина заряда, который должен пройти через электролит, чтобы на электроде при этом выделился один моль одновалентного вещества. Закон Фарадея для электролиза тогда приобретает вид:
Явление электролиза находит широчайшее применение в современном производстве. Например, путем электролиза в промышленности получают алюминий, медь, водород, диоксид марганца, пероксид водорода. Многие металлы извлекаются из руд и перерабатываются с помощью электролиза (электрорафинирование и электроэкстракция).
Также благодаря электролизу функционируют химические источники тока. Электролиз служит в очистке сточных вод (электроэкстракция, электрокоагуляция, электрофлотация). Многие вещества (металлы, водород, хлор и др.) получаются благодаря электролизу при гальваностегии и гальванопластике.
Смотрите также: Получение водорода электролизом воды - технология и оборудование