§ 64. Электрическая проводка. На рис. 102 показано устрой­ство комнатной электрической проводки. Ток со станции

Рис.

102. Электрическая водка в комнате

про-

подводится по наружным про­водам, которые входят затем через фарфоровые проходные втулки 1 в помещение. Далее ток проходит через предохра­нители 2 и затем попадает к местам потребления: лампоч­ке 3, снабженной выключате­лем^, и штепселю 5 с подклю­ченной к нему электронагре­вательной плиткой 6. Для то­го чтобы лампочка и штепсель могли работать независимо друг от друга, они соединяют­ся параллельно.

Ф®@® -Hfi*

ж) з) и)

Рис. 103. Условные обозначения на электрических схемах: а) выклю­чатель простой; б) штепсельная розетка; в) лампа; г) плавкий предо­хранитель; д) соединение и ответвление проводов; е) резистор и потенцио­метр; ж) 'гальванометр, амперметр, вольтметр, ваттметр; з) батарея аккумуляторов или гальванических элементов постоянного тока; и) источник постоянного тока

Ф

Ф

[J

б) SJ

Нужно иметь в виду, что существуют детально разрабо­танные правила, которых обя­зательно должны придержи­ваться все лица, осуществляю­щие электрическую проводку или- переделывающие ее. Эти правила определяют сечение и тип проводов, которые должны применяться в различных случаях, расположение изолирующих роликов, на которых

крепятся провода, способы изоляции проводов при проходе через стены, способы соединения и разветвления проводов и т. п. Чрезвычайно важно тщательно соблюдать эти прави­ла, потому что проводка, вы­полненная не по правилам, лег­ко может стать причиной по­жара.

Рис. 104. Схематическое изображение электрической проводки, показанной иа рис. 102

Соединение проводов в элек­трических сетях, а также спо­собы включения в них различ­ных приборов и машин графичес­ки изображают на специальных чертежах — электрических схе­мах. Такие схемы были исполь­зованы уже и раньше, в преды­дущих параграфах. При этом для разных деталей сети приме­няют .стандартные обозначения, образцы которых приведены на рис. 103. На рис. 104 по­казан простой пример электрической схемы.

^ 64.1. Начертите схему электрической проводки в вашей комнате.

• 64.2. Начертите схему включения в осветительную сеть с напря- жением 220 В трех лампочек, из которых одна требует для нор. мального накала 220 В, а две другие — по 110 В каждая.

3. Начертите схему включения двух штепселей и двух предо­хранителей так, чтобы при коротком замыкании в каком-либо из штепселей второй не выбывал из строя.

Глава V. Прохождение электрического тока через электролиты

§ 65. Первый закон Фарадея. В §40 мы видели, что при про­хождении тока через некоторые растворы, например через раствор серной кислоты, происходит разложение воды на составные части — водород и кислород, выделяющиеся на пластинах, соединенных соответственно с отрицательным и положительным полюсами батареи. Такого рода растворы, разлагающиеся химически при прохождении через них тока, мы будем называть электролитами, а сам процесс раз­ложения вещества электрическим током — электролизом. Далее мы будем называть проводники, погруженные в электролит для подведения к нему тока, электродами: поло­жительный электрод — анодом, а отрицательный — като­дом ¹).

Продукты разложения электролита, например водород и кислород в опыте, описанном в § 40, выделяются на элект­родах все время, пока идет ток. Массу выделившегося ве­щества можно измерить. Если подобрать такой раствор, при котором выделяющееся вещество оседает в виде твердого осадка на электроде, то эту массу можно измерить без за­труднений. Так, если пропускать ток через раствор медного купороса (CuS0₄), то на катоде оседает медь. Это явление легко наблюдать, если сделать катод, например, из угля; на черной поверхности угля ясно заметен красноватый слой выделившейся меди. Взвешивая катод до и после опы­та, можно точно определить массу осадившегося металла.

Измерения показывают, что масса вещества, выделивше­гося на электродах, зависит от силы тока и времени элект­ролиза. Замыкая цепь на разные промежутки времени, можно убедиться в том, что масса выделившегося вещества

Пропорциональна времени прохождения тока. Для того чтобы установить, как она зависит от силы тока, поступим сле­дующим образом. Изготовим несколько совершенно одина­ковых электролитических ванн и составим из них цепь, как показано на рис. 105, а. Так как процесс установившийся (§ 42), то через ванны I и II проходит ток одной и той же силы. Такой же ток проходит и через рбе ванны / и 2 вме­сте, а так как эти ванны одинаковы, то очевидно, что токи

Рис. 105. Схема опыта по установлению зависимости массы выделен­ного током вещества от силы тока: а) ток между ваннами I и II распре­деляется между двумя одинаковыми ваннами 1 и 2; б) ток между ван­нами I и II распределяется между тремя одинаковыми ваннами 1, 2 и 3

через ванны 1 и 2 равны друг другу и, следовательно, каж­дый из них равен половине тока, идущего через ванну I или

2. Точно так же, поместив в разветвлении три одинаковые ванны (рис. 105, б), мы получим способ пропустить через каждую из этих ванн ток, втрое меньший тока, идущего че­рез ванну I или II, и т. д. Измеряя массу вещества (например, меди или серебра), выделившегося на катодах каждой из этих ванн, мы убедимся, что массы вещества, выделившегося в ваннах 1 и 2 (или /, 2 и 3 и т. д.), равны между собой и со­ставляют половину (или треть и т. д.) массы вещества, выде­лившегося в ванне I или II. Таким образом, опыт показы­вает, что масса выделившегося вещества пропорциональна силе тока.

Итак, масса выделившегося вещества пропорциональна и силе тока и времени электролиза, т. е. их произведению. Но это произведение, согласно формуле (42.1), равно за-¹- ряду, прошедшему через электролит. Мы видим, что масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, или количеству электричества, прошедшему через электролит. Этот важный закон был установлен впервые Фарадеем и носит название первого закона Фарадея.

Если т — масса выделившегося вещества, I — сила тока, t — время электролиза, a q — полный заряд, про­шедший через ванну за время t, то первый закон Фарадея можно записать так;

т = Kq — Kit, (65.1)

где К — коэффициент пропорциональности. Полагая в фор­муле (65.1) заряд <7=1 Кл, мы получим, что коэффициент К равен массе вещества, выделяемого зарядом 1 Кл, или иначе — массе вещества, выделяемого током 1 А за 1 с.

Исследования Фарадея показали, что величина К яв­ляется характерной для каждого вещества. Так, например, при электролизе раствора ляписа (азотнокислого серебра, AgNOg) 1 Кл выделяет 1,1180 мг серебра; точно столько же серебра выделяет 1 Кл при электролизе любой серебряной соли, например хлористого серебра (AgCl) и т. д. При элект­ролизе соли другого металла масса выделившегося вещества будет иной. Величина К называется электрохимическим эк­вивалентом данного вещества. Таким образом, электрохими­ческим эквивалентом вещества называется масса этого ве­щества, выделяемая при электролизе одним кулоном про­текшего через раствор электричества.

Таблица 5. Электрохимический эквивалент некоторых веществ

Вещество	К, 10 - • кг/Кл
Серебро (Ag) Водород (Н)	1,118
	0,01045
Медь (Си)	0,3294 0,6588
Цинк (Zn)	0,3388

В табл. 5 приведены значения электрохимического экви­валента для некоторых веществ.

§ 66. Второй закон Фарадея. Из табл. 5 мы видим, что элек­трохимические эквиваленты различных веществ существенно ^отличны один от другого. От каких же свойств вещества за­висит его электрохимический эквивалент?

Ответ на этот вопрос дает следующий важный закон, также установленный Фарадеем на опыте (второй закон Фарадея): электрохимические эквиваленты различных ве­ществ пропорциональны их молярным массам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую ва­лентность ¹).

Для уяснения этого закона рассмотрим конкретный пример. Молярная масса серебра равна 0,1079 кг/моль, его валентность—1. Молярная масса цинка равна

0. 0654 кг/моль, его валентность — 2. Поэтому по второму закону Фарадея электрохимические эквиваленты серебра и цинка должны относиться, как

0,1079.0,0654 __{3 30}

Согласно табл. 5, экспериментальные значения электрохи­мических эквивалентов равны 1,118-10^_в кг/Кл для серебра и 0,3388-Ю^-6 кг/Кл для цинка; их отношение равно 1,118/0,3388=3,30, что согласуется со вторым законом Фа­радея.

Если обозначить по-прежнему через К [кг/Кл! электро­химический эквивалент вещества, через М [кг/моль] — его молярную массу, а через и — валентность (п=1, 2,...), то второй закон Фарадея можно записать в виде

Здесь через MF обозначен коэффициент пропорционально­сти, который является универсальной постоянной, т. е. имеет одинаковое значение для всех веществ. Величина F называется постоянной Фарадея. Ее значение, найденное экспериментально, равно

/⁷ = 96 484 Кл/моль.

Некоторые элементы в разных соединениях обладают различной валентностью. Так, например, медь одновалентна в хлористой меди(СиС1), закиси меди (Сц,0) и еще в некоторых солях, и медь двухвалентна в хлор­ной меди (СиС1₂), окиси меди (СиО), медном купоросе (CuS0₄) и еще в не­которых соединениях. При электролизе в растворе с одновалентной медью заряд 1 Кл всегда выделяет 0,6588 мг меди. При электролизе же в растворе с двухвалентной медью заряд 1 Кл выделяет всегда вдвое меньше меди, именно 0,3294 мг. Как мы видим, медь имеет два значения электрохимического эквивалента (табл. 5).

Отношение молярной массы какого-либо вещества к его валентности М1п называют химическим эквивалентом дэнно- го вещества. Это отношение показывает, какая масса дан­ного вещества необходима для замещения одного моля во­дорода в химических соединениях ²). У одновалентных веществ химический эквивалент> численно равен молярной массе. Пользуясь этим понятием, можно выразить второй закон Фарадея следующим образом: электрохимические эквиваленты веществ пропорциональны их химическим экви­валентам.

Объединив формулы (65.1) и (66.1), можно выразить оба закона Фарадея в виде одной формулы:

¹ М * ₀.

m = _F-<7, (66.2)

где т —; масса вещества, выделяющегося при прохождении через электролит количества электричества q. Эта формула имеет простой физический смысл. Положим в ней т— = М/п, т. е. возьмем массу одного химического эквивалента данного вещества. Тогда получим F—q. Это значит, что по­стоянная Фарадея F численно равна заряду q, который необ­ходимо пропустить через любой электролит, чтобы выделить на электродах вещество в количестве, равном одному хими­ческому эквиваленту.

1. Каким образом, опустив два провода от гальванического

• элемента в стакан с водой, можно узнать, существует ли между

ними напряжение? Вода, не подвергнутая специальной тщатель­ной очистке, всегда содержит растворы различных солей и является проводником.

2. Для того чтобы определить, какой из полюсов источника тока положительный, а какой отрицательный^ опускают провода, соединенные с полюсами, в стакан с водой и наблюдают, возле ка­кого из проводов выделяется больше газа. Как по этим данным определить, какой из полюсов отрицательный?

3. Найдите электрохимические эквиваленты свинца, натрия и алюминия. Сколько каждого из этих веществ может быть выде­лено током 5 А в продолжение 10 ч?

4. Зная, что электрохимический эквивалент водорода равен 1,045 -10~⁸ кг/Кл, вычислите электрохимический эквивалент хло­ра. Валентность хлора равна 1, относительные атомные массы хлора и водорода равны 35,45 и 1,008.

§ 67. Ионная проводимость электролитов. Сам факт раз­ложения электролитов при прохождении через них тока показывает, что в них движение зарядов сопровождается движением атомов или групп атомов, связанных друг с дру­гом (например, S0₄, N0₃ и т, п.); эти атомы или атомные

группы представляют собой части молекулы растворенного вещества. Естественно предположить, что заряжены именно эти части молекулы в растворе и что они являются носите­лями электрического заряда. Их перемещение под действием сил электрического поля и представляет собой электричес­кий ток, идущий через электролит.

Было обнаружено, что при прохождении тока через электролит выделение вещества происходит на обоих элект­родах. По химическому составу это разные части молекулы растворенного вещества. По количеству, если измерять его в химических эквивалентах, они равны. Знаки зарядов у них, очевидно, противоположны.

Мы говорили уже (§ 5), что заряженные атомы называют­ся ионами. То же название носят заряженные молекулы или их части. Мы можем, следовательно, сказать, что проводи­мость электролитов является ионной, т. е. обусловлена движением в них положительных и отрицательных ионов, которые образуются из нейтральной молекулы путем рас­пада ее на две части, заряженные равными и противополож­ными зарядами. Молекулы растворенного вещества, кото­рые до растворения были электрически нейтральны, при

&*- &>-о

/-"Ч

/~ч

д	К
о °	о
е ®	О
© °	О
Ф О	0 О
0 ©	о

К

о

о о

о О <-е

-СЕн

о

Рис. 106. Проводимость электролита зависит от наличия положитель­ных и отрицательных ионов (кружки со знаками •«+» или «—»): а) цепь разомкнута, тока нет; б) цепь замкнута, через электролит идет ионный

ток

растворении распадаются на положительные и отрицатель­ные ионы, способные перемещаться независимо друг от друга.

Эти представления иллюстрируются рис. 106. Кружками между электродами со значками «+» и «—» схематически изображены положительные и отрицательные ионы раство­ренного вещества. Пока между электродами А и К не созда­но поле, ионы эти совершают только беспорядочное тепло­вое движение, как и все остальные молекулы раствора

(рис. 106, а). В каждом направлении за единицу времени протекает одинаковый положительный и отрицательный за­ряд, т. е. нет электрического тока — преимущественного переноса заряда в определенном направлении. При нало­жении разности потенциалов на электроды А и К, когда внутри электролита возникает электрическое поле, на это беспорядочное движение накладывается упорядоченное дви­жение в противоположные стороны ионов различных зна­ков: отрицательных — к аноду А, положительных — к ка­тоду К (рис. 106, б).

При соприкосновении -с катодом положительные ионы получают недостающие им электроны и выделяются в виде нейтральных атомов, а взамен электронов, нейтрализовав­ших ионы, новые электроны переходят от батареи к катоду. Точно так же отрицательные ионы при соприкосновении с анодом отдают ему свои избыточные электроны, превра­щаясь в нейтральные атомы; электроны же уходят по метал­лическим проводам в батарею. Таким образом, ток в элект­ролите обусловлен движущимися ионами; на электродах же происходит нейтрализация ионов и выделение их в виде нейтральных атомов (или молекул). Итак, электрический ток в электролитах представляет собой движение положи­тельных и отрицательных ионов.

Такое представление об электролизе подкрепляется мно­гочисленными фактами. С этой точки зрения первый закон Фарадея (§ 65) получает простое объяснение. Каждый осаждающийся на электроде ион переносит с собой некото­рый электрический заряд. Это значит, что полный заряд, перенесенный всеми ионами, должен быть пропорционален полному числу ионов, осевших на электродах, т. е. массе выделенного вещества. А это и есть первый закон Фарадея. Так же естественно и просто объясняется с этой точки зре­ния и второй закон Фарадея, дающий возможность вычис­лить электрический заряд, связанный с каждым ионом (§69).

Отметим, что название «ион» введено Фарадеем (от гре­ческого слова «ион» — идущий). Ионы, заряженные поло­жительно и выделяющиеся на катоде, Фарадей назвал ка­тионами, ионы, выделяющиеся на аноде,— анионами.

Опыт показал, что водород и металлы всегда выделяются на катоде; это значит, что в электролитах водород и металлы образуют положительные ионы.

л 67.1. При прохождении электрического тока через электролиты

• они нагреваются. Исходя из представлений об ионной проводи­мости, объясните это.

2. Почему провода осветительной сети непременно имеют рези­новую оболочку, а провода, предназначенные для сырых помеще­ний, кроме того, бывают просмолены снаружи?

3. Почему гораздо опаснее браться за электрические провода мокрыми руками, чем сухими?