Landsberg-1985-T2

г n а в а У. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРОЛИТЫ

§ 65. Первый эаконФарадея. В § 40 мы видели, что при про­

хождении 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 раз­ ложения вещества электрическим током - электролизом. Далее мы будем называть проводники, погруженные в

электролит ДЛЯ подведения к нему тока, электродами: поло­

и кислород в опыте, описанном в § 40, выделяются на элект­

родах все время, пока идет ток. Массу выделившегося ве­ щества можно· измерить. Если подобрать такой раствор,

при котором выделяющееся вещество оседает в виде твердого

осадка на электроде, то эту массу можно измерить без за­

труднений. Так, если пропускать ток через раствор медного купороса (CuS04 ), то на катЬде оседает медь. Это явление

слой выделившейся меди. Взвешивая катод до и после опы­

та, можно точно определить массу осадившегося металла.

Измерения показывают, что масса вещества, выделивше­

гося на электродах, зависит от силы тока и времени элект­

ролиза. 3амьшая цепь на разные промежутки времени,

можно убедиться в том, что масса выделившегося вещества

"') От греческих слов «ана» - ввеРХ,·«ката» - вниз, «ОДОС» - путь.

«Вверх» и «вниз» введены Фарадеем, не совсем удачно, для обозначения противоположности направлений, в которых двюкутся частицы, выделя­

ющиеся на аноде и катоде.

141

nропорциональна времени прохождения тока.для того чтобы

установить, как она ,зависит от силы тока, поступим сле­

дующим образом. Изготовим несколько совершенно одина­

ковых электролитических ванн и составим из них цепь, как iюказано на рис. 105, а. Так как процесс установившийся (§ 42), то через ванны 1 и 11 проходит ток одной и той же силы. Такой же ток проходит и через <?бе ванны 1 и 2 вме­

сте, а так как эти' ванны одинаковы, то очевидно, что токи

1

Рис. 105. Схема опыта по установлению зависимости массы выделе!!­

ного током вещества от силы тока: а) ток между ваннами 1 и II распре­ деляется между двумя одинаковыми ваннами 1 и 2; б) ток между ван­ нами 1 и 11 распределяется между тремя одинаковыми ваннами 1, 2 и 3

через ванны 1 и 2 равны друг другу и, следовательно, каж­

дый из них равен половине тока, идущего через ванну 1 или Н. 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 че­

рез ванну 1 или П, и т. д. Измеряя массу вещества (например, меди или серебра), выделившегося на катодах каждой из

этих ванн, мы убедимся, что массы вещества, выделившеГQСЯ

в ваннах 1 и 2 (или 1,2 и 3 и т. д.), равны между собой и со­ ставляют половину (или треть и т. д.) массы вещества, выде­

лившегося в ванне 1 или II. Таким образом, опыт показы­

вает, 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-"

ряду, прошедшему через электролит. Мы видим, что масса

вe~cтвa, выделившегосf.l на электроде, nроnорциональна заряду, или количеству электричества, прошедшемучерез электролит. Этот важный закон был установлен впервые "Фарадеем и носит название первого закона Фарадея.

145

шедший через ванну за время t, то первый закон Фарадея

можно записать таю

где К - коэффициент пропорциональности. Полагая в фор­ муле (65.1) заряд q= 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 яв­

ляется характерной для каждого вещества. Так, например, при электролизе раствора ляписа (азотнокислого серебра,

АgNОз) 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 элект­

ролизе соли другого металла масса выделившегося вещества

будет иной. Величина К называется электрохимическим ЭК­ вивалентом данного вещества. Таким образом, электрохuми·

ческим эквивалентом вещества называется масса этого ве­

щества, выделяемая при электролизе одним кулоном про·

текшего через раствор электричества.

т а б л и ц а 5. Электрохимический

вквивалент некоторых веществ

в табл. 5 приведены значения электрохимического экви·

валента для некоторых веществ.

§ 66. Второй закон Фарадея. Из табл. 5 мы видим, что элек­

трохимические эквиваленты различных веществ существенно

s-отличны один от другого. От каких же ~войств вещества за­ висит его электрохимический эквивалент?

Ответ на этот вопрос дает следующий важный закон,

также установленный Фарадеем на опыте (второй закон Фарадея): электрохимические эквиваленты различных ве­ ществ nроnорчиональны их молярным массам и обратно

146

nроnорциональны числам. выражающим их химическую ва­

лентность *).

Для уяснения этого закона рассмотрим конкретный

закону Фарадея электрохимические эквиваленты серебра

ицинка должны относиться. как

0,1079. 0,0654 = 330

Согласно табл. 5. экспериментальные значения электрохи­

мических эквивалентов равны 1.118·10-6 кг/Кл для серебра и 0.3388 ·10-6 кг/Кл для цинка; их отношение равно

1.118/0.3388=3.30. что согласуется со вторым законом Фа­

радея.

Если обозначить по-прежнему через К [кг/Кл} электро­

Здесь через 1IР обозначен коэффициент пропорционально­ сти. который является универсальной постоянной, т. е. имеет одинаковое значение для всех веществ. Величина F

называется постоянной Фарадея. Ее значение, найденное

экспериментально, равно

F = 96 484 Кл/моль.

Некоторые элементы в разных сое)1.инениях обладают различной

валентностью. Так, например, медь одновалентна в ХJ,lористой меди(СuСl), закиси меди (О.!уО) и еще в некоторых солях, и медь двухвалентна в хлор­ ной меди (CuCI 2 , окиси меди (СиО), медном купоросе (CUS04) и еще в не­ которых 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 М/n называют химическим эквивалентом Дl;IНHO-

"') Напоминаем, что валентность любого атома определяется числом

атомов водорода, которое способно соединяться с данным атомом или ко·

торое может быть замещено данным атомом. Так, например, хлор и сереб.

ро (8 соединениях Hel, AgCl) одновалентны; цинк или кислород (в сое· динениях ZпО, Н2О) двухвалентны и т. д. Валентность водорода по оп. р(щелению выражается числом 1.

147

го вещества. Это отношение показывает, какая масса дан­

ного вещества необходима для замещения одного моля во­ дорода в химических соединениях *). У одновалентных

веществ химический эквивалент' численно равен молярной массе. Пользуясь этим понятием, можно выразить второй

закон Фарадея следующим' образом: электрохимические

эквиваленты веществ nроnорциональны. их химическим экви­

валенmа'+l.

Объединив формулы (65.1) и (66.1), можно выразить

оба закона Фарадея в виде одной формулы,

где т - масса вещества, выделяющегося при прохождении

через электролит количества электричества q. Эта формула имеет простой физический смысл. Положим в ней т=

= М/n, т. е. возьмем массу одного химического эквивалента данного вещества. Тогда получим F=q. Это значит, что по­

стоянная ФарадеяF численно равна заряду q, который необ­ ходимо пропустить через любой электролит, чтобы выделить

на электродах вещество в количестве, равном одному хими­

ческому эквиваленту.

? 66. 1. Каки~! образом, опустив два провода от гальванического

•элемента в стакан с водой, можно узнать, существует .1И между

I!Ю!И напряжение? Вода, не подвергнутая спеuиальной тщатель·

ной очистке, всегда содержит растворы различных солей и

66.2. Для того чтобы определить, какой из полюсов источника

тока положительный, а какой отрицатеЛЬНЫЙh опускают провода, . соединенные с полюсами, в стакан с водой и на'блюдают, возле ка.

кого из проводав выделяется бо.чьШе газа. Как по этим данным

определить, какой из полюсов отрицательный?

66.3. Найдите электрохимические эквиваленты свинца, иатрия и алюминия. Сколько каждого из этих веществ может быть выде· лена током 5 А в продолжение 1О ч?

66.4. Зная, что электрохимический эквивалент водорода равен

1,045 ·10-8 кг/Кл, вычислите электрохимический эквивалент хло.

ра. Валентность хлора равна 1, относительные атомные массы

хлора и водорода равны 35,45 и 1,008.

§ 67. Ионная. проводимость электролитов. Сам факт раз­

ложения электролитов при прохождении через них тока

показывает, что в них движение зарядов сопровождается

движением атомов или групп атомов, связанных друг с дру­

гом (например, S04' NОэ и т. п.); эти атомы или атомные

") Напомним, что молем называется количество вещества, в котором

содержится число атомов или молекул, равное постоянной Авогадро

N А =6,02· I02~ моль -! (см. том I).

148

группы представляют собой части молекулыI растворенного

вещества. Естественно предположить, что заряжены именно

эти части молекулы в растворе и что они являются носите­

лЯми электрического заряда. Их перемещение под·деЙствием

сил электрического поля и представляет собой электричес­

кий ток, идущий через электролит.

Было обнаружено, что при прохождении тока через

электролит выделение вещества происходит на обоих элект­

родах. 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 называют­ ся ионами. То же название носят заряженные молекулы или

их части. Мы можем, следовательно, сказать, что проводи­

мость электрол.итов является ионной, т. е. обусловлена

движением в них положительных u отрицательных ионов, которые образуются из нейтральной молекулы путем рас­

пада ее на две. части, заряженные равныии и противополож­

ными зарядами. Молекулы растворейного вещества, кото­ рые до растворения были электрически неЙтрал.ьны, при

А}(

оо о

9 Ф О

ФО 9 Ф

Эо 9 0

ОФ О

Рис. 106. Проводимость электролита зависит от наличия положитель­

ных и отрицательных ионов (кружки со знаками -«+» или «-»): а) цепь

разомкнута, тока нет j б) цепь замкнута, через электролит идет ионный

ток

растворении распадаются на положительные и отрицатель­

. ные ионы, способные перемещаться независимо друг от

друга.

Эти представления иллюстрируются рис. 106. Кружками

между электродами со значками «+» и «-» схематически изображены положительные и отрицательные ионы раство­

ренного вещества. Пока между электродами А и К не созда­ но поле, ионы эти соверщают только беспорядочное тепло­

вое движение, как и все остальные молекулы· раствора

149

(рис. 106, а). В каждом направлении за единицу' времени

протекает одинаковый положительный и отрицательный за­

ряд, т. е. нет электрического тока - преимущественного

переноса зар~а в определенном направлении. При нало­ жении разности потенциалов на электроды А и К, когда

внутри электролита возникает электрическое поле, на это

беспорядочное движение накладывается упорядоченное дви­

жение в противоположные стороны ионов различных зна­

ков; отрицательных - к аноду А, положительных - к ка­ тоду К (рис. 106, б).

При соприкосновении 'с катодом положительные ионы

получают недостающие им электроны и выделяются в виде

нейтральных атомов, а взамен электронов, нейтрализовав­ ших ионы, новые электроны переходят от батареи к катоду.

Точно так же отрицательные ионы при соприкосновении

с анодом отдают ему свои избыточные электроны, превра­

щаясь в нейтральные атомы; электроны же уходят по метал­

лическим проводам в батарею. Таким образом, ток в элект­

ролите 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 положи­

тельных и отрицательных ионов.

Такое представление об электролизе подкрепляется мно­ гочисленными фактами. С этой точки зрения первый закон

Фарадея (§ 65) получает простое объяснение. Каждый осаждающийся на электроде ион переносит с собой некото­ рый 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 зре­

ния и второй закон Фарадея, дающий возможность вычис­

лить электрический заряд, связанный с каждым ионом

(§ 69).

Отметим, что название «ион» введено Фарадеем (от гре­ ческого слова «ион» - идущий). Ионы, заряженные поло­ жительно и выделяющиеся на катоде, Фарадей назвал ка­

тионами, 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.

67.t. При прохождении электрического тока через электролиты

?они нагреваются. Исходя из представлений об ионной проводи. мости, объя~ните это.

150

67.2.Почему провода осветительной сети непременно имеют рези· новую об0.:10ЧКУ, а провода, предназначенные для сырых помеще·

ний, кроме того, бывают просмолены снаружи?

67.3.Почему гораздо опаснее браться за электрические провода

мокрыми руками, Чем сухими?

§ 68. Движение ионов в электролитах. Движение ионов в

электролитах в некоторых случаях может быть показано

весьма наглядно.

Пропитаем листок фильтровальной бумаги раствором электролита (сернокислого натра, Na 2S04 ) и фенолфталеина

а

Рис. 107. Опыт, показывающий движение ИQflОВ. Листок фильтроваль·

ной бумаги пропитан раствором электролита и фенолфталеина, аЬ­

нитка, смоченная раствором электролита

и поместим н'а стеклянную пластинку (рис. lO7). Поперек

бумаги положим обыкновенную белую нитку, смоченную

раствором едкого натра (NаОН). Бумага под ниткой окрасится в малиновый цвет· благодаря взаимодействию ионов гидроксила (ОН) из NaOH с фенолфталеином. Затем

прижмем к краям листка проволочные электроды, присое­

диненные к гальваническому

:~:~~~~~~~и~~Л:ЗЧ~~к~~~'~~: v{[[11- ::~

ра начнут двигаться к аноду.

окрашивая бумагу в малиноРис. 108. К упражнению 68.1

вый цвет. По скорости пере-·

мещения малИI/ОВОГО края можно судить о средней скорости

движения ионов под влиянием электрического поля внутри

электролита. Опыт показывает, что эта скорость пропорцио­

нальна напрЯ)kенности поля внутри электролита. При за­

данном поле эта скорость для разных ионов несколько раз­

лична. Но в общем она невелика и для обычно применяю­ щихся полей измеряется сотыми и даже тысячными долями

сантиметра в секунду.

? 68.1. Для определения знака полюсов источника употребляют «полюсоискатели», представляющие собой небольшую стеклянную ампулу с двумя введенными в нее проволоками (рис. 108). Ампула

151

8аполняется раствором поваренной соли с добавленным к нему фенолфталеином, краснеющим под деiiствием щел.очи. На каком из полюсов будет появляться красная окраска?

§ 69. Элементарный электрический заряд. Из формулы (66.2), объединяющей оба закона Фарадея, следует, что если заряд q численно равен постоянной Фарадея Р. то масса т равна М/n, т. е. при прохождении через электро­

лит заряда. равного 96484 Кл, выделяется М/n [кг] любого вещества, т. е. 1/n моля этого вещества. Иначе

говоря, для выделения одного моля вещества через электро­

лит должен протечь заряд q, численно равный nР [КлJ. Ta~

ким образом, при выделении моля одновалентного вещества (1,008 г водорода, 22,99 г натрия, 107,87 г серебра и т. д.) через электролит проходит заряд, численно равный р­

и;:::96 484 Кл; при выделении моля двухвалентного вещества

(16,00 г кислорода, 65,38 г цинка, 63,55 г меди и т. д.) через электролит проходит заряд, численно равный 2Р""""

=2·96484 Кл=192 968 Кл, и т. д.

Но мы знаем, что в одном моле любого вещества содер­ жится одно и то же число атомов, равное постоянной Аво­

гадро N А=6,02 ·1023 моль-~. Таким образом, каждыfL ион одновалентного вещества, выделяющийся на электроде. H€CeT на себе зяряд

При выделении каждого атома двухвалентного вещества

через электролит проходит заряд 2Р/N А=3,20 ·10-19 Кл, вдвое больший, и т. д. Вообще при выделении каждого

атома n-валентного вещества через электролит переносится

заряд nF/NА=nе [КлJ.

Мы видим, что заряды, переносимые при электролизе с..каждым ионом, представляют собой целые кратные неко­

торого минимального количества электричества, равного

1,60 ·10-19 Кл. Любой одновалентный ион (ион калия, се­

ребра и т. д.) переносит один такой заряд. Любой двухва­ лентный ион (ион цинка! ртути и т. д.) переносит два таких

заряда. Никогда не встречаются при электролизе случаи, когда бы с ионом переносился заря-д, содержащий дробную часть от 1,60·10-19 Кл. Немецкий физик и физиолог Герман

Гельмгольц (1821-1894), обративший внимание на это

следствие из закона Фарадея, сделал отсюда заключение, что указаННQе количество электричества 1,60 ·10-19 Кл представляет собой наименьшее количество электричества,

существующее в природе; этот минимальный заряд получил

ISl

наз.ванне 8AeAleнrrlapHoгo заряда. Одновалентные анионы

(ноны хлора, йода и т. д.) несут на себе один отрица~ьный элементарный заряд, одновалентные катионы (ионы водо­

рода, натрия, калия, серебра н т. д.) - один положитель­ ный элементарный заряд, двухвалентные анионы - два

отрицательных элементарных заряда, двухвалентные катно­

ны - два положительных элементарных заряда и т. д.

Таким образом, в явлениях электролиза ИСCJIедователи впервые столкнулись с проявлениями дискретной (преры­

вистой) природы электричества (§ 5) и сУмели определить

элементарный электрический заряд. Позже были обнару­

жены и другие явления, в которых проявляется дискретна!l

природа электричества, и были найдены другие способы из­

мерения элементарного отрицательного заряда..- заряда

электрона. Все эти измерения Д~ли для заряда .электрона

то же значение, какое мы получили только что из закона

Фарадея. Это является лучшим подтверждением правиль­

ности того ионного мех~низма прохождения тока через

электролиты, который мы обрисовали в предыдущем пара­ графе.

Ионы принято обозначать знаками «+» или «-» около

соответствующих формул (обычно справа вверху). Число

знаков «+» или «-» равно валентности иона (например, ионы меди бывают Сu+ или Cu~+, ионы хлора - только

Cl-" и т, д.).

§ 70. Первичные и вторичные процессы при злект.роJlИзе. Из изложен­ Hoгo выше представлення об ионноii проводимости электролитов вытека­

ет, что первичным результатом электролиза является выделение на

электродах составных частей молекулы растворенного вещества. Од­ нако фактически мы часто обнаруживаем на одном или на обоих элек­

тродах не те атомы или атомные группы, которые перемещались в раст­

воре н первоначально выделялись на электродах, а другие, освобожда­

ющиеся при вторичных химических реакциях, в которые вступают ос­

вободившиеся первичные атомы и группы. Например, при электролизе раствора медного купороса (Сu504) на катоде выделяется, как мы гово­

рили, медь, на аноде же мы обнаруживаем выделение не группы 504'

а кислорода. Одновременно наблюдается образование в растворе серной кислоты (Н250.). Это объясняется тем, что группа 504 неустойчива; вы­

делившись из раствора, она сейчас же вступает в реакцию с водой по iYравнению

Кислород в~еляется в виде пуз~рьков газа, а серная Кислота остается

в растворе.

Аналогичные вторичные реакции имеют место и при электролизе других солей и кислот~Мы видели, наприм'ер, что при электролизе сла­ бого расТВора серной кислоты на электродах выделяются водород и кислород. Но &тот окончательный результат яВляется, каК и в разобран-

'53