§ 2. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РОЗЧИНАХ І РОЗПЛАВАХ ЕЛЕКТРОЛІТІВ

• До змісту відповідей

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Але чому?

Електричне коло замикається тому, що під час розчинення солі у воді утворюються вільні носії заряду, які перетворюють розчин на провідник.

Що, на вашу думку, відбувається, якщо розчинити сіль у воді?

При розчиненні солі у воді відбувається процес електролітичної дисоціації, під час якого кристалічна ґратка речовини розпадається на окремі йони під дією полярних молекул води.

Звідки в розчині з’являються вільні заряджені частинки?

Вільні заряджені частинки з’являються внаслідок взаємодії молекул розчинника з кристалами солі, що призводить до ослаблення зв’язків між складниками речовини та їхнього виходу в розчин.

Що це за частинки?

Цими частинками є позитивно заряджені йони (катіони) та негативно заряджені йони (аніони).

1. Що являє собою електричний струм в електролітах?

Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів являє собою напрямлений рух позитивних і негативних йонів.

2. Як відбувається електролітична дисоціація?

Електролітична дисоціація відбувається внаслідок взаємодії кристалічної ґратки речовини з полярними молекулами води, які оточують іони, послаблюють зв’язки між ними та завдяки тепловому руху витягують їх у розчин. У результаті цього процесу електроліт розпадається на вільні позитивно та негативно заряджені іони.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Висуньте припущення щодо спостережуваного явища.

Поява бульбашок газу та зміна кольору кінчика олівця свідчать про перебіг хімічних реакцій на електродах під дією електричного струму: на одному електроді (аноді) виділяється газ, а на іншому (катоді) відбувається відновлення іонів міді, які осідають у вигляді чистого металу.

3. Що таке електроліз?

Електроліз — це процес виділення речовин на електродах, пов’язаний з окисно-відновними реакціями, які відбуваються на електродах під час проходження електричного струму через розчин або розплав електроліту.

А ЯК НАСПРАВДІ?

Як ви вважаєте, хто має рацію?

Рацію має Павло, оскільки під час електролізу водного розчину натрій хлориду на катоді замість активного металу натрію виділяється водень.

4. Скільки речовини виділяється в ході електролізу?

Згідно з першим законом Фарадея, маса речовини $m$, що виділяється на електроді, прямо пропорційна електричному заряду $q$, який пройшов через електроліт. Кількість речовини визначається за формулою:

$m = k \cdot q$ або $m = k \cdot I \cdot t$

де $k$ — електрохімічний еквівалент речовини, $I$ — сила струму, $t$ — час проходження струму.

Яка речовина виділяється на катоді?

На катоді виділяється срібло.

Що це означає?

Значення електрохімічного еквівалента срібла $1{,}12\text{ мг/Кл}$ означає, що під час проходження через електроліт електричного заряду $1\text{ Кл}$ на катоді виділяється речовина масою $1{,}12\text{ мг}$.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. У чому полягає явище електролітичної дисоціації? Наведіть приклади.

Електролітична дисоціація — це процес розпаду електролітів на вільні йони внаслідок дії полярних молекул розчинника. Прикладами речовин, що дисоціюють у воді, є натрій хлорид ($NaCl$) та купрум(II) сульфат ($CuSO_4$).

2. Що являє собою електричний струм у розчинах і розплавах електролітів?

Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів являє собою напрямлений рух позитивних і негативних йонів.

3. Як змінюється опір електроліту зі зміною температури?

Зі збільшенням температури опір розчину електроліту зменшується, оскільки зростає ступінь дисоціації та збільшується кількість вільних йонів у розчині.

4. Опишіть процес електролізу.

Електроліз — це процес виділення речовин на електродах, пов’язаний з окисно-відновними реакціями, які відбуваються на електродах під час проходження електричного струму через розчин або розплав електроліту. При цьому позитивні йони (катіони) рухаються до негативно зарядженого катода, де приєднують електрони і відновлюються, а негативні йони (аніони) рухаються до позитивно зарядженого анода, де віддають електрони і окиснюються.

5. Сформулюйте перший закон Фарадея.

Маса речовини, яка виділяється на електроді, прямо пропорційна електричному заряду, який пройшов через електроліт:

$m = k \cdot q$, або $m = k \cdot I \cdot t$

6. Яким є фізичний зміст електрохімічного еквівалента?

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини, яка виділяється на електроді внаслідок проходження через електроліт електричного заряду величиною 1 кулон.

ВПРАВА № 2

1. На рис. 1 зображено схему для демонстрації провідності розчину купрум(ІІ) сульфату. Зазначте: а) який електрод слугує катодом, а який — анодом; б) у якому напрямку рухаються катіони міді, а в якому — аніони кислотного залишку?

а) Катодом слугує лівий електрод, який приєднаний до негативного полюса джерела струму, а анодом — правий електрод, приєднаний до позитивного полюса.
б) Катіони міді ($Cu^{2+}$) рухаються до негативного електрода (катода), тобто ліворуч, а аніони кислотного залишку ($SO_{4}^{2-}$) рухаються до позитивного електрода (анода), тобто праворуч.

2. Дистильована вода не є провідником. А чому водопровідна вода, річкова та морська вода проводять електричний струм?

Водопровідна, річкова та морська вода проводять електричний струм через наявність у них розчинених солей, кислот чи лугів, які внаслідок електролітичної дисоціації утворюють вільні позитивні та негативні йони, що стають носіями заряду. Дистильована вода практично не містить таких домішок, тому в ній відсутня достатня кількість вільних носіїв заряду для проведення струму.

3. Чому розчин солі у воді добре проводить електричний струм, а розчин цукру у воді — погано?

Розчин солі добре проводить електричний струм, оскільки сіль є електролітом і в процесі електролітичної дисоціації розпадається на вільні іони, які стають носіями електричного заряду. Розчин цукру проводить струм погано, бо цукор є неелектролітом і при розчиненні не утворює вільних іонів.

4. Під час електролізу розчину алюміній хлориду на катоді виділилося 1,8 г алюмінію. Визначте, який заряд пройшов через розчин.

Дано:

• $m = 1{,}8\text{ г} = 1800\text{ мг}$
• $k = 0{,}093\text{ мг/Кл}$

Знайти:

• $q - ?$

Розв’язання:

$m = k \cdot q$

$q = \dfrac{m}{k}$

$q = \dfrac{1800}{0{,}093} \approx 19355\text{ Кл}$

Відповідь: 19355 Кл.

5. Під час електролізу розчину аргентум нітрату на катоді виділилося 25 г срібла. Скільки часу тривав електроліз, якщо сила струму була незмінною та дорівнювала 0,5 А?

Дано:

• $m = 25\text{ г} = 25000\text{ мг}$
• $I = 0{,}5\text{ А}$
• $k = 1{,}12\text{ мг/Кл}$

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:

$m = k \cdot I \cdot t$

$t = \dfrac{m}{k \cdot I}$

$t = \dfrac{25000}{1{,}12 \cdot 0{,}5} = \dfrac{25000}{0{,}56} \approx 44643\text{ с}$

$t \approx 12{,}4\text{ год}$

Відповідь: 44643 с (приблизно 12 годин 24 хвилини).

6. Щоб визначити електрохімічний еквівалент міді, через розчин купрум(ІІ) сульфату протягом 30 хв пропускали струм силою 0,5 А. Яке значення електрохімічного еквівалента отримали, якщо маса катода до початку досліду була 75,20 г, а після досліду — 75,47 г?

Дано:

• $t = 30\text{ хв} = 1800\text{ с}$
• $I = 0{,}5\text{ А}$
• $m_1 = 75{,}20\text{ г}$
• $m_2 = 75{,}47\text{ г}$

Знайти:

• $k - ?$

Розв’язання:

$m = m_2 - m_1$

$m = 75{,}47 - 75{,}20 = 0{,}27\text{ г} = 270\text{ мг}$

$m = k \cdot I \cdot t$

$k = \dfrac{m}{I \cdot t}$

$k = \dfrac{270}{0{,}5 \cdot 1800} = \dfrac{270}{900} = 0{,}3\text{ мг/Кл}$

Відповідь: 0,3 мг/Кл.

7. Три електролітичні ванни заповнені розчинами різних солей. Через розчини пропускають електричний струм (рис. 2). На якому з катодів виділяється найбільша маса металу? Який це метал?

Оскільки електролітичні ванни з’єднані послідовно, через них проходить однаковий електричний заряд $q$. Згідно з першим законом Фарадея ($m = k \cdot q$), маса речовини, що виділяється на електроді, прямо пропорційна її електрохімічному еквіваленту. Найбільша маса металу виділиться на катоді першої ванни, де міститься розчин аргентум нітрату, тому що срібло має найбільший електрохімічний еквівалент серед вказаних металів ($k_{Ag} \approx 1{,}12\text{ мг/Кл}$, тоді як $k_{Cu} \approx 0{,}33\text{ мг/Кл}$ та $k_{Al} \approx 0{,}09\text{ мг/Кл}$). Цей метал — срібло.

8. Об’єднайтесь у групи. Кожна група має записати на аркуші, що спільне та що відмінне в проходженні електричного струму в металах і в електролітах, і презентувати свою роботу, надавши докладні обґрунтування.

9. Син коваля й учень палітурника Майкл Фарадей зміг стати видатним ученим. Дізнайтеся про життя М. Фарадея та історію його відкриттів, підготуйте повідомлення.

Майкл Фарадей народився в 1791 році в передмісті Лондона в незаможній родині коваля. Через брак коштів він не зміг отримати вищу освіту і з 13 років працював учнем у книжковій крамниці, де займався палітурною справою та активно читав наукову літературу. У 1813 році, після відвідування лекцій Гемфрі Деві, він став його асистентом у Королівському інституті. Головним науковим досягненням Фарадея стало відкриття явища електромагнітної індукції в 1831 році, що дозволило створити перший електричний генератор. У галузі хімії та фізики середовищ він детально вивчив проходження струму через розчини солей і кислот, сформулювавши в 1833–1834 роках два закони електролізу. Саме Фарадей ввів у науку терміни, якими фізики користуються до сьогодні: електроліт, електрод, катод, анод та іон. Його праці стали основою для розвитку сучасної електротехніки та вчення про електромагнітне поле.