Изучение электропроводности жидкостей и определение электрохимического эквивалента меди

 

Цель и задача работы: Изучение механизма прохождения тока в электролитах и законов электролиза, проведение электролиза и определение электрохимическoго эквивалента меди.

 

Общие сведения

 

Вещества, водные растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами. В отличие от металлов, имеющих электронную проводимость и полупроводников, имеющих электронно-дырочную проводимость, электролиты обладают ионной проводимостью.

Иногда электролитами называют и сами проводящие растворы, хотя более правильное выражение – раствор электролита.

Молекулы воды в незначительной степени распадаются на ионы:

. (1)

Концентрация ионов водорода определяет кислотность раствора, а концентрация ионов гидроксила характеризует щелочность раствора. В чистой воде концентрации ионов Н ⁺ и ОН ^- равны. Чистая вода диссоциирует очень слабо. В 1 моль воды при 22º С распадается на ионы всего моль.

Однако получить такую воду очень трудно, т.к. в воздухе всегда присутствует углекислый газ, который, растворяясь воде, увеличивает концентрацию водородных ионов. Так как вода имеет большую диэлектрическую проницаемость () и молекулы воды обладают значительным дипольным моментом ( Кл∙м), то вокруг молекул воды на межатомных расстояниях ( нм) существует довольно сильное электрическое поле. Последнее является непосредственной причиной, ослабляющей силу электростатического притяжения ионов в молекулах растворенного вещества. Поэтому в процессе растворения соли или щелочи за счет тепловых соударений происходит распад молекул на анионы и катионы. Если молекулы растворенного вещества в воде не диссоциируют на ионы, то раствор не является проводником. Например, водные растворы сахаров, глицерина – изоляторы.

Результатом диссоциации является образование сольватов (гидратов), когда молекулы воды «обволакивают» ионы, образуя вокруг них сольватную оболочку (рисунок 1).

Рисунок 1 Сольватные оболочки: а – катиона; б – аниона

 

Для возникновения электрического тока в электролите, необходимо в ванну с раствором электролита опустить электроды из проводящего материала (металл, уголь и т.п.), к которым подключить источник тока (рисунок 2). Такое устройство называется гальванической или электролитической ванной.

Рисунок 2 Электролитическая ванна: 1 - ванна с раствором

медного купороса; 2 - катод; 3 – источник тока; 4 – анод;

и - скорости положительных и отрицательных ионов

На ион в электролите действуют две силы: сила со стороны электрического поля и сила сопротивления движению со стороны среды . Сила, действующая со стороны электрического поля, вычисляется по формуле:

, (2)

где - заряд иона, Кл; - напряженность электрического поля, .

Сила , обусловленная взаимодействием молекул, окружающих ион, пропорциональна скорости :

, (3)

где - коэффициент сопротивления движению ионов в среде.

При движении иона в электролите между силами быстро устанавливается равновесие и движение иона между электродами можно рассматривать как равномерное и прямолинейное, поэтому:

. (4)

Из (4) следует:

. (5)

Если обозначить , то . Коэффициент b называется подвижностью ионов. Физический смысл подвижности в том, что она характеризует скорость ионов в электролите при напряженности электрического поля Е = 1 .

Так как ток в электролитах представляет собой упорядоченное движение ионов обоих знаков, обусловленное действием внешнего электрического поля, то плотность тока в электролите определяется выражением:

, (6)

где n ⁺ и ^- - концентрации катионов и анионов; ₊ и -^- - скорости их дрейфа, ⁺ и ^- - их заряды.

Происходящие на катоде и на аноде окислительно-восстанови-тельные реакции подчиняются законам Фарадея.

Первый закон: масса выделившегося на электроде вещества пропорциональна протекшему через электролит заряду:

 

, (7)

 

где - электрохимический эквивалент; I – сила тока, А; t - время, с.

Электрохимические эквиваленты ряда элементов приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 Значения электрохимических эквивалентов

для некоторых веществ

Вещество	Атомная масса, а.е.м	Валентность	Электрохимический эквивалент, кг/Кл
Серебро	107,9	1	1,118×10^-6
Медь	63,6	2	3,249×10^-7
Цинк	65,37	2	3,281×10^-7
Водород	1,006	1	1,045×10^-8
Кислород	16,00	2	0,829×10^-7
Хлор	35,46		3,674×10^-7

 

Второй закон: электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:

, (8)

где F - число Фарадея (F= 96500 ); M – молярная масса выделившегося на электроде вещества; n – его валентность, - химический эквивалент.

Продукты электровосстановления или электроокисления ионов электролита могут вступить в химические реакции с раствором вблизи электрода. Такие процессы называются вторичными реакциями.

Все эти процессы находят применение в различных отраслях техники, многие из них используются также в медицине.