Физика · Электричество и магнетизм · 8 класс

Электролиз, законы Фарадея

Как покрыть ложку медью и сколько для этого нужно тока?

Ситуация

В мастерской старую стальную ложку хотят покрыть красивым слоем меди. Ложку опускают в раствор медного купороса (CuSO₄) и подключают к полюсу «−» источника, а медную пластину — к полюсу «+». Через несколько минут ложка приобретает красноватый оттенок. Что движется в растворе, от чего зависит, сколько меди осядет, и как по этому опыту найти заряд электрона?

Тема

Электрический ток в жидкостях, электролиз. Меднение ложки и законы Фарадея

Ключевые понятия

Электролитическая диссоциация
Законы Фарадея
Гальваностегия

Формулы

{CuSO}_{4} \to {Cu}^{2 +} + {SO}_{4}^{2 -}

Электролитическая диссоциация: соль в воде распадается на ионы даже без тока.

m = k I t = k q

Первый закон Фарадея: масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду; $k$ — электрохимический эквивалент.

k = \frac{1}{F} \cdot \frac{M}{n}

Второй закон Фарадея: $M$ — молярная масса, $n$ — валентность иона. Для меди $k \approx 0,329$ мг/Кл.

F = e N_{A} \approx 96 485 Кл/моль, e = \frac{F}{N_{A}}

Постоянная Фарадея — заряд одного моля электронов; по ней находят заряд электрона.

v = u E

Дрейфовая скорость иона: $u$ — подвижность (для Cu²⁺ ≈ $5,6 \cdot 10^{- 8}$ м²/(В·с)).

Теория

Электролиты и диссоциация

Водные растворы солей, кислот и щелочей — электролиты. Молекулы воды полярны: они окружают ионы и ослабляют притяжение между ними примерно в 80 раз, и кристалл распадается на ионы (диссоциация). Ионы есть и без тока — они лишь хаотично движутся. Голубой цвет раствора придают ионы Cu²⁺, окружённые молекулами воды. Кнопка «Бросить кристалл» показывает, как кристалл растворяется и распадается на пары ионов.

Ток в жидкости: подвижность ионов

Между электродами возникает поле $E$ , и ионы начинают упорядоченно смещаться: положительные ионы (катионы) — к катоду, отрицательные (анионы) — к аноду. Скорость $v = u E$ ; подвижность $u$ очень мала, поэтому ионы смещаются всего на несколько микрометров в секунду (значение на индикаторе). Ток переносят ионы обоих знаков вместе. В отличие от металлов, при нагревании сопротивление электролита уменьшается: вязкость падает, ионы ускоряются. На сцене движение ионов ускорено примерно в 4000 раз.

Электролиз: что происходит на электродах?

На катоде (на ложке) ионы меди принимают по два электрона и превращаются в металл: ${Cu}^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu$ . А с анода в раствор переходит столько же ионов меди: $Cu - 2 e^{-} \to {Cu}^{2 +}$ — цвет раствора почти не меняется, а анод истончается. По внешним проводам электроны идут от анода через источник к катоду. Этот процесс, при котором на электродах выделяется вещество, — электролиз.

Законы Фарадея

1-й закон: масса выделившегося вещества пропорциональна заряду, $m = k I t$ — на графике $m (t)$ прямая линия. 2-й закон: $k = M / (n F)$ . Один ион приносит заряд $n e$ , а на моль ионов нужен заряд $n F$ . Поэтому один и тот же заряд выделяет в разных ваннах массы, пропорциональные $M / n$ — сравните медь и серебро в режиме «Две ванны»: $m_{A g} / m_{C u} = 107,9 / (63,5 / 2) \approx 3,4$ . Соотношение $F = e N_{A}$ — одно из первых свидетельств того, что электролиз показывает дискретность заряда (кратность заряду электрона).

Лабораторная работа: электрохимический эквивалент меди

Взвесьте сухую ложку без тока ( $m_{1}$ ). Включите цепь, держите ток постоянным ( $I$ ), запишите время ( $t$ ). Отключите ток и снова взвесьте ложку ( $m_{2}$ ). Тогда $k = (m_{2} - m_{1}) / (I t)$ , $F = M / (n k)$ и $e = F / N_{A}$ . Источники погрешностей: колебания тока, промывка и сушка ложки, точность весов (здесь 1 мг). Чтобы покрытие было ровным, плотность тока должна быть около 1–3 А/дм²; при слишком большом токе слой получается рыхлым и тёмным.

В быту и технике

Гальваностегия — покрытие изделий никелем, хромом, серебром, золотом (защита от ржавчины и украшение). Гальванопластика — получение точной металлической копии предмета (Б. Якоби, 1838). Очистка меди: сырая медь на аноде растворяется, на катоде осаждается 99,99 % чистая медь, благородные металлы остаются в анодном шламе. Алюминий получают электролизом глинозёма в расплаве криолита при ≈ 950 °C — на 1 кг уходит ≈ 13–14 кВт·ч энергии. Зарядка аккумулятора — тоже электролиз. Модель: КПД по току 100 %, сопротивление ванны приближённое ( $κ \approx 3$ См/м), раствор считается однородным. Подробнее о химических источниках тока — в эксперименте «Источники тока, ЭДС, внутреннее r».

Знаете ли вы?

Законы электролиза опубликовал Майкл Фарадей в 1833–1834 годах; термины «электрод», «анод», «катод» и «ион» он тоже ввёл в науку, посоветовавшись с Уильямом Юэллом.
Способ получения алюминия электролизом глинозёма в расплаве криолита в 1886 году независимо друг от друга открыли американец Чарльз Холл и француз Поль Эру.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Полярное сияние и сила Лоренца — 8 класс
Электрическое поле и потенциал — 8 класс
Конденсатор и электрическая ёмкость — 8 класс
Схемы и правила Кирхгофа — 8 класс
Электрический ток в металлах — 8 класс
Электрический ток в вакууме и газах — 8 класс
Магнитное поле — 8 класс
Электромагнит и реле — 8 класс
Встряхиваемый фонарик — 10 класс
Самоиндукция — 10 класс