§ 2. Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів

Зміст

Вправа № 2

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

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

Водопровідна, річкова та морська вода проводять струм завдяки розчиненим у них солям, кислотам чи лугам, які внаслідок електролітичної дисоціації розпадаються на вільні йони. Дистильована вода практично позбавлена домішок і вільних носіїв заряду, тому є діелектриком.

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

Сіль є електролітом: при розчиненні її кристалічна ґратка розпадається на вільні йони, які переносять електричний заряд. Цукор — це неелектроліт, молекули якого при розчиненні не утворюють йонів, тому його розчин практично не проводить струм.

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

Дано:
$m = 1{,}8\text{ г} = 1800\text{ мг}$
$k = 0{,}09\text{ мг/Кл}$

Знайти:
$q - ?$

Розв’язання:
За першим законом Фарадея:
$m = k \cdot q \implies q = \dfrac{m}{k}$

Обчислимо значення:
$q = \dfrac{1800\text{ мг}}{0{,}09\text{ мг/Кл}} = 20,000\text{ Кл}$

Відповідь: $q = 20,000\text{ Кл}$ ($20\text{ кКл}$).

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

Дано:
$m = 25\text{ г} = 25,000\text{ мг}$
$I = 0{,}5\text{ А}$
$k = 1{,}12\text{ мг/Кл}$

Знайти:
$t - ?$

Розв’язання:
За законом Фарадея:
$m = k \cdot I \cdot t \implies t = \dfrac{m}{k \cdot I}$

Підставимо числові дані:
$t = \dfrac{25,000}{1{,}12 \cdot 0{,}5} = \dfrac{25,000}{0{,}56} \approx 44,643\text{ с} \approx 12{,}4\text{ год}$

Відповідь: $t \approx 44,643\text{ с}$ (близько 12 годин 24 хвилин).

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

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:
Маса міді, що виділилася на катоді:
$m = m_2 - m_1 = 75{,}47 - 75{,}20 = 0{,}27\text{ г} = 270\text{ мг}$

З формули $m = k \cdot I \cdot t$ виразимо електрохімічний еквівалент:
$k = \dfrac{m}{I \cdot t}$

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

Відповідь: $k = 0{,}3\text{ мг/Кл}$.

7. Три електролітичні ванни заповнені розчинами різних солей. Через розчини пропускають електричний струм. 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 прямо пропорційна її електрохімічному еквіваленту $k$.

Порівняємо табличні значення електрохімічних еквівалентів металів:

• Срібло: $k_{Ag} \approx 1{,}12\text{ мг/Кл}$
• Мідь: $k_{Cu} \approx 0{,}33\text{ мг/Кл}$
• Алюміній: $k_{Al} \approx 0{,}09\text{ мг/Кл}$

Найбільше значення $k$ має срібло, отже, найбільша маса речовини виділиться у ванні з розчином аргентум нітрату ($AgNO_3$).

Відповідь: найбільша маса виділиться на катоді у ванні з $AgNO_3$, цей метал — срібло.

8. Спільне та відмінне в проходженні електричного струму в металах і в електролітах.

Спільні риси:

1. Протікання струму відбувається під дією електричного поля.
2. Струм є впорядкованим рухом заряджених частинок.
3. Проходження струму супроводжується тепловою дією.

9. Історична довідка про Майкла Фарадея.

Майкл Фарадей народився в 1791 році у передмісті Лондона в родині коваля. Не маючи змоги здобути університетську освіту, з 13 років він працював у палітурній майстерні, де наполегливо займався самоосвітою. У 1813 році став асистентом видатного хіміка Гемфрі Деві в Королівському інституті.

У 1831 році Фарадей відкрив фундаментальне явище електромагнітної індукції, що стало основою для створення електрогенераторів і трансформаторів. Досліджуючи дію струму на розчини солей і кислот, у 1833–1834 роках він сформулював кількісні закони електролізу та ввів у науковий обіг терміни: електроліт, електрод, катод, анод, йон.