Электролиз
англ. Electrolysis
Ток через раствор или расплав: ионы идут к электродам, и на них выделяется вещество — масса осадка считается по закону Фарадея.
Пресная вода почти не проводит ток, а стоит растворить в ней ложку соли — проводит прекрасно: в дело вступают ионы. Электролиз начинается с диссоциации: полярные молекулы воды растаскивают кристалл на положительные катионы и отрицательные анионы. Между электродами создаётся поле, и носители ползут в разные стороны: катионы — к катоду, анионы — к аноду, где каждый принимает или отдаёт недостающий электрон. Дальше на электродах идёт чистая химия: выделяются металл или газ, меняется состав раствора. Механизм похож на дрейф электронов в металле, только носители тяжёлые и медленные, а их концентрация задаётся раствором. Как поле действует на заряды, напомнит урок закон Кулона, а математика этого действия — в термине напряжённость электрического поля.
Количественную сторону описывают законы Фарадея: масса вещества на электроде пропорциональна заряду, прошедшему через электролит. Число Фарадея Кл/моль связывает микромир с лабораторией: чтобы осадить один моль двухвалентной меди, через ванну нужно протащить два фарадея заряда. Расчёт честен в обе стороны: по току и времени предсказываем массу покрытия, по массе — средний ток. Побочный эффект неизбежен: электролит греется по закону Джоуля—Ленца, и в мощных ваннах это уже вопрос охлаждения, а не мелочь. Электрическую часть ванны считают как обычную цепь — приёмы собраны в уроке цепи постоянного тока. Применения повсюду: гальванические покрытия, рафинирование меди, получение алюминия, хлора и водорода.
Частые вопросы
Чем электролиз отличается от проводимости металлов?
Носителями и последствиями. В металле ток переносят только электроны, и состав проводника не меняется. В электролите носители — ионы обоих знаков, и ток неотделим от химии: на электродах идут окисление и восстановление, вещество переносится и выделяется. Есть и температурная странность: у металлов сопротивление с нагревом растёт, а у электролитов падает — тепловое движение рождает новые ионы и ускоряет старые, перевешивая рост вязкости раствора.
Почему чистая вода почти не проводит ток?
Вода — очень слабый электролит: лишь ничтожная доля её молекул распадается на ионы, концентрация носителей мала, и сопротивление литра чистой воды огромно. Добавка щепотки соли обрушивает сопротивление на порядки: соль диссоциирует практически полностью и даёт много катионов и анионов, готовых ползти к электродам. Именно поэтому практический электролиз ведут в растворах и расплавах, а электролиз самой воды требует добавок или катализаторов.