Химическое действие электрического тока

Растворы солей и кислот в воде или в каком-либо другом растворителе проводят электрический ток и называются электролитами или проводниками второго рода в отличие от металлических проводников, называемых проводниками первого рода.

Электрический ток может проходить через среды, имеющие электрически
заряженные частицы, обладающие способностью перемещаться.

При растворении солей и кислот в воде или в каком-либо ином растворителе (этиловый спирт, бензин, бензол и др.) часть молекул распадается на две части, называемые ионами, причем одна часть имеет положительный заряд, другая — отрицательный заряд.
Если в сосуд с электролитом погружены две металлические пластины, называемые электродами, которые при помощи проволочных проводников присоединены к
источнику энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами через электролит будет протекать ток.

Прохождение тока через электролит сопровождается химическим процессом, называемым электролизом. Находящиеся в электролите ионы, притягиваясь к электродам, двигаются в противоположных направлениях: положительные ионы — к катоду, а отрицательные ионы — к аноду.

Подойдя к катоду, положительные ионы получают от него недостающие им электроны и образуют электрически нейтральные атомы. На аноде происходит обратный процесс: отрицательные ионы отдают аноду свои избыточные электроны.

При прохождении электрического тока через электролит на электродах выделяется определенное количество веществ, содержащихся в виде химического соединения в электролите.
Зависимость выделенного вещества от силы тока устанавливается
двумя законами Фарадея.

Первый закон Фарадея сформулирован так: количество вещества, выделившегося на электродах при прохождении тока через электролит, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему, через электролит.

При прохождении одного кулона электричества из электролита выделяется определенное количество массы вещества, которое называется электрохимическим эквивалентом данного вещества.
В практических расчетах для определения количества электричества удобнее пользоваться не кулонами, а ампер-часами (А-ч).
Так как один кулон равен ампер-секунде, то между ампер-часом и кулоном имеет место следующее соотношение: 1 А-ч=3600 А-с=3600 Кл.

Электрохимический эквивалент К выражается в граммах, отнесенных к одному ампер-часу количества электричества (г/А -ч), т. е. это количество массы вещества, выделившегося из электролита и выраженное в граммах, при прохождении через электролит одного ампер-часа количества электричества.

Второй закон Фарадея гласит: при одном и том же количестве электричества, протекающего через различные электролиты, количества массы веществ, выделившихся на электродах, пропорциональны их химическим эквивалентам.

Из сопоставления 1-го и 2-го законов Фарадея вытекает, что электрохимические эквиваленты К пропорциональны их химическим эквивалентам, т. е.

К1/а1=К2/а2=К3/а3 =....
Следовательно, отношение электрохимических эквивалентов к их химическим эквивалентам является величиной постоянной и равной
К/а = 3,72/100 = 0,0372;
Итак, второй закон Фарадея может быть выражен следующим образом.
К = а х 0,0372;

Электролиз получил широкое применение в различных отраслях промышленности: в гальванопластике, гальваностегии, для очистки (рафинирования) металлов и др.

Гальванические элементы
Проводники первого рода (твердые) и второго рода (жидкие электролиты) совместно используются в гальванических элементах, служащих источниками постоянного тока.
В гальванических элементах во время их работы происходит движение ионов и оседание на электродах элемента, выделяющегося из электролита вещества.

Простейшим гальваническим элементом является медно-цинковый.

В стеклянный сосуд, наполненный раствором серной кислоты в воде, погружены медная и цинковая пластины, которые представляют собой положительный и отрицательный полюсы элемента.

При замыкании цепи элемента каким-либо проводником внутри этого элемента будет проходить ток от цинковой отрицательной пластины к медной положительной, а во внешней цепи от медной к цинковой.

Под действием тока внутри элемента положительные ионы водорода движутся по направлению тока, отрицательные ионы кислотного остатка — в противоположном направлении.
Соприкасаясь с медной пластиной, положительные ионы водорода отдают ей свои заряды, а водород в виде пузырьков газа скопляется на ее поверхности.

В это же время отрицательные ионы остатка серной кислоты отдают свои заряды цинковой пластине. Таким образом происходит непрерывный заряд пластин элемента, поддерживающий разность потенциалов (напряжение) на его зажимах.

Выделение водорода на медной пластине элемента ослабляет его действие — поляризует элемент.
Явление поляризации состоит в том, что скопляющийся на положительном электроде водород создает в совокупности с металлом электрода дополнительную разность потенциалов, называемую электродвижущей силой поляризации. Эта эдс направлена противоположно электродвижущей силе элемента.

Кроме того, пузырьки водорода, покрывающие часть медной пластины, уменьшают ее действующую поверхность, а это увеличивает внутреннее сопротивление элемента.

Поляризация в рассмотренном элементе настолько значительна, что делает его непригодным для практических целей.
Для устранения явления поляризации в состав элемента вводят поглотитель (деполяризатор), который предназначен для поглощения водорода и недопускает скопления его на положительном полюсе элемента.
Деполяризаторами могут служить химические препараты, богатые кислородом или хлором.

Электродвижущая сила медно-цинкового элемента равна 1,1 В, а внутреннее сопротивление в зависимости от времени работы — 5—10 Ом.
В угольно-цинковом элементе положительным полюсом служит угольная пластина,
а отрицательным — цинковый стержень.
Деполяризатором в этом элементе является спрессованная под большим давлением смесь, называемая агломератом. Она состоит из перекиси марганца и графита.

В качестве электролита в угольно-цинковом элементе применяют водный раствор хлористого аммония.
Электродвижущая сила угольно-цинкового элемента 1,4—1,5 В в начале разряда при среднем значении 0,9—1,1 В, а внутреннее сопротивление в зависимости от конструкции элемента — 0,25—0,7 Ом в начале разряда и 1,4—5 Ом в конце.

Угольно-цинковые элементы выпускает отечественная промышленность в виде так называемых сухих элементов стаканчикового и галетного типов, весьма удобных для переноски и перевозки.
В сухих элементах стаканчикового типа положительный полюс с агломератом помещают внутри цинковой коробки, которая служит отрицательным полюсом элемента.
Пространство между стенками цинковой коробки и агломератом заполняют пастой, состоящей из раствора хлористого аммония и картофельной муки.
Над агломератом укладывают картонную прокладку, на которую насыплют прослойку опилок; сверху опилки закрывают прокладкой.

Затем элемент заливают смолой, в которую вставляют трубку. Назначение этой трубки — удалять образующиеся внутри элемента газы.
На выходящий из смолы угольный электрод насаживают медный колпачок с
винтом и гайкой для присоединения проводника.

К верхней части цинковой коробки (отрицательному полюсу) припаивают изолированный гибкий проводник. На дно коробки укладывают изолирующую прокладку.
В галетном элементе отрицательным электродом является цинковая пластина, положительным — спрессованный в виде галеты порошок двуокиси марганца с углем.

Между электродами помещают картонную пластинку, пропитанную раствором нашатырного спирта.
Наружная поверхность цинковой пластины покрыта слоем канифоли с частицами графита для электропроводности.

В качестве изоляции применяют хлорвиниловые пленки.
Галетные элементы компактны и их активные материалы (особенно цинк) используются лучше, чем в стаканчиковых элементах.

Аккумуляторы

Аккумулятором называется прибор, обладающий способностью накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию в результате химических процессов.

В аккумуляторе, как и в гальваническом элементе, электрический ток является следствием химических процессов.

Но в отличие от аккумулятора в гальваническом элементе получающиеся химические соединения не могут быть вторично разложены и приведены в первоначальное состояние током постороннего источника.

Поэтому гальванические элементы называются первичными, а аккумуляторы — вторичными или обратимыми.

Повторные заряд и разряд не только не вредят аккумулятору, но даже улучшают его свойства, так как в работе участвуют все более глубокие слои пластин электродов.

В зависимости от состава электролита аккумуляторы могут быть кислотными и щелочными.

Простейший кислотный аккумулятор
состоит из двух свинцовых пластин (электродов), погруженных в электролит, которым служит вода с небольшим добавлением серной кислоты.

Постоянный ток постороннего источника, проходя через электролит, разлагает его на составные части.
Внутри электролита возникает движение положительных ионов водорода Н2 к пластине, соединенной с отрицательным зажимом источника тока, и отрицательных ионов кислорода О к пластине, соединенной с положительным зажимом источника тока.

В результате электролиза окисляется свинец на положительном электроде и образуется губчатый свинец на отрицательном электроде.

Если аккумулятор отключить от источника тока и замкнуть на какой-нибудь приемник энергии, то аккумулятор сам станет источником тока подобно гальваническому элементу, у которого электродами служат пластины, отличающиеся друг от друга по химическому составу.
Электролитом в кислотных аккумуляторах, как указывалось выше, служит раствор кислоты определенной плотности.

— Плотностью раствора называется число, показывающее, во сколько раз масса этого раствора больше массы воды того же объема.
— При составлении раствора для аккумуляторов серную кислоту тонкой струей наливают в воду.
— Нельзя вливать в серную кислоту воду, так как произойдёт бурное разбрызгивание кислоты, которая может причинить ожоги.
— Вода для электролита должна быть дистиллированной.
— Эдс аккумулятора зависит от плотности электролита и не зависит от его размеров и номинальной емкости.
— В процессе заряда и разряда аккумулятора плотность злектролита не остается постоянной, в связи с этим изменяется как его эдс, так и напряжение на его зажимах.