Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
6. Возникновение диссоциации молекул в растворе можно пояснить на примере молекулы NaCl. Это полярная молекула, построенная из положительно заряженных ионов натрия Na+ и отрицательно заряженных ионов хлора СГ. Молекулы воды
416
ЭЛЕКТРОЛИТЫ
[ГЛ. VI
также полярные и обладают большими дипольними моментами. Когда молекула NaCl оказывается между двумя молекулами воды, то эти три полярные молекулы стремятся ориентироваться преимущественно так, чтобы быть обращенными друг к другу разноименно заряженными концами, как показано на схематическом рис. 230. Но в таком случае молекулы воды ослабят связь между ионами Na+ и СГ, и энергии теплового движения может оказаться достаточно, чтобы молекула NaCl распалась на ионы. Когда ионы Na+ и СГ разойдутся достаточно далеко, то воду, разделяющую их, можно рассматривать как сплошную среду, ослабляющую силу притяжения между указанными ионами в є раз. Это ослабление уменьшает вероятность рекомбинации рассматриваемых ионоз.
Отсюда ясно, что наибольшей диссоциирующей способностью должны обладать растворители с наибольшей диэлектрической проницаемостью е. Такова прежде всего вода, для которой є = 81.
7. Коэффициентом или степенью диссоциации а называется отношение числа диссоциировавших молекул к общему числу молекул растворенного вещества. Величина а зависит от концентрации растворенного вещества. Эта зависимость в общих чертах может быть получена из следующих простых соображений. Пусть а — число молекул растворенного вещества в единице объема раствора. Из этого числа па молекул диссоциированы, а остальные п (1 •— а) молекул не диссоциированы. Диссоциированные молекулы могут рекомбинировать. Среднее число процессов рекомбинации в единице объема в единицу времени пропорционально (па) 2 и может быть представлено в виде А (па) 2. Среднее число обратных процессов, т. е. новых актов диссоциации, будет пропорционально числу имеющихся недиссоциированных молекул и представляется выражением Вп (1 — а). В установившемся состоянии число прямых процессов в среднем должно равняться числу обратных процессов, т. е. А (па) 2 = Вп (1 — а). Отсюда
1 — а
В
Ап
п
(92.1)
Коэффициенты А и В, а следовательно, и их отношение К = В/А зависят от температуры и давления раствора. Если концентрация молекул растворенного вещества, а с ней и концентрации ионов в растворе малы, то ионы можно рассматривать как независимые невзаимодействующие частицы, подобно молекулам идеального газа. В этих условиях коэффициент К не зависит от концентрации п,
ПРИМЕРЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА
417
а отношение ¦ обратно пропорционально концентрации. Эго положение называется законом разведения Оствальда (1853—1932). Когда я-»- 0, то -^оо, а следовательно, а -> 1. Таким образом, в бесконечно разбавленных растворах все молекулы растворенного вещества диссоциированы.
Закон разведения Оствальда хорошо выполняется для слабых электролитов, т. е. таких электролитов, у которых степень диссоциации мала (а 1). Для сильных электролитов, т. е. электролитов, у которых величина а порядка единицы (а ~ 1), закон Оствальда не согласуется с опытными данными. Исключение, конечно, составляет случай сильно разбавленных растворов, для которых этот закон приводит к правильному результату а = 1. Современная теория растворов принимает, что молекулы сильного электролита диссоциированы полностью, а все особенности поведения раствора пытается объяснить взаимодействием ионов между собой и с молекулами растворителя.
§ 93. Примеры электролиза
1. Молекулы серной кислоты H2S04 при растворении в воде диссоциируют согласно уравнению
H2S045±2H+ + S04--.
Если в раствор опущены платиновые электроды, соединенные с полюсами гальванической батареи, то положительные ноны водорода Н+ устремятся к катоду, а отрицательные ионы S04 ~— к аноду. Ионы Н+, нейтрализуясь электронами катод?, превращаются в нейтральные атомы, а затем в молекулы Н2. Ионы S04", отдавая отрицательные заряды аноду, превращаются в радикалы S04, вступающие в реакшда с водой согласно уравнению
2SO* + 2Н20 = 2HaS04 + 02.
Таким образом, количество серной кислоты в растворе не меняется. Однако на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Окончательный итог электролиза сводится к разложению воды на кислород и водород.
2. Опустим в водный раствор медного купороса CuS04 медный анод и катод из какого-либо проводящего материала, не реагирующего с медным купоросом, например угля. Ионы Си++ пойдут к катоду, там будет выделяться чистая медь. Ионы S04“ после нейтрализации на аноде вступают с ним в химическое соединение согласно уравнению Qu + S04 = CuS04. Таким образом, количество медного купороса в растворе меняться не будет. В резуль-
418
ЭЛЕКТРОЛИТЫ
[ГЛ. VI
тате электролиза происходит как бы перенос меди с анода на катод. Описанный процесс применяется для рафинирования (очистки) меди.
3. Рассмотрим, наконец, электролиз еодного раствора поваренной соли NaCl. Этот пример интересен тем, что в зависимости от материала электрода можно получить и первичные и вторичные продукты электролиза. Если катод ртутный, то выделяющийся на нем металлический натрий будет растворяться в ртути, образуя амальгаму, из которой натрий может быть легко выделен. Таким путем получается первичный продукт электролиза. Если же катод сделан из платины, то выделяющийся на нем металлический натрий будет входить в соединения с водой, образуя едкий натр в соответствии с уравнением 2Na + 2Н20 = 2Na (ОН) + Н2, а на катоде будет выделяться вторичный продукт электролиза — водород.
