Реферат: Электропроводность электролитов

Благодаря описанному движению протонов увеличивается электропроводность раствора, потому что протоны имеют очень малый радиус и проходят не весь путь до катода, а лишь расстоя­ния между молекулами воды. Этот тип проводимости можно назвать -эстафетным, или цепным .

Аналогично можно объяснить большую подвижность гидроксильных ионов, только в этом случае переход протонов происхо­дит не от ионов гидроксония к молекулам воды, а от молекул воды к ионам гидроксила, что приводит к кажущемуся перемеще­нию ионов гидроксила по направлению к аноду.

Ионы гидроксила действительно появляются в анодном про­странстве, но это объясняется в основном не движением их, а пере­скоком протонов по направлению к катоду.

Если количества ионов Н₃ О⁺ и ОН^- одинаковы, то число пере­скоков протонов по схеме Н₃ О⁺ + Н₂ О —> Н₂ О + Н₃ О⁺ будет боль­ше, чем число перескоков по схеме Н₂ О + НО^- —> НО^- + Н₂ О, так как энергетическое состояние водорода в молекуле воды соответ­ствует более глубокому минимуму потенциальной энергии (потен­циальной яме), чем в ионе Н₃ О⁺ . Этим и объясняется меньшая по­движность иона гидроксила.

Конечно, ионы Н₃ О⁺ и ОН^- , как таковые, также движутся при создании разности потенциалов между электродами и переносят электричество, но вклад их в электропроводность, вероятно, при­близительно такой же, как и вклад других ионов. Большая элек­тропроводность кислот и оснований объясняется именно цепным механизмом электропроводности с участием протонов.

4. Числа переноса .

Переносчиками тока в растворах электролитов служат ионы, но так как абсолютные скорости движения анионов и катионов в данном растворе неоди­наковы, то большую долю тока всегда переносят более быстрые ионы. Вели­чину, при помощи которой можно выразить долю электричества, переносимого ионами данного вида, называют числом переноса; для катионов оно обозначает­ся через t ₊ , для анионов — через t_- . Количество электричества Q , перенесен­ное ионами i - гo вида через данное сечение раствора электролита, определяется по уравнению

Q=z_i Fc_i u_i sτ , (36)

где z_i - валентность; c_i -концентрация, моль/м³ ; u_i — абсолютная скорость ионoв i-го вида, м² ·с^-1 ·В^-1 ; s — площадь сечения, м² ; τ— время, с. Число переноса t_i определяется соотношением

, (37)

где Q — количество электричества, перенесенное всеми нонами. На основании формулы (37) можно сказать, что число переноса иона — это доля элект­ричества, перенесенная ионами данного вида. В частности, для раствора силь­ного электролита вместо уравнения (37) можем написать

; (38)

Подставляя выражение (36) в (38) и учитывая условие электронейтральности z₊ c₊ =z_- c_- , получаем

; (39)

При этом

t₊ + t_- = 1 (40)

Различие в скоростях движения анионов и катионов приводит к тому, что они переносят разные количества электричества, но это не влечет за собой нарушения электронейтральности раствора, а лишь изменяет концентрацию электролита у катода и анода. Связь между числами переноса, подвижностями ионов и изменением содержания электролита в катодном и анодном отделени­ях можно установить, составив материальный баланс процесса электролиза. На рис.3 приведена схема электролиза соляной кислоты. Электродами служат пластинки из инертного металла (платины). Пространство между электродами разделено двумя пористыми диафрагмами на три отделения:

катодное, среднее и анодное. Если пропустить через раствор 1 фарадей элект­ричества, то по закону Фарадея на электродах выделится по 1 г/моль водорода и хлора:

(на катоде) H⁺ + ē → ½ H₂ (г) (41)

(на аноде) Cl^- → ½ Cl₂ (г) + ē (42)

При этом через раствор пройдет t₊ г/моль катионов (ионов водорода) от анода к катоду и t_- г/моль анионов (ионов хлора) от катода к аноду. Катионы перенесут через данное поперечное сечение раствора электролита t₊ фарадеев электричества от анода к катоду, а анионы перенесут в обратном направлении t_- фарадее