Занимательная гальванотехника: Пособие для учащихся

Законы электролиза

Металлы, применяемые в гальванопластике, выделяются из водных растворов их солей: сульфата меди, железа и других. Молекулы этих солей, растворяясь, подвергаются электролитической диссоциации, т. е. распадаются на ионы, несущие положительные и отрицательные заряды.

Вещества, распадающиеся при растворении в воде на ионы, называют электролитами. В технике для простоты электролитом называют самые растворы этих веществ. Если в электролит погрузить два электрода и присоединить их к полюсам источника постоянного тока (рис. 1), например, к гальванической батарее или аккумулятору, причем к отрицательному полюсу подключить форму, проводящую электрический ток, а к положительному — пластину из того металла, из которого мы хотим получить металлическое изделие, то будет происходить электролиз.

Рис. 1. Гальваническая ванна.

При этом положительно заряженные ионы будут двигаться к отрицательному полюсу (в нашем случае к форме), называемому катодом, а отрицательно заряженные ионы будут двигаться к положительному полюсу, называемому анодом.

В гальванопластике для получения медного электролита наиболее распространен медный купорос или кристаллогидрат сульфата меди CuSО₄·5Н₂О. При прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди ионы меди (Сu²⁺), являющиеся катионами, несут положительные заряды, а кислотный остаток (SО₄^2-), являющийся анионом, несет отрицательные заряды. В результате разряда на катоде, т. е. в форме, выделяются металлическая медь и водород, а на аноде — кислород. На катоде всегда разряжается металл, а на аноде — кислотный остаток. Поэтому при составлении электролита применяют соли, содержащие ионы осаждаемого металла, а в качестве анода обычно применяют пластины из того металла, который хотят выделить на катоде.

М. Фарадей установил, что количества химических веществ, выделившихся на электродах, прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит.

Если, например, через электролит пропустить ток силой 1 А в течение 1 ч, то на катоде выделится такое же количество металла, какое выделится при прохождении тока силой 10 А в течение 0,1 ч.

М. Фарадей установил также, что количества веществ, выделенные на электродах равными количествами электричества, относятся друг к другу как химические эквиваленты этих веществ. Эквивалентная масса равна атомной массе, деленной на валентность. Так, например, атомная масса серебра равна 107,88, а так как серебро одновалентно, то эквивалентная масса его выражается тем же числом. Атомная масса меди равна 63,57, медь двухвалентна, поэтому эквивалентная масса ее 63,57:2 = 31,78.

Для выделения грамм-эквивалента любого металла должно пройти количество электричества, равное 26,8 А·ч (ампер·часам). Таким образом, от протекания 1 А·ч согласно закону Фарадея выделяется:

1 : 26,8 = 0,0373 (г·экв)

Расчет количества различных металлов, выделяемых 1 А·ч, приведен в таблице 1.

При пользовании этой таблицей для определения количества металла, выделяющегося при определенной силе тока за какой-либо отрезок времени, надо умножить величину, взятую из последней колонки, на силу тока в амперах и на время электролиза в часах.

Так, например, для определения количества меди, выделяющейся на катоде при силе тока 8 А за 3 ч электролиза, необходимо перемножить числа:

1,186·8·3 = 28,464 г.

Таким образом, при непрерывной длительности электролиза масса отложившегося металла зависит от силы тока. Сила тока, отнесенная к единице поверхности электрода, называется плотностью тока; она измеряется в амперах на квадратный дециметр (А/дм²).

Ввиду того, что плотность электролитической меди составляет 8,9 г/см³, в приведенном примере будет выделено 28,464: 8,9 = 3,18 г/см³. Если мы разделим это число на площадь поверхности изделия (например, в данном случае она равна 1 дм², т. е. 100 см²), получим толщину отложенного слоя меди, в нашем примере 0,31 мм.