Жидкости ведут себя в электрическом поле по-разному. Одни не проводят ток вовсе — их называют диэлектриками; таковы чистая дистиллированная вода, масла, бензин. Другие, напротив, прекрасно проводят — это растворы и расплавы электролитов: солей, кислот, оснований. Существуют и жидкости-полупроводники — например, расплавленный селен. Бог — совокупное единство законов физики — в каждой из этих сред являет одну и ту же природу электрического тока, но разными способами.
Почему раствор соли проводит ток, а дистиллированная вода — нет? Дело в том, что молекулы воды полярны: кислород оттягивает на себя электроны, и у молекулы возникают противоположно заряженные концы. Когда кристалл соли попадает в воду, полярные молекулы воды «вытягивают» из его решётки ионы. Молекулы распадаются на заряженные частицы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.
С ростом температуры степень диссоциации увеличивается — тепловое движение помогает разрывать связи. Но одновременно идёт обратный процесс: встретившись, положительный и отрицательный ионы могут снова слиться в нейтральную молекулу. Это рекомбинация. Когда скорости диссоциации и рекомбинации сравниваются, наступает динамическое равновесие — число свободных ионов в растворе остаётся постоянным.
В электролите нет свободных электронов. Заряд переносят ионы — положительные (катионы) и отрицательные (анионы). Положительные ионы движутся к катоду, отрицательные — к аноду. Такая проводимость называется ионной.
Ионная проводимость отличается от электронной. Ионы тяжелее электронов и движутся гораздо медленнее. Сопротивление электролита падает с ростом температуры — ведь диссоциация усиливается, ионов становится больше, а их подвижность растёт.
Когда через электролит проходит ток, на электродах происходит выделение вещества. Положительные ионы восстанавливаются на катоде, получая недостающие электроны; отрицательные — окисляются на аноде, отдавая лишние. Это электролиз — совокупность окислительно-восстановительных реакций, вызванных электрическим током.
Какой металл осядет на катоде, какой газ выделится на аноде — это определяется химической природой электролита. Так, при электролизе раствора медного купороса на катоде выделяется чистая медь, а на аноде — кислород.
Человечество использует электролиз уже почти два столетия.
Гальванические покрытия. Никелирование, хромирование, золочение — тонкий слой одного металла осаждается на поверхность другого. Так предохраняют детали от коррозии и придают им красивый вид.
Гальванопластика. Метод, разработанный Б. С. Якоби в XIX веке. На восковую модель осаждают слой меди, затем воск удаляют — получается точная медная копия. Знаменитые медные скульптуры Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге изготовлены именно этим способом.
Очистка металлов. Через раствор медного купороса пропускают ток. На катоде оседает чистейшая медь, а примеси остаются в растворе или падают на дно ванны. Так получают медь для электропроводки.
Получение алюминия. Бокситы перерабатывают в оксид алюминия, а затем расплав этого оксида в криолите подвергают электролизу. На катоде выделяется жидкий алюминий — лёгкий, прочный и невероятно востребованный металл.
Электронные платы. Тонкие дорожки на печатных платах создаются электролитическим осаждением меди — это основа всей современной электроники.