التيار الكهربائي في السوائل. حركة الشحنات والأنيونات والكاتيونات. التيار الكهربائي في السوائل: أصله وخصائصه الكمية والنوعية ما الذي يحدث التيار في السوائل

ويتكون من الحركة الموجهة للإلكترونات الحرة وفي هذه الحالة لا يحدث أي تغيير في المادة التي يتكون منها الموصل.

تسمى الموصلات التي لا يصاحب مرور التيار الكهربائي فيها تغيرات كيميائية في مادتها الموصلات من النوع الأول. وتشمل هذه جميع المعادن والفحم وعدد من المواد الأخرى.

ولكن هناك أيضًا موصلات للتيار الكهربائي في الطبيعة تحدث فيها ظواهر كيميائية أثناء مرور التيار. تسمى هذه الموصلات الموصلات من النوع الثاني. وتشمل هذه بشكل رئيسي محاليل مختلفة من الأحماض والأملاح والقلويات في الماء.

إذا قمت بصب الماء في وعاء زجاجي وأضفت بضع قطرات من حمض الكبريتيك (أو بعض الأحماض أو القلويات الأخرى)، ثم أخذت لوحين معدنيين وقمت بتوصيل الموصلات بهما، وقم بخفض هذه الألواح في الوعاء، وقم بتوصيل مصدر تيار إلى الأطراف الأخرى للموصلات من خلال المفتاح والأميتر، ثم ينطلق غاز من المحلول، ويستمر الغاز بشكل مستمر ما دامت الدائرة مغلقة لأن الماء المحمض هو في الواقع موصل. بالإضافة إلى ذلك، ستبدأ اللوحات بالتغطية بفقاعات الغاز. سوف تنكسر هذه الفقاعات بعد ذلك من الألواح وتخرج.

عندما يمر تيار كهربائي في المحلول، تحدث تغيرات كيميائية، مما يؤدي إلى إطلاق الغاز.

تسمى الموصلات من النوع الثاني بالكهرباء، والظاهرة التي تحدث في المنحل بالكهرباء عندما يمر تيار كهربائي من خلاله هي.

تسمى الصفائح المعدنية المغموسة في محلول كهربائي بأقطاب كهربائية؛ أحدهما متصل بالقطب الموجب للمصدر الحالي يسمى الأنود والآخر متصل بالقطب السالب يسمى الكاثود.

ما الذي يحدد مرور التيار الكهربائي في موصل سائل؟ اتضح أنه في مثل هذه المحاليل (الإلكتروليتات) تنقسم جزيئات الحمض (القلويات والملح) تحت تأثير المذيب (في هذه الحالة الماء) إلى مكونين، و يحتوي أحد جسيمات الجزيء على شحنة كهربائية موجبة، والآخر له شحنة سلبية.

تسمى جزيئات الجزيء التي لها شحنة كهربائية بالأيونات. عند إذابة حمض أو ملح أو قلوي في الماء، يظهر عدد كبير من الأيونات الموجبة والسالبة في المحلول.

الآن يجب أن يصبح من الواضح سبب مرور تيار كهربائي عبر المحلول، لأنه تم إنشاء جهد بين الأقطاب الكهربائية المتصلة بالمصدر الحالي، وبعبارة أخرى، تبين أن أحدهما مشحون بشكل إيجابي والآخر سالب. وتحت تأثير فرق الجهد هذا، بدأت الأيونات الموجبة تختلط باتجاه القطب السالب – الكاثود، والأيونات السالبة – باتجاه القطب الموجب.

وهكذا، أصبحت الحركة الفوضوية للأيونات عبارة عن حركة مضادة منظمة للأيونات السالبة في اتجاه واحد والأيونات الموجبة في الاتجاه الآخر. تشكل عملية نقل الشحنة هذه تدفق التيار الكهربائي عبر المنحل بالكهرباء وتحدث طالما كان هناك فرق محتمل عبر الأقطاب الكهربائية. مع اختفاء فرق الجهد، يتوقف التيار عبر المنحل بالكهرباء، وتتعطل حركة الأيونات المنظمة، وتبدأ الحركة الفوضوية مرة أخرى.

على سبيل المثال، دعونا نفكر في ظاهرة التحليل الكهربائي عند تمرير تيار كهربائي من خلال محلول كبريتات النحاس CuSO4 مع أقطاب النحاس المنخفضة فيه.

ظاهرة التحليل الكهربائي عندما يمر التيار عبر محلول كبريتات النحاس: C - وعاء به إلكتروليت، B - مصدر التيار، C - التبديل

هنا سيكون هناك أيضًا حركة مضادة للأيونات إلى الأقطاب الكهربائية. الأيون الموجب سيكون أيون النحاس (Cu)، والأيون السالب سيكون أيون بقايا الحمض (SO4). سيتم تفريغ أيونات النحاس الملامسة للكاثود (ربط الإلكترونات المفقودة)، أي أنها ستتحول إلى جزيئات محايدة من النحاس النقي، وسوف تترسب على الكاثود على شكل طبقة رقيقة (جزيئية).

يتم أيضًا تفريغ الأيونات السالبة التي تصل إلى الأنود (تتخلى عن الإلكترونات الزائدة). ولكن في الوقت نفسه، يدخلون في تفاعل كيميائي مع نحاس الأنود، ونتيجة لذلك يضاف جزيء النحاس Cu إلى البقايا الحمضية SO4 ويتشكل جزيء كبريتات النحاس CuS O4، والذي يتم إرجاعه مرة أخرى إلى المنحل بالكهرباء.

نظرًا لأن هذه العملية الكيميائية تستغرق وقتًا طويلاً، يتم ترسيب النحاس على الكاثود، المنطلق من المنحل بالكهرباء. في هذه الحالة، يتلقى المنحل بالكهرباء بدلا من جزيئات النحاس التي ذهبت إلى الكاثود، جزيئات نحاس جديدة بسبب ذوبان القطب الكهربائي الثاني - الأنود.

وتحدث نفس العملية إذا تم أخذ أقطاب الزنك بدلاً من أقطاب النحاس، وكان الإلكتروليت عبارة عن محلول من كبريتات الزنك Zn SO4. سيتم أيضًا نقل الزنك من القطب الموجب إلى الكاثود.

هكذا، الفرق بين التيار الكهربائي في المعادن والموصلات السائلةيكمن في حقيقة أن حاملات الشحنة في المعادن هي إلكترونات حرة فقط، أي شحنات سالبة، بينما في الإلكتروليتات يتم حملها بواسطة جزيئات المادة المشحونة بشكل معاكس - أيونات تتحرك في اتجاهين متعاكسين. ولذلك يقولون ذلك تظهر الإلكتروليتات الموصلية الأيونية.

ظاهرة التحليل الكهربائيتم اكتشافه في عام 1837 من قبل بي إس جاكوبي، الذي أجرى العديد من التجارب على البحث وتحسين مصادر التيار الكيميائي. وجد جاكوبي أن أحد الأقطاب الكهربائية الموضوعة في محلول كبريتات النحاس أصبح مطليًا بالنحاس عندما يمر تيار كهربائي عبره.

وتسمى هذه الظاهرة الكهربائي، يجد الآن تطبيقًا عمليًا واسعًا للغاية. ومن الأمثلة على ذلك طلاء الأجسام المعدنية بطبقة رقيقة من معادن أخرى، مثل طلاء النيكل، أو طلاء الذهب، أو طلاء الفضة، وما إلى ذلك.

لا تقوم الغازات (بما في ذلك الهواء) بتوصيل التيار الكهربائي في الظروف العادية. على سبيل المثال، العراة، المعلقون بالتوازي مع بعضهم البعض، يجدون أنفسهم معزولين عن بعضهم البعض بطبقة من الهواء.

ومع ذلك، تحت تأثير ارتفاع درجة الحرارة والاختلافات المحتملة الكبيرة وأسباب أخرى، تتأين الغازات، مثل الموصلات السائلة، أي تظهر فيها جزيئات جزيئات الغاز بكميات كبيرة، والتي، كونها حاملة للكهرباء، تسهل مرور الكهرباء التيار من خلال الغاز.

ولكن في الوقت نفسه، يختلف تأين الغاز عن تأين الموصل السائل. إذا تفكك الجزيء في السائل إلى جزأين مشحونين، ففي الغازات، تحت تأثير التأين، يتم دائمًا فصل الإلكترونات عن كل جزيء ويبقى الأيون في شكل جزء موجب الشحنة من الجزيء.

بمجرد توقف تأين الغاز، فإنه سيتوقف عن كونه موصلًا، بينما يبقى السائل دائمًا موصلًا للتيار الكهربائي. وبالتالي فإن موصلية الغاز هي ظاهرة مؤقتة، تعتمد على تأثير الأسباب الخارجية.

ومع ذلك، هناك واحد آخر يسمى تفريغ القوسأو مجرد قوس كهربائي. تم اكتشاف ظاهرة القوس الكهربائي في بداية القرن التاسع عشر على يد أول مهندس كهربائي روسي V. V. بيتروف.

اكتشف V. V. Petrov من خلال تجارب عديدة أنه بين فحمتين متصلتين بمصدر حالي، يحدث تفريغ كهربائي مستمر عبر الهواء، مصحوبًا بضوء ساطع. في كتاباته، كتب V. V. بيتروف أنه في هذه الحالة "يمكن إضاءة السلام المظلم بشكل مشرق للغاية". هذه هي الطريقة التي تم بها الحصول على الضوء الكهربائي لأول مرة، والذي تم تطبيقه عمليا من قبل مهندس كهربائي روسي آخر بافيل نيكولاييفيتش يابلوشكوف.

أحدثت شمعة يابلوشكوف، التي يعتمد عملها على استخدام القوس الكهربائي، ثورة حقيقية في الهندسة الكهربائية في تلك الأيام.

لا يزال تفريغ القوس يستخدم كمصدر للضوء اليوم، على سبيل المثال في الأضواء وأجهزة العرض. درجة الحرارة العالية لتصريف القوس تسمح باستخدامه. حاليًا، تُستخدم أفران القوس، التي تعمل بتيار عالٍ جدًا، في عدد من الصناعات: لصهر الفولاذ والحديد الزهر والسبائك الحديدية والبرونز وما إلى ذلك. وفي عام 1882، استخدم N. N. Benardos لأول مرة تفريغ القوس لقطع ولحام المعادن.

في أنابيب الغاز الخفيفة، مصابيح الفلورسنت، مثبتات الجهد، ما يسمى توهج تفريغ الغاز.

يتم استخدام تفريغ الشرارة لقياس فروق الجهد الكبيرة باستخدام فجوة كروية، تكون أقطابها عبارة عن كرتين معدنيتين بسطح مصقول. يتم إبعاد الكرات عن بعضها البعض ويتم تطبيق فرق الجهد المُقاس عليها. ثم يتم تقريب الكرات من بعضها البعض حتى تقفز الشرارة بينهما. معرفة قطر الكرات والمسافة بينها والضغط ودرجة الحرارة ورطوبة الهواء، وإيجاد فرق الجهد بين الكرات باستخدام جداول خاصة. يمكن لهذه الطريقة قياس فروق الجهد التي تصل إلى عشرات الآلاف من الفولتات بدقة تصل إلى نسبة قليلة.

الجميع على دراية بتعريف التيار الكهربائي. يتم تمثيلها على أنها الحركة الموجهة للجزيئات المشحونة. مثل هذه الحركة في بيئات مختلفة لها اختلافات جوهرية. وكمثال أساسي لهذه الظاهرة، يمكن للمرء أن يتخيل تدفق وانتشار التيار الكهربائي في السوائل. تتميز هذه الظواهر بخصائص مختلفة وتختلف بشكل خطير عن الحركة المنتظمة للجسيمات المشحونة التي تحدث في الظروف العادية وليس تحت تأثير السوائل المختلفة.

الشكل 1. التيار الكهربائي في السوائل. Author24 - تبادل أعمال الطلاب عبر الإنترنت

تكوين التيار الكهربائي في السوائل

على الرغم من أن عملية توصيل التيار الكهربائي تتم من خلال أجهزة معدنية (موصلات)، إلا أن التيار في السوائل يعتمد على حركة الأيونات المشحونة التي اكتسبت أو فقدت ذرات وجزيئات مماثلة لسبب محدد. مؤشر هذه الحركة هو التغير في خصائص مادة معينة حيث تمر الأيونات. ومن هنا لا بد من الاعتماد على التعريف الأساسي للتيار الكهربائي من أجل تكوين مفهوم محدد لتكوين التيار في السوائل المختلفة. لقد تبين أن تحلل الأيونات السالبة الشحنة يعزز الحركة إلى منطقة المصدر الحالي بقيم موجبة. سوف تتحرك الأيونات الموجبة الشحنة في مثل هذه العمليات في الاتجاه المعاكس - نحو مصدر التيار السلبي.

تنقسم الموصلات السائلة إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

• أشباه الموصلات.
• العوازل.
• الموصلات.

التعريف 1

التفكك الكهربائي هو عملية تحلل جزيئات محلول معين إلى أيونات مشحونة سالبة وإيجابية.

يمكن إثبات أن التيار الكهربائي في السوائل يمكن أن يحدث بعد حدوث تغيير في التركيبة والخواص الكيميائية للسوائل المستخدمة. وهذا يتناقض تمامًا مع نظرية انتشار التيار الكهربائي بوسائل أخرى عند استخدام موصل معدني تقليدي.

تجارب فاراداي والتحليل الكهربائي

إن تدفق التيار الكهربائي في السوائل هو نتاج عملية حركة الأيونات المشحونة. أصبحت المشاكل المرتبطة بحدوث وانتشار التيار الكهربائي في السوائل هي السبب وراء دراسة العالم الشهير مايكل فاراداي. وبمساعدة العديد من الدراسات العملية، تمكن من العثور على دليل على أن كتلة المادة المنبعثة أثناء عملية التحليل الكهربائي تعتمد على مقدار الوقت والكهرباء. في هذه الحالة، فإن الوقت الذي تم فيه تنفيذ التجارب مهم.

تمكن العالم أيضًا من معرفة أنه في عملية التحليل الكهربائي، عند إطلاق كمية معينة من المادة، يلزم نفس الكمية من الشحنات الكهربائية. وقد تم تحديد هذه الكمية بدقة وتثبيتها بقيمة ثابتة، والتي كانت تسمى رقم فاراداي.

في السوائل، التيار الكهربائي له ظروف انتشار مختلفة. يتفاعل مع جزيئات الماء. إنها تعيق بشكل كبير حركة الأيونات، وهو ما لم تتم ملاحظته في التجارب باستخدام موصل معدني تقليدي. ويترتب على ذلك أن توليد التيار أثناء التفاعلات الإلكتروليتية لن يكون كبيرًا جدًا. ومع ذلك، مع زيادة درجة حرارة المحلول، تزداد الموصلية تدريجيا. وهذا يعني أن جهد التيار الكهربائي يتزايد. كما لوحظ أثناء عملية التحليل الكهربائي أن احتمالية تحلل جزيء معين إلى شحنات أيونية سالبة أو موجبة تزداد بسبب كثرة جزيئات المادة أو المذيب المستخدم. عندما يكون المحلول مشبعًا بالأيونات أعلى من مستوى معين، تحدث العملية العكسية. تبدأ موصلية المحلول في الانخفاض مرة أخرى.

حاليا، وجدت عملية التحليل الكهربائي تطبيقها في العديد من مجالات ومجالات العلوم والإنتاج. تستخدمه المؤسسات الصناعية في إنتاج أو معالجة المعادن. التفاعلات الكهروكيميائية تشارك في:

• التحليل الكهربائي للأملاح.
• الكهربائي؛
• تلميع السطح
• عمليات الأكسدة والاختزال الأخرى.

التيار الكهربائي في الفراغ والسوائل

يعد انتشار التيار الكهربائي في السوائل والوسائط الأخرى عملية معقدة إلى حد ما لها خصائصها وميزاتها وخصائصها. والحقيقة هي أنه في مثل هذه الوسائط لا توجد أي شحنات على الإطلاق في الأجسام، ولهذا السبب يطلق عليها عادة العوازل الكهربائية. كان الهدف الرئيسي للبحث هو تهيئة الظروف التي يمكن بموجبها للذرات والجزيئات أن تبدأ في التحرك وتبدأ عملية توليد التيار الكهربائي. للقيام بذلك، من المعتاد استخدام آليات أو أجهزة خاصة. العنصر الرئيسي لهذه الأجهزة المعيارية هو الموصلات على شكل ألواح معدنية.

لتحديد المعلمات الحالية الرئيسية، من الضروري استخدام النظريات والصيغ المعروفة. الأكثر شيوعا هو قانون أوم. إنه بمثابة خاصية عالمية للأمبير، حيث يتم تنفيذ مبدأ اعتماد التيار على الجهد. تذكر أن الجهد يقاس بوحدات الأمبير.

لإجراء تجارب مع الماء والملح، من الضروري تحضير وعاء به ماء مالح. سيعطي هذا فهمًا عمليًا ومرئيًا للعمليات التي تحدث أثناء تكوين التيار الكهربائي في السوائل. يجب أن يحتوي التثبيت أيضًا على أقطاب كهربائية مستطيلة وإمدادات طاقة. للتحضير الشامل للتجارب، يجب أن يكون لديك تركيب أمبير. وسوف يساعد على توصيل الطاقة من مصدر الطاقة إلى الأقطاب الكهربائية.

سوف تعمل الصفائح المعدنية كموصلات. يتم غمسها في السائل المستخدم ومن ثم يتم تطبيق الجهد. تبدأ حركة الجزيئات على الفور. يحدث ذلك بطريقة فوضوية. عندما ينشأ مجال مغناطيسي بين الموصلات، يتم ترتيب جميع عمليات حركة الجسيمات.

تبدأ الأيونات في تغيير الشحنات والجمع. وبالتالي، تصبح الكاثودات أنودات، والأنودات تصبح كاثودات. هناك أيضًا العديد من العوامل المهمة الأخرى التي يجب مراعاتها في هذه العملية:

• مستوى التفكك.
• درجة حرارة؛
• المقاومة الكهربائية
• استخدام التيار المتردد أو المباشر.

في نهاية التجربة، تتشكل طبقة من الملح على الأطباق.

يعرف كل شخص تقريبًا تعريف التيار الكهربائي، ومع ذلك، بيت القصيد هو أن أصله وحركته في بيئات مختلفة يختلفان تمامًا عن بعضهما البعض. وعلى وجه الخصوص، فإن التيار الكهربائي في السوائل له خصائص مختلفة قليلاً عما نتحدث عنه من نفس الموصلات المعدنية.

والفرق الرئيسي هو أن التيار في السوائل هو حركة الأيونات المشحونة، أي الذرات أو حتى الجزيئات التي فقدت أو اكتسبت إلكترونات لسبب ما. علاوة على ذلك فإن من مؤشرات هذه الحركة التغير في خصائص المادة التي تمر من خلالها هذه الأيونات. استنادا إلى تعريف التيار الكهربائي، يمكننا أن نفترض أنه أثناء التحلل، ستتحرك الأيونات السالبة نحو الموجب والموجب، على العكس من ذلك، نحو السالب.

تسمى عملية تحلل جزيئات المحلول إلى أيونات موجبة وسالبة الشحنة بالتفكك الكهربائي في العلوم. وبالتالي، فإن التيار الكهربائي في السوائل ينشأ بسبب أنه، على عكس نفس المعدن الموصل، يتغير التركيب والخواص الكيميائية لهذه السوائل، مما يؤدي إلى عملية حركة الأيونات المشحونة.

كان التيار الكهربائي في السوائل وأصله وخصائصه الكمية والنوعية إحدى المشكلات الرئيسية التي درسها الفيزيائي الشهير إم فاراداي لفترة طويلة. على وجه الخصوص، بمساعدة العديد من التجارب، تمكن من إثبات أن كتلة المادة المنبعثة أثناء التحليل الكهربائي تعتمد بشكل مباشر على كمية الكهرباء والوقت الذي تم فيه إجراء هذا التحليل الكهربائي. ولا تعتمد هذه الكتلة على أي أسباب أخرى، باستثناء نوع المادة.

بالإضافة إلى ذلك، من خلال دراسة التيار في السوائل، وجد فاراداي تجريبيًا أنه لإطلاق كيلوغرام واحد من أي مادة أثناء التحليل الكهربائي، يلزم نفس الكمية، وهذه الكمية، التي تساوي 9.65.10 7 كيلو، كانت تسمى رقم فاراداي.

وعلى عكس الموصلات المعدنية، فإن التيار الكهربائي في السوائل محاط، مما يعيق بشكل كبير حركة أيونات المادة. في هذا الصدد، يمكن توليد تيار جهد صغير فقط في أي إلكتروليت. وفي الوقت نفسه، إذا زادت درجة حرارة المحلول، تزداد موصليته ويزداد المجال.

التحليل الكهربائي له خاصية أخرى مثيرة للاهتمام. والحقيقة هي أنه كلما زاد عدد جزيئات المادة نفسها والمذيب، زاد احتمال تفكك جزيء معين إلى أيونات موجبة وسالبة الشحنة. في الوقت نفسه، في لحظة معينة، يصبح المحلول مشبعًا بالأيونات، وبعد ذلك تبدأ موصلية المحلول في الانخفاض. وبالتالي، فإن الأقوى سيحدث في المحلول الذي يكون فيه تركيز الأيونات منخفضًا للغاية، ولكن شدة التيار الكهربائي في مثل هذه المحاليل ستكون منخفضة للغاية.

لقد وجدت عملية التحليل الكهربائي تطبيقًا واسعًا في العمليات الصناعية المختلفة المرتبطة بالتفاعلات الكهروكيميائية. وأهمها إنتاج المعادن باستخدام الإلكتروليتات، والتحليل الكهربائي للأملاح التي تحتوي على الكلور ومشتقاته، وتفاعلات الأكسدة والاختزال، وإنتاج مادة ضرورية مثل الهيدروجين، وتلميع الأسطح، والطلاء الكهربائي. على سبيل المثال، في العديد من شركات تصنيع الآلات والأدوات، تكون طريقة التكرير شائعة جدًا، وهي إنتاج المعدن دون أي شوائب غير ضرورية.

يحدث التيار الكهربائي في السوائل بسبب حركة الأيونات الموجبة والسالبة. على عكس التيار في الموصلات حيث تتحرك الإلكترونات. وبالتالي، إذا لم تكن هناك أيونات في السائل، فهو عازل، على سبيل المثال الماء المقطر. وبما أن حاملات الشحنة هي أيونات، أي جزيئات وذرات مادة ما، فعندما يمر تيار كهربائي عبر مثل هذا السائل، فإنه سيؤدي حتما إلى تغيير في الخواص الكيميائية للمادة.

من أين تأتي الأيونات الموجبة والسالبة في السائل؟ لنفترض على الفور أنه ليست كل السوائل قادرة على تكوين حاملات شحنة. تلك التي تظهر فيها تسمى الشوارد. وتشمل هذه محاليل الأملاح الحمضية والقلوية. عند إذابة الملح في الماء، على سبيل المثال، تناول ملح الطعام كلوريد الصوديوميتحلل تحت تأثير المذيب أي الماء إلى أيون موجب نايسمى الكاتيون والأيون السالب Clيسمى أنيون. تسمى عملية تكوين الأيونات بالتفكك الإلكتروليتي.

لنجري تجربة، سنحتاج من أجلها إلى دورق زجاجي وقطبين كهربائيين معدنيين وأميتر ومصدر تيار مباشر. سنملأ القارورة بمحلول ملح الطعام في الماء. ثم نضع قطبين كهربائيين مستطيلين في هذا المحلول. نقوم بتوصيل الأقطاب الكهربائية بمصدر تيار مباشر من خلال مقياس التيار الكهربائي.

الشكل 1 - دورق به محلول ملحي

عند تشغيل التيار، سيظهر مجال كهربائي بين الألواح، تحت تأثيره ستبدأ أيونات الملح في التحرك. سوف تندفع الأيونات الموجبة إلى الكاثود، والأيونات السالبة إلى الأنود. وفي الوقت نفسه، سوف يقومون بحركة فوضوية. ولكن في الوقت نفسه، تحت تأثير المجال، سيتم إضافة شيء أمر إليه.

على عكس الموصلات التي تتحرك فيها الإلكترونات فقط، أي نوع واحد من الشحنات، في الإلكتروليتات يتحرك نوعان من الشحنات. هذه هي الأيونات الإيجابية والسلبية. يتحركون نحو بعضهم البعض.

عندما يصل أيون الصوديوم الموجب إلى الكاثود، فإنه يكتسب الإلكترون المفقود ويتحول إلى ذرة صوديوم. ستحدث عملية مماثلة مع أيون الكلور. فقط عندما يصل إلى الأنود سيتخلى أيون الكلور عن إلكترون ويتحول إلى ذرة كلور. وهكذا، يتم الحفاظ على التيار في الدائرة الخارجية بسبب حركة الإلكترونات. وفي المنحل بالكهرباء، يبدو أن الأيونات تنقل الإلكترونات من قطب إلى آخر.

تعتمد المقاومة الكهربائية للإلكتروليتات على عدد الأيونات المتكونة. تتمتع الإلكتروليتات القوية بمعدل تفكك مرتفع جدًا عند ذوبانها. الضعفاء لديهم مستوى منخفض. تؤثر درجة الحرارة أيضًا على المقاومة الكهربائية للكهارل. ومع زيادة ذلك، تقل لزوجة السائل وتبدأ الأيونات الثقيلة والخرقاء في التحرك بشكل أسرع. وبناء على ذلك، تقل المقاومة.

إذا تم استبدال محلول ملح الطعام بمحلول كبريتات النحاس. ومن ثم، عندما يمر تيار من خلاله، عندما يصل كاتيون النحاس إلى الكاثود ويستقبل الإلكترونات المفقودة هناك، سيتم تحويله إلى ذرة نحاس. وإذا قمت بإزالة القطب بعد ذلك، فيمكنك العثور على طلاء نحاسي عليه. وتسمى هذه العملية التحليل الكهربائي.

« الفيزياء - الصف العاشر"

ما هي ناقلات التيار الكهربائي في الفراغ؟
وما طبيعة حركتهم؟

يمكن أن تكون السوائل، مثل المواد الصلبة، مواد عازلة وموصلات وأشباه الموصلات. وتشمل العوازل الماء المقطر، وتشمل الموصلات محاليل وذوبان الشوارد الكهربائية: الأحماض والقلويات والأملاح. أشباه الموصلات السائلة هي السيلينيوم المنصهر، والكبريتيدات المنصهرة، وما إلى ذلك.

التفكك الكهربائي.

عندما تذوب الإلكتروليتات تحت تأثير المجال الكهربائي لجزيئات الماء القطبي، تتفكك جزيئات الإلكتروليت إلى أيونات.

يسمى انهيار الجزيئات إلى أيونات تحت تأثير المجال الكهربائي لجزيئات الماء القطبي التفكك الكهربائي.

درجة التفكك- نسبة الجزيئات الموجودة في المادة المذابة التي تتفكك إلى أيونات.

تعتمد درجة التفكك على درجة الحرارة وتركيز المحلول والخواص الكهربائية للمذيب.

مع زيادة درجة الحرارة، تزداد درجة التفكك، وبالتالي، يزداد تركيز الأيونات الموجبة والسالبة.

عندما تلتقي الأيونات ذات العلامات المختلفة، فإنها يمكن أن تتحد مرة أخرى لتشكل جزيئات محايدة.

في ظل ظروف ثابتة، يتم إنشاء توازن ديناميكي في المحلول، حيث يكون عدد الجزيئات التي تتفكك إلى أيونات في الثانية مساويًا لعدد أزواج الأيونات التي تتحد في نفس الوقت لتشكل جزيئات محايدة.

الموصلية الأيونية.

حاملات الشحنة في المحاليل المائية أو ذوبان الإلكتروليتات هي أيونات موجبة وسالبة الشحنة.

إذا تم توصيل وعاء به محلول إلكتروليت بدائرة كهربائية، فستبدأ الأيونات السالبة في الانتقال إلى القطب الموجب - الأنود، والأيونات الموجبة - إلى السالب - الكاثود. ونتيجة لذلك، سوف يتدفق تيار كهربائي عبر الدائرة.

تسمى موصلية المحاليل المائية أو ذوبان الإلكتروليتات التي تتم بواسطة الأيونات الموصلية الأيونية.

التحليل الكهربائي.في التوصيل الأيوني، يرتبط مرور التيار بنقل المادة. في الأقطاب الكهربائية، يتم إطلاق المواد التي تشكل الشوارد. عند القطب الموجب، تتخلى الأيونات السالبة عن إلكتروناتها الإضافية (في الكيمياء، وهذا ما يسمى تفاعل الأكسدة)، وعند الكاثود، تتلقى الأيونات الموجبة الإلكترونات المفقودة (تفاعل الاختزال).

يمكن أن يكون للسوائل أيضًا موصلية إلكترونية. فالمعادن السائلة، على سبيل المثال، لديها مثل هذه الموصلية.

تسمى عملية إطلاق المادة عند القطب المرتبط بتفاعلات الأكسدة والاختزال التحليل الكهربائي.

ما الذي يحدد كتلة المادة المنطلقة خلال فترة زمنية معينة؟ من الواضح أن كتلة m من المادة المنطلقة تساوي منتج الكتلة m 0i لأيون واحد بعدد N i من الأيونات التي وصلت إلى القطب خلال الوقت Δt:

م = م 0i ن أنا . (16.3)

كتلة الأيون m0i تساوي:

حيث M هي الكتلة المولية (أو الذرية) للمادة، و N A هو ثابت أفوجادرو، أي عدد الأيونات في مول واحد.

عدد الأيونات التي تصل إلى القطب يساوي

حيث Δq = IΔt هي الشحنة التي تمر عبر المنحل بالكهرباء خلال الوقت Δt؛ q 0i هي شحنة الأيون، والتي يتم تحديدها من خلال التكافؤ n للذرة: q 0i = ne (e هي الشحنة الأولية). أثناء تفكك الجزيئات، على سبيل المثال KBr، التي تتكون من ذرات أحادية التكافؤ (ن = 1)، تظهر أيونات K + وBr. يؤدي تفكك جزيئات كبريتات النحاس إلى ظهور أيونات Cu 2+ و SO 2-4 مشحونة بشكل مضاعف (ن = 2). استبدال التعبيرات (16.4) و (16.5) في الصيغة (16.3) ومع الأخذ في الاعتبار أن Δq = IΔt، a q 0i = ne، نحصل على

قانون فاراداي.

دعونا نشير بـ k إلى معامل التناسب بين الكتلة m للمادة والشحنة Δq = IΔt التي تمر عبر المنحل بالكهرباء:

حيث F = eN A = 9.65 10 4 C/mol - ثابت فاراداي.

يعتمد المعامل k على طبيعة المادة (قيم M و n). وفقا للصيغة (16.6) لدينا

م = كيت. (16.8)

قانون فاراداي للتحليل الكهربائي:

كتلة المادة المنطلقة على القطب خلال الزمن Δt. عندما يمر تيار كهربائي فإنه يتناسب طرديا مع قوة التيار وزمنه.

هذا البيان، الذي تم الحصول عليه نظريًا، تم تأسيسه تجريبيًا لأول مرة بواسطة فاراداي.

تسمى الكمية k في الصيغة (16.8). المعادل الكهروكيميائيمن هذه المادة ويتم التعبير عنها في كيلوغرام لكل قلادة(كجم/كل).

يتضح من الصيغة (16.8) أن المعامل k يساوي عدديًا كتلة المادة المنبعثة من الأقطاب الكهربائية عندما تنقل الأيونات شحنة تساوي 1 درجة مئوية.

المعادل الكهروكيميائي له معنى فيزيائي بسيط. بما أن M/N A = m 0i و еn = q 0i، إذن وفقًا للصيغة (16.7) k = rn 0i /q 0i، أي k هي نسبة كتلة الأيون إلى شحنته.

من خلال قياس قيم m و Δq، من الممكن تحديد المكافئات الكهروكيميائية لمختلف المواد.

يمكنك التحقق من صحة قانون فاراداي تجريبيا. لنقم بتجميع التثبيت الموضح في الشكل (16.25). تمتلئ جميع الحمامات الإلكتروليتية الثلاثة بنفس محلول الإلكتروليت، لكن التيارات التي تمر عبرها مختلفة. دعونا نشير إلى نقاط القوة الحالية بواسطة I1، I2، I3. إذن أنا 1 = أنا 2 + أنا 3. من خلال قياس الكتل m 1 , m 2 , m 3 من المواد المنبعثة على الأقطاب الكهربائية في حمامات مختلفة، يمكن التحقق من أنها تتناسب مع قوى التيار المقابلة I 1 , I 2 , I 3 .

تحديد شحنة الإلكترون.

يمكن استخدام الصيغة (16.6) لكتلة المادة المنبعثة من القطب لتحديد شحنة الإلكترون. ويترتب على هذه الصيغة أن معامل شحنة الإلكترون يساوي:

بمعرفة كتلة m للمادة المتحررة أثناء مرور الشحنة IΔt، والكتلة المولية M، وتكافؤ ذرات n وثابت أفوجادرو N A، يمكننا إيجاد قيمة معامل شحنة الإلكترون. اتضح أنه يساوي e = 1.6 10 -19 C.

وبهذه الطريقة تم الحصول على قيمة الشحنة الكهربائية الأولية لأول مرة في عام 1874.

تطبيق التحليل الكهربائي.يستخدم التحليل الكهربائي على نطاق واسع في التكنولوجيا لأغراض مختلفة. تغطية سطح معدن واحد كهربائيا بطبقة رقيقة من معدن آخر ( طلاء النيكل، طلاء الكروم، طلاء الذهبوما إلى ذلك وهلم جرا.). هذا الطلاء المتين يحمي السطح من التآكل. إذا قمت بضمان تقشير جيد للطلاء الإلكتروليتي من السطح الذي يترسب عليه المعدن (يتم تحقيق ذلك، على سبيل المثال، عن طريق تطبيق الجرافيت على السطح)، فيمكنك الحصول على نسخة من سطح الإغاثة.

عملية الحصول على طبقات قابلة للنزع - النوع الكهربائي- تم تطويره من قبل العالم الروسي بي إس جاكوبي (1801-1874)، الذي استخدم هذه الطريقة في عام 1836 لصنع أشكال مجوفة لكاتدرائية القديس إسحاق في سانت بطرسبرغ.

في السابق، في صناعة الطباعة، تم الحصول على نسخ من سطح بارز (صور نمطية) من المصفوفات (بصمة نوع ما على مادة بلاستيكية)، حيث تم ترسيب طبقة سميكة من الحديد أو مادة أخرى على المصفوفات. هذا جعل من الممكن إعادة إنتاج المجموعة بالعدد المطلوب من النسخ.

باستخدام التحليل الكهربائي، يتم تنقية المعادن من الشوائب. وهكذا، يتم صب النحاس الخام الذي تم الحصول عليه من الخام في شكل صفائح سميكة، والتي يتم بعد ذلك وضعها في الحمام كأنودات. أثناء التحليل الكهربائي، يذوب نحاس الأنود، وتسقط الشوائب التي تحتوي على معادن ثمينة ونادرة إلى القاع، ويستقر النحاس النقي على الكاثود.

باستخدام التحليل الكهربائي، يتم الحصول على الألومنيوم من البوكسيت المنصهر. كانت هذه الطريقة لإنتاج الألومنيوم هي التي جعلته رخيصًا، بالإضافة إلى الحديد، الأكثر شيوعًا في التكنولوجيا والحياة اليومية.

باستخدام التحليل الكهربائي، يتم الحصول على لوحات الدوائر الإلكترونية، والتي تكون بمثابة الأساس لجميع المنتجات الإلكترونية. يتم لصق لوحة نحاسية رفيعة على العازل الكهربائي، حيث يتم طلاء نمط معقد من أسلاك التوصيل بطلاء خاص. ثم يتم وضع اللوحة في محلول كهربائي، حيث يتم حفر مناطق طبقة النحاس التي لا تغطيها الطلاء. بعد ذلك، يتم غسل الطلاء، وتظهر تفاصيل الدائرة الدقيقة على السبورة.