التيار الكهربائي في السوائل. حركة الشحنات والأنيونات والكاتيونات. التيار الكهربائي في السوائل - النظرية، التحليل الكهربائي آلية تدفق التيار في السوائل

« 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. عند 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 عددياً 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 المعادلات 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 المنطلقة 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.

بالتأكيد يعلم الجميع أن السوائل يمكنها توصيل الطاقة الكهربائية بشكل جيد. ومن الحقائق المعروفة أيضًا أن جميع الموصلات حسب نوعها تنقسم إلى عدة مجموعات فرعية. نقترح أن ننظر في مقالتنا في كيفية تنفيذ التيار الكهربائي في السوائل والمعادن وأشباه الموصلات الأخرى، وكذلك قوانين التحليل الكهربائي وأنواعه.

نظرية التحليل الكهربائي

ولتسهيل فهم ما نتحدث عنه، نقترح البدء بالنظرية؛ فالكهرباء، إذا اعتبرنا الشحنة الكهربائية نوعًا من السوائل، أصبحت معروفة منذ أكثر من 200 عام. تتكون الشحنات من إلكترونات فردية، ولكنها صغيرة جدًا لدرجة أن أي شحنة كبيرة تتصرف مثل التدفق المستمر للسائل.

مثل الأجسام الصلبة، يمكن أن تكون الموصلات السائلة من ثلاثة أنواع:

• أشباه الموصلات (السيلينيوم والكبريتيدات وغيرها)؛
• العوازل (المحاليل القلوية والأملاح والأحماض)؛
• الموصلات (على سبيل المثال، في البلازما).

تسمى العملية التي تذوب بها الإلكتروليتات وتتفكك الأيونات تحت تأثير المجال المولي الكهربائي بالتفكك. وفي المقابل، فإن نسبة الجزيئات التي اضمحلت إلى أيونات، أو الأيونات المتحللة في المذاب، تعتمد كليا على الخواص الفيزيائية ودرجة الحرارة في مختلف الموصلات والذوبان. ومن المهم أن نتذكر أن الأيونات يمكن أن تتحد مرة أخرى أو تعود معًا. إذا لم تتغير الظروف، فإن عدد الأيونات المتحللة والمتحدة سيكون متناسبا بالتساوي.

تقوم الأيونات بتوصيل الطاقة في الشوارد بسبب يمكن أن تكون جزيئات موجبة وسالبة الشحنة. عندما يكون السائل (أو بشكل أكثر دقة، يتم توصيل وعاء السائل بمصدر الطاقة)، ​​ستبدأ الجزيئات في التحرك نحو شحنات معاكسة (ستبدأ الأيونات الموجبة في الانجذاب إلى الكاثودات، والأيونات السالبة إلى الأنودات). في هذه الحالة، يتم نقل الطاقة مباشرة عن طريق الأيونات، لذلك يسمى هذا النوع من الموصلية الأيونية.

خلال هذا النوع من التوصيل، يتم نقل التيار بواسطة الأيونات، ويتم إطلاق المواد التي تشكل مكونات الإلكتروليتات عند الأقطاب الكهربائية. إذا فكرنا من وجهة نظر كيميائية، فتحدث الأكسدة والاختزال. وهكذا، يتم نقل التيار الكهربائي في الغازات والسوائل باستخدام التحليل الكهربائي.

قوانين الفيزياء والتيار في السوائل

كقاعدة عامة، لا تنتقل الكهرباء في منازلنا ومعداتنا عبر أسلاك معدنية. في المعدن، يمكن للإلكترونات أن تنتقل من ذرة إلى ذرة، وبالتالي تحمل شحنة سالبة.

كسوائل، يتم حملها على شكل جهد كهربائي، يُعرف بالجهد الكهربي، بوحدات فولت، سميت على اسم العالم الإيطالي أليساندرو فولتا.

فيديو: التيار الكهربائي في السوائل: نظرية كاملة

أيضًا، يتدفق التيار الكهربائي من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض ويتم قياسه بوحدات تعرف باسم الأمبيرات، والتي سميت على اسم أندريه ماري أمبير. ووفقًا للنظرية والصيغة، إذا قمت بزيادة الجهد، فستزداد قوته أيضًا بشكل متناسب. وتعرف هذه العلاقة بقانون أوم. على سبيل المثال، خاصية الأمبير الافتراضي هي أدناه.

قانون أوم (مع تفاصيل إضافية تتعلق بطول وسمك السلك) هو عادةً أحد الأشياء الأولى التي يتم تدريسها في فصول الفيزياء، ولذلك يتعامل العديد من الطلاب والمعلمين مع التيار الكهربائي في الغازات والسوائل كقانون أساسي في الفيزياء.

من أجل رؤية حركة الرسوم بأم عينيك، تحتاج إلى إعداد قارورة بالماء المالح، وأقطاب كهربائية مستطيلة مسطحة ومصادر الطاقة، وستحتاج أيضًا إلى تركيب مقياس التيار الكهربائي، والذي سيتم من خلاله توصيل الطاقة من الطاقة توريد إلى الأقطاب الكهربائية.

يجب إنزال الألواح التي تعمل كموصلات في السائل وتشغيل الجهد الكهربائي. بعد ذلك، ستبدأ الحركة الفوضوية للجزيئات، ولكن تمامًا كما يحدث بعد ظهور المجال المغناطيسي بين الموصلات، سيتم ترتيب هذه العملية.

بمجرد أن تبدأ الأيونات في تبادل الشحنات والجمع، ستصبح الأنودات كاثودات، وستصبح الكاثودات أنودات. ولكن هنا عليك أن تأخذ بعين الاعتبار المقاومة الكهربائية. وبطبيعة الحال، يلعب المنحنى النظري دورا هاما، ولكن التأثير الرئيسي هو درجة الحرارة ومستوى التفكك (اعتمادا على الناقلات التي يتم اختيارها)، وما إذا كان يتم اختيار التيار المتردد أو المباشر. وباستكمال هذه الدراسة التجريبية، يمكنك ملاحظة أن طبقة رقيقة من الملح قد تشكلت على الأجسام الصلبة (الصفائح المعدنية).

التحليل الكهربائي والفراغ

يعد التيار الكهربائي في الفراغ والسوائل مسألة معقدة إلى حد ما. والحقيقة هي أنه في مثل هذه الوسائط لا توجد رسوم على الإطلاق في الجثث، مما يعني أنها عازلة. بمعنى آخر، هدفنا هو تهيئة الظروف التي تمكن ذرة الإلكترون من البدء في حركتها.

للقيام بذلك، تحتاج إلى استخدام جهاز معياري وموصلات وألواح معدنية، ثم تابع كما في الطريقة أعلاه.

تطبيقات التحليل الكهربائي

يتم تطبيق هذه العملية في جميع مجالات الحياة تقريبًا. حتى الأعمال الأساسية تتطلب أحيانًا تدخل التيار الكهربائي في السوائل، على سبيل المثال،

باستخدام هذه العملية البسيطة، يتم طلاء الأجسام الصلبة بطبقة رقيقة من أي معدن، على سبيل المثال، طلاء النيكل أو الكروم. هذه إحدى الطرق الممكنة لمكافحة عمليات التآكل. وتستخدم تقنيات مماثلة في تصنيع المحولات والعدادات والأجهزة الكهربائية الأخرى.

ونأمل أن يكون منطقنا قد أجاب على جميع التساؤلات التي تطرح عند دراسة ظاهرة التيار الكهربائي في السوائل. إذا كنت بحاجة إلى إجابات أفضل، فنوصيك بزيارة منتدى الكهربائيين، حيث سيكون من دواعي سرورهم تقديم النصح لك مجانًا.

من حيث خصائصها الكهربائية، والسوائل متنوعة للغاية. تتمتع المعادن المنصهرة، مثل المعادن في الحالة الصلبة، بموصلية كهربائية عالية مرتبطة بتركيز عالٍ من الإلكترونات الحرة.

تعتبر العديد من السوائل، مثل الماء النقي والكحول والكيروسين، مواد عازلة جيدة للكهرباء لأن جزيئاتها محايدة كهربائيًا ولا توجد حاملات شحن مجانية.

الشوارد. وهناك فئة خاصة من السوائل تتكون مما يسمى بالإلكتروليتات، والتي تشمل المحاليل المائية للأحماض غير العضوية والأملاح والقواعد، وذوبان البلورات الأيونية وغيرها. وتتميز الإلكتروليتات بوجود تراكيز عالية من الأيونات، مما يجعل من الممكن مرورها من التيار الكهربائي. تنشأ هذه الأيونات أثناء الذوبان والذوبان، عندما تتحلل جزيئات المذاب، تحت تأثير المجالات الكهربائية لجزيئات المذيب، إلى أيونات منفصلة موجبة وسالبة الشحنة. وتسمى هذه العملية التفكك الكهربائي.

التفكك الكهربائي.تعتمد درجة تفكك مادة معينة، أي نسبة جزيئات المذاب التي تتفكك إلى أيونات، على درجة الحرارة وتركيز المحلول وثابت العزل الكهربائي للمذيب. مع زيادة درجة الحرارة، تزداد درجة التفكك. يمكن للأيونات ذات العلامات المتضادة أن تتحد مرة أخرى، وتتحد مرة أخرى لتكوين جزيئات محايدة. في ظل ظروف خارجية ثابتة، يتم إنشاء توازن ديناميكي في الحل، حيث تعوض عمليات إعادة التركيب والتفكك بعضها البعض.

من الناحية النوعية، يمكن تحديد اعتماد درجة التفكك أ على تركيز المادة المذابة باستخدام الحجج البسيطة التالية. إذا كانت وحدة الحجم تحتوي على جزيئات مادة مذابة، فإن بعضها يتفكك، والباقي لا يتفكك. يتناسب عدد عمليات التفكك الأولية لكل وحدة حجم من المحلول مع عدد الجزيئات غير المنقسمة وبالتالي يساوي حيث يكون A معاملًا يعتمد على طبيعة المنحل بالكهرباء ودرجة الحرارة. ويتناسب عدد أحداث إعادة التركيب مع عدد تصادمات الأيونات المتباينة، أي يتناسب مع عدد تلك الأيونات والأيونات الأخرى. وبالتالي، فهو يساوي حيث B هو المعامل الثابت لمادة معينة عند درجة حرارة معينة.

في حالة التوازن الديناميكي

النسبة لا تعتمد على التركيز، ويمكن ملاحظة أنه كلما انخفض تركيز المحلول، كلما كان أقرب إلى الوحدة: في المحاليل المخففة جدًا، تنفصل جميع جزيئات المذاب تقريبًا.

كلما زاد ثابت العزل الكهربائي للمذيب، كلما ضعفت الروابط الأيونية في جزيئات المذاب، وبالتالي زادت درجة التفكك. وبالتالي، ينتج حمض الهيدروكلوريك إلكتروليتًا ذو موصلية كهربائية عالية عند إذابته في الماء، في حين أن محلوله في إيثر الإيثيل يوصل الكهرباء بشكل سيء للغاية.

إلكتروليتات غير عادية.هناك أيضًا إلكتروليتات غير عادية جدًا. على سبيل المثال، المنحل بالكهرباء هو الزجاج، وهو سائل شديد التبريد وله لزوجة هائلة. عند تسخينه، يلين الزجاج وتقل لزوجته بشكل كبير. تصبح أيونات الصوديوم الموجودة في الزجاج متحركة بشكل ملحوظ، ويصبح مرور التيار الكهربائي ممكنًا، على الرغم من أن الزجاج يعتبر عازلًا جيدًا في درجات الحرارة العادية.

أرز. 106. توضيح التوصيل الكهربائي للزجاج عند تسخينه

ويمكن رؤية دليل واضح على ذلك في التجربة، التي يظهر الرسم التخطيطي لها في الشكل. 106. يتم توصيل قضيب زجاجي بشبكة الإضاءة من خلال مقاومة متغيرة، وعندما يكون القضيب باردا، يكون التيار في الدائرة ضئيلا بسبب المقاومة العالية للزجاج. إذا تم تسخين العصا بموقد غاز إلى درجة حرارة 300-400 درجة مئوية، فسوف تنخفض مقاومتها إلى عدة عشرات من الأوم وسيصبح فتيل المصباح الكهربائي L ساخنًا. يمكنك الآن عمل دائرة قصر للمصباح الكهربائي باستخدام المفتاح K. وفي هذه الحالة، ستنخفض مقاومة الدائرة وسيزداد التيار. في ظل هذه الظروف، سيتم تسخين العصا بشكل فعال بواسطة التيار الكهربائي وتتوهج حتى تتوهج بشكل ساطع، حتى لو تمت إزالة الموقد.

الموصلية الأيونية.يتم وصف مرور التيار الكهربائي في المنحل بالكهرباء بواسطة قانون أوم

يحدث التيار الكهربائي في المنحل بالكهرباء عند جهد كهربائي منخفض بشكل تعسفي.

حاملات الشحنة في المنحل بالكهرباء هي أيونات موجبة وسالبة الشحنة. تشبه آلية التوصيل الكهربائي للإلكتروليتات في كثير من النواحي آلية التوصيل الكهربائي للغازات الموصوفة أعلاه. ترجع الاختلافات الرئيسية إلى حقيقة أن مقاومة حركة ناقلات الشحنة في الغازات ترجع بشكل أساسي إلى اصطدامها بالذرات المحايدة. في الإلكتروليتات، تكون حركة الأيونات بسبب الاحتكاك الداخلي - اللزوجة - أثناء تحركها في المذيب.

مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد موصلية الشوارد، على عكس المعادن. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه مع زيادة درجة الحرارة تزداد درجة التفكك وتنخفض اللزوجة.

على عكس الموصلية الإلكترونية، التي تتميز بها المعادن وأشباه الموصلات، حيث لا يصاحب مرور التيار الكهربائي أي تغيير في التركيب الكيميائي للمادة، فإن الموصلية الأيونية ترتبط بانتقال المادة

وإطلاق المواد الموجودة في الإلكتروليتات على الأقطاب الكهربائية. وتسمى هذه العملية التحليل الكهربائي.

التحليل الكهربائي.عندما يتم إطلاق مادة ما على القطب الكهربائي، فإن تركيز الأيونات المقابلة في منطقة الإلكتروليت المجاورة للقطب الكهربائي ينخفض. وبالتالي، فإن التوازن الديناميكي بين التفكك وإعادة التركيب ينتهك هنا: وهنا يحدث تحلل المادة نتيجة للتحليل الكهربائي.

تمت ملاحظة التحليل الكهربائي لأول مرة أثناء تحلل الماء بالتيار القادم من عمود فلطي. بعد بضع سنوات، اكتشف الكيميائي الشهير جي ديفي الصوديوم، وعزله عن طريق التحليل الكهربائي من الصودا الكاوية. تم إنشاء القوانين الكمية للتحليل الكهربائي بشكل تجريبي بواسطة M. Faraday، ومن السهل تبريرها بناءً على آلية ظاهرة التحليل الكهربائي.

قوانين فاراداي.يحتوي كل أيون على شحنة كهربائية تعد من مضاعفات الشحنة الأولية e. وبعبارة أخرى، فإن شحنة الأيون تساوي حيث عدد صحيح يساوي تكافؤ العنصر الكيميائي المقابل أو المركب. لنفترض أنه عندما يمر تيار عبر القطب، يتم إطلاق الأيونات. شحنتها بالقيمة المطلقة تساوي وصول الأيونات الموجبة إلى الكاثود ويتم تحييد شحنتها بواسطة الإلكترونات المتدفقة إلى الكاثود عبر الأسلاك من المصدر الحالي. تقترب الأيونات السالبة من القطب الموجب ويمر نفس العدد من الإلكترونات عبر الأسلاك إلى المصدر الحالي. وفي هذه الحالة، تمر الشحنة عبر دائرة كهربائية مغلقة

دعنا نشير إلى كتلة المادة المنطلقة من أحد الأقطاب الكهربائية، وكتلة الأيون (الذرة أو الجزيء). ومن الواضح أنه بضرب بسط هذا الكسر ومقامه في ثابت أفوجادرو نحصل على

حيث يتم تحديد الكتلة الذرية أو المولية، ثابت فاراداي، بواسطة التعبير

ومن (4) يتضح أن ثابت فاراداي يحمل معنى "مول واحد من الكهرباء"، أي أنه إجمالي الشحنة الكهربائية لمول واحد من الشحنات الأولية:

تحتوي الصيغة (3) على قوانين فاراداي. تنص على أن كتلة المادة المنطلقة أثناء التحليل الكهربائي تتناسب مع الشحنة التي تمر عبر الدائرة (قانون فاراداي الأول):

ويسمى المعامل المعادل الكهروكيميائي لمادة معينة ويتم التعبير عنه بـ

كيلوجرام لكل كولوم له معنى مقلوب الشحنة المحددة للأيون.

يتناسب المعادل الكهروكيميائي لـ k مع المعادل الكيميائي للمادة (قانون فاراداي الثاني).

قوانين فاراداي والشحنة الأولية.وبما أن مفهوم الطبيعة الذرية للكهرباء لم يكن موجودًا بعد في زمن فاراداي، فإن الاكتشاف التجريبي لقوانين التحليل الكهربائي لم يكن تافهًا على الإطلاق. على العكس من ذلك، كانت قوانين فاراداي هي التي كانت بمثابة أول دليل تجريبي على صحة هذه الأفكار.

أتاح القياس التجريبي لثابت فاراداي لأول مرة الحصول على تقدير عددي لقيمة الشحنة الأولية قبل فترة طويلة من القياسات المباشرة للشحنة الكهربائية الأولية في تجارب ميليكان مع قطرات الزيت. ومن اللافت للنظر أن فكرة التركيب الذري للكهرباء حظيت بتأكيد تجريبي لا لبس فيه في تجارب التحليل الكهربائي التي أجريت في الثلاثينيات من القرن التاسع عشر، في حين أن فكرة التركيب الذري للمادة لم تكن مشتركة بعد بين الجميع العلماء. في خطابه الشهير الذي ألقاه أمام الجمعية الملكية والمخصص لذكرى فاراداي، علق هيلمهولتز على هذا الظرف بهذه الطريقة:

"إذا اعترفنا بوجود ذرات العناصر الكيميائية، فلا يمكننا تجنب الاستنتاج الإضافي المتمثل في أن الكهرباء، الموجبة والسالبة، تنقسم إلى كميات أولية معينة، تتصرف مثل ذرات الكهرباء".

مصادر التيار الكيميائي.إذا تم غمر معدن، مثل الزنك، في الماء، فإن كمية معينة من أيونات الزنك الموجبة، تحت تأثير جزيئات الماء القطبي، ستبدأ في التحرك من الطبقة السطحية للشبكة البلورية للمعدن إلى الماء. ونتيجة لذلك، سيتم شحن الزنك بشكل سلبي والماء بشكل إيجابي. تتشكل طبقة رقيقة تسمى الطبقة الكهربائية المزدوجة عند السطح البيني بين المعدن والماء؛ يوجد فيه مجال كهربائي قوي تنتقل شدته من الماء إلى المعدن. يمنع هذا المجال انتقال أيونات الزنك إلى الماء، ونتيجة لذلك ينشأ توازن ديناميكي يكون فيه متوسط ​​عدد الأيونات القادمة من المعدن إلى الماء مساويًا لعدد الأيونات العائدة من الماء إلى المعدن.

سيتم أيضًا إنشاء التوازن الديناميكي إذا تم غمر المعدن في محلول مائي من ملح نفس المعدن، على سبيل المثال، الزنك في محلول كبريتات الزنك. في المحلول، يتفكك الملح إلى أيونات، ولا تختلف أيونات الزنك الناتجة عن أيونات الزنك التي دخلت المحلول من القطب. زيادة تركيز أيونات الزنك في المنحل بالكهرباء تسهل انتقال هذه الأيونات إلى المعدن من المحلول وتزيد من صعوبة الأمر

الانتقال من المعدن إلى الحل. لذلك، في محلول كبريتات الزنك، يكون قطب الزنك المغمور، على الرغم من شحنته سالبًا، أضعف منه في الماء النقي.

عندما يتم غمر المعدن في محلول، لا يصبح المعدن دائمًا مشحونًا بشحنة سالبة. على سبيل المثال، إذا تم غمر قطب نحاسي في محلول كبريتات النحاس، فستبدأ الأيونات بالترسيب من المحلول الموجود على القطب، مما يؤدي إلى شحنه بشكل إيجابي. يتم توجيه شدة المجال في الطبقة الكهربائية المزدوجة في هذه الحالة من النحاس إلى المحلول.

وهكذا، عند غمر معدن في الماء أو في محلول مائي يحتوي على أيونات من نفس المعدن، ينشأ فرق جهد بينهما عند السطح البيني بين المعدن والمحلول. تعتمد علامة وحجم فرق الجهد هذا على نوع المعدن (النحاس والزنك وما إلى ذلك) وعلى تركيز الأيونات في المحلول ويكاد يكون مستقلاً عن درجة الحرارة والضغط.

يشكل قطبان كهربائيان من معادن مختلفة مغمورة في محلول كهربائي خلية كلفانية. على سبيل المثال، في خلية فولتا، يتم غمر أقطاب الزنك والنحاس في محلول مائي من حمض الكبريتيك. في البداية، لا يحتوي المحلول على أيونات الزنك ولا أيونات النحاس. ومع ذلك، تدخل هذه الأيونات لاحقًا إلى المحلول من الأقطاب الكهربائية ويتم إنشاء التوازن الديناميكي. طالما أن الأقطاب الكهربائية غير متصلة ببعضها البعض بواسطة الأسلاك، فإن جهد الإلكتروليت هو نفسه في جميع النقاط، وتختلف جهود الأقطاب الكهربائية عن جهد الإلكتروليت بسبب الطبقات المزدوجة المتكونة عند تفاعلها مع المحلول. بالكهرباء. في هذه الحالة، فإن جهد القطب للزنك يساوي -0.763 فولت، وللنحاس، وستكون القوة الدافعة الكهربائية لعنصر فولت، والتي تتكون من هذه القفزات المحتملة، مساوية لـ

التيار في دائرة بها عنصر كلفاني.إذا تم توصيل أقطاب خلية كلفانية بسلك، فإن الإلكترونات عبر هذا السلك ستنتقل من القطب السالب (الزنك) إلى القطب الموجب (النحاس)، مما يخل بالتوازن الديناميكي بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت الذي توجد فيه مغمورة. ستبدأ أيونات الزنك في التحرك من القطب إلى المحلول، وذلك للحفاظ على الطبقة الكهربائية المزدوجة في نفس الحالة مع قفزة محتملة ثابتة بين القطب والكهارل. وبالمثل، مع قطب النحاس، ستبدأ أيونات النحاس في الخروج من المحلول وتترسب على القطب. في هذه الحالة، يتشكل نقص الأيونات بالقرب من القطب السالب، ويتشكل فائض من هذه الأيونات بالقرب من القطب الموجب. لن يتغير العدد الإجمالي للأيونات في المحلول.

نتيجة للعمليات الموضحة، سيتم الحفاظ على تيار كهربائي في دائرة مغلقة، والذي يتم إنشاؤه في سلك التوصيل بواسطة حركة الإلكترونات، وفي المنحل بالكهرباء بواسطة الأيونات. عند مرور تيار كهربائي يذوب قطب الزنك تدريجياً ويترسب النحاس على الموجب (النحاس)

القطب. يزداد تركيز الأيون عند قطب الزنك ويتناقص عند قطب النحاس.

الإمكانات في دائرة ذات عنصر كلفاني.يتوافق النمط الموصوف لمرور التيار الكهربائي في دائرة مغلقة غير منتظمة تحتوي على عنصر كيميائي مع التوزيع المحتمل على طول الدائرة، كما هو موضح تخطيطيًا في الشكل. 107. في الدائرة الخارجية، أي في السلك الذي يربط الأقطاب الكهربائية، يتناقص الجهد بسلاسة من القيمة عند القطب الموجب (النحاس) A إلى القيمة عند القطب السالب (الزنك) B وفقًا لقانون أوم للحصول على متجانس موصل. في الدائرة الداخلية، أي في المنحل بالكهرباء بين الأقطاب الكهربائية، يتناقص الجهد تدريجيًا من قيمة قريبة من قطب الزنك إلى قيمة قريبة من قطب النحاس. إذا كان التيار يتدفق في الدائرة الخارجية من قطب النحاس إلى قطب الزنك، فإنه يتدفق داخل المنحل بالكهرباء من الزنك إلى النحاس. يتم إنشاء القفزات المحتملة في الطبقات الكهربائية المزدوجة نتيجة لعمل القوى الخارجية (في هذه الحالة الكيميائية). حركة الشحنات الكهربائية في الطبقات المزدوجة بسبب قوى خارجية تحدث عكس اتجاه عمل القوى الكهربائية.

أرز. 107. التوزيع المحتمل على طول سلسلة تحتوي على عنصر كيميائي

المقاطع المائلة للتغيير المحتمل في الشكل. 107 يتوافق مع المقاومة الكهربائية للأجزاء الخارجية والداخلية للدائرة المغلقة. إجمالي انخفاض الجهد على طول هذه المقاطع يساوي مجموع القفزات المحتملة في الطبقات المزدوجة، أي القوة الدافعة الكهربائية للعنصر.

إن مرور التيار الكهربائي في خلية كلفانية معقد بسبب المنتجات الثانوية المنبعثة من الأقطاب الكهربائية وظهور اختلاف التركيز في المنحل بالكهرباء. وتسمى هذه الظواهر بالاستقطاب الإلكتروليتي. على سبيل المثال، في عناصر فولتا، عندما تكون الدائرة مغلقة، تنتقل الأيونات الموجبة إلى قطب النحاس وتترسب عليه. ونتيجة لذلك، بعد مرور بعض الوقت، يتم استبدال القطب النحاسي بقطب الهيدروجين. نظرًا لأن جهد القطب الكهربائي للهيدروجين أقل بمقدار 0.337 فولت من جهد القطب الكهربائي للنحاس، فإن القوة الدافعة الكهربية للعنصر تتناقص بنفس المقدار تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن الهيدروجين المنطلق على قطب النحاس يزيد من المقاومة الداخلية للعنصر.

للحد من الآثار الضارة للهيدروجين، يتم استخدام مزيلات الاستقطاب - عوامل مؤكسدة مختلفة. على سبيل المثال، في العنصر الأكثر استخدامًا Leclanche (البطاريات "الجافة")

القطب الموجب عبارة عن قضيب من الجرافيت محاط بكتلة مضغوطة من بيروكسيد المنغنيز والجرافيت.

البطاريات.أحد الأنواع المهمة عمليًا من الخلايا الغلفانية هي البطاريات، والتي يمكن إجراء عملية شحن عكسية لها بعد التفريغ مع تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية. يتم استعادة المواد المستهلكة أثناء إنتاج التيار الكهربائي داخل البطارية من خلال التحليل الكهربائي.

ويمكن ملاحظة أنه عند شحن البطارية، يزداد تركيز حامض الكبريتيك، مما يؤدي إلى زيادة كثافة المنحل بالكهرباء.

وهكذا، أثناء عملية الشحن، يتم إنشاء عدم تناسق حاد في الأقطاب الكهربائية: يصبح أحدهما رصاصًا والآخر بيروكسيد الرصاص. البطارية المشحونة عبارة عن خلية كلفانية يمكن أن تكون بمثابة مصدر للتيار.

عند توصيل مستهلكي الطاقة الكهربائية بالبطارية، سيتدفق تيار كهربائي عبر الدائرة، ويكون اتجاهه معاكسًا لتيار الشحن. تسير التفاعلات الكيميائية في الاتجاه المعاكس وتعود البطارية إلى حالتها الأصلية. سيتم تغطية كلا القطبين بطبقة من الملح، وسيعود تركيز حمض الكبريتيك إلى قيمته الأصلية.

بالنسبة للبطارية المشحونة، يبلغ المجال الكهرومغناطيسي حوالي 2.2 فولت. وعند التفريغ، ينخفض ​​إلى 1.85 فولت. ولا يوصى بالمزيد من التفريغ، حيث يصبح تكوين كبريتات الرصاص غير قابل للرجوع فيه وتتدهور البطارية.

يُطلق على الحد الأقصى للشحن الذي يمكن للبطارية توصيله عند تفريغها اسم سعتها. سعة البطارية عادة

تقاس بساعات أمبير. كلما كان سطح اللوحات أكبر، كلما كان أكبر.

تطبيقات التحليل الكهربائي.يستخدم التحليل الكهربائي في علم المعادن. الإنتاج الكهربائي الأكثر شيوعًا هو الألومنيوم والنحاس النقي. باستخدام التحليل الكهربائي، من الممكن إنشاء طبقات رقيقة من بعض المواد على سطح مواد أخرى من أجل الحصول على طبقات زخرفية وواقية (طلاء النيكل، طلاء الكروم). تم تطوير عملية إنتاج الطلاءات القابلة للنزع (الرأب الكهربائي) على يد العالم الروسي بي إس جاكوبي، الذي استخدمها لصنع منحوتات مجوفة تزين كاتدرائية القديس إسحاق في سانت بطرسبرغ.

ما الفرق بين الآلية الفيزيائية للتوصيل الكهربائي في المعادن والكهارل؟

اشرح لماذا تعتمد درجة تفكك مادة معينة على ثابت العزل الكهربائي للمذيب.

اشرح لماذا في المحاليل الكهربية المخففة للغاية تتفكك جميع جزيئات المذاب تقريبًا.

اشرح كيف تتشابه آلية التوصيل الكهربائي للإلكتروليتات مع آلية التوصيل الكهربائي للغازات. لماذا يتناسب التيار الكهربائي مع الجهد المطبق في ظل ظروف خارجية ثابتة؟

ما الدور الذي يلعبه قانون حفظ الشحنة الكهربائية في استخلاص قانون التحليل الكهربائي (3)؟

اشرح العلاقة بين المعادل الكهروكيميائي للمادة والشحنة النوعية لأيوناتها.

كيف يمكن تحديد نسبة المعادلات الكهروكيميائية للمواد المختلفة بشكل تجريبي إذا كان هناك العديد من الحمامات الإلكتروليتية، ولكن لا توجد أدوات لقياس التيار؟

كيف يمكن الاستفادة من ظاهرة التحليل الكهربائي في إنشاء عداد كهرباء في شبكة التيار المستمر؟

لماذا يمكن اعتبار قوانين فاراداي دليلا تجريبيا على الأفكار المتعلقة بالطبيعة الذرية للكهرباء؟

ما العمليات التي تحدث عند غمر الأقطاب الكهربائية المعدنية في الماء وفي محلول كهربائي يحتوي على أيونات هذه المعادن؟

وصف العمليات التي تحدث في المنحل بالكهرباء بالقرب من أقطاب الخلية الجلفانية أثناء مرور التيار.

لماذا تتحرك الأيونات الموجبة داخل الخلية الفولتية من القطب السالب (الزنك) إلى القطب الموجب (النحاس)؟ كيف يحدث توزيع الجهد في الدائرة مما يؤدي إلى تحرك الأيونات بهذه الطريقة؟

لماذا يمكن التحقق من درجة شحن البطارية الحمضية باستخدام مقياس كثافة السوائل، أي جهاز لقياس كثافة السائل؟

كيف تختلف العمليات في البطاريات بشكل أساسي عن العمليات في البطاريات "الجافة"؟

أي جزء من الطاقة الكهربائية المستهلكة في عملية شحن البطارية ج يمكن استخدامه عند تفريغها، إذا تم الحفاظ على الجهد الكهربائي عند أطرافها أثناء عملية الشحن

تقرير عن الموضوع:

كهرباء

في السوائل

(الشوارد)

التحليل الكهربائي

قوانين فاراداي

الشحنة الكهربائية الأولية

طلاب 8 ذ فصل « ب »

ل أوجينوفا م ألحان أ ندريفني

موسكو 2003

المدرسة رقم 91

مقدمة

يرتبط الكثير في حياتنا بالتوصيل الكهربائي لمحاليل الأملاح في الماء (الشوارد). من أول نبضة للقلب (الكهرباء "الحية" في جسم الإنسان وهي 80٪ ماء) إلى السيارات في الشارع واللاعبين والهواتف المحمولة (جزء لا يتجزأ من هذه الأجهزة هي "البطاريات" - البطاريات الكهروكيميائية والبطاريات المختلفة - من حمض الرصاص في السيارات إلى بوليمر الليثيوم في أغلى الهواتف المحمولة). وفي أحواض ضخمة تتصاعد منها أبخرة سامة، يتم إنتاج الألومنيوم عن طريق التحليل الكهربائي من البوكسيت المنصهر في درجات حرارة عالية - المعدن "المجنح" للطائرات والعلب في فانتا. كل شيء حولنا - من شبكة المبرد المطلية بالكروم لسيارة أجنبية إلى القرط المطلي بالفضة في الأذن - واجه في وقت ما محلولًا أو أملاحًا منصهرة، وبالتالي، تيارًا كهربائيًا في السوائل. ليس من قبيل الصدفة أن تتم دراسة هذه الظاهرة من خلال علم كامل - الكيمياء الكهربائية. لكننا الآن مهتمون أكثر بالأساس المادي لهذه الظاهرة.

تيار كهربائي في المحلول الشوارد

نعلم من دروس الفيزياء للصف الثامن أن الشحنة في الموصلات (المعادن) تحملها إلكترونات سالبة الشحنة.

تسمى الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة بالتيار الكهربائي.

لكن إذا قمنا بتجميع جهاز (مع أقطاب الجرافيت):

ثم نتأكد من انحراف إبرة مقياس التيار الكهربائي - يتدفق التيار عبر المحلول! ما هي الجسيمات المشحونة الموجودة في المحلول؟

في عام 1877، توصل العالم السويدي سفانتي أرينيوس، الذي يدرس التوصيل الكهربائي لمحاليل المواد المختلفة، إلى استنتاج مفاده أن سبب ذلك هو الأيونات التي تتشكل عند إذابة الملح في الماء. عند ذوبانه في الماء، يتفكك جزيء CuSO 4 (ينفصل) إلى أيونين مشحونين بشكل مختلف - Cu 2+ وSO 4 2-. يمكن أن تنعكس العمليات المبسطة بالصيغة التالية:

CuSO 4ÞCu 2+ +SO 4 2-

تقوم محاليل الأملاح والقلويات والأحماض بتوصيل التيار الكهربائي.

تسمى المواد التي تقوم محاليلها بتوصيل التيار الكهربائي بالكهرباء.

محاليل السكر والكحول والجلوكوز وبعض المواد الأخرى لا توصل الكهرباء.

المواد التي لا توصل محاليلها التيار الكهربائي تسمى غير إلكتروليتات.

التفكك الكهربائي

تسمى عملية تحلل الإلكتروليت إلى أيونات بالتفكك الإلكتروليتي.

S. Arrhenius، الذي التزم بالنظرية الفيزيائية للحلول، لم يأخذ في الاعتبار تفاعل المنحل بالكهرباء مع الماء ويعتقد أن هناك أيونات حرة في المحاليل. في المقابل، قام الكيميائيان الروسيان آي.أ.كابلوكوف وفي.أ. كيستياكوفسكي بتطبيق النظرية الكيميائية لـ دي.آي.مندلييف لشرح التفكك الإلكتروليتي وأثبتا أنه عند إذابة المنحل بالكهرباء، يحدث تفاعل كيميائي للمادة المذابة مع الماء، مما يؤدي إلى تكوين الهيدرات. ثم تنفصل إلى أيونات. لقد اعتقدوا أن المحاليل لا تحتوي على أيونات حرة وليست "عارية"، بل تحتوي على أيونات رطبة، أي "مغطاة بطبقة" من جزيئات الماء. ونتيجة لذلك، يحدث تفكك جزيئات الإلكتروليت بالتسلسل التالي:

أ) اتجاه جزيئات الماء حول أقطاب جزيء المنحل بالكهرباء

ب) ترطيب جزيء المنحل بالكهرباء

ج) التأين

د) تحللها إلى أيونات رطبة

بالنسبة لدرجة التفكك الإلكتروليتي، تنقسم الإلكتروليتات إلى قوية وضعيفة.

- إلكتروليتات قوية- تلك التي تنفصل بشكل شبه كامل عند ذوبانها.

درجة تفككهم تميل إلى الوحدة.

- إلكتروليتات ضعيفة- تلك التي لا تنفصل تقريبًا عند ذوبانها. درجة تفككهم تميل إلى الصفر.

ومن هذا نستنتج أن حاملات الشحنة الكهربائية (حاملات التيار الكهربائي) في المحاليل الإلكتروليتية ليست إلكترونات، بل هي موجبة وسالبة الشحنة الأيونات المائية .

الاعتماد على درجة الحرارة لمقاومة المنحل بالكهرباء

كما ترتفع درجة الحرارةيتم تسهيل عملية التفكك، وزيادة حركة الأيونات و تنخفض مقاومة المنحل بالكهرباء .

الكاثود والأنود. الكاتيونات والأنيونات

ماذا يحدث للأيونات تحت تأثير التيار الكهربائي؟

دعنا نعود إلى أجهزتنا:

في المحلول، يتفكك CuSO 4 إلى أيونات – Cu 2+ وSO 4 2-. أيون موجب الشحنةالنحاس 2+ (الكاتيون)ينجذب إلى قطب كهربائي سالب الشحنة - الكاثودحيث يستقبل الإلكترونات المفقودة ويتحول إلى النحاس المعدني - وهي مادة بسيطة. إذا قمت بإزالة الكاثود من الجهاز بعد مرور التيار عبر المحلول، فمن السهل ملاحظة طلاء أحمر-بني - وهو نحاس معدني.

قانون فاراداي الأول

هل يمكننا معرفة كمية النحاس التي تم إطلاقها؟ ومن خلال وزن الكاثود قبل وبعد التجربة، يمكن تحديد كتلة المعدن المترسب بدقة. تظهر القياسات أن كتلة المادة المنطلقة على الأقطاب الكهربائية تعتمد على القوة الحالية ووقت التحليل الكهربائي:

حيث K هو معامل التناسب، ويسمى أيضًا المعادل الكهروكيميائي .

وبالتالي، فإن كتلة المادة المنطلقة تتناسب طرديا مع القوة الحالية ووقت التحليل الكهربائي. ولكن الحالية مع مرور الوقت (وفقا للصيغة):

هناك تهمة.

لذا، تتناسب كتلة المادة المنطلقة على القطب مع الشحنة، أو كمية الكهرباء التي تمر عبر المنحل بالكهرباء.

م = ك ق

تم اكتشاف هذا القانون تجريبياً عام 1843 على يد العالم الإنجليزي مايكل فاراداي ويسمى قانون فاراداي الأول .

قانون فاراداي الثاني

ما هو المعادل الكهروكيميائي وعلى ماذا يعتمد؟ أجاب مايكل فاراداي أيضًا على هذا السؤال.

وبناء على العديد من التجارب، توصل إلى استنتاج مفاده أن هذه القيمة مميزة لكل مادة. لذلك، على سبيل المثال، أثناء التحليل الكهربائي لمحلول اللازورد (نترات الفضة AgNO 3)، تطلق قلادة واحدة 1.1180 ملجم من الفضة؛ يتم إطلاق نفس الكمية تمامًا من الفضة أثناء التحليل الكهربائي بشحنة قلادة واحدة من أي ملح فضي. عند التحليل الكهربائي لملح معدن آخر، تطلق قلادة واحدة كمية أخرى من هذا المعدن. هكذا , المعادل الكهروكيميائي للمادة هو كتلة هذه المادة المنطلقة أثناء التحليل الكهربي بمقدار 1 كولوم من الكهرباء المتدفقة خلال المحلول . وإليكم قيمها لبعض المواد:

من الجدول نرى أن المعادلات الكهروكيميائية للمواد المختلفة تختلف اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض. على أي خصائص المادة تعتمد قيمة مكافئها الكهروكيميائي؟ الجواب على هذا السؤال مقدم من قانون فاراداي الثاني :

تتناسب المعادلات الكهروكيميائية لمختلف المواد مع أوزانها الذرية وتتناسب عكسيا مع الأرقام التي تعبر عن تكافؤها الكيميائي.

ن – التكافؤ

أ- الوزن الذري

- يسمى المعادل الكيميائي لمادة معينة

– معامل التناسب، وهو بالفعل ثابت عالمي، أي أن له نفس القيمة لجميع المواد. إذا قمنا بقياس المكافئ الكهروكيميائي بـ g/k، نجد أنه يساوي 1.037´10 -5 g/k.

وبدمج قانون فاراداي الأول والثاني نحصل على:

هذه الصيغة لها معنى فيزيائي بسيط: F تساوي عدديًا الشحنة التي يجب تمريرها عبر أي إلكتروليت من أجل إطلاق مادة على الأقطاب الكهربائية بكمية تساوي مكافئًا كيميائيًا واحدًا. F يسمى عدد فاراداي ويساوي 96400 ك/جم.

المول وعدد الجزيئات الموجودة فيه. رقم أفوجادرو

نعلم من مقرر الكيمياء للصف الثامن أنه لقياس كميات المواد الداخلة في التفاعلات الكيميائية، تم اختيار وحدة خاصة - المول. لقياس مول واحد من مادة ما، عليك أن تأخذ عددًا من الجرامات منها يعادل كتلتها الجزيئية النسبية.

على سبيل المثال، 1 مول من الماء (H2O) يساوي 18 جرامًا (1 + 1 + 16 = 18)، ومول من الأكسجين (O 2) يساوي 32 جرامًا، ومول من الحديد (Fe) يساوي 56 جرامًا. ولكن ما هو مهم بشكل خاص بالنسبة لنا هو أن 1 مول من أي مادة موجود دائمًا يتضمن نفس عدد الجزيئات .

المول هو كمية من المادة تحتوي على 6 ´ 10 23 جزيء من هذه المادة.

تكريما للعالم الإيطالي أ. أفوجادرو هذا الرقم ( ن) يسمى ثابت أفوجادروأو رقم أفوجادرو .

من الصيغة ويترتب على ذلك أنه إذا س=و، الذي - التي . وهذا يعني أنه عندما تمر شحنة تساوي 96400 كولوم عبر المنحل بالكهرباء، سيتم إطلاق جرامات من أي مادة. وبعبارة أخرى، لتحرير مول واحد من مادة أحادية التكافؤ، يجب أن تتدفق الشحنة عبر المنحل بالكهرباء س=والمعلقات. لكننا نعلم أن أي مول من المادة يحتوي على نفس العدد من الجزيئات - ن=6×1023. يتيح لنا ذلك حساب شحنة أيون واحد من مادة أحادية التكافؤ - الشحنة الكهربائية الأولية - شحنة إلكترون واحد (!):

تطبيقات التحليل الكهربائي

طريقة التحليل الكهربائي للحصول على المعادن النقية (التكرير والتكرير). التحليل الكهربائي يرافقه حل الأنود

وخير مثال على ذلك هو تنقية (تكرير) النحاس كهربائيا. يتم صب النحاس الذي يتم الحصول عليه مباشرة من الخام في ألواح ويوضع كأنود في محلول CuSO 4. من خلال تحديد الجهد على أقطاب الحمام (0.20-0.25 فولت)، من الممكن التأكد من إطلاق النحاس المعدني فقط عند الكاثود. في هذه الحالة، تدخل الشوائب الأجنبية إما إلى المحلول (دون إطلاقها عند الكاثود) أو تسقط في قاع الحمام على شكل رواسب ("حمأة الأنود"). تتحد كاتيونات مادة الأنود مع أنيون SO 4 2، وعند هذا الجهد يتم إطلاق النحاس المعدني فقط عند الكاثود. يبدو أن الأنود "يذوب". يتيح لنا هذا التنقية تحقيق نقاء بنسبة 99.99% ("التسعات الأربع"). كما يتم أيضًا تنقية المعادن الثمينة (الذهب Au، والفضة Ag) بالمثل (التكرير).

حاليًا، يتم استخراج كل الألومنيوم (Al) كهربائيًا (من ذوبان البوكسيت).

الكهربائي

الكهربائي – مجال الكيمياء الكهربائية التطبيقية الذي يتعامل مع عمليات تطبيق الطلاءات المعدنية على سطح المنتجات المعدنية وغير المعدنية عندما يمر تيار كهربائي مباشر عبر محاليل أملاحها. وتنقسم تكنولوجيا الطلاء الكهربائي إلى الكهربائي و رأب الجلفانوبلاستي .

يمكن استخدام التحليل الكهربائي لتغليف الأجسام المعدنية بطبقة من معدن آخر. هذه العملية تسمى الكهربائي. من الأمور ذات الأهمية التقنية الخاصة الطلاءات التي تحتوي على معادن يصعب أكسدةها، خاصة طلاء النيكل والكروم، بالإضافة إلى طلاء الفضة والذهب، والتي غالبًا ما تستخدم لحماية المعادن من التآكل. للحصول على الطلاء المطلوب، يتم تنظيف الجسم جيدًا وإزالة الشحوم منه جيدًا ووضعه ككاثود في حمام إلكتروليتي يحتوي على ملح المعدن الذي ترغب في طلاء الجسم به. للحصول على طلاء أكثر تجانسًا، من المفيد استخدام لوحتين كأنود، مع وضع الجسم بينهما.

أيضًا، من خلال التحليل الكهربائي، لا يمكنك طلاء الأشياء بطبقة من معدن أو آخر فحسب، بل يمكنك أيضًا عمل نسخ معدنية بارزة (على سبيل المثال، العملات المعدنية والميداليات). اخترع هذه العملية الفيزيائي والمهندس الكهربائي الروسي عضو الأكاديمية الروسية للعلوم بوريس سيمينوفيتش جاكوبي (1801-1874) في الأربعينيات من القرن التاسع عشر وتسمى الكهربائي . لعمل نسخة بارزة من جسم ما، يتم أولاً تصنيع قالب من بعض المواد البلاستيكية، مثل الشمع. يتم فرك هذا القالب بالجرافيت ويتم غمره في حمام التحليل الكهربائي ككاثود، حيث يتم ترسيب طبقة من المعدن عليه. ويستخدم هذا في الطباعة في صناعة النماذج المطبوعة.

بالإضافة إلى ما ذكر أعلاه، وجد التحليل الكهربائي تطبيقًا في مجالات أخرى:

الحصول على أفلام واقية من الأكسيد على المعادن (الأنودة)؛

المعالجة السطحية الكهروكيميائية للمنتجات المعدنية (تلميع)؛

الطلاء الكهروكيميائي للمعادن (مثل النحاس والنحاس والزنك والكروم وما إلى ذلك)؛

تنقية الماء هي إزالة الشوائب القابلة للذوبان منه. والنتيجة هي ما يسمى بالماء العذب (خصائصه تشبه الماء المقطر)؛

الشحذ الكهروكيميائي لأدوات القطع (مثل السكاكين الجراحية وشفرات الحلاقة وما إلى ذلك).

قائمة الأدبيات المستخدمة:

1. جورفيتش أ. "الفيزياء. الظواهر الكهرومغناطيسية. الصف الثامن" موسكو، دار النشر "دروفا". 1999

2. غابرييليان أو إس "الكيمياء. الصف الثامن" موسكو، دار النشر "دروفا". 1997

3. "كتاب الفيزياء الابتدائي الذي حرره الأكاديمي جي إس لاندسبيرج - المجلد الثاني - الكهرباء والمغناطيسية." موسكو، "العلم" 1972.

4. إريك إم روجرز. “الفيزياء للعقل المستفسر (أساليب وطبيعة وفلسفة العلوم الفيزيائية)”. "مطبعة جامعة برينستون" 1966. المجلد الثالث - الكهرباء والمغناطيسية. ترجمة موسكو، "مير" 1971.

5. A. N. Remizov "دورة الفيزياء والإلكترونيات وعلم التحكم الآلي للمعاهد الطبية." موسكو "المدرسة العليا" 1982.

يمكن للسوائل، مثل أي مواد أخرى، أن تكون موصلات وأشباه موصلات وعوازل. على سبيل المثال، سيكون الماء المقطر مادة عازلة للكهرباء، وستكون المحاليل وذوبان الإلكتروليتات موصلات. ستكون أشباه الموصلات، على سبيل المثال، مصهور السيلينيوم أو الكبريتيد.

الموصلية الأيونية

التفكك الإلكتروليتي هو عملية تحلل جزيئات الإلكتروليت إلى أيونات تحت تأثير المجال الكهربائي لجزيئات الماء القطبي. درجة التفكك هي نسبة الجزيئات التي تتفكك إلى أيونات في مادة مذابة.

تعتمد درجة التفكك على عوامل مختلفة: درجة الحرارة، وتركيز المحلول، وخصائص المذيب. مع زيادة درجة الحرارة، ستزداد درجة التفكك أيضًا.

بعد أن يتم فصل الجزيئات إلى أيونات، فإنها تتحرك بشكل عشوائي. في هذه الحالة، يمكن إعادة تجميع أيونين من علامات مختلفة، أي أنه يمكن دمجهما مرة أخرى في جزيئات محايدة. في حالة عدم وجود تغييرات خارجية في الحل، ينبغي إنشاء التوازن الديناميكي. وبواسطتها، سيكون عدد الجزيئات التي تتفكك إلى أيونات في كل وحدة زمنية مساويًا لعدد الجزيئات التي ستتحد مرة أخرى.

ستكون حاملات الشحنة في المحاليل المائية وذوبان الإلكتروليتات عبارة عن أيونات. إذا تم توصيل وعاء به محلول أو ذوبان بالدائرة، فستبدأ الأيونات الموجبة الشحنة في التحرك نحو الكاثود، والأيونات السالبة - نحو الأنود. ونتيجة لهذه الحركة سينشأ تيار كهربائي. ويسمى هذا النوع من الموصلية الموصلية الأيونية.

بالإضافة إلى الموصلية الأيونية في السوائل، يمكن أن يكون لها أيضًا موصلية إلكترونية. هذا النوع من الموصلية هو سمة، على سبيل المثال، للمعادن السائلة. كما ذكر أعلاه، مع التوصيل الأيوني، يرتبط مرور التيار بنقل المادة.

التحليل الكهربائي

سوف تستقر المواد التي تشكل جزءًا من الإلكتروليتات على الأقطاب الكهربائية. وتسمى هذه العملية التحليل الكهربائي. التحليل الكهربائي هو عملية إطلاق مادة في قطب كهربائي مرتبط بتفاعلات الأكسدة والاختزال.

لقد وجد التحليل الكهربائي تطبيقًا واسعًا في الفيزياء والتكنولوجيا. باستخدام التحليل الكهربائي، يتم طلاء سطح أحد المعادن بطبقة رقيقة من معدن آخر. على سبيل المثال، طلاء الكروم والطلاء بالنيكل.

باستخدام التحليل الكهربائي، يمكنك الحصول على نسخة من سطح الإغاثة. للقيام بذلك، من الضروري أن يتم إزالة طبقة المعدن التي تستقر على سطح القطب بسهولة. ولتحقيق ذلك، يتم أحيانًا تطبيق الجرافيت على السطح.

وتسمى عملية الحصول على مثل هذه الطلاءات القابلة للنزع بسهولة بالطلاء الكهربائي. وقد طور هذه الطريقة العالم الروسي بوريس جاكوبي عندما صنع مجسمات مجوفة لكاتدرائية القديس إسحاق في سانت بطرسبرغ.