Elektrický proud v kapalinách. Pohyb nábojů, aniontů kationtů. Elektrický proud v kapalinách - teorie, elektrolýza Mechanismus toku proudu v kapalinách

« Fyzika - třída 10"

Jaké jsou nosiče elektrického proudu ve vakuu?
Jaká je povaha jejich pohybu?

Kapaliny, stejně jako pevné látky, mohou být dielektrika, vodiče a polovodiče. Mezi dielektrika patří destilovaná voda, vodiče - roztoky a taveniny elektrolytů: kyseliny, zásady a soli. Kapalné polovodiče jsou roztavený selen, sulfidové taveniny atd.

elektrolytická disociace.

Když jsou elektrolyty rozpuštěny pod vlivem elektrického pole molekul polární vody, molekuly elektrolytu se rozkládají na ionty.

Rozpad molekul na ionty vlivem elektrického pole polárních molekul vody se nazývá elektrolytická disociace.

Stupeň disociace- podíl molekul v rozpuštěné látce, které se rozpadly na ionty.

Stupeň disociace závisí na teplotě, koncentraci roztoku a elektrických vlastnostech rozpouštědla.

S rostoucí teplotou se zvyšuje stupeň disociace a následně se zvyšuje koncentrace kladně a záporně nabitých iontů.

Ionty různých znaků se při setkání mohou opět spojit do neutrálních molekul.

Za konstantních podmínek se v roztoku ustaví dynamická rovnováha, při které se počet molekul, které se rozpadají na ionty za sekundu, rovná počtu párů iontů, které se za stejnou dobu rekombinují na neutrální molekuly.

Iontové vedení.

Nosiče náboje ve vodných roztocích nebo taveninách elektrolytů jsou kladně a záporně nabité ionty.

Pokud je do elektrického obvodu zahrnuta nádoba s roztokem elektrolytu, začnou se záporné ionty pohybovat směrem ke kladné elektrodě - anodě a kladné - směrem k záporné - katodě. V důsledku toho bude obvodem protékat elektrický proud.

Vodivost vodných roztoků nebo tavenin elektrolytů, kterou provádějí ionty, se nazývá iontová vodivost.

Elektrolýza. S iontovou vodivostí je průchod proudu spojen s přenosem hmoty. Na elektrodách se uvolňují látky, které tvoří elektrolyty. Na anodě záporně nabité ionty darují své elektrony navíc (v chemii se tomu říká oxidativní reakce) a na katodě získávají kladné ionty chybějící elektrony (redukční reakce).

Kapaliny mohou mít také elektronickou vodivost. Takovou vodivost mají například tekuté kovy.

Proces uvolňování látky na elektrodě, spojený s redoxními reakcemi, se nazývá elektrolýza.

Co určuje hmotnost látky uvolněné za daný čas? Je zřejmé, že hmotnost m uvolněné látky je rovna součinu hmotnosti m 0i jednoho iontu počtem N i iontů, které dosáhly elektrody za dobu Δt:

m = m 0i N i. (16.3)

Hmotnost iontu m 0i je:

kde M je molární (neboli atomová) hmotnost látky a N A je Avogadrova konstanta, tj. počet iontů v jednom molu.

Počet iontů dopadajících na elektrodu je

kde Δq = IΔt je náboj prošlý elektrolytem během doby Δt; q 0i je náboj iontu, který je určen valencí n atomu: q 0i \u003d ne (e je elementární náboj). Při disociaci molekul, např. KBr, sestávajícího z jednovazných atomů (n = 1), vznikají ionty K + a Br -. Disociace molekul síranu měďnatého vede ke vzniku dvakrát nabitých iontů Cu 2+ a SO 2- 4 (n ​​= 2). Dosazením výrazů (16.4) a (16.5) do vzorce (16.3) a zohledněním toho, že Δq = IΔt, a q 0i = ne, dostaneme

Faradayův zákon.

Označme k koeficient úměrnosti mezi hmotností látky a nábojem Δq = IΔt procházejícím elektrolytem:

kde F \u003d eN A \u003d 9,65 10 4 C / mol - Faradayova konstanta.

Koeficient k závisí na povaze látky (hodnoty M a n). Podle vzorce (16.6) máme

m = kIΔt. (16.8)

Faradayův zákon elektrolýzy:

Hmotnost látky uvolněné na elektrodě za dobu Δt. při průchodu elektrického proudu, je úměrná síle proudu a času.

Toto tvrzení, získané teoreticky, poprvé experimentálně stanovil Faraday.

Volá se hodnota k ve vzorci (16.8). elektrochemický ekvivalent dané látky a vyjádřené v kilogramů na přívěsek(kg/C).

Ze vzorce (16.8) je vidět, že koeficient k je číselně roven hmotnosti látky uvolněné na elektrodách při přenosu náboje 1 C ionty.

Elektrochemický ekvivalent má jednoduchý fyzikální význam. Protože M / N A \u003d m 0i a en \u003d q 0i, pak podle vzorce (16.7) k \u003d rn 0i / q 0i, tj. k je poměr hmotnosti iontu k jeho náboji.

Měřením hodnot m a Δq lze určit elektrochemické ekvivalenty různých látek.

Platnost Faradayova zákona si můžete ověřit zkušenostmi. Sestavíme instalaci znázorněnou na obrázku (16.25). Všechny tři elektrolytické lázně jsou naplněny stejným roztokem elektrolytu, ale proudy procházející jimi jsou různé. Označme sílu proudů přes I1, I2, I3. Pak I 1 = I 2 + I 3 . Měřením hmotností m 1 , m 2 , m 3 látek uvolněných na elektrodách v různých lázních se lze ujistit, že jsou úměrné odpovídajícím proudům I 1 , I 2, I 3 .

Stanovení náboje elektronu.

Pro stanovení náboje elektronu lze použít vzorec (16.6) pro hmotnost látky uvolněné na elektrodě. Z tohoto vzorce vyplývá, že modul náboje elektronů je roven:

Při znalosti hmotnosti m uvolněné látky při průchodu náboje IΔt, molární hmotnosti M, valenci n atomů a Avogadrově konstantě N A lze zjistit hodnotu modulu náboje elektronu. Ukázalo se, že se rovná e = 1,6 10 -19 C.

Tímto způsobem byla v roce 1874 poprvé získána hodnota elementárního elektrického náboje.

Aplikace elektrolýzy. Elektrolýza je široce používána ve strojírenství pro různé účely. Elektrolyticky pokryjte povrch jednoho kovu tenkou vrstvou jiného ( niklování, chromování, zlacení atd.). Tento odolný povlak chrání povrch před korozí. Pokud je zajištěno dobré odlupování elektrolytického povlaku z povrchu, na kterém je kov nanesen (toho je dosaženo např. nanesením grafitu na povrch), pak lze získat kopii z povrchu reliéfu.

Proces získávání odlupovatelných povlaků - elektrotyp- vyvinul ruský vědec B. S. Jacobi (1801-1874), který v roce 1836 použil tuto metodu na výrobu dutých figurek pro katedrálu svatého Izáka v Petrohradě.

Dříve se v polygrafickém průmyslu získávaly kopie z reliéfního povrchu (stereotypy) z matric (otisk sady na plastovém materiálu), pro které byla na matrice nanesena silná vrstva železa nebo jiné látky. To umožnilo reprodukovat komplet v potřebném počtu kopií.

Elektrolýza odstraňuje nečistoty z kovů. Surová měď získaná z rudy se tedy odlévá ve formě silných plechů, které se pak vkládají do lázně jako anody. Při elektrolýze se anodová měď rozpouští, na dno padají nečistoty obsahující cenné a vzácné kovy a na katodě se usazuje čistá měď.

Hliník se získává z roztaveného bauxitu elektrolýzou. Právě tento způsob získávání hliníku jej učinil levným a spolu se železem nejrozšířenějším v technice i běžném životě.

Pomocí elektrolýzy se získávají elektronické obvodové desky, které slouží jako základ všech elektronických produktů. Na dielektrikum je nalepena tenká měděná deska, na kterou je speciální barvou nanesen složitý vzor spojovacích vodičů. Poté se deska vloží do elektrolytu, kde se vyleptají oblasti měděné vrstvy, které nejsou pokryty barvou. Poté se barva smyje a na desce se objeví detaily mikroobvodu.

Naprosto každý ví, že kapaliny mohou dokonale vést elektrickou energii. A je také známým faktem, že všechny vodiče jsou rozděleny do několika podskupin podle typu. V našem článku navrhujeme zvážit, jak se elektrický proud provádí v kapalinách, kovech a jiných polovodičích, stejně jako zákony elektrolýzy a její typy.

Teorie elektrolýzy

Abychom usnadnili pochopení toho, co je v sázce, navrhujeme začít teorií, že elektřina, pokud považujeme elektrický náboj za druh kapaliny, je známá již více než 200 let. Náboje se skládají z jednotlivých elektronů, ale ty jsou tak malé, že každý velký náboj se chová jako spojitý tok, kapalina.

Stejně jako pevná tělesa mohou být kapalné vodiče tří typů:

• polovodiče (selen, sulfidy a další);
• dielektrika (alkalické roztoky, soli a kyseliny);
• vodiče (řekněme v plazmě).

Proces, při kterém se vlivem elektrického molárního pole rozpouštějí elektrolyty a ionty, se nazývá disociace. Na druhé straně, podíl molekul, které se rozpadly na ionty nebo rozpadlé ionty v rozpuštěné látce, zcela závisí na fyzikálních vlastnostech a teplotě v různých vodičích a taveninách. Nezapomeňte, že ionty se mohou rekombinovat nebo rekombinovat. Pokud se podmínky nezmění, pak bude počet rozpadlých a sjednocených iontů stejně úměrný.

V elektrolytech ionty vedou energii, protože. mohou to být jak kladně nabité částice, tak záporně nabité částice. Během připojení kapaliny (nebo spíše nádoby s kapalinou ke zdroji energie) se částice začnou pohybovat směrem k opačným nábojům (kladné ionty se začnou přitahovat ke katodám a záporné ionty k anodám). V tomto případě je energie transportována přímo ionty, proto se tento typ vedení nazývá iontový.

Při tomto typu vedení je proud přenášen ionty a na elektrodách se uvolňují látky, které jsou složkami elektrolytů. Chemicky řečeno dochází k oxidaci a redukci. Elektrický proud v plynech a kapalinách je tedy transportován pomocí elektrolýzy.

Fyzikální zákony a proud v kapalinách

Elektřina v našich domácnostech a spotřebičích se obvykle nepřenáší v kovových drátech. V kovu se elektrony mohou pohybovat z atomu na atom a nést tak záporný náboj.

Stejně jako kapaliny jsou poháněny ve formě elektrického napětí, známého jako napětí, měřené v jednotkách voltů, podle italského vědce Alessandra Volty.

Video: Elektrický proud v kapalinách: úplná teorie

Také elektrický proud teče z vysokého napětí na nízké napětí a měří se v jednotkách známých jako ampéry, pojmenované po André-Marie Ampère. A podle teorie a vzorce, pokud zvýšíte napětí, pak se úměrně zvýší i jeho síla. Tento vztah je známý jako Ohmův zákon. Jako příklad je níže uvedena charakteristika virtuálního proudu.

Ohmův zákon (s dalšími podrobnostmi o délce a tloušťce drátu) je obvykle jednou z prvních věcí, které se vyučují v hodinách fyziky, a mnoho studentů a učitelů proto považuje elektrický proud v plynech a kapalinách za základní zákon ve fyzice.

Abyste na vlastní oči viděli pohyb nábojů, musíte si připravit baňku se slanou vodou, ploché pravoúhlé elektrody a zdroje energie, dále budete potřebovat ampérmetrovou instalaci, pomocí které bude energie vedena z el. přívod k elektrodám.

Desky, které fungují jako vodiče, musí být spuštěny do kapaliny a zapnuto napětí. Poté začne chaotický pohyb částic, ale stejně jako po objevení se magnetického pole mezi vodiči bude tento proces nařízen.

Jakmile začnou ionty měnit náboje a spojovat se, z anod se stanou katody a z katod se stanou anody. Zde je ale potřeba počítat s elektrickým odporem. Teoretická křivka samozřejmě hraje důležitou roli, ale hlavní vliv má teplota a úroveň disociace (podle toho, jaké jsou zvoleny nosiče), a také volba střídavého nebo stejnosměrného proudu. Po dokončení této experimentální studie si můžete všimnout, že se na pevných tělesech (kovových deskách) vytvořila tenká vrstva soli.

Elektrolýza a vakuum

Elektrický proud ve vakuu a kapalinách je poměrně komplikovaná záležitost. Faktem je, že v takových médiích nejsou žádné náboje v tělech, což znamená, že jde o dielektrikum. Jinými slovy, naším cílem je vytvořit podmínky, aby atom elektronu mohl zahájit svůj pohyb.

Chcete-li to provést, musíte použít modulární zařízení, vodiče a kovové desky a poté postupovat jako ve výše uvedené metodě.

Aplikace elektrolýzy

Tento proces se uplatňuje téměř ve všech oblastech života. I ta nejzákladnější práce někdy vyžaduje zásah elektrického proudu do kapalin, řekněme,

Pomocí tohoto jednoduchého procesu jsou pevná tělesa potažena nejtenčí vrstvou jakéhokoli kovu, například niklováním nebo chromováním. je to jeden z možných způsobů boje proti korozivním procesům. Podobné technologie se používají při výrobě transformátorů, měřičů a dalších elektrických spotřebičů.

Doufáme, že naše zdůvodnění zodpovědělo všechny otázky, které vyvstávají při studiu fenoménu elektrického proudu v kapalinách. Potřebujete-li lepší odpovědi, doporučujeme vám navštívit fórum elektrikářů, kde vám rádi zdarma poradíme.

S ohledem na jejich elektrické vlastnosti jsou kapaliny velmi rozmanité. Roztavené kovy, stejně jako kovy v pevném stavu, mají vysokou elektrickou vodivost spojenou s vysokou koncentrací volných elektronů.

Mnoho kapalin, jako je čistá voda, alkohol, petrolej, jsou dobrými dielektriky, protože jejich molekuly jsou elektricky neutrální a nejsou v nich žádné volné nosiče náboje.

elektrolyty. Zvláštní třídou kapalin jsou tzv. elektrolyty, které zahrnují vodné roztoky anorganických kyselin, solí a zásad, taveniny iontových krystalů apod. Elektrolyty se vyznačují přítomností vysokých koncentrací iontů, které umožňují el. proud procházet. Tyto ionty vznikají při tání a při rozpouštění, kdy se vlivem elektrických polí molekul rozpouštědla rozkládají molekuly rozpuštěné látky na samostatné kladně a záporně nabité ionty. Tento proces se nazývá elektrolytická disociace.

elektrolytická disociace. Stupeň disociace a dané látky, tj. podíl molekul rozpuštěné látky rozložených na ionty, závisí na teplotě, koncentraci roztoku a permitivitě rozpouštědla. S rostoucí teplotou se zvyšuje stupeň disociace. Ionty opačných znamének se mohou rekombinovat a opět sjednotit do neutrálních molekul. Za konstantních vnějších podmínek se v roztoku ustavuje dynamická rovnováha, ve které se procesy rekombinace a disociace vzájemně kompenzují.

Kvalitativně lze závislost stupně disociace a na koncentraci rozpuštěné látky stanovit pomocí následující jednoduché úvahy. Pokud jednotkový objem obsahuje molekuly rozpuštěné látky, pak některé z nich jsou disociované a zbytek disociovaný není. Počet elementárních aktů disociace na jednotku objemu roztoku je úměrný počtu nerozštěpených molekul, a proto se rovná kde A je koeficient závislý na povaze elektrolytu a teplotě. Počet rekombinačních aktů je úměrný počtu srážek odlišných iontů, tj. úměrný počtu těchto i jiných iontů. Proto se rovná kde B je koeficient, který je pro danou látku při určité teplotě konstantní.

Ve stavu dynamické rovnováhy

Poměr nezávisí na koncentraci Je vidět, že čím nižší je koncentrace roztoku, tím blíže je a k jednotě: ve velmi zředěných roztocích jsou téměř všechny molekuly rozpuštěné látky disociovány.

Čím vyšší je dielektrická konstanta rozpouštědla, tím více jsou oslabené iontové vazby v molekulách rozpuštěné látky a tím větší je stupeň disociace. Kyselina chlorovodíková tedy po rozpuštění ve vodě poskytuje elektrolyt s vysokou elektrickou vodivostí, zatímco její roztok v ethyletheru je velmi špatným vodičem elektřiny.

Neobvyklé elektrolyty. Existují také velmi neobvyklé elektrolyty. Elektrolytem je například sklo, což je vysoce podchlazená kapalina s obrovskou viskozitou. Při zahřátí sklo měkne a jeho viskozita se značně snižuje. Sodíkové ionty přítomné ve skle získávají znatelnou pohyblivost a je umožněn průchod elektrického proudu, ačkoli sklo je za běžných teplot dobrým izolantem.

Rýže. 106. Ukázka elektrické vodivosti skla při zahřívání

Názorná demonstrace toho může sloužit jako experiment, jehož schéma je na Obr. 106. Skleněná tyč je připojena k osvětlovací síti přes reostat Zatímco tyč je studená, proud v obvodu je zanedbatelný kvůli vysokému odporu skla. Pokud se tyč zahřeje plynovým hořákem na teplotu 300-400 °C, její odpor klesne na několik desítek ohmů a vlákno žárovky L se zahřeje. Nyní můžete žárovku zkratovat klávesou K. V tomto případě se odpor obvodu sníží a proud se zvýší. Za takových podmínek bude hůl účinně zahřátá elektrickým proudem a zahřátá na jasnou záři, i když je hořák odstraněn.

Iontové vedení. Průchod elektrického proudu v elektrolytu popisuje Ohmův zákon

Elektrický proud v elektrolytu vzniká při libovolně malém použitém napětí.

Nosiče náboje v elektrolytu jsou kladně a záporně nabité ionty. Mechanismus elektrické vodivosti elektrolytů je v mnoha ohledech podobný výše popsanému mechanismu elektrické vodivosti plynů. Hlavní rozdíly jsou způsobeny tím, že v plynech je odpor vůči pohybu nosičů náboje způsoben především jejich srážkami s neutrálními atomy. V elektrolytech je pohyblivost iontů způsobena vnitřním třením - viskozitou - když se pohybují v rozpouštědle.

Se stoupající teplotou se zvyšuje vodivost elektrolytů, na rozdíl od kovů. To je způsobeno tím, že se zvyšující se teplotou se zvyšuje stupeň disociace a snižuje se viskozita.

Na rozdíl od elektronické vodivosti, která je charakteristická pro kovy a polovodiče, kde průchod elektrického proudu není doprovázen žádnou změnou chemického složení látky, je iontová vodivost spojena s přenosem hmoty.

a uvolňování látek, které jsou součástí elektrolytů na elektrodách. Tento proces se nazývá elektrolýza.

Elektrolýza. Když se látka uvolní na elektrodě, koncentrace odpovídajících iontů v oblasti elektrolytu přiléhající k elektrodě klesá. Je zde tedy narušena dynamická rovnováha mezi disociací a rekombinací: právě zde dochází k rozkladu látky v důsledku elektrolýzy.

Elektrolýza byla poprvé pozorována při rozkladu vody proudem z voltaického sloupce. O několik let později objevil slavný chemik G. Davy sodík, který jej oddělil elektrolýzou od louhu sodného. Kvantitativní zákony elektrolýzy experimentálně stanovil M. Faraday v roce Je snadné je zdůvodnit na základě mechanismu jevu elektrolýzy.

Faradayovy zákony. Každý iont má elektrický náboj, který je násobkem elementárního náboje e. Jinými slovy, náboj iontu je , kde je celé číslo rovné valenci odpovídajícího chemického prvku nebo sloučeniny. Nechte ionty uvolňovat při průchodu proudu elektrodou. Jejich absolutní náboj je roven kladné ionty se dostanou ke katodě a jejich náboj je neutralizován elektrony proudícími ke katodě dráty ze zdroje proudu. Záporné ionty se přiblíží k anodě a stejný počet elektronů projde dráty ke zdroji proudu. V tomto případě náboj prochází uzavřeným elektrickým obvodem

Označme hmotností látky uvolněné na jedné z elektrod a hmotností iontu (atomu nebo molekuly). Je zřejmé, že tedy vynásobením čitatele a jmenovatele tohoto zlomku Avogadrovou konstantou dostaneme

kde je atomová nebo molární hmotnost, Faradayova konstanta, daná vztahem

Z (4) je vidět, že Faradayova konstanta má význam „jeden mol elektřiny“, tj. je to celkový elektrický náboj jednoho molu elementárních nábojů:

Vzorec (3) obsahuje oba Faradayovy zákony. Říká, že hmotnost látky uvolněné během elektrolýzy je úměrná náboji procházejícímu obvodem (první Faradayův zákon):

Koeficient se nazývá elektrochemický ekvivalent dané látky a vyjadřuje se jako

kilogramů na přívěsek Má význam převrácené hodnoty specifického náboje iontu.

Elektrochemický ekvivalent k je úměrný chemickému ekvivalentu látky (druhý Faradayův zákon).

Faradayovy zákony a elementární náboj. Protože v době Faradaye ještě neexistoval koncept atomové povahy elektřiny, experimentální objev zákonů elektrolýzy nebyl zdaleka triviální. Naopak, byly to Faradayovy zákony, které v podstatě posloužily jako první experimentální důkaz platnosti těchto myšlenek.

Experimentální měření Faradayovy konstanty umožnilo poprvé získat numerický odhad hodnoty elementárního náboje dlouho před přímým měřením elementárního elektrického náboje v Millikanových experimentech s kapkami oleje. Je pozoruhodné, že myšlenka atomové struktury elektřiny získala jednoznačné experimentální potvrzení v experimentech s elektrolýzou prováděných ve 30. letech 19. vědci. Ve slavné řeči přednesené Královské společnosti a věnované památce Faradaye, Helmholtz komentoval tuto okolnost takto:

"Pokud připustíme existenci atomů chemických prvků, pak se nemůžeme vyhnout dalšímu závěru, že elektřina, pozitivní i negativní, se dělí na určité elementární veličiny, které se chovají jako atomy elektřiny."

Chemické zdroje proudu. Pokud je jakýkoli kov, například zinek, ponořen do vody, pak určité množství kladných iontů zinku pod vlivem polárních molekul vody začne přecházet z povrchové vrstvy kovové krystalové mřížky do vody. V důsledku toho bude zinek nabitý záporně a voda kladně. Na rozhraní mezi kovem a vodou se vytvoří tenká vrstva, nazývaná elektrická dvojvrstva; je v něm silné elektrické pole, jehož intenzita směřuje od vody ke kovu. Toto pole brání dalšímu přechodu iontů zinku do vody a v důsledku toho vzniká dynamická rovnováha, ve které se průměrný počet iontů přicházejících z kovu do vody rovná počtu iontů vracejících se z vody do kovu. .

Dynamická rovnováha bude rovněž ustavena, pokud je kov ponořen do vodného roztoku soli stejného kovu, například zinku v roztoku síranu zinečnatého. V roztoku se sůl disociuje na ionty.Výsledné ionty zinku se neliší od iontů zinku, které vstupují do roztoku z elektrody. Zvýšení koncentrace iontů zinku v elektrolytu usnadňuje přechod těchto iontů do kovu z roztoku a znesnadňuje

přechod od kovu k roztoku. Proto je v roztoku síranu zinečnatého ponořená zinková elektroda, i když je nabitá záporně, slabší než v čisté vodě.

Když je kov ponořen do roztoku, kov není vždy záporně nabitý. Pokud je například měděná elektroda ponořena do roztoku síranu měďnatého, začnou se z roztoku na elektrodě srážet ionty, které ji pozitivně nabijí. Síla pole v elektrické dvojvrstvě v tomto případě směřuje z mědi do roztoku.

Když je tedy kov ponořen do vody nebo do vodného roztoku obsahujícího ionty stejného kovu, vzniká na rozhraní mezi kovem a roztokem potenciálový rozdíl. Znaménko a velikost tohoto potenciálového rozdílu závisí na druhu kovu (měď, zinek atd.) na koncentraci iontů v roztoku a je téměř nezávislá na teplotě a tlaku.

Dvě elektrody vyrobené z různých kovů, ponořené do elektrolytu, tvoří galvanický článek. Například v prvku Volta jsou zinkové a měděné elektrody ponořeny do vodného roztoku kyseliny sírové. V prvním okamžiku roztok neobsahuje ionty zinku ani ionty mědi. Později však tyto ionty vstupují do roztoku z elektrod a dochází k dynamické rovnováze. Dokud nejsou elektrody vzájemně spojeny drátem, je potenciál elektrolytu ve všech bodech stejný a potenciály elektrod se liší od potenciálu elektrolytu v důsledku tvorby dvojitých vrstev na jejich hranici s elektrolytem. V tomto případě je elektrodový potenciál zinku -0,763 V a mědi Elektromotorická síla Voltova prvku, který je tvořen těmito potenciálovými skoky, bude rovna

Proud v obvodu s galvanickým článkem. Pokud jsou elektrody galvanického článku spojeny drátem, pak elektrony projdou tímto drátem od záporné elektrody (zinek) ke kladné elektrodě (měď), což naruší dynamickou rovnováhu mezi elektrodami a elektrolytem, ​​ve kterém se nacházejí. jsou ponořeny. Zinkové ionty se začnou pohybovat z elektrody do roztoku, aby se udržela elektrická dvojvrstva v jejím předchozím stavu s konstantním potenciálovým skokem mezi elektrodou a elektrolytem. Podobně na měděné elektrodě se ionty mědi začnou pohybovat z roztoku a ukládat se na elektrodě. V tomto případě se v blízkosti záporné elektrody tvoří nedostatek iontů a v blízkosti kladné elektrody se tvoří přebytek takových iontů. Celkový počet iontů v roztoku se nezmění.

V důsledku popsaných procesů bude v uzavřeném obvodu udržován elektrický proud, který vzniká ve spojovacím vodiči pohybem elektronů a v elektrolytu ionty. Při průchodu elektrického proudu se zinková elektroda postupně rozpouští a na kladnou (měděnou) elektrodu se ukládá měď.

elektroda. Na zinkové elektrodě se koncentrace iontů zvyšuje a na měděné klesá.

Potenciál v obvodu s galvanickým článkem. Popsaný obrázek průchodu elektrického proudu v nehomogenním uzavřeném obvodu obsahujícím chemický prvek odpovídá rozložení potenciálu podél obvodu, schematicky znázorněnému na Obr. 107. Ve vnějším obvodu, tj. ve vodiči spojujícím elektrody, potenciál postupně klesá z hodnoty na kladné (měděné) elektrodě A na hodnotu na záporné (zinkové) elektrodě B v souladu s Ohmovým zákonem pro a homogenní vodič. Ve vnitřním obvodu, tj. v elektrolytu mezi elektrodami, se potenciál postupně snižuje z hodnoty v blízkosti zinkové elektrody na hodnotu v blízkosti elektrody měděné. Pokud ve vnějším obvodu proud teče z měděné elektrody na zinkovou elektrodu, pak uvnitř elektrolytu - ze zinku na měď. Potenciální skoky v elektrických dvojvrstvách vznikají v důsledku působení vnějších (v tomto případě chemických) sil. K pohybu elektrických nábojů ve dvojitých vrstvách vlivem vnějších sil dochází proti směru působení elektrických sil.

Rýže. 107. Potenciální distribuce podél řetězce obsahujícího chemický prvek

Šikmé úseky potenciální změny na Obr. 107 odpovídají elektrickému odporu vnější a vnitřní části uzavřeného obvodu. Celkový úbytek potenciálu podél těchto úseků je roven součtu potenciálových skoků ve dvojitých vrstvách, tj. elektromotorické síle prvku.

Průchod elektrického proudu v galvanickém článku je komplikován vedlejšími produkty uvolňovanými na elektrodách a výskytem poklesu koncentrace v elektrolytu. Tyto jevy se označují jako elektrolytická polarizace. Například u prvků Volta, když je obvod uzavřen, kladné ionty se pohybují směrem k měděné elektrodě a ukládají se na ní. Výsledkem je, že po nějaké době je měděná elektroda jakoby nahrazena vodíkovou. Protože elektrodový potenciál vodíku je o 0,337 V nižší než elektrodový potenciál mědi, EMF prvku se sníží přibližně o stejnou hodnotu. Vodík uvolňovaný na měděné elektrodě navíc zvyšuje vnitřní odpor prvku.

Ke snížení škodlivých účinků vodíku se používají depolarizátory – různá oxidační činidla. Například v nejběžnějším prvku Leklanshe ("suché" baterie)

kladná elektroda je grafitová tyč obklopená stlačenou hmotou peroxidu manganu a grafitu.

Baterie. Prakticky důležitou odrůdou galvanických článků jsou baterie, u kterých je po vybití možný proces zpětného nabíjení s přeměnou elektrické energie na energii chemickou. Látky spotřebované při příjmu elektrického proudu se uvnitř baterie obnovují elektrolýzou.

Je vidět, že při nabíjení baterie se zvyšuje koncentrace kyseliny sírové, což vede ke zvýšení hustoty elektrolytu.

Během nabíjecího procesu tak vzniká ostrá asymetrie elektrod: jedna se stává olovem, druhá z peroxidu olova. Nabitá baterie je galvanický článek schopný sloužit jako zdroj proudu.

Při připojení spotřebičů elektrické energie k baterii bude obvodem protékat elektrický proud, jehož směr je opačný než nabíjecí proud. Chemické reakce probíhají v opačném směru a baterie se vrací do původního stavu. Obě elektrody budou pokryty vrstvou soli a koncentrace kyseliny sírové se vrátí na původní hodnotu.

Nabitá baterie má EMF přibližně 2,2 V. Při vybíjení klesne na 1,85 V. Další vybíjení se nedoporučuje, protože tvorba síranu olovnatého je nevratná a baterie se zhoršuje.

Maximální nabití baterie při vybíjení se nazývá její kapacita. Typická kapacita baterie

měřeno v ampérhodinách. Je tím větší, čím větší je povrch desek.

aplikace elektrolýzy. Elektrolýza se používá v metalurgii. Nejběžnější elektrolytická výroba hliníku a čisté mědi. Pomocí elektrolýzy je možné vytvořit tenké vrstvy některých látek na povrchu jiných za účelem získání dekorativních a ochranných povlaků (niklování, chromování). Proces získávání odlupovatelných povlaků (galvanoplastika) vyvinul ruský vědec B. S. Yakobi, který jej aplikoval na výrobu dutých soch, které zdobí katedrálu svatého Izáka v Petrohradě.

Jaký je rozdíl mezi fyzikálním mechanismem elektrické vodivosti v kovech a elektrolytech?

Vysvětlete, proč závisí stupeň disociace dané látky na permitivitě rozpouštědla.

Vysvětlete, proč ve vysoce zředěných roztocích elektrolytů jsou téměř všechny molekuly rozpuštěných látek disociovány.

Vysvětlete, jak je mechanismus elektrické vodivosti elektrolytů podobný mechanismu elektrické vodivosti plynů. Proč je za konstantních vnějších podmínek elektrický proud úměrný použitému napětí?

Jakou roli hraje zákon zachování elektrického náboje při odvození zákona elektrolýzy (3)?

Vysvětlete vztah mezi elektrochemickým ekvivalentem látky a specifickým nábojem jejích iontů.

Jak lze experimentálně určit poměr elektrochemických ekvivalentů různých látek, pokud existuje několik elektrolytických lázní, ale neexistují žádné přístroje pro měření síly proudu?

Jak lze fenomén elektrolýzy využít k vytvoření měřiče spotřeby elektřiny ve stejnosměrné síti?

Proč lze Faradayovy zákony považovat za experimentální důkaz myšlenek o atomové povaze elektřiny?

K jakým procesům dochází, když jsou kovové elektrody ponořeny do vody a do elektrolytu obsahujícího ionty těchto kovů?

Popište procesy probíhající v elektrolytu v blízkosti elektrod galvanického článku při průchodu proudu.

Proč se kladné ionty uvnitř galvanického článku pohybují ze záporné (zinkové) elektrody na kladnou (měděnou) elektrodu? Jak vzniká v obvodu rozložení potenciálu, které způsobuje, že se ionty pohybují tímto způsobem?

Proč lze stupeň nabití kyselinové baterie kontrolovat pomocí hustoměru, tedy přístroje na měření hustoty kapaliny?

Jaký je zásadní rozdíl mezi procesy v bateriích a procesy v „suchých“ bateriích?

Jakou část elektrické energie vynaložené v procesu nabíjení baterie c lze použít při jejím vybíjení, pokud během procesu nabíjení baterie bylo udržováno napětí na jejích svorkách

Reportáž na téma:

Elektřina

v kapalinách

(elektrolyty)

Elektrolýza

Faradayovy zákony

elementární elektrický náboj

žáků 8 čt třída « B »

L oginova M árie A ndreevny

Moskva 2003

Škola č. 91

Úvod

Mnoho věcí v našem životě souvisí s elektrickou vodivostí roztoků solí ve vodě (elektrolytů). Od prvního úderu srdce („živá“ elektřina v lidském těle, což je z 80 % voda) až po auta na ulici, přehrávače a mobilní telefony (nedílnou součástí těchto zařízení jsou „baterie“ – elektrochemické baterie a různé baterie – z olova -kyselina v autech až po polymer lithia v nejdražších mobilních telefonech). V obrovských kádích kouřících jedovatými výpary se hliník získává elektrolýzou z bauxitu roztaveného při obrovské teplotě – „okřídleného“ kovu pro letadla a plechovek pro Fantu. Všechno kolem – od chromované mřížky chladiče cizího auta až po postříbřenou náušnici v uchu – se někdy setkalo s roztokem nebo roztavenou solí, potažmo s elektrickým proudem v kapalinách. Není divu, že tento jev studuje celá věda – elektrochemie. Nás ale nyní více zajímají fyzikální základy tohoto jevu.

elektrický proud v roztoku. elektrolyty

Z hodin fyziky v 8. ročníku víme, že náboj ve vodičích (kovech) nesou záporně nabité elektrony.

Uspořádaný pohyb nabitých částic se nazývá elektrický proud.

Ale pokud sestavíme zařízení (s grafitovými elektrodami):

pak se ujistíme, že se ručička ampérmetru vychýlí - roztokem protéká proud! Jaké jsou nabité částice v roztoku?

Již v roce 1877 švédský vědec Svante Arrhenius, zkoumající elektrickou vodivost roztoků různých látek, dospěl k závěru, že je způsobena ionty, které vznikají, když se sůl rozpouští ve vodě. Při rozpuštění ve vodě se molekula CuSO 4 rozloží (disociuje) na dva různě nabité ionty - Cu 2+ a SO 4 2-. Zjednodušeně lze probíhající procesy odrazit v následujícím vzorci:

CuSO 4 ÞCu 2+ +SO 4 2-

Vedení elektrického proudu roztoky solí, zásad, kyselin.

Látky, jejichž roztoky vedou elektrický proud, se nazývají elektrolyty.

Roztoky cukru, alkoholu, glukózy a některých dalších látek nevedou elektrický proud.

Látky, jejichž roztoky nevedou elektrický proud, se nazývají neelektrolyty.

Elektrolytická disociace

Proces rozkladu elektrolytu na ionty se nazývá elektrolytická disociace.

S. Arrhenius, který se držel fyzikální teorie roztoků, nebral v úvahu interakci elektrolytu s vodou a domníval se, že v roztocích jsou přítomny volné ionty. Naproti tomu ruští chemici I. A. Kablukov a V. A. Kistyakovskij aplikovali chemickou teorii D. I. Mendělejeva k vysvětlení elektrolytické disociace a dokázali, že při rozpuštění elektrolytu dochází k chemické interakci rozpuštěné látky s vodou, která vede ke vzniku hydrátů, hydrátů. a poté disociují na ionty. Věřili, že v roztocích nejsou volné, nikoli „holé“ ionty, ale hydratované, tedy „oblečené do kožichu“ molekul vody. Proto k disociaci molekul elektrolytu dochází v následujícím pořadí:

a) orientace molekul vody kolem pólů molekuly elektrolytu

b) hydratace molekuly elektrolytu

c) jeho ionizace

d) jeho rozpad na hydratované ionty

Ve vztahu ke stupni elektrolytické disociace se elektrolyty dělí na silné a slabé.

- Silné elektrolyty- ty, které po rozpuštění téměř úplně disociují.

Jejich hodnota stupně disociace směřuje k jednotě.

- Slabé elektrolyty- takové, které po rozpuštění téměř nedisociují. Jejich stupeň disociace má tendenci k nule.

Z toho usuzujeme, že nositeli elektrického náboje (nosiče elektrického proudu) v roztocích elektrolytů nejsou elektrony, ale kladně a záporně nabité hydratované ionty .

Teplotní závislost odporu elektrolytu

Když teplota stoupá usnadňuje se proces disociace, zvyšuje se pohyblivost iontů a klesá odpor elektrolytu .

katoda a anoda. Kationty a anionty

Ale co se stane s ionty pod vlivem elektrického proudu?

Vraťme se k našemu zařízení:

V roztoku se CuSO 4 disocioval na ionty - Cu 2+ a SO 4 2-. kladně nabitý iont Cu2+ (kation) přitahován k záporně nabité elektrodě katoda, kde přijímá chybějící elektrony a je redukován na kovovou měď - jednoduchou látku. Pokud po průchodu proudovým roztokem odstraníte katodu ze zařízení, je snadné si všimnout červeno-červeného povlaku - jedná se o kovovou měď.

Faradayův první zákon

Můžeme zjistit, kolik mědi se uvolnilo? Zvážením katody před a po experimentu lze přesně určit hmotnost naneseného kovu. Měření ukazují, že hmotnost látky uvolněné na elektrodách závisí na síle proudu a době elektrolýzy:

kde K je faktor proporcionality, nazývaný také elektrochemický ekvivalent .

V důsledku toho je hmotnost uvolňované látky přímo úměrná síle proudu a době elektrolýzy. Ale proud v čase (podle vzorce):

je tam poplatek.

Tak, hmotnost látky uvolněné na elektrodě je úměrná náboji nebo množství elektřiny, která prošla elektrolytem.

M = K'q

Tento zákon experimentálně objevil v roce 1843 anglický vědec Michael Faraday a je tzv Faradayův první zákon .

Druhý Faradayův zákon

A co je elektrochemický ekvivalent a na čem závisí? I na tuto otázku odpověděl Michael Faraday.

Na základě četných experimentů dospěl k závěru, že tato hodnota je charakteristická pro každou látku. Takže například při elektrolýze roztoku lapisu (dusičnanu stříbrného AgNO 3) uvolní 1 přívěsek 1,1180 mg stříbra; přesně stejné množství stříbra se uvolní při elektrolýze s nábojem 1 přívěsku libovolné stříbrné soli. Při elektrolýze soli jiného kovu uvolňuje 1 přívěsek jiné množství tohoto kovu. Tím pádem , elektrochemický ekvivalent látky je hmotnost této látky uvolněná při elektrolýze 1 coulomb elektřiny protékající roztokem . Zde jsou jeho hodnoty pro některé látky:

Z tabulky vidíme, že elektrochemické ekvivalenty různých látek se od sebe výrazně liší. Na jakých vlastnostech látky závisí hodnota jejího elektrochemického ekvivalentu? Odpověď na tuto otázku je Druhý Faradayův zákon :

Elektrochemické ekvivalenty různých látek jsou úměrné jejich atomovým hmotnostem a nepřímo úměrné číslům vyjadřujícím jejich chemickou mocnost.

n - valence

A - atomová hmotnost

- se nazývá chemický ekvivalent této látky

- koeficient úměrnosti, který je již univerzální konstantou, to znamená, že má pro všechny látky stejnou hodnotu. Pokud změříme elektrochemický ekvivalent v g/k, pak zjistíme, že se rovná 1,037´10 -5 g/k.

Spojením prvního a druhého Faradayova zákona dostaneme:

Tento vzorec má jednoduchý fyzikální význam: F se číselně rovná náboji, který musí projít jakýmkoli elektrolytem, ​​aby se na elektrodách uvolnila látka v množství rovném jednomu chemickému ekvivalentu. F se nazývá Faradayovo číslo a rovná se 96400 kg/g.

Krtek a počet molekul v něm. Avogadroovo číslo

Z kurzu chemie v 8. třídě víme, že k měření množství látek účastnících se chemických reakcí byla vybrána speciální jednotka, krtek. Chcete-li změřit jeden mol látky, musíte vzít tolik gramů, kolik je její relativní molekulová hmotnost.

Například 1 mol vody (H 2 O) se rovná 18 gramům (1 + 1 + 16 = 18), mol kyslíku (O 2) je 32 gramů a mol železa (Fe) je 56 gramů. Co je však pro nás obzvláště důležité, bylo zjištěno, že 1 mol jakékoli látky je vždy obsahuje stejný počet molekul .

Mol je množství látky, které obsahuje 6 ´ 10 23 molekul této látky.

Na počest italského vědce A. Avogadra bylo toto číslo ( N) je nazýván konstantní Avogadro nebo Avogadroovo číslo .

Ze vzorce z toho vyplývá, že pokud q=F, pak . To znamená, že když elektrolytem projde náboj o velikosti 96400 coulombů, uvolní se gramy jakékoli látky. Jinými slovy, aby se uvolnil jeden mol monovalentní látky, musí elektrolytem proudit náboj q=F přívěsky. Ale víme, že každý mol látky obsahuje stejný počet jejích molekul - N=6x1023. To nám umožňuje vypočítat náboj jednoho iontu jednomocné látky - elementární elektrický náboj - náboj jednoho (!) elektronu:

Aplikace elektrolýzy

Elektrolytická metoda získávání čistých kovů (rafinace, rafinace). Elektrolýza doprovázená rozpouštěním anody

Dobrým příkladem je elektrolytická rafinace (rafinace) mědi. Měď získaná přímo z rudy je odlévána ve formě desek a umístěna jako anoda do roztoku CuSO 4 . Volbou napětí na elektrodách lázně (0,20-0,25V) lze zajistit, aby se na katodu uvolňovala pouze kovová měď. V tomto případě cizí nečistoty buď přecházejí do roztoku (bez srážení na katodě), nebo padají na dno lázně ve formě sraženiny („anodový kal“). Kationty anodové látky se spojují s aniontem SO 4 2- a na katodě se při tomto napětí uvolňuje pouze kovová měď. Anoda se jakoby „rozpustí“. Takové čištění umožňuje dosáhnout čistoty 99,99 % („čtyři devítky“). Obdobným způsobem (rafinace) se čistí i drahé kovy (zlato Au, stříbro Ag).

V současné době se veškerý hliník (Al) těží elektrolyticky (z roztaveného bauxitu).

Galvanické pokovování

Galvanické pokovování - obor aplikovaná elektrochemie, který se zabývá procesy nanášení kovových povlaků na povrch kovových i nekovových výrobků při průchodu stejnosměrného elektrického proudu roztoky jejich solí. Galvanizace se dělí na galvanické pokovování a galvanické pokovování .

Elektrolýzou je možné pokrýt kovové předměty vrstvou jiného kovu. Tento proces se nazývá galvanické pokovování. Zvláštní technický význam mají povlaky s kovy, které se obtížně oxidují, zejména niklem a chromováním, jakož i stříbrem a zlatem, které se často používají k ochraně kovů před korozí. Pro získání požadovaných povlaků se předmět důkladně očistí, dobře odmastí a umístí jako katoda do elektrolytické lázně obsahující sůl kovu, kterou chtějí předmět pokrýt. Pro rovnoměrnější povlak je užitečné použít dvě desky jako anodu a umístit mezi ně předmět.

Také pomocí elektrolýzy je možné předměty nejen pokrýt vrstvou toho či onoho kovu, ale zhotovit i jejich reliéfní kovové kopie (například mince, medaile). Tento proces vynalezl ruský fyzik a elektrotechnik, člen Ruské akademie věd Boris Semenovič Jacobi (1801-1874) ve čtyřicátých letech 19. století a je tzv. galvanické pokovování . K vytvoření reliéfní kopie předmětu se nejprve vytvoří otisk z nějakého plastového materiálu, jako je vosk. Tento otisk je přetřen grafitem a ponořen do elektrolytické lázně jako katoda, kde je na něm uložena vrstva kovu. Toho se využívá v polygrafickém průmyslu při výrobě tiskových forem.

Kromě výše uvedeného našla elektrolýza uplatnění v dalších oblastech:

Získávání oxidových ochranných filmů na kovech (eloxování);

Elektrochemická povrchová úprava kovového výrobku (leštění);

Elektrochemické barvení kovů (například mědi, mosazi, zinku, chrómu atd.);

Čištění vody je odstranění rozpustných nečistot z ní. Výsledkem je tzv. měkká voda (přibližující se svými vlastnostmi destilované vodě);

Elektrochemické ostření řezných nástrojů (např. chirurgických nožů, žiletek apod.).

Seznam použité literatury:

1. Gurevič A. E. „Fyzika. elektromagnetické jevy. Stupeň 8, Moskva, nakladatelství Drofa. 1999

2. Gabrielyan O. S. „Chemie. Stupeň 8, Moskva, nakladatelství Drofa. 1997

3. "Základní učebnice fyziky zpracována akademikem G. S. Landsbergem - II. díl - elektřina a magnetismus." Moskva, Nauka, 1972.

4. Eric M. Rogers. „Fyzika pro zvídavou mysl (metody, povaha a filozofie fyzikální vědy)“. "Prinseton University Press" 1966. Svazek III - elektřina a magnetismus. Překlad Moskva, "Mir" 1971.

5. A. N. Remizov „Kurz fyziky, elektroniky a kybernetiky pro lékařské ústavy“. Moskva, "Vysoká škola" 1982.

Kapaliny, stejně jako jakékoli jiné látky, mohou být vodiče, polovodiče a dielektrika. Například destilovaná voda bude dielektrikem a roztoky elektrolytů a taveniny budou vodiči. Polovodiče budou například roztavený selen nebo sulfidové taveniny.

Iontové vedení

Elektrolytická disociace je proces rozpadu molekul elektrolytu na ionty pod vlivem elektrického pole polárních molekul vody. Stupeň disociace je podíl molekul rozložených na ionty v rozpuštěné látce.

Stupeň disociace bude záviset na různých faktorech: teplotě, koncentraci roztoku, vlastnostech rozpouštědla. S rostoucí teplotou se bude zvyšovat i stupeň disociace.

Poté, co jsou molekuly rozděleny na ionty, pohybují se náhodně. V tomto případě se mohou dva ionty různých znaků rekombinovat, tedy opět spojit do neutrálních molekul. Při absenci vnějších změn v řešení by měla být nastolena dynamická rovnováha. S ním se počet molekul, které se za jednotku času rozpadly na ionty, bude rovnat počtu molekul, které se opět spojí.

Nosiče náboje ve vodných roztocích a taveninách elektrolytů budou ionty. Pokud je v okruhu zahrnuta nádoba s roztokem nebo taveninou, začnou se kladně nabité ionty pohybovat směrem ke katodě a záporné - směrem k anodě. V důsledku tohoto pohybu vznikne elektrický proud. Tento typ vedení se nazývá iontové vedení.

Kromě iontové vodivosti v kapalinách může mít také elektronovou vodivost. Tento typ vodivosti je charakteristický například pro tekuté kovy. Jak bylo uvedeno výše, při iontovém vedení je průchod proudu spojen s přenosem hmoty.

Elektrolýza

Na elektrodách se budou usazovat látky, které jsou součástí elektrolytů. Tento proces se nazývá elektrolýza. Elektrolýza je proces uvolňování látky na elektrodě, spojený s redoxními reakcemi.

Elektrolýza našla široké uplatnění ve fyzice a technice. Pomocí elektrolýzy je povrch jednoho kovu pokryt tenkou vrstvou jiného kovu. Například chromování a niklování.

Pomocí elektrolýzy můžete získat kopii z reliéfního povrchu. K tomu je nutné, aby kovová vrstva, která se usadí na povrchu elektrody, mohla být snadno odstraněna. K tomu se někdy na povrch nanáší grafit.

Proces získání takových snadno odlupovatelných povlaků se nazývá galvanické pokovování. Tuto metodu vyvinul ruský vědec Boris Jacobi při výrobě dutých figurek pro katedrálu svatého Izáka v Petrohradě.