Elektrischer Strom in Flüssigkeiten. Bewegung von Ladungen, Anionen und Kationen. Elektrischer Strom in Flüssigkeiten - Theorie, Elektrolyse Mechanismus des Stromflusses in Flüssigkeiten

« Physik - 10. Klasse"

Was sind die Träger des elektrischen Stroms im Vakuum?
Was ist die Natur ihrer Bewegung?

Flüssigkeiten können wie Feststoffe Dielektrika, Leiter und Halbleiter sein. Zu den Dielektrika zählen destilliertes Wasser, zu den Leitern Lösungen und Schmelzen von Elektrolyten: Säuren, Laugen und Salze. Flüssige Halbleiter sind geschmolzenes Selen, geschmolzene Sulfide usw.

Elektrolytische Dissoziation.

Wenn sich Elektrolyte unter dem Einfluss des elektrischen Feldes polarer Wassermoleküle auflösen, zerfallen die Elektrolytmoleküle in Ionen.

Als polare Wassermoleküle bezeichnet man den Zerfall von Molekülen in Ionen unter dem Einfluss des elektrischen Feldes elektrolytische Dissoziation.

Grad der Dissoziation- der Anteil der Moleküle in einer gelösten Substanz, die in Ionen zerfallen sind.

Der Dissoziationsgrad hängt von der Temperatur, der Lösungskonzentration und den elektrischen Eigenschaften des Lösungsmittels ab.

Mit steigender Temperatur nimmt der Dissoziationsgrad zu und damit auch die Konzentration positiv und negativ geladener Ionen.

Treffen Ionen unterschiedlichen Vorzeichens aufeinander, können sie sich wieder zu neutralen Molekülen verbinden.

Unter konstanten Bedingungen stellt sich in der Lösung ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei dem die Anzahl der Moleküle, die pro Sekunde in Ionen zerfallen, gleich der Anzahl der Ionenpaare ist, die sich gleichzeitig zu neutralen Molekülen rekombinieren.

Ionenleitfähigkeit.

Ladungsträger in wässrigen Lösungen oder Schmelzen von Elektrolyten sind positiv und negativ geladene Ionen.

Wenn ein Gefäß mit einer Elektrolytlösung an einen Stromkreis angeschlossen wird, beginnen negative Ionen, sich zur positiven Elektrode – der Anode – und positive Ionen – zur negativen – der Kathode – zu bewegen. Dadurch fließt ein elektrischer Strom durch den Stromkreis.

Als Leitfähigkeit von wässrigen Lösungen oder Schmelzen wird die Leitfähigkeit von Elektrolyten bezeichnet, die durch Ionen erfolgt Ionenleitfähigkeit.

Elektrolyse. Bei der Ionenleitung ist der Stromdurchgang mit der Übertragung von Materie verbunden. An den Elektroden werden Stoffe freigesetzt, aus denen die Elektrolyte bestehen. An der Anode geben negativ geladene Ionen ihre zusätzlichen Elektronen ab (in der Chemie spricht man von einer Oxidationsreaktion), und an der Kathode erhalten positive Ionen die fehlenden Elektronen (eine Reduktionsreaktion).

Flüssigkeiten können auch elektronische Leitfähigkeit aufweisen. Eine solche Leitfähigkeit besitzen beispielsweise flüssige Metalle.

Als Redoxreaktionen wird der Vorgang der Freisetzung eines Stoffes an der Elektrode bezeichnet Elektrolyse.

Was bestimmt die über einen bestimmten Zeitraum freigesetzte Masse eines Stoffes? Es ist offensichtlich, dass die Masse m der freigesetzten Substanz gleich dem Produkt der Masse m 0i eines Ions und der Anzahl N i der Ionen ist, die während der Zeit Δt die Elektrode erreicht haben:

m = m 0i N i . (16.3)

Die Masse des Ions m 0i ist gleich:

Dabei ist M die molare (oder atomare) Masse der Substanz und N A die Avogadro-Konstante, d. h. die Anzahl der Ionen in einem Mol.

Die Anzahl der Ionen, die die Elektrode erreichen, ist gleich

wobei Δq = IΔt die während der Zeit Δt durch den Elektrolyten geleitete Ladung ist; q 0i ist die Ladung des Ions, die durch die Wertigkeit n des Atoms bestimmt wird: q 0i = ne (e ist die Elementarladung). Bei der Dissoziation von Molekülen, beispielsweise KBr, bestehend aus einwertigen Atomen (n = 1), entstehen K+- und Br--Ionen. Die Dissoziation von Kupfersulfatmolekülen führt zum Auftreten doppelt geladener Cu 2+- und SO 2- 4-Ionen (n ​​= 2). Wenn wir die Ausdrücke (16.4) und (16.5) in die Formel (16.3) einsetzen und berücksichtigen, dass Δq = IΔt, a q 0i = ne, erhalten wir

Faradaysches Gesetz.

Bezeichnen wir mit k den Proportionalitätskoeffizienten zwischen der Masse m des Stoffes und der durch den Elektrolyten fließenden Ladung Δq = IΔt:

wobei F = eN A = 9,65 · 10 4 C/mol - Faradaysche Konstante.

Der Koeffizient k hängt von der Art des Stoffes ab (Werte von M und n). Nach Formel (16.6) gilt

m = kIΔt. (16.8)

Faradaysches Gesetz der Elektrolyse:

Die während der Zeit Δt an der Elektrode freigesetzte Masse des Stoffes. Wenn ein elektrischer Strom fließt, ist er proportional zur Stromstärke und -zeit.

Diese theoretisch gewonnene Aussage wurde erstmals von Faraday experimentell nachgewiesen.

Die Größe k in Formel (16.8) heißt elektrochemisches Äquivalent dieses Stoffes und wird ausgedrückt in Kilogramm pro Anhänger(kg/Cl).

Aus Formel (16.8) geht hervor, dass der Koeffizient k numerisch gleich der Masse der an den Elektroden freigesetzten Substanz ist, wenn die Ionen eine Ladung von 1 C übertragen.

Das elektrochemische Äquivalent hat eine einfache physikalische Bedeutung. Da M/N A = m 0i und еn = q 0i ist, gilt gemäß Formel (16.7) k = rn 0i /q 0i, d. h. k ist das Verhältnis der Masse des Ions zu seiner Ladung.

Durch die Messung der Werte von m und Δq ist es möglich, die elektrochemischen Äquivalente verschiedener Stoffe zu bestimmen.

Sie können die Gültigkeit des Faradayschen Gesetzes experimentell überprüfen. Lassen Sie uns die in Abbildung (16.25) gezeigte Installation zusammenbauen. Alle drei Elektrolytbäder sind mit der gleichen Elektrolytlösung gefüllt, die durch sie fließenden Ströme sind jedoch unterschiedlich. Bezeichnen wir die Stromstärken mit I1, I2, I3. Dann ist I 1 = I 2 + I 3. Durch Messung der Massen m 1 , m 2 , m 3 der an den Elektroden in verschiedenen Bädern freigesetzten Stoffe kann überprüft werden, ob diese proportional zu den entsprechenden Stromstärken I 1 , I 2 , I 3 sind.

Bestimmung der Elektronenladung.

Mit der Formel (16.6) für die Masse des an der Elektrode freigesetzten Stoffes lässt sich die Ladung des Elektrons bestimmen. Aus dieser Formel folgt, dass der Modul der Elektronenladung gleich ist:

Wenn wir die Masse m der beim Ladungsdurchgang freigesetzten Substanz IΔt, die Molmasse M, die Wertigkeit von n Atomen und die Avogadro-Konstante N A kennen, können wir den Wert des Moduls der Elektronenladung ermitteln. Es stellt sich heraus, dass es e = 1,6 · 10 -19 C ist.

Auf diese Weise wurde 1874 erstmals der Wert der elementaren elektrischen Ladung ermittelt.

Anwendung der Elektrolyse. Die Elektrolyse wird in der Technik häufig für verschiedene Zwecke eingesetzt. Bedecken Sie die Oberfläche eines Metalls elektrolytisch mit einer dünnen Schicht eines anderen ( Vernickeln, Verchromen, Vergolden usw.). Diese langlebige Beschichtung schützt die Oberfläche vor Korrosion. Wenn Sie auf eine gute Ablösung der elektrolytischen Beschichtung von der Oberfläche achten, auf der das Metall abgeschieden wird (dies wird beispielsweise durch Auftragen von Graphit auf die Oberfläche erreicht), können Sie eine Kopie von der Reliefoberfläche erhalten.

Der Prozess zur Herstellung abziehbarer Beschichtungen - Elektrotyp- wurde von dem russischen Wissenschaftler B. S. Jacobi (1801-1874) entwickelt, der diese Methode 1836 zur Herstellung von Hohlfiguren für die Isaakskathedrale in St. Petersburg nutzte.

Früher wurden in der Druckindustrie Kopien von einer Reliefoberfläche (Stereotypen) aus Matrizen (einem Abdruck einer Schrift auf einem Kunststoffmaterial) hergestellt, wobei auf den Matrizen eine dicke Schicht aus Eisen oder einer anderen Substanz aufgebracht wurde. Dadurch war es möglich, das Set in der erforderlichen Auflage zu reproduzieren.

Mittels Elektrolyse werden Metalle von Verunreinigungen gereinigt. Dabei wird das aus dem Erz gewonnene Rohkupfer in Form dicker Bleche gegossen, die dann als Anoden in ein Bad gelegt werden. Bei der Elektrolyse löst sich das Kupfer der Anode auf, Verunreinigungen mit wertvollen und seltenen Metallen fallen zu Boden und reines Kupfer setzt sich an der Kathode ab.

Mittels Elektrolyse wird Aluminium aus geschmolzenem Bauxit gewonnen. Es war diese Art der Herstellung von Aluminium, die es billig machte und neben Eisen zum am weitesten verbreiteten Material in Technik und Alltag machte.

Mittels Elektrolyse werden elektronische Leiterplatten gewonnen, die als Basis für alle elektronischen Produkte dienen. Auf das Dielektrikum wird eine dünne Kupferplatte geklebt, auf die mit Spezialfarbe ein komplexes Muster aus Anschlussdrähten aufgemalt wird. Anschließend wird die Platte in einen Elektrolyten gelegt, wobei die nicht mit Farbe bedeckten Bereiche der Kupferschicht geätzt werden. Danach wird die Farbe abgewaschen und die Details der Mikroschaltung erscheinen auf der Platine.

Dass Flüssigkeiten elektrische Energie gut leiten können, weiß wirklich jeder. Und es ist auch eine bekannte Tatsache, dass alle Leiter nach ihrem Typ in mehrere Untergruppen unterteilt werden. Wir schlagen vor, in unserem Artikel zu untersuchen, wie elektrischer Strom in Flüssigkeiten, Metallen und anderen Halbleitern fließt, sowie die Gesetze der Elektrolyse und ihrer Arten.

Elektrolysetheorie

Um das Verständnis zu erleichtern, schlagen wir vor, mit der Theorie zu beginnen; Elektrizität, wenn wir elektrische Ladung als eine Art Flüssigkeit betrachten, ist seit mehr als 200 Jahren bekannt. Ladungen bestehen aus einzelnen Elektronen, diese sind jedoch so klein, dass sich jede große Ladung wie ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom verhält.

Wie feste Körper gibt es auch bei flüssigen Leitern drei Arten:

• Halbleiter (Selen, Sulfide und andere);
• Dielektrika (alkalische Lösungen, Salze und Säuren);
• Leiter (z. B. im Plasma).

Der Prozess, bei dem sich Elektrolyte unter dem Einfluss eines elektrischen Molfeldes auflösen und Ionen zerfallen, wird Dissoziation genannt. Der Anteil der Moleküle, die in Ionen zerfallen sind, oder der zerfallenen Ionen im gelösten Stoff, hängt wiederum vollständig von den physikalischen Eigenschaften und der Temperatur in verschiedenen Leitern und Schmelzen ab. Es ist wichtig zu bedenken, dass Ionen rekombinieren oder wieder zusammenkommen können. Wenn sich die Bedingungen nicht ändern, ist die Anzahl der zerfallenen und kombinierten Ionen gleichermaßen proportional.

Ionen leiten Energie in Elektrolyten, weil Sie können sowohl positiv als auch negativ geladene Teilchen sein. Wenn die Flüssigkeit (oder genauer gesagt das Gefäß mit der Flüssigkeit) an die Stromversorgung angeschlossen wird, beginnen sich die Partikel in Richtung entgegengesetzter Ladungen zu bewegen (positive Ionen werden von den Kathoden und negative Ionen von den Anoden angezogen). In diesem Fall wird die Energie direkt durch Ionen transportiert, daher wird eine solche Leitfähigkeit als ionisch bezeichnet.

Bei dieser Art der Leitung wird der Strom durch Ionen transportiert und an den Elektroden werden Stoffe freigesetzt, die Bestandteile von Elektrolyten sind. Wenn wir chemisch denken, dann finden Oxidation und Reduktion statt. So wird elektrischer Strom in Gasen und Flüssigkeiten durch Elektrolyse transportiert.

Gesetze der Physik und Strömung in Flüssigkeiten

Der Strom in unseren Häusern und Geräten wird in der Regel nicht über Metallleitungen übertragen. In einem Metall können sich Elektronen von Atom zu Atom bewegen und somit eine negative Ladung tragen.

Als Flüssigkeiten werden sie in Form von elektrischer Spannung transportiert, der sogenannten Spannung in der Einheit Volt, benannt nach dem italienischen Wissenschaftler Alessandro Volta.

Video: Elektrischer Strom in Flüssigkeiten: vollständige Theorie

Außerdem fließt elektrischer Strom von Hochspannung zu Niederspannung und wird in der Einheit Ampere gemessen, benannt nach Andre-Marie Ampere. Und wenn man die Spannung erhöht, steigt laut Theorie und Formel auch deren Stärke proportional an. Dieser Zusammenhang ist als Ohmsches Gesetz bekannt. Als Beispiel sehen Sie unten die virtuelle Ampere-Kennlinie.

Das Ohmsche Gesetz (mit zusätzlichen Angaben zur Länge und Dicke des Drahtes) ist normalerweise eines der ersten Dinge, die im Physikunterricht gelehrt werden. Viele Schüler und Lehrer betrachten daher den elektrischen Strom in Gasen und Flüssigkeiten als grundlegendes Gesetz der Physik.

Um die Ladungsbewegung mit eigenen Augen zu sehen, müssen Sie einen Kolben mit Salzwasser, flachen rechteckigen Elektroden und Stromquellen vorbereiten; außerdem benötigen Sie eine Amperemeter-Installation, mit deren Hilfe Energie aus dem Strom abgeleitet wird Versorgung der Elektroden.

Die als Leiter dienenden Platten müssen in die Flüssigkeit abgesenkt und die Spannung angelegt werden. Danach beginnt die chaotische Bewegung der Teilchen, aber genau wie nach der Entstehung eines Magnetfelds zwischen Leitern wird dieser Prozess geordnet sein.

Sobald die Ionen beginnen, Ladungen auszutauschen und sich zu verbinden, werden die Anoden zu Kathoden und die Kathoden werden zu Anoden. Hier müssen Sie jedoch den elektrischen Widerstand berücksichtigen. Natürlich spielt die theoretische Kurve eine wichtige Rolle, aber der Haupteinfluss ist die Temperatur und der Grad der Dissoziation (je nachdem, welche Träger gewählt werden) und ob Wechsel- oder Gleichstrom gewählt wird. Am Ende dieser experimentellen Studie können Sie feststellen, dass sich auf festen Körpern (Metallplatten) eine dünne Salzschicht gebildet hat.

Elektrolyse und Vakuum

Elektrischer Strom im Vakuum und in Flüssigkeiten ist ein ziemlich komplexes Thema. Tatsache ist, dass in solchen Medien überhaupt keine Ladungen in den Körpern vorhanden sind, was bedeutet, dass es sich um ein Dielektrikum handelt. Mit anderen Worten: Unser Ziel ist es, Bedingungen zu schaffen, damit das Elektronenatom seine Bewegung beginnen kann.

Dazu müssen Sie ein modulares Gerät, Leiter und Metallplatten verwenden und dann wie oben beschrieben vorgehen.

Anwendungen der Elektrolyse

Dieses Verfahren findet in nahezu allen Lebensbereichen Anwendung. Selbst die grundlegendsten Arbeiten erfordern manchmal das Eingreifen von elektrischem Strom in Flüssigkeiten, beispielsweise

Bei diesem einfachen Verfahren werden feste Körper mit einer dünnen Schicht eines beliebigen Metalls, beispielsweise einer Nickel- oder Chrombeschichtung, überzogen. Dies ist eine der Möglichkeiten, Korrosionsprozessen entgegenzuwirken. Ähnliche Technologien werden bei der Herstellung von Transformatoren, Zählern und anderen elektrischen Geräten eingesetzt.

Wir hoffen, dass unsere Begründung alle Fragen beantwortet hat, die sich bei der Untersuchung des Phänomens des elektrischen Stroms in Flüssigkeiten stellen. Wenn Sie bessere Antworten benötigen, empfehlen wir Ihnen einen Besuch im Elektriker-Forum, wo Sie gerne und kostenlos beraten werden.

Flüssigkeiten sind hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften sehr vielfältig. Geschmolzene Metalle weisen wie Metalle im festen Zustand eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, die mit einer hohen Konzentration an freien Elektronen einhergeht.

Viele Flüssigkeiten wie reines Wasser, Alkohol, Kerosin sind gute Dielektrika, da ihre Moleküle elektrisch neutral sind und keine freien Ladungsträger vorhanden sind.

Elektrolyte. Eine besondere Klasse von Flüssigkeiten bilden die sogenannten Elektrolyte, zu denen wässrige Lösungen anorganischer Säuren, Salze und Basen, Schmelzen ionischer Kristalle usw. gehören. Elektrolyte zeichnen sich durch das Vorhandensein hoher Ionenkonzentrationen aus, die den Durchgang ermöglichen von elektrischem Strom. Diese Ionen entstehen beim Schmelzen und Auflösen, wenn die Moleküle des gelösten Stoffes unter dem Einfluss der elektrischen Felder der Lösungsmittelmoleküle in getrennte positiv und negativ geladene Ionen zerfallen. Dieser Vorgang wird elektrolytische Dissoziation genannt.

Elektrolytische Dissoziation. Der Dissoziationsgrad a einer bestimmten Substanz, d. h. der Anteil der gelösten Moleküle, die in Ionen zerfallen sind, hängt von der Temperatur, der Lösungskonzentration und der Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels ab. Mit zunehmender Temperatur nimmt der Dissoziationsgrad zu. Ionen mit entgegengesetztem Vorzeichen können rekombinieren und sich erneut zu neutralen Molekülen verbinden. Unter konstanten äußeren Bedingungen stellt sich in der Lösung ein dynamisches Gleichgewicht ein, in dem sich die Prozesse der Rekombination und Dissoziation gegenseitig kompensieren.

Qualitativ lässt sich die Abhängigkeit des Dissoziationsgrades a von der Konzentration des gelösten Stoffes mit folgenden einfachen Argumenten feststellen. Wenn eine Volumeneinheit Moleküle einer gelösten Substanz enthält, sind einige davon dissoziiert und der Rest nicht dissoziiert. Die Anzahl der elementaren Dissoziationsvorgänge pro Lösungsvolumeneinheit ist proportional zur Anzahl der ungespaltenen Moleküle und entspricht daher A einem Koeffizienten, der von der Art des Elektrolyten und der Temperatur abhängt. Die Anzahl der Rekombinationsereignisse ist proportional zur Anzahl der Kollisionen ungleicher Ionen, d. h. proportional zur Anzahl sowohl dieser als auch anderer Ionen. Daher ist es gleich, wobei B ein Koeffizient ist, der für eine bestimmte Substanz bei einer bestimmten Temperatur konstant ist.

Im Zustand dynamischen Gleichgewichts

Das Verhältnis hängt nicht von der Konzentration ab. Es ist ersichtlich, dass es umso näher an der Einheit liegt, je niedriger die Konzentration der Lösung ist: In sehr verdünnten Lösungen sind fast alle Moleküle des gelösten Stoffes dissoziiert.

Je höher die Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels ist, desto stärker werden die Ionenbindungen in den gelösten Stoffmolekülen geschwächt und desto größer ist daher der Grad der Dissoziation. So ergibt Salzsäure in Wasser gelöst einen Elektrolyten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, während ihre Lösung in Ethylether den Strom nur sehr schlecht leitet.

Ungewöhnliche Elektrolyte. Es gibt auch sehr ungewöhnliche Elektrolyte. Der Elektrolyt ist beispielsweise Glas, eine stark unterkühlte Flüssigkeit mit enormer Viskosität. Beim Erhitzen wird Glas weich und seine Viskosität nimmt stark ab. Die im Glas vorhandenen Natriumionen werden merklich beweglich und der Durchgang von elektrischem Strom wird möglich, obwohl Glas bei normalen Temperaturen ein guter Isolator ist.

Reis. 106. Demonstration der elektrischen Leitfähigkeit von Glas beim Erhitzen

Ein deutlicher Beweis dafür ist im Experiment zu sehen, dessen Diagramm in Abb. dargestellt ist. 106. Ein Glasstab ist über einen Rheostat mit einem Beleuchtungsnetz verbunden. Während der Stab kalt ist, ist der Strom im Stromkreis aufgrund des hohen Widerstands des Glases vernachlässigbar. Wird der Stab mit einem Gasbrenner auf eine Temperatur von 300-400 °C erhitzt, sinkt sein Widerstand auf mehrere zehn Ohm und der Glühfaden der Glühbirne L wird heiß. Jetzt können Sie die Glühbirne mit der Taste K kurzschließen. In diesem Fall verringert sich der Widerstand des Stromkreises und der Strom steigt. Unter solchen Bedingungen wird der Stab effektiv durch elektrischen Strom erhitzt und glüht, bis er hell leuchtet, auch wenn der Brenner entfernt wird.

Ionenleitfähigkeit. Der Stromfluss in einem Elektrolyten wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben

Elektrischer Strom im Elektrolyten entsteht bei einer beliebig niedrigen angelegten Spannung.

Die Ladungsträger im Elektrolyten sind positiv und negativ geladene Ionen. Der Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit von Elektrolyten ähnelt in vielerlei Hinsicht dem oben beschriebenen Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit von Gasen. Die Hauptunterschiede sind darauf zurückzuführen, dass in Gasen der Widerstand gegen die Bewegung von Ladungsträgern hauptsächlich auf deren Kollisionen mit neutralen Atomen beruht. In Elektrolyten beruht die Beweglichkeit von Ionen auf der inneren Reibung – der Viskosität – während sie sich im Lösungsmittel bewegen.

Mit zunehmender Temperatur steigt die Leitfähigkeit von Elektrolyten im Gegensatz zu Metallen. Dies liegt daran, dass mit steigender Temperatur der Dissoziationsgrad zunimmt und die Viskosität abnimmt.

Im Gegensatz zur elektronischen Leitfähigkeit, die für Metalle und Halbleiter charakteristisch ist und bei der der Durchgang von elektrischem Strom nicht mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung des Stoffes einhergeht, ist die ionische Leitfähigkeit mit der Stoffübertragung verbunden

und die Freisetzung von Substanzen, die in den Elektrolyten enthalten sind, an den Elektroden. Dieser Vorgang wird Elektrolyse genannt.

Elektrolyse. Bei der Freisetzung eines Stoffes an der Elektrode nimmt die Konzentration der entsprechenden Ionen im an die Elektrode angrenzenden Elektrolytbereich ab. Somit ist hier das dynamische Gleichgewicht zwischen Dissoziation und Rekombination gestört: Hier findet die Zersetzung des Stoffes durch Elektrolyse statt.

Elektrolyse wurde erstmals bei der Zersetzung von Wasser durch Strom aus einer Voltaiksäule beobachtet. Einige Jahre später entdeckte der berühmte Chemiker G. Davy Natrium und isolierte es durch Elektrolyse aus Natronlauge. Die quantitativen Gesetze der Elektrolyse wurden experimentell von M. Faraday aufgestellt und lassen sich anhand des Mechanismus des Phänomens der Elektrolyse leicht belegen.

Faradaysche Gesetze. Jedes Ion hat eine elektrische Ladung, die ein Vielfaches der Elementarladung e beträgt. Mit anderen Worten, die Ladung des Ions ist gleich, wobei eine ganze Zahl gleich der Wertigkeit des entsprechenden chemischen Elements oder der entsprechenden chemischen Verbindung ist. Angenommen, wenn ein Strom durch die Elektrode fließt, werden Ionen freigesetzt. Ihre Ladung in absoluten Werten ist gleich. Positive Ionen erreichen die Kathode und ihre Ladung wird durch Elektronen neutralisiert, die durch die Drähte von der Stromquelle zur Kathode fließen. Negative Ionen nähern sich der Anode und die gleiche Anzahl Elektronen gelangt durch die Drähte zur Stromquelle. In diesem Fall fließt eine Ladung durch einen geschlossenen Stromkreis

Bezeichnen wir mit der Masse der an einer der Elektroden freigesetzten Substanz und mit der Masse des Ions (Atom oder Molekül). Es ist offensichtlich, dass wir daher durch Multiplizieren des Zählers und Nenners dieses Bruchs mit der Avogadro-Konstante erhalten

Wo ist die Atom- oder Molmasse, die Faradaysche Konstante, die durch den Ausdruck bestimmt wird?

Aus (4) geht hervor, dass die Faradaysche Konstante die Bedeutung „ein Mol Elektrizität“ hat, d. h. sie ist die gesamte elektrische Ladung eines Mols an Elementarladungen:

Formel (3) enthält beide Faradayschen Gesetze. Es besagt, dass die Masse der bei der Elektrolyse freigesetzten Substanz proportional zur durch den Kreislauf fließenden Ladung ist (erstes Gesetz von Faraday):

Der Koeffizient wird als elektrochemisches Äquivalent einer bestimmten Substanz bezeichnet und in ausgedrückt

Kilogramm pro Coulomb Es hat die Bedeutung des Kehrwerts der spezifischen Ladung des Ions.

Das elektrochemische Äquivalent von k ist proportional zum chemischen Äquivalent der Substanz (zweites Gesetz von Faraday).

Faradaysche Gesetze und Elementarladung. Da das Konzept der atomaren Natur der Elektrizität zu Faradays Zeiten noch nicht existierte, war die experimentelle Entdeckung der Gesetze der Elektrolyse alles andere als trivial. Im Gegenteil, es waren die Gesetze von Faraday, die im Wesentlichen als erster experimenteller Beweis für die Gültigkeit dieser Ideen dienten.

Die experimentelle Messung der Faraday-Konstante ermöglichte erstmals eine numerische Schätzung des Wertes der Elementarladung, lange vor direkten Messungen der elektrischen Elementarladung in Millikans Experimenten mit Öltropfen. Bemerkenswert ist, dass die Idee der atomaren Struktur der Elektrizität in Elektrolyseexperimenten in den 30er Jahren des 19. Jahrhunderts eine eindeutige experimentelle Bestätigung erhielt, als selbst die Idee der atomaren Struktur der Materie noch nicht von allen geteilt wurde Wissenschaftler. In einer berühmten Rede vor der Royal Society, die dem Gedenken an Faraday gewidmet war, kommentierte Helmholtz diesen Umstand folgendermaßen:

„Wenn wir die Existenz von Atomen chemischer Elemente zugeben, dann kommen wir nicht um die weitere Schlussfolgerung herum, dass Elektrizität, sowohl positive als auch negative, in bestimmte Elementargrößen unterteilt ist, die sich wie Elektrizitätsatome verhalten.“

Chemische Stromquellen. Wenn ein Metall wie Zink in Wasser getaucht wird, beginnt eine bestimmte Menge positiver Zinkionen unter dem Einfluss polarer Wassermoleküle aus der Oberflächenschicht des Kristallgitters des Metalls ins Wasser zu wandern. Dadurch wird das Zink negativ und das Wasser positiv geladen. An der Grenzfläche zwischen Metall und Wasser bildet sich eine dünne Schicht, die elektrische Doppelschicht genannt wird; Darin herrscht ein starkes elektrisches Feld, dessen Intensität vom Wasser auf das Metall gerichtet ist. Dieses Feld verhindert den weiteren Übergang von Zinkionen in Wasser und dadurch entsteht ein dynamisches Gleichgewicht, in dem die durchschnittliche Anzahl der vom Metall ins Wasser gelangenden Ionen gleich der Anzahl der vom Wasser zum Metall zurückkehrenden Ionen ist.

Ein dynamisches Gleichgewicht stellt sich auch ein, wenn das Metall in eine wässrige Lösung eines Salzes desselben Metalls eingetaucht wird, beispielsweise Zink in einer Zinksulfatlösung. In der Lösung zerfällt das Salz in Ionen. Die resultierenden Zinkionen unterscheiden sich nicht von den Zinkionen, die über die Elektrode in die Lösung gelangten. Eine Erhöhung der Konzentration von Zinkionen im Elektrolyten erleichtert den Übergang dieser Ionen in das Metall aus der Lösung und erschwert ihn

Übergang vom Metall zur Lösung. Daher ist die eingetauchte Zinkelektrode in einer Zinksulfatlösung zwar negativ geladen, aber schwächer als in reinem Wasser.

Wenn ein Metall in eine Lösung eingetaucht wird, wird das Metall nicht immer negativ geladen. Wenn beispielsweise eine Kupferelektrode in eine Kupfersulfatlösung eingetaucht wird, beginnen sich Ionen aus der Lösung auf der Elektrode abzuscheiden und diese positiv aufzuladen. Die Feldstärke in der elektrischen Doppelschicht wird dabei vom Kupfer zur Lösung geleitet.

Wenn also ein Metall in Wasser oder eine wässrige Lösung eingetaucht wird, die Ionen desselben Metalls enthält, entsteht zwischen ihnen an der Grenzfläche zwischen dem Metall und der Lösung eine Potentialdifferenz. Das Vorzeichen und die Größe dieser Potentialdifferenz hängen von der Art des Metalls (Kupfer, Zink usw.), von der Ionenkonzentration in der Lösung ab und sind nahezu unabhängig von Temperatur und Druck.

Zwei in einen Elektrolyten getauchte Elektroden aus unterschiedlichen Metallen bilden eine galvanische Zelle. Beispielsweise werden in einer Volta-Zelle die Zink- und Kupferelektroden in eine wässrige Schwefelsäurelösung getaucht. Die Lösung enthält zunächst weder Zinkionen noch Kupferionen. Später gelangen diese Ionen jedoch über die Elektroden in die Lösung und es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein. Solange die Elektroden nicht durch Drähte miteinander verbunden sind, ist das Potenzial des Elektrolyten an allen Stellen gleich und die Potenziale der Elektroden unterscheiden sich vom Potenzial des Elektrolyten aufgrund der an ihrer Grenzfläche gebildeten Doppelschichten Elektrolyt. In diesem Fall beträgt das Elektrodenpotential von Zink -0,763 V und von Kupfer. Die elektromotorische Kraft des Volt-Elements, bestehend aus diesen Potentialsprüngen, beträgt

Strom in einem Stromkreis mit einem galvanischen Element. Wenn die Elektroden einer galvanischen Zelle mit einem Draht verbunden sind, bewegen sich Elektronen durch diesen Draht von der negativen Elektrode (Zink) zur positiven Elektrode (Kupfer), wodurch das dynamische Gleichgewicht zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten, in dem sie sich befinden, gestört wird eingetaucht. Zinkionen beginnen, von der Elektrode in die Lösung zu wandern, um die elektrische Doppelschicht mit einem konstanten Potentialsprung zwischen Elektrode und Elektrolyt im gleichen Zustand zu halten. In ähnlicher Weise beginnen sich bei einer Kupferelektrode Kupferionen aus der Lösung zu bewegen und sich auf der Elektrode niederzuschlagen. In diesem Fall entsteht in der Nähe der negativen Elektrode ein Mangel an Ionen und in der Nähe der positiven Elektrode ein Überschuss an solchen Ionen. Die Gesamtzahl der Ionen in der Lösung ändert sich nicht.

Durch die beschriebenen Prozesse wird in einem geschlossenen Stromkreis ein elektrischer Strom aufrechterhalten, der im Anschlussdraht durch die Bewegung von Elektronen und im Elektrolyten durch Ionen erzeugt wird. Wenn ein elektrischer Strom fließt, löst sich die Zinkelektrode allmählich auf und Kupfer lagert sich auf dem Pluspol (Kupfer) ab.

Elektrode. An der Zinkelektrode nimmt die Ionenkonzentration zu und an der Kupferelektrode ab.

Potenzial in einem Stromkreis mit einem galvanischen Element. Das beschriebene Muster des Stromflusses in einem ungleichmäßigen geschlossenen Stromkreis, der ein chemisches Element enthält, entspricht der Potentialverteilung entlang des Stromkreises, schematisch dargestellt in Abb. 107. Im externen Stromkreis, d. h. im Draht, der die Elektroden verbindet, nimmt das Potential gemäß dem Ohmschen Gesetz für ein homogenes Potential gleichmäßig vom Wert an der positiven (Kupfer-)Elektrode A auf den Wert an der negativen (Zink-)Elektrode B ab Dirigent. Im inneren Kreislauf, also im Elektrolyten zwischen den Elektroden, sinkt das Potential allmählich von einem Wert nahe der Zinkelektrode auf einen Wert nahe der Kupferelektrode. Fließt im äußeren Stromkreis der Strom von der Kupferelektrode zur Zinkelektrode, so fließt er im Elektrolyten vom Zink zum Kupfer. Durch die Einwirkung äußerer (in diesem Fall chemischer) Kräfte entstehen Potentialsprünge in elektrischen Doppelschichten. Die Bewegung elektrischer Ladungen in Doppelschichten aufgrund äußerer Kräfte erfolgt entgegen der Wirkungsrichtung der elektrischen Kräfte.

Reis. 107. Potentialverteilung entlang einer Kette, die ein chemisches Element enthält

Die geneigten Abschnitte der Potentialänderung in Abb. 107 entspricht dem elektrischen Widerstand der äußeren und inneren Abschnitte des geschlossenen Stromkreises. Der gesamte Potentialabfall entlang dieser Abschnitte ist gleich der Summe der Potentialsprünge in den Doppelschichten, also der elektromotorischen Kraft des Elements.

Der Durchgang von elektrischem Strom in einer galvanischen Zelle wird durch an den Elektroden freigesetzte Nebenprodukte und das Auftreten eines Konzentrationsunterschieds im Elektrolyten erschwert. Diese Phänomene werden als elektrolytische Polarisation bezeichnet. Bei Volta-Elementen beispielsweise wandern positive Ionen bei geschlossenem Stromkreis zur Kupferelektrode und lagern sich dort ab. Dadurch wird nach einiger Zeit die Kupferelektrode durch eine Wasserstoffelektrode ersetzt. Da das Elektrodenpotential von Wasserstoff 0,337 V niedriger ist als das Elektrodenpotential von Kupfer, nimmt die EMK des Elements um ungefähr den gleichen Betrag ab. Darüber hinaus erhöht der an der Kupferelektrode freigesetzte Wasserstoff den Innenwiderstand des Elements.

Um die schädlichen Wirkungen von Wasserstoff zu reduzieren, werden Depolarisatoren eingesetzt – verschiedene Oxidationsmittel. Beispielsweise im am häufigsten verwendeten Element Leclanche („trockene“ Batterien)

Die positive Elektrode ist ein Graphitstab, der von einer komprimierten Masse aus Manganperoxid und Graphit umgeben ist.

Batterien. Eine praktisch wichtige Art galvanischer Zellen sind Batterien, bei denen nach dem Entladen ein umgekehrter Ladevorgang unter Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie möglich ist. Die bei der Stromerzeugung verbrauchten Stoffe werden durch Elektrolyse in der Batterie wiederhergestellt.

Es ist zu erkennen, dass beim Laden der Batterie die Konzentration der Schwefelsäure zunimmt, was zu einer Erhöhung der Dichte des Elektrolyten führt.

Dadurch entsteht beim Ladevorgang eine starke Asymmetrie der Elektroden: Eine wird zu Blei, die andere zu Bleiperoxid. Eine geladene Batterie ist eine galvanische Zelle, die als Stromquelle dienen kann.

Wenn elektrische Energieverbraucher an die Batterie angeschlossen werden, fließt durch den Stromkreis ein elektrischer Strom, dessen Richtung dem Ladestrom entgegengesetzt ist. Chemische Reaktionen verlaufen in die entgegengesetzte Richtung und die Batterie kehrt in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Beide Elektroden werden mit einer Salzschicht bedeckt und die Schwefelsäurekonzentration kehrt auf ihren ursprünglichen Wert zurück.

Bei einer geladenen Batterie beträgt die EMF etwa 2,2 V. Beim Entladen sinkt sie auf 1,85 V. Eine weitere Entladung wird nicht empfohlen, da die Bildung von Bleisulfat irreversibel wird und die Batterie beschädigt wird.

Die maximale Ladung, die ein Akku im entladenen Zustand liefern kann, wird als Kapazität bezeichnet. Batteriekapazität normalerweise

gemessen in Amperestunden. Je größer die Oberfläche der Platten ist, desto größer ist sie.

Anwendungen der Elektrolyse. Elektrolyse wird in der Metallurgie eingesetzt. Am gebräuchlichsten ist die elektrolytische Herstellung von Aluminium und reinem Kupfer. Durch Elektrolyse ist es möglich, dünne Schichten einiger Stoffe auf der Oberfläche anderer zu erzeugen, um dekorative und schützende Überzüge (Vernickeln, Verchromen) zu erhalten. Das Verfahren zur Herstellung abziehbarer Beschichtungen (Elektroplastik) wurde vom russischen Wissenschaftler B. S. Jacobi entwickelt, der damit Hohlskulpturen für die St. Isaaks-Kathedrale in St. Petersburg herstellte.

Was ist der Unterschied zwischen dem physikalischen Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit in Metallen und Elektrolyten?

Erklären Sie, warum der Dissoziationsgrad einer bestimmten Substanz von der Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels abhängt.

Erklären Sie, warum in stark verdünnten Elektrolytlösungen fast alle gelösten Moleküle dissoziiert sind.

Erklären Sie, dass der Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit von Elektrolyten dem Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit von Gasen ähnelt. Warum ist unter konstanten äußeren Bedingungen der elektrische Strom proportional zur angelegten Spannung?

Welche Rolle spielt der Erhaltungssatz der elektrischen Ladung bei der Ableitung des Elektrolysegesetzes (3)?

Erklären Sie den Zusammenhang zwischen dem elektrochemischen Äquivalent einer Substanz und der spezifischen Ladung ihrer Ionen.

Wie kann man das Verhältnis elektrochemischer Äquivalente verschiedener Stoffe experimentell bestimmen, wenn mehrere Elektrolytbäder, aber keine Instrumente zur Strommessung vorhanden sind?

Wie kann das Phänomen der Elektrolyse genutzt werden, um einen Stromzähler in einem Gleichstromnetz zu erstellen?

Warum können die Gesetze von Faraday als experimenteller Beweis für die Vorstellungen über die atomare Natur der Elektrizität angesehen werden?

Welche Prozesse laufen ab, wenn Metallelektroden in Wasser und einen Elektrolyten eingetaucht werden, der Ionen dieser Metalle enthält?

Beschreiben Sie die Vorgänge, die im Elektrolyten in der Nähe der Elektroden einer galvanischen Zelle beim Stromdurchgang ablaufen.

Warum bewegen sich positive Ionen in einer Voltaikzelle von der negativen Elektrode (Zink) zur positiven Elektrode (Kupfer)? Wie kommt es in einem Stromkreis zu einer Potentialverteilung, die dazu führt, dass sich die Ionen auf diese Weise bewegen?

Warum kann der Ladezustand einer Säurebatterie mit einem Hydrometer, also einem Gerät zur Messung der Dichte einer Flüssigkeit, überprüft werden?

Wie unterscheiden sich Prozesse in Batterien grundsätzlich von Prozessen in „trockenen“ Batterien?

Welcher Teil der beim Laden der Batterie c aufgewendeten elektrischen Energie kann beim Entladen genutzt werden, wenn während des Ladevorgangs die Spannung an ihren Anschlüssen aufrechterhalten wird

Bericht zum Thema:

Elektrischer Strom

in Flüssigkeiten

(Elektrolyte)

Elektrolyse

Faradaysche Gesetze

Elementare elektrische Ladung

Studenten 8 Th Klasse « B »

L Oginova M Arien A ndreevny

Moskau 2003

Schule Nr. 91

Einführung

Vieles in unserem Leben hängt mit der elektrischen Leitfähigkeit von Salzlösungen in Wasser (Elektrolyten) zusammen. Vom ersten Herzschlag („lebende“ Elektrizität im menschlichen Körper, der zu 80 % aus Wasser besteht) bis hin zu Autos auf der Straße, Playern und Mobiltelefonen (ein wesentlicher Bestandteil dieser Geräte sind „Batterien“ – elektrochemische Batterien und verschiedene Batterien). - von Bleisäure in Autos bis hin zu Lithium-Polymer in den teuersten Mobiltelefonen). In riesigen Bottichen, in denen giftige Dämpfe rauchen, wird durch Elektrolyse aus bei hohen Temperaturen geschmolzenem Bauxit Aluminium hergestellt – das „geflügelte“ Metall für Flugzeuge und Dosen für Fanta. Alles in der Umgebung – vom verchromten Kühlergrill eines ausländischen Autos bis zum versilberten Ohrring im Ohr – ist schon einmal mit einer Lösung oder geschmolzenen Salzen und damit einem elektrischen Strom in Flüssigkeiten in Berührung gekommen. Nicht umsonst wird dieses Phänomen von einer ganzen Wissenschaft untersucht – der Elektrochemie. Aber jetzt interessieren uns mehr die physikalischen Grundlagen dieses Phänomens.

Elektrischer Strom in Lösung. Elektrolyte

Aus dem Physikunterricht der 8. Klasse wissen wir, dass die Ladung in Leitern (Metallen) von negativ geladenen Elektronen getragen wird.

Die geordnete Bewegung geladener Teilchen wird elektrischer Strom genannt.

Aber wenn wir ein Gerät zusammenbauen (mit Graphitelektroden):

dann sorgen wir dafür, dass die Nadel des Amperemeters ausschlägt – Strom fließt durch die Lösung! Welche geladenen Teilchen gibt es in der Lösung?

Bereits 1877 kam der schwedische Wissenschaftler Svante Arrhenius bei der Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von Lösungen verschiedener Stoffe zu dem Schluss, dass diese durch Ionen verursacht wird, die beim Auflösen von Salz in Wasser entstehen. Beim Auflösen in Wasser zerfällt (dissoziiert) das CuSO 4-Molekül in zwei unterschiedlich geladene Ionen – Cu 2+ und SO 4 2-. Vereinfachte Prozesse können durch die folgende Formel abgebildet werden:

CuSO 4 ÞCu 2+ +SO 4 2-

Lösungen von Salzen, Laugen und Säuren leiten elektrischen Strom.

Stoffe, deren Lösungen elektrischen Strom leiten, nennt man Elektrolyte.

Lösungen aus Zucker, Alkohol, Glukose und einigen anderen Substanzen leiten keinen Strom.

Stoffe, deren Lösungen keinen elektrischen Strom leiten, werden Nichtelektrolyte genannt.

Elektrolytische Dissoziation

Der Prozess der Zersetzung des Elektrolyten in Ionen wird als elektrolytische Dissoziation bezeichnet.

S. Arrhenius, der an der physikalischen Lösungstheorie festhielt, berücksichtigte die Wechselwirkung des Elektrolyten mit Wasser nicht und glaubte, dass in Lösungen freie Ionen vorhanden seien. Im Gegensatz dazu wandten die russischen Chemiker I. A. Kablukov und V. A. Kistyakovsky die chemische Theorie von D. I. Mendeleev an, um die elektrolytische Dissoziation zu erklären, und bewiesen, dass beim Auflösen eines Elektrolyten eine chemische Wechselwirkung der gelösten Substanz mit Wasser auftritt, die zur Bildung von Hydraten führt dann dissoziieren sie in Ionen. Sie glaubten, dass Lösungen keine freien, keine „nackten“ Ionen enthielten, sondern hydratisierte, also „umhüllte“ Wassermoleküle. Folglich erfolgt die Dissoziation von Elektrolytmolekülen in der folgenden Reihenfolge:

a) Orientierung von Wassermolekülen um die Pole eines Elektrolytmoleküls

b) Hydratation des Elektrolytmoleküls

c) seine Ionisierung

d) seine Zersetzung in hydratisierte Ionen

Abhängig vom Grad der elektrolytischen Dissoziation werden Elektrolyte in starke und schwache unterteilt.

- Starke Elektrolyte- solche, die beim Auflösen fast vollständig dissoziieren.

Ihr Dissoziationsgrad tendiert zur Einheit.

- Schwache Elektrolyte- diejenigen, die beim Auflösen fast nicht dissoziieren. Ihr Dissoziationsgrad geht gegen Null.

Daraus schließen wir, dass die Träger elektrischer Ladung (Träger des elektrischen Stroms) in Elektrolytlösungen keine Elektronen, sondern positiv und negativ geladen sind hydratisierte Ionen .

Temperaturabhängigkeit des Elektrolytwiderstands

Wenn die Temperatur steigt der Dissoziationsprozess wird erleichtert, die Mobilität von Ionen erhöht und Der Elektrolytwiderstand sinkt .

Kathode und Anode. Kationen und Anionen

Was passiert mit Ionen unter dem Einfluss von elektrischem Strom?

Kehren wir zu unserem Gerät zurück:

In Lösung dissoziierte CuSO 4 in Ionen – Cu 2+ und SO 4 2-. Positiv geladenes Ion Cu 2+ (Kation) wird von einer negativ geladenen Elektrode angezogen – Kathode, wo es die fehlenden Elektronen aufnimmt und zu metallischem Kupfer reduziert wird – einer einfachen Substanz. Wenn Sie die Kathode aus dem Gerät entfernen, nachdem Sie Strom durch die Lösung geleitet haben, ist leicht eine rotbraune Beschichtung zu erkennen – es handelt sich um metallisches Kupfer.

Faradays erstes Gesetz

Können wir herausfinden, wie viel Kupfer freigesetzt wurde? Durch Wiegen der Kathode vor und nach dem Experiment kann die Masse des abgeschiedenen Metalls genau bestimmt werden. Messungen zeigen, dass die Masse des an den Elektroden freigesetzten Stoffes von der Stromstärke und der Elektrolysezeit abhängt:

wobei K der Proportionalitätskoeffizient ist, auch genannt elektrochemisches Äquivalent .

Folglich ist die Masse des freigesetzten Stoffes direkt proportional zur Stromstärke und Elektrolysezeit. Aber aktuell im Zeitverlauf (laut Formel):

Es gibt eine Gebühr.

Also, Die Masse der an der Elektrode freigesetzten Substanz ist proportional zur Ladung bzw. der durch den Elektrolyten geleiteten Strommenge.

M=K´q

Dieses Gesetz wurde 1843 vom englischen Wissenschaftler Michael Faraday experimentell entdeckt und heißt Faradays erstes Gesetz .

Das zweite Gesetz von Faraday

Was ist das elektrochemische Äquivalent und wovon hängt es ab? Auch Michael Faraday beantwortete diese Frage.

Aufgrund zahlreicher Experimente kam er zu dem Schluss, dass dieser Wert für jeden Stoff charakteristisch ist. So setzt beispielsweise bei der Elektrolyse einer Lösung von Lapis (Silbernitrat AgNO 3) 1 Anhänger 1,1180 mg Silber frei; Bei der Elektrolyse wird bei einer Ladung von 1 Anhänger eines beliebigen Silbersalzes genau die gleiche Menge Silber freigesetzt. Bei der Elektrolyse eines Salzes eines anderen Metalls setzt ein Anhänger eine andere Menge dieses Metalls frei. Auf diese Weise , Das elektrochemische Äquivalent eines Stoffes ist die Masse dieses Stoffes, die bei der Elektrolyse durch 1 Coulomb Strom, der durch eine Lösung fließt, freigesetzt wird . Hier sind die Werte für einige Stoffe:

Aus der Tabelle sehen wir, dass sich die elektrochemischen Äquivalente verschiedener Stoffe deutlich voneinander unterscheiden. Von welchen Eigenschaften eines Stoffes hängt der Wert seines elektrochemischen Äquivalents ab? Die Antwort auf diese Frage lautet: Das zweite Gesetz von Faraday :

Die elektrochemischen Äquivalente verschiedener Substanzen sind proportional zu ihren Atomgewichten und umgekehrt proportional zu den Zahlen, die ihre chemische Wertigkeit ausdrücken.

n – Wertigkeit

A – Atomgewicht

- das chemische Äquivalent einer bestimmten Substanz genannt

– Proportionalitätskoeffizient, der bereits eine universelle Konstante ist, das heißt, er hat für alle Stoffe den gleichen Wert. Wenn wir das elektrochemische Äquivalent in g/k messen, finden wir, dass es 1,037´10 -5 g/k beträgt.

Durch die Kombination des ersten und zweiten Gesetzes von Faraday erhalten wir:

Diese Formel hat eine einfache physikalische Bedeutung: F ist numerisch gleich der Ladung, die durch einen beliebigen Elektrolyten geleitet werden muss, um eine Substanz in einer Menge gleich einem chemischen Äquivalent an den Elektroden freizusetzen. F wird Faraday-Zahl genannt und beträgt 96400 k/g.

Mol und Anzahl der darin enthaltenen Moleküle. Avogadros Nummer

Aus dem Chemiekurs der 8. Klasse wissen wir, dass zur Messung der Stoffmengen, die an chemischen Reaktionen beteiligt sind, eine spezielle Einheit gewählt wurde – das Mol. Um ein Mol einer Substanz zu messen, müssen Sie so viele Gramm davon nehmen, wie ihre relative Molekülmasse beträgt.

Beispielsweise entspricht 1 Mol Wasser (H 2 O) 18 Gramm (1 + 1 + 16 = 18), ein Mol Sauerstoff (O 2) 32 Gramm und ein Mol Eisen (Fe) 56 Gramm Was aber für uns besonders wichtig ist, ist die Tatsache, dass 1 Mol einer Substanz immer vorhanden ist enthält gleiche Anzahl an Molekülen .

Ein Mol ist eine Substanzmenge, die 6 enthält ´ 10 23 Moleküle dieser Substanz.

Zu Ehren des italienischen Wissenschaftlers A. Avogadro wurde diese Zahl ( N) wird genannt Avogadros Konstante oder Avogadros Nummer .

Aus der Formel Daraus folgt, dass wenn q=F, Das . Dies bedeutet, dass beim Durchgang einer Ladung von 96.400 Coulomb durch den Elektrolyten Gramm einer beliebigen Substanz freigesetzt werden. Mit anderen Worten: Um ein Mol einer einwertigen Substanz freizusetzen, muss eine Ladung durch den Elektrolyten fließen q=F Anhänger. Aber wir wissen, dass jedes Mol einer Substanz die gleiche Anzahl an Molekülen enthält – N=6x10 23. Damit lässt sich die Ladung eines Ions einer einwertigen Substanz berechnen – die elektrische Elementarladung – die Ladung eines (!) Elektrons:

Anwendungen der Elektrolyse

Elektrolytisches Verfahren zur Gewinnung reiner Metalle (Raffinierung, Raffination). Elektrolyse begleitet von Auflösung der Anode

Ein gutes Beispiel ist die elektrolytische Reinigung (Raffination) von Kupfer. Direkt aus dem Erz gewonnenes Kupfer wird in Platten gegossen und als Anode in eine CuSO 4 -Lösung gelegt. Durch die Wahl der Spannung an den Elektroden des Bades (0,20-0,25 V) kann sichergestellt werden, dass an der Kathode nur metallisches Kupfer freigesetzt wird. Dabei gehen Fremdverunreinigungen entweder in Lösung (ohne an der Kathode freigesetzt zu werden) oder fallen in Form von Sedimenten („Anodenschlamm“) auf den Boden des Bades. Die Kationen der Anodensubstanz verbinden sich mit dem SO 4 2- Anion, und bei dieser Spannung wird an der Kathode nur metallisches Kupfer freigesetzt. Die Anode scheint sich „aufzulösen“. Durch diese Reinigung erreichen wir eine Reinheit von 99,99 % („vier Neunen“). Auch Edelmetalle (Gold Au, Silber Ag) werden auf ähnliche Weise gereinigt (Raffination).

Derzeit wird das gesamte Aluminium (Al) elektrolytisch (aus Bauxitschmelze) abgebaut.

Galvanisieren

Galvanisieren – ein Bereich der angewandten Elektrochemie, der sich mit den Prozessen des Aufbringens von Metallbeschichtungen auf die Oberfläche von Metall- und Nichtmetallprodukten befasst, wenn ein elektrischer Gleichstrom durch Lösungen ihrer Salze fließt. Die Galvanotechnik ist unterteilt in Galvanisieren Und Galvanoplastik .

Durch Elektrolyse können Metallgegenstände mit einer Schicht aus einem anderen Metall überzogen werden. Dieser Vorgang wird aufgerufen Galvanisieren. Von besonderer technischer Bedeutung sind Beschichtungen mit schwer oxidierbaren Metallen, insbesondere Nickel- und Chrombeschichtungen sowie Silber- und Goldbeschichtungen, die häufig zum Schutz von Metallen vor Korrosion eingesetzt werden. Um die gewünschten Beschichtungen zu erhalten, wird das Objekt gründlich gereinigt, gut entfettet und als Kathode in ein Elektrolytbad gelegt, das das Salz des Metalls enthält, mit dem das Objekt beschichtet werden soll. Für eine gleichmäßigere Beschichtung ist es sinnvoll, zwei Platten als Anode zu verwenden und den Gegenstand dazwischen zu platzieren.

Außerdem können Sie durch Elektrolyse nicht nur Gegenstände mit einer Schicht aus dem einen oder anderen Metall beschichten, sondern auch deren Reliefkopien aus Metall anfertigen (z. B. Münzen, Medaillen). Dieses Verfahren wurde in den vierziger Jahren des 19. Jahrhunderts vom russischen Physiker und Elektrotechniker, Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften Boris Semenovich Jacobi (1801-1874) erfunden und heißt Galvanisieren . Um eine Reliefkopie eines Objekts anzufertigen, wird zunächst ein Abdruck aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise Wachs, angefertigt. Dieser Abguss wird mit Graphit eingerieben und als Kathode in ein Elektrolytbad getaucht, wo sich eine Metallschicht darauf abscheidet. Dies wird im Druck bei der Herstellung von Druckformularen verwendet.

Neben den oben genannten hat die Elektrolyse auch in anderen Bereichen Anwendung gefunden:

Erhalten von Oxidschutzfilmen auf Metallen (Eloxieren);

Elektrochemische Oberflächenbehandlung eines Metallprodukts (Polieren);

Elektrochemisches Lackieren von Metallen (z. B. Kupfer, Messing, Zink, Chrom usw.);

Unter Wasserreinigung versteht man die Entfernung löslicher Verunreinigungen. Das Ergebnis ist sogenanntes weiches Wasser (seine Eigenschaften ähneln destilliertem Wasser);

Elektrochemisches Schärfen von Schneidinstrumenten (z. B. chirurgische Messer, Rasierer usw.).

Liste der verwendeten Literatur:

1. Gurevich A. E. „Physik. Elektromagnetische Phänomene. 8. Klasse“ Moskau, Verlag „Drofa“. 1999

2. Gabrielyan O. S. „Chemie. 8. Klasse“ Moskau, Verlag „Drofa“. 1997

3. „Grundlehrbuch der Physik, herausgegeben vom Akademiker G. S. Landsberg – Band II – Elektrizität und Magnetismus.“ Moskau, „Wissenschaft“ 1972.

4. Eric M. Rogers. „Physik für den forschenden Geist (Methoden, Natur und Philosophie der Physik)“. „Princeton University Press“ 1966. Band III – Elektrizität und Magnetismus. Übersetzung Moskau, „Welt“ 1971.

5. A. N. Remizov „Kurs für Physik, Elektronik und Kybernetik für medizinische Institute.“ Moskau, „Higher School“ 1982.

Flüssigkeiten können wie alle anderen Stoffe Leiter, Halbleiter und Dielektrika sein. Beispielsweise ist destilliertes Wasser ein Dielektrikum und Lösungen und Schmelzen von Elektrolyten sind Leiter. Halbleiter werden beispielsweise geschmolzenes Selen oder Sulfidschmelzen sein.

Ionenleitfähigkeit

Unter elektrolytischer Dissoziation versteht man den Prozess der Zersetzung von Elektrolytmolekülen in Ionen unter dem Einfluss des elektrischen Feldes polarer Wassermoleküle. Der Dissoziationsgrad ist der Anteil der Moleküle, die in einer gelösten Substanz in Ionen zerfallen sind.

Der Grad der Dissoziation hängt von verschiedenen Faktoren ab: Temperatur, Lösungskonzentration, Lösungsmitteleigenschaften. Mit zunehmender Temperatur nimmt auch der Dissoziationsgrad zu.

Nachdem die Moleküle in Ionen zerlegt wurden, bewegen sie sich zufällig. In diesem Fall können zwei Ionen unterschiedlichen Vorzeichens rekombinieren, sich also wieder zu neutralen Molekülen verbinden. Ohne äußere Veränderungen in der Lösung sollte sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellen. Damit ist die Anzahl der Moleküle, die pro Zeiteinheit in Ionen zerfallen, gleich der Anzahl der Moleküle, die sich wieder vereinigen.

Ladungsträger in wässrigen Lösungen und Schmelzen von Elektrolyten sind Ionen. Wenn ein Gefäß mit einer Lösung oder Schmelze an einen Stromkreis angeschlossen wird, beginnen sich positiv geladene Ionen in Richtung Kathode und negativ geladene Ionen in Richtung Anode zu bewegen. Durch diese Bewegung entsteht ein elektrischer Strom. Diese Art der Leitfähigkeit wird als Ionenleitfähigkeit bezeichnet.

Zusätzlich zur ionischen Leitfähigkeit in Flüssigkeiten kann es auch eine elektronische Leitfähigkeit aufweisen. Diese Art der Leitfähigkeit ist beispielsweise für flüssige Metalle charakteristisch. Wie oben erwähnt, ist bei der Ionenleitung der Stromdurchgang mit der Übertragung von Materie verbunden.

Elektrolyse

Auf den Elektroden lagern sich Substanzen ab, die Bestandteil von Elektrolyten sind. Dieser Vorgang wird Elektrolyse genannt. Elektrolyse ist der Prozess der Freisetzung einer Substanz an einer Elektrode, der mit Redoxreaktionen verbunden ist.

Die Elektrolyse hat in der Physik und Technik breite Anwendung gefunden. Durch Elektrolyse wird die Oberfläche eines Metalls mit einer dünnen Schicht eines anderen Metalls überzogen. Zum Beispiel Chrom- und Nickelbeschichtung.

Mithilfe der Elektrolyse können Sie eine Kopie einer Reliefoberfläche erstellen. Dazu ist es notwendig, dass sich die Metallschicht, die sich auf der Oberfläche der Elektrode ablagert, leicht entfernen lässt. Um dies zu erreichen, wird manchmal Graphit auf die Oberfläche aufgetragen.

Der Prozess, solche leicht abziehbaren Beschichtungen zu erhalten, wird als Galvanisieren bezeichnet. Diese Methode wurde vom russischen Wissenschaftler Boris Jacobi bei der Herstellung von Hohlfiguren für die Isaakskathedrale in St. Petersburg entwickelt.