Elektromos áram folyadékokban. Töltések mozgása, anionkationok. Elektromos áram folyadékokban: eredete, mennyiségi és minőségi jellemzői Mi hoz létre áramot folyadékokban
A szabad elektronok irányított mozgásával jön létre, és ebben az esetben nem történik változás abban az anyagban, amelyből a vezető készül.
Az ilyen vezetőket, amelyekben az elektromos áram áthaladását nem kísérik anyaguk kémiai változásai, nevezzük az első típusú karmesterek. Ezek közé tartozik az összes fém, a szén és számos más anyag.
De vannak a természetben olyan elektromos áramvezetők is, amelyekben az áram áthaladása során kémiai jelenségek lépnek fel. Ezeket a vezetőket ún a második típusú karmesterek. Ide tartoznak elsősorban savak, sók és lúgok különféle vizes oldatai.
Ha vizet öntünk egy üvegedénybe, és néhány csepp kénsavat (vagy más savat vagy lúgot) adunk hozzá, majd veszünk két fémlemezt, és a lemezeket az edénybe süllyesztve vezetékeket rögzítünk hozzájuk, és áramot csatlakoztatunk kapcsolón és ampermérőn keresztül áramlik a vezetékek másik végére, majd az oldatból gáz szabadul fel, és ez folyamatosan folytatódik az áramkör bezárásáig. a savanyított víz valóban vezető. Ezenkívül a lemezeket gázbuborékok kezdik borítani. Ezután ezek a buborékok leválik a tányérokról, és kijönnek.
Amikor elektromos áram halad át az oldaton, kémiai változások következnek be, aminek következtében gáz szabadul fel.
A második típusú vezetőket elektrolitoknak nevezzük, és az elektrolitban bekövetkező jelenség, amikor elektromos áram halad át rajta.
Az elektrolitba mártott fémlemezeket elektródáknak nevezzük; az egyiket, amely az áramforrás pozitív pólusára van kötve, anódnak, a másikat, amely a negatív pólusra csatlakozik, katódnak nevezzük.
Mi okozza az elektromos áram áthaladását egy folyékony vezetőben? Kiderül, hogy az ilyen oldatokban (elektrolitok) a savmolekulák (lúgok, sók) oldószer (jelen esetben víz) hatására két komponensre bomlanak, ill. a molekula egyik részecskéje pozitív, a másik negatív elektromos töltésű.
A molekulák elektromos töltéssel rendelkező részecskéit ionoknak nevezzük. Amikor egy savat, sót vagy lúgot feloldunk vízben, nagyszámú pozitív és negatív ion is megjelenik az oldatban.
Most már ki kell derülnie, hogy miért haladt át elektromos áram a megoldáson, mert az áramforráshoz csatlakoztatott elektródák között ez keletkezett, vagyis az egyik pozitív, a másik negatív töltésűnek bizonyult. Ennek a potenciálkülönbségnek a hatására a pozitív ionok a negatív elektród - a katód - felé, a negatív ionok pedig az anód felé kezdtek mozogni.
Így az ionok kaotikus mozgása a negatív ionok, a másik irányba a pozitív ionok rendezett ellenmozgásává vált. Ez a töltésátviteli folyamat az elektromos áram áramlását alkotja az elektroliton keresztül, és addig megy végbe, amíg potenciálkülönbség van az elektródák között. A potenciálkülönbség megszűnésével az elektroliton áthaladó áram leáll, az ionok rendezett mozgása megzavarodik, ismét kaotikus mozgás lép fel.
Példaként tekintsük az elektrolízis jelenségét, amikor réz-szulfát CuSO4 oldatán elektromos áramot vezetünk át, és rézelektródákat engedünk bele.
Az elektrolízis jelensége, amikor az áram áthalad egy réz-szulfát oldaton: C - edény elektrolittal, B - áramforrás, C - kapcsoló
Az ionok ellenirányú mozgása is lesz az elektródák felé. A pozitív ion a réz (Cu) ion, a negatív ion pedig a savmaradék (SO4) ion lesz. A rézionok a katóddal érintkezve kisülnek (a hiányzó elektronokat magukhoz kapcsolják), azaz tiszta réz semleges molekulákká alakulnak, és a legvékonyabb (molekuláris) réteg formájában lerakódnak a katódra.
Az anódot elérve a negatív ionok is kisülnek (felesleges elektronokat adnak le). Ugyanakkor kémiai reakcióba lépnek az anód rézével, amelynek eredményeként réz Cu molekula kötődik a savas SO4 maradékhoz, és réz-szulfát CuS O4 molekula képződik, amely visszakerül. vissza az elektrolithoz.
Mivel ez a kémiai folyamat hosszú ideig tart, réz rakódik le a katódon, amely felszabadul az elektrolitból. Ebben az esetben a katódra került rézmolekulák helyett az elektrolit új rézmolekulákat kap a második elektród - az anód - feloldódása miatt.
Ugyanez a folyamat megy végbe, ha cinkelektródákat veszünk a réz helyett, és az elektrolit a cink-szulfát ZnSO4 oldata. A cink is átkerül az anódról a katódra.
És így, Különbség az elektromos áram között a fémekben és a folyadékvezetőkben abban rejlik, hogy a fémekben csak a szabad elektronok, azaz a negatív töltések töltéshordozók, míg az elektrolitokban ellentétes töltésű anyagrészecskék - ellentétes irányba mozgó ionok - hordozzák. Ezért ezt mondják Az elektrolitoknak ionos vezetőképességük van.
Az elektrolízis jelensége 1837-ben fedezte fel B. S. Jacobi, aki számos kísérletet végzett a kémiai áramforrások tanulmányozásával és javításával kapcsolatban. Jacobi megállapította, hogy az egyik réz-szulfát oldatba helyezett elektródát, amikor elektromos áram halad át rajta, réz borítja.
Ezt a jelenséget az ún galvanizálás, most rendkívül széles gyakorlati alkalmazásra talál. Ennek egyik példája a fémtárgyak bevonása vékony más fémréteggel, azaz nikkelezés, aranyozás, ezüstözés stb.
A gázok (beleértve a levegőt is) normál körülmények között nem vezetnek áramot. Például az egymással párhuzamosan felfüggesztett mezteleneket egy levegőréteg választja el egymástól.
Magas hőmérséklet, nagy potenciálkülönbség és egyéb okok hatására azonban a gázok, mint a folyadékvezetők, ionizálódnak, azaz nagy számban jelennek meg bennük a gázmolekulák részecskéi, amelyek elektromosság hordozóiként hozzájárulnak az áthaladáshoz. elektromos áram a gázon keresztül.
Ugyanakkor a gáz ionizációja eltér a folyékony vezető ionizációjától. Ha egy molekula folyadékban két töltött részre bomlik, akkor gázokban az ionizáció hatására az elektronok mindig minden molekuláról elválik, és egy ion a molekula pozitív töltésű része formájában marad.
Csak meg kell állítani a gáz ionizációját, mivel az megszűnik vezetőnek lenni, miközben a folyadék mindig elektromos áramvezető marad. Következésképpen a gáz vezetőképessége átmeneti jelenség, amely külső okok hatásától függ.
Van azonban egy másik, az úgynevezett ívkisülés vagy csak egy elektromos ív. Az elektromos ív jelenségét a 19. század elején fedezte fel az első orosz villamosmérnök, V. V. Petrov.
V. V. Petrov számos kísérletet végezve felfedezte, hogy az áramforráshoz csatlakoztatott két szén között folyamatos elektromos kisülés lép fel a levegőn keresztül, amelyet erős fény kísér. V. V. Petrov írásaiban azt írta, hogy ebben az esetben "a sötét béke elég erősen megvilágítható". Így először kaptak elektromos fényt, amelyet gyakorlatilag egy másik orosz villamosmérnök, Pavel Nikolaevich Yablochkov alkalmazott.
A "Yablochkov's Candle", amelynek munkája az elektromos ív használatán alapul, valódi forradalmat hozott az elektrotechnikában azokban a napokban.
Az ívkisülést napjainkban is fényforrásként használják, például keresőlámpákban, vetítőkben. Az ívkisülés magas hőmérséklete lehetővé teszi, hogy . Jelenleg számos iparágban használják a nagyon nagy árammal működő ívkemencéket: acél, öntöttvas, vasötvözetek, bronz stb. olvasztására. 1882-ben pedig N. N. Benardos használt először ívkisülést fém vágására és hegesztésére.
Gáz-fénycsövekben, fénycsövekben, feszültségstabilizátorokban az elektron- és ionsugarak előállításához ún. izzó gázkisülés.
Szikrakisülést használnak a nagy potenciálkülönbségek mérésére egy gömbrés segítségével, melynek elektródái két polírozott felületű fémgolyó. A golyókat elmozdítják egymástól, és mért potenciálkülönbséget alkalmaznak rájuk. Ezután a golyókat összehozzuk, amíg egy szikra nem ugrik közéjük. A golyók átmérőjének, a köztük lévő távolságnak, a levegő nyomásának, hőmérsékletének és páratartalmának ismeretében speciális táblázatok alapján találják meg a golyók közötti potenciálkülönbséget. Ezzel a módszerrel több tízezer voltos nagyságrendű potenciálkülönbség is mérhető néhány százalékos pontossággal.
Mindenki ismeri az elektromos áram fogalmát. Ezt töltött részecskék irányított mozgásaként ábrázolják. Az ilyen mozgás a különböző környezetekben alapvető különbségeket rejt magában. E jelenség alappéldájaként elképzelhető az elektromos áram áramlása és terjedése folyadékokban. Az ilyen jelenségeket különböző tulajdonságok jellemzik, és jelentősen eltérnek a töltött részecskék rendezett mozgásától, amely normál körülmények között, nem különféle folyadékok hatására következik be.
1. ábra Elektromos áram folyadékokban. Author24 - hallgatói dolgozatok online cseréje
Elektromos áram képződése folyadékokban
Annak ellenére, hogy az elektromos áram vezetési folyamatát fémeszközök (vezetők) végzik, a folyadékok árama a töltött ionok mozgásától függ, amelyek valamilyen meghatározott okból ilyen atomokat és molekulákat szereztek vagy veszítettek el. Az ilyen mozgás mutatója egy bizonyos anyag tulajdonságainak megváltozása, ahol az ionok áthaladnak. Így az elektromos áram alapvető definíciójára kell támaszkodni, hogy a különféle folyadékokban kialakuló áram sajátos fogalmát kialakítsuk. Megállapítást nyert, hogy a negatív töltésű ionok bomlása pozitív értékekkel hozzájárul az áramforrás tartományába való mozgáshoz. Az ilyen folyamatokban a pozitív töltésű ionok az ellenkező irányba mozognak - negatív áramforráshoz.
A folyadékvezetők három fő típusra oszthatók:
- félvezetők;
- dielektrikumok;
- karmesterek.
1. definíció
Az elektrolitikus disszociáció egy bizonyos oldat molekuláinak negatív és pozitív töltésű ionokra történő bomlásának folyamata.
Megállapítható, hogy a folyadékokban elektromos áram keletkezhet a felhasznált folyadékok összetételének és kémiai tulajdonságainak megváltozása után. Ez teljesen ellentmond az elektromos áram más módon történő terjedésének elméletének, ha hagyományos fémvezetőt használunk.
Faraday kísérletei és az elektrolízis
A folyadékokban az elektromos áram áramlása a töltött ionok mozgásának eredménye. A folyadékokban az elektromos áram megjelenésével és terjedésével kapcsolatos problémák a híres tudós Michael Faraday tanulmányához vezettek. Számos gyakorlati tanulmány segítségével sikerült bizonyítékot találnia arra, hogy az elektrolízis során felszabaduló anyag tömege függ az idő és az elektromosság mennyiségétől. Ebben az esetben fontos az az idő, amely alatt a kísérleteket elvégezték.
A tudósnak azt is sikerült kiderítenie, hogy az elektrolízis folyamatában, amikor egy bizonyos mennyiségű anyag felszabadul, ugyanannyi elektromos töltésre van szükség. Ezt a mennyiséget pontosan megállapították és állandó értékben rögzítették, amit Faraday-számnak neveztek.
Folyadékokban az elektromos áram terjedési feltételei eltérőek. Kölcsönhatásba lép a vízmolekulákkal. Jelentősen gátolják az ionok minden mozgását, ami a hagyományos fémvezetővel végzett kísérletekben nem volt megfigyelhető. Ebből következik, hogy az elektrolitikus reakciók során keletkező áram nem lesz olyan nagy. Az oldat hőmérsékletének növekedésével azonban a vezetőképesség fokozatosan növekszik. Ez azt jelenti, hogy az elektromos áram feszültsége nő. Az elektrolízis folyamatában is megfigyelték, hogy a felhasznált anyag vagy oldószer nagyszámú molekulája miatt megnő annak a valószínűsége, hogy egy bizonyos molekula negatív vagy pozitív iontöltésekre bomlik. Ha az oldat egy bizonyos normát meghaladó ionokkal telítődik, fordított folyamat megy végbe. Az oldat vezetőképessége ismét csökkenni kezd.
Jelenleg az elektrolízis folyamat a tudomány számos területén és területén, valamint a termelésben talált alkalmazást. Az ipari vállalkozások fémgyártásban vagy -feldolgozásban használják. Az elektrokémiai reakciók a következőkben vesznek részt:
- só elektrolízis;
- galvanizálás;
- felületi polírozás;
- egyéb redox folyamatok.
Elektromos áram vákuumban és folyadékokban
Az elektromos áram terjedése folyadékokban és más közegekben meglehetősen összetett folyamat, amelynek saját jellemzői, jellemzői és tulajdonságai vannak. Az a tény, hogy az ilyen közegekben a testekben teljesen nincsenek töltések, ezért ezeket általában dielektrikumoknak nevezik. A kutatás fő célja az volt, hogy olyan feltételeket teremtsenek, amelyek között az atomok és molekulák megkezdhették mozgásukat, és megkezdődhet az elektromos áram létrehozásának folyamata. Ehhez speciális mechanizmusokat vagy eszközöket szokás használni. Az ilyen moduláris eszközök fő eleme fémlemezek formájában lévő vezetők.
Az áram fő paramétereinek meghatározásához ismert elméleteket és képleteket kell használni. A leggyakoribb az Ohm-törvény. Univerzális amperkarakterisztikaként működik, ahol az áram-feszültség függés elve érvényesül. Emlékezzünk vissza, hogy a feszültséget amper egységekben mérik.
A vízzel és sóval végzett kísérletekhez sós vízzel edényt kell készíteni. Ez gyakorlatias és vizuálisan mutatja be azokat a folyamatokat, amelyek akkor mennek végbe, amikor a folyadékokban elektromos áram keletkezik. Ezenkívül a telepítésnek téglalap alakú elektródákat és tápegységeket kell tartalmaznia. A kísérletek teljes körű előkészítéséhez amperes telepítés szükséges. Segít az energiát a tápegységről az elektródákra vezetni.
A fémlemezek vezetőként működnek. A felhasznált folyadékba mártják, majd rákapcsolják a feszültséget. A részecskék mozgása azonnal megindul. Véletlenszerűen fut. Amikor mágneses tér keletkezik a vezetők között, a részecskék mozgásának teljes folyamata rendezett.
Az ionok elkezdenek töltéseket váltani és egyesülni. Így a katódokból anódok, az anódok pedig katódokká válnak. Ebben a folyamatban számos más fontos tényezőt is figyelembe kell venni:
- disszociációs szint;
- hőfok;
- elektromos ellenállás;
- váltakozó vagy egyenáram használata.
A kísérlet végén sóréteg képződik a lemezeken.
Szinte mindenki ismeri az elektromos áram definícióját: A lényeg azonban az, hogy eredete és mozgása a különböző médiumokban meglehetősen különbözik egymástól. Különösen a folyadékokban lévő elektromos áramnak némileg eltérő tulajdonságai vannak, mint az azonos fémvezetőknek.
A fő különbség az, hogy a folyadékokban az áram a töltött ionok mozgása, vagyis olyan atomok vagy akár molekulák, amelyek valamilyen okból elveszítették vagy nyertek elektronokat. Ugyanakkor ennek a mozgásnak az egyik mutatója az anyag tulajdonságainak megváltozása, amelyen ezek az ionok áthaladnak. Az elektromos áram definíciója alapján feltételezhetjük, hogy a bomlás során a negatív töltésű ionok pozitív és pozitív, ellenkezőleg, negatív irányba mozdulnak el.
Az oldatmolekulák pozitív és negatív töltésű ionokra bomlásának folyamatát a tudomány elektrolitikus disszociációnak nevezi. Így a folyadékokban elektromos áram keletkezik, mivel ugyanazon fémvezetőtől eltérően ezeknek a folyadékoknak az összetétele és kémiai tulajdonságai megváltoznak, ami a töltött ionok mozgását eredményezi.
A folyadékokban lévő elektromos áram, annak eredete, mennyiségi és minőségi jellemzői voltak az egyik fő probléma, amelyet a híres fizikus, M. Faraday sokáig vizsgált. Különösen számos kísérlet segítségével tudta igazolni, hogy az elektrolízis során felszabaduló anyag tömege közvetlenül függ az elektromosság mennyiségétől és az elektrolízis végrehajtásának időtartamától. Ez a tömeg az anyag típusán kívül más okból nem függ.
Ezen túlmenően, a folyadékok áramát tanulmányozva Faraday kísérleti úton megállapította, hogy az elektrolízis során egy kilogramm anyag izolálásához ugyanannyira van szükség, ezt a mennyiséget, amely 9.65.10 7 k, Faraday-számnak nevezték.
A fémvezetőkkel ellentétben a folyadékokban az elektromos áramot körülveszik, ami nagymértékben megnehezíti az anyag ionjainak mozgását. Ebben a tekintetben bármely elektrolitban csak kis feszültség állítható elő. Ugyanakkor, ha az oldat hőmérséklete emelkedik, akkor a vezetőképessége nő, és a mező növekszik.
Az elektrolízisnek van egy másik érdekes tulajdonsága. A helyzet az, hogy egy adott molekula pozitív és negatív töltésű ionokká való bomlásának valószínűsége annál nagyobb, minél több magának az anyagnak és az oldószernek a molekulái. Ugyanakkor egy bizonyos pillanatban az oldat ionokkal túltelítődik, ami után az oldat vezetőképessége csökkenni kezd. Így a legerősebb olyan oldatban megy végbe, ahol az ionok koncentrációja rendkívül alacsony, de az elektromos áram az ilyen oldatokban rendkívül alacsony.
Az elektrolízis eljárást széles körben alkalmazzák az elektrokémiai reakciókkal kapcsolatos különféle ipari termelésekben. Ezek közül a legfontosabbak a fémgyártás elektrolitok felhasználásával, a klórt és származékait tartalmazó sók elektrolízise, redox reakciók, olyan szükséges anyagok előállítása, mint a hidrogén, felületi polírozás, galvanizálás. Például sok gépészeti és műszergyártó vállalkozásnál nagyon elterjedt a finomítási módszer, amely a fém előállítása felesleges szennyeződések nélkül.
A folyadékokban az elektromos áramot pozitív és negatív ionok mozgása okozza. Ellentétben a vezetők áramával, ahol az elektronok mozognak. Így, ha egy folyadékban nincsenek ionok, akkor ez dielektrikum, például desztillált víz. Mivel a töltéshordozók ionok, azaz egy anyag molekulái és atomjai, amikor egy ilyen folyadékon elektromos áram halad át, az elkerülhetetlenül az anyag kémiai tulajdonságainak megváltozásához vezet.
Honnan származnak a pozitív és negatív ionok a folyadékban? Tegyük fel rögtön, hogy nem minden folyadékban képesek töltéshordozók képződni. Azokat, amelyekben megjelennek, elektrolitoknak nevezzük. Ide tartoznak a savak és lúgok sóinak oldatai. Ha például sót oldunk vízben, vegyünk asztali sót NaCl, oldószer, azaz víz hatására pozitív ionná bomlik Na kationnak és negatív ionnak nevezzük Cl anionnak nevezik. Az ionok képződésének folyamatát elektrolitikus disszociációnak nevezzük.
Végezzünk el egy kísérletet, ehhez üvegburára, két fémelektródára, ampermérőre és egyenáramforrásra van szükségünk. A lombikot megtöltjük konyhasó vizes oldatával. Ezután két téglalap alakú elektródát teszünk ebbe az oldatba. Az elektródákat egy ampermérőn keresztül egyenáramú forráshoz csatlakoztatjuk.
1. ábra - Lombik sóoldattal
Amikor az áramot bekapcsolják a lemezek között, elektromos mező jelenik meg, amelynek hatására a sóionok mozogni kezdenek. A pozitív ionok a katódra, a negatív ionok pedig az anódra rohannak. Ugyanakkor kaotikus mozgást fognak végezni. De ugyanakkor a mezőny hatására egy megrendelt is kerül rá.
Ellentétben a vezetőkkel, amelyekben csak elektronok mozognak, vagyis egyfajta töltés, kétféle töltés mozog az elektrolitokban. Ezek pozitív és negatív ionok. Egymás felé haladnak.
Amikor a pozitív nátriumion eléri a katódot, felveszi a hiányzó elektront, és nátriumatommá válik. Hasonló folyamat megy végbe a klórionnal is. A klórion csak az anódhoz érve ad fel egy elektront, és klóratommá alakul. Így a külső áramkörben az elektronok mozgása miatt áram marad fenn. Az elektrolitban pedig úgy tűnik, hogy az ionok elektronokat szállítanak egyik pólusról a másikra.
Az elektrolitok elektromos ellenállása a képződött ionok mennyiségétől függ. Erős elektrolitokban oldott állapotban a disszociáció szintje nagyon magas. A gyengék alacsonyak. Az elektrolit elektromos ellenállását a hőmérséklet is befolyásolja. Növekedésével a folyadék viszkozitása csökken, és a nehéz és ügyetlen ionok gyorsabban kezdenek mozogni. Ennek megfelelően az ellenállás csökken.
Ha a sóoldatot réz-szulfát oldattal helyettesítjük. Aztán amikor áramot vezetnek át rajta, amikor a rézkation eléri a katódot, és ott fogadja a hiányzó elektronokat, visszaáll rézatommá. És ha ezután eltávolítja az elektródát, rézlerakódásokat találhat rajta. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezik.
« Fizika – 10. évfolyam
Melyek az elektromos áram hordozói vákuumban?
Mi a mozgásuk természete?
A folyadékok, akárcsak a szilárd anyagok, lehetnek dielektrikumok, vezetők és félvezetők. A dielektrikumok közé tartozik a desztillált víz, a vezetők - az elektrolitok oldatai és olvadékai: savak, lúgok és sók. A folyékony félvezetők az olvadt szelén, a szulfidolvadékok stb.
elektrolitikus disszociáció.
Amikor az elektrolitok feloldódnak a poláris vízmolekulák elektromos mezőjének hatására, az elektrolitmolekulák ionokra bomlanak.
A molekulák ionokra bomlását a poláris vízmolekulák elektromos mezeje hatására ún. elektrolitikus disszociáció.
A disszociáció mértéke- az ionokká bomlott molekulák aránya az oldott anyagban.
A disszociáció mértéke függ a hőmérséklettől, az oldat koncentrációjától és az oldószer elektromos tulajdonságaitól.
A hőmérséklet emelkedésével nő a disszociáció mértéke, és ennek következtében nő a pozitív és negatív töltésű ionok koncentrációja.
A különböző előjelű ionok találkozásukkor ismét semleges molekulákká egyesülhetnek.
Állandó körülmények között az oldatban olyan dinamikus egyensúly jön létre, amelynél a másodpercenként ionokká bomló molekulák száma megegyezik az azonos idő alatt semleges molekulákká rekombináló ionpárok számával.
Ionvezetés.
A vizes oldatokban vagy elektrolitolvadékokban lévő töltéshordozók pozitív és negatív töltésű ionok.
Ha egy elektrolitoldatot tartalmazó edényt egy elektromos áramkörbe foglalnak, akkor a negatív ionok a pozitív elektród - az anód, a pozitív - a negatív katód felé kezdenek mozogni. Ennek eredményeként elektromos áram fog átfolyni az áramkörön.
A vizes oldatok vagy elektrolitolvadékok vezetőképességét, amelyet ionok hajtanak végre, ún ionvezetőképesség.
Elektrolízis. Az ionos vezetőképességnél az áram áthaladása az anyag átadásával jár. Az elektródákon elektrolitokat alkotó anyagok szabadulnak fel. Az anódnál a negatív töltésű ionok adják át extra elektronjaikat (a kémiában ezt oxidatív reakciónak nevezik), a katódon pedig a pozitív ionok nyerik el a hiányzó elektronokat (redukciós reakció).
A folyadékok elektromos vezetőképességgel is rendelkezhetnek. Ilyen vezetőképességgel például a folyékony fémek rendelkeznek.
Az anyag elektródán történő felszabadulási folyamatát, amely redoxreakciókkal jár együtt, ún elektrolízis.
Mi határozza meg egy adott idő alatt felszabaduló anyag tömegét? Nyilvánvalóan a felszabaduló anyag m tömege egyenlő egy ion m 0i tömegének szorzatával azon ionok N i számával, amelyek a Δt idő alatt elérték az elektródát:
m = m 0i N i . (16.3)
Az ion tömege m 0i:
ahol M az anyag moláris (vagy atom) tömege, N A pedig az Avogadro-állandó, azaz az ionok száma egy mólban.
Az elektródát elérő ionok száma a
ahol Δq = IΔt az elektroliton áthaladó töltés a Δt idő alatt; q 0i az ion töltése, amelyet az atom n vegyértéke határoz meg: q 0i \u003d ne (e az elemi töltés). A molekulák disszociációja során például a KBr, amely egyértékű atomokból áll (n = 1), K + és Br - ionok jelennek meg. A réz-szulfát molekulák disszociációja kétszeres töltésű Cu 2+ és SO 2- 4 ionok megjelenéséhez vezet (n = 2). A (16.4) és (16.5) kifejezéseket behelyettesítve a (16.3) képletbe, és figyelembe véve, hogy Δq = IΔt, a q 0i = ne, kapjuk
Faraday törvénye.
Jelöljük k-val az anyag m tömege és az elektroliton áthaladó Δq = IΔt töltés közötti arányossági együtthatót:
ahol F \u003d eN A = 9,65 10 4 C / mol - Faraday állandó.
A k együttható az anyag természetétől függ (M és n értékei). A (16.6) képlet szerint megvan
m = kIΔt. (16,8)
Faraday elektrolízis törvénye:
Az elektródán felszabaduló anyag tömege a Δt idő alatt. az elektromos áram áthaladása során arányos az áramerősséggel és az idővel.
Ezt az elméletileg kapott állítást először Faraday állapította meg kísérletileg.
A (16.8) képletben szereplő k értéket nevezzük elektrokémiai ekvivalens adott anyag és kifejezve kilogramm medálonként(kg/C).
A (16.8) képletből látható, hogy a k együttható számszerűen megegyezik az 1 C-os töltés ionok általi átvitele során az elektródákon felszabaduló anyag tömegével.
Az elektrokémiai megfelelőnek egyszerű fizikai jelentése van. Mivel M / N A \u003d m 0i és en \u003d q 0i, akkor a (16.7) képlet szerint k \u003d rn 0i / q 0i, azaz k az ion tömegének és töltésének aránya.
Az m és Δq értékeinek mérésével meghatározható a különböző anyagok elektrokémiai ekvivalense.
Tapasztalattal ellenőrizheti Faraday törvényének érvényességét. Szereljük össze a (16.25) ábrán látható telepítést. Mindhárom elektrolitfürdő ugyanabban az elektrolitoldatban van megtöltve, de a rajtuk áthaladó áramok eltérőek. Jelöljük az I1, I2, I3 átmenő áramok erősségét. Ekkor I 1 = I 2 + I 3 . Különböző fürdőkben megmérve az elektródákra felszabaduló anyagok m 1, m 2, m 3 tömegét, meggyőződhetünk arról, hogy azok arányosak a megfelelő I 1, I 2, I 3 áramokkal.
Az elektrontöltés meghatározása.
Az elektródán felszabaduló anyag tömegére vonatkozó (16.6) képlet használható az elektrontöltés meghatározására. Ebből a képletből az következik, hogy az elektron töltési modulusa egyenlő:
Ismerve az IΔt töltés áthaladása során felszabaduló anyag m tömegét, az M moláris tömegét, az n atom vegyértékét és az Avogadro-állandót N A, meghatározható az elektron töltési modulusa. Kiderül, hogy e = 1,6 10 -19 C.
Ily módon kapták meg először 1874-ben az elemi elektromos töltés értékét.
Az elektrolízis alkalmazása. Az elektrolízist széles körben használják a mérnöki munkákban különféle célokra. Elektrolitikusan fedje be az egyik fém felületét egy másik fém vékony rétegével ( nikkelezés, krómozás, aranyozás stb.). Ez a tartós bevonat megvédi a felületet a korróziótól. Ha biztosított az elektrolitikus bevonat jó lehámlása arról a felületről, amelyre a fémet lerakják (ezt például a felületre grafit felhordásával érik el), akkor a domborzati felületről másolat készíthető.
A lehúzható bevonatok előállításának folyamata - elektrotípia- fejlesztette ki B. S. Jacobi (1801-1874) orosz tudós, aki 1836-ban ezt a módszert alkalmazta a szentpétervári Szent Izsák-székesegyház üreges figuráinak elkészítésére.
Korábban a nyomdaiparban mátrixokból (egy készlet lenyomata műanyagra) domborzati felületről (sztereotípiák) nyerték a másolatokat, amelyekhez a mátrixokra vastag vas- vagy más anyagréteg került. Ez lehetővé tette a készlet megfelelő példányszámú reprodukálását.
Az elektrolízis eltávolítja a szennyeződéseket a fémekből. Így az ércből nyert nyers rezet vastag lemezek formájában öntik, amelyeket aztán anódként fürdőbe helyeznek. Az elektrolízis során az anódréz feloldódik, az értékes és ritka fémeket tartalmazó szennyeződések lehullanak az aljára, a tiszta réz pedig a katódon ülepedik.
Az alumíniumot olvadt bauxitból elektrolízissel nyerik. Ez volt az alumínium beszerzési módszere, amely olcsóvá és a vas mellett a legelterjedtebbé tette a technikában és a mindennapi életben.
Az elektrolízis segítségével elektronikus áramköri lapokat kapnak, amelyek minden elektronikai termék alapjául szolgálnak. A dielektrikumra vékony rézlemezt ragasztanak, amelyre speciális festékkel komplex mintázatú összekötő vezetékeket visznek fel. Ezután a lemezt elektrolitba helyezzük, ahol a rézréteg festékkel nem borított részeit bemarjuk. Ezt követően a festéket lemossák, és a mikroáramkör részletei megjelennek a táblán.
