Шингэн дэх цахилгаан гүйдэл. Цэнэг, анион катионуудын хөдөлгөөн. Шингэн дэх цахилгаан гүйдэл: түүний гарал үүсэл, тоон болон чанарын шинж чанар Шингэн дэх гүйдлийг юу үүсгэдэг
Энэ нь чөлөөт электронуудын чиглэсэн хөдөлгөөнөөр үүсдэг бөгөөд энэ тохиолдолд дамжуулагчийг үүсгэсэн бодист ямар ч өөрчлөлт гарахгүй.
Цахилгаан гүйдэл дамжих нь тэдгээрийн бодисын химийн өөрчлөлт дагалддаггүй ийм дамжуулагчийг нэрлэдэг. нэгдүгээр төрлийн дамжуулагчид. Эдгээрт бүх металл, нүүрс болон бусад хэд хэдэн бодис орно.
Гэхдээ байгальд цахилгаан гүйдлийн ийм дамжуулагч байдаг бөгөөд гүйдэл дамжих явцад химийн үзэгдлүүд тохиолддог. Эдгээр дамжуулагчийг нэрлэдэг хоёр дахь төрлийн дамжуулагчид. Эдгээрт голчлон хүчил, давс, шүлтийн янз бүрийн уусмалууд орно.
Хэрэв та шилэн саванд ус асгаж, түүнд хэдэн дусал хүхрийн хүчил (эсвэл бусад хүчил, шүлт) нэмээд хоёр металл хавтанг авч, эдгээр хавтангуудыг саванд буулгаж, гүйдэл холбоно. Шилжүүлэгч ба амперметрээр дамжуулагчийн бусад төгсгөлд эх үүсвэрийг дамжуулж, дараа нь уусмалаас хий ялгарч, хэлхээ хаагдах хүртэл тасралтгүй үргэлжилнэ. хүчиллэгжүүлсэн ус бол үнэхээр дамжуулагч юм. Үүнээс гадна ялтсууд нь хийн бөмбөлөгөөр бүрхэгдэж эхэлнэ. Дараа нь эдгээр бөмбөлгүүд ялтсуудаас салж, гарч ирнэ.
Цахилгаан гүйдэл нь уусмалаар дамжин өнгөрөхөд химийн өөрчлөлт гарч, улмаар хий ялгардаг.
Хоёр дахь төрлийн дамжуулагчийг электролит гэж нэрлэдэг бөгөөд цахилгаан гүйдэл дамжин өнгөрөх үед электролитэд тохиолддог үзэгдэл юм.
Электролит руу дүрсэн металл хавтанг электрод гэж нэрлэдэг; тэдгээрийн нэгийг гүйдлийн эх үүсвэрийн эерэг туйлтай холбосон анод, сөрөг туйлтай холбогдсон нөгөөг нь катод гэнэ.
Шингэн дамжуулагч дотор цахилгаан гүйдэл дамжих шалтгаан юу вэ? Ийм уусмалд (электролит) хүчил молекулууд (шүлт, давс) уусгагчийн нөлөөн дор (энэ тохиолдолд ус) хоёр бүрэлдэхүүн хэсэг болж задардаг нь харагдаж байна. молекулын нэг бөөм нь эерэг цахилгаан цэнэгтэй, нөгөө нь сөрөг байна.
Цахилгаан цэнэгтэй молекулын бөөмсийг ион гэж нэрлэдэг. Хүчил, давс эсвэл шүлтийг усанд уусгахад уусмалд олон тооны эерэг ба сөрөг ионууд гарч ирдэг.
Цахилгаан гүйдэл яагаад уусмалаар дамжсан нь тодорхой болох ёстой, учир нь одоогийн эх үүсвэрт холбогдсон электродуудын хооронд үүссэн, өөрөөр хэлбэл тэдгээрийн нэг нь эерэг, нөгөө нь сөрөг цэнэгтэй болсон. Энэхүү боломжит ялгааны нөлөөн дор эерэг ионууд сөрөг электрод - катод руу, сөрөг ионууд нь анод руу шилжиж эхлэв.
Ийнхүү ионуудын эмх замбараагүй хөдөлгөөн нь нэг чиглэлд сөрөг, нөгөө чиглэлд эерэг ионуудын дараалсан эсрэг хөдөлгөөн болж хувирав. Энэхүү цэнэг дамжуулах процесс нь электролитээр дамжих цахилгаан гүйдлийн урсгалыг бүрдүүлдэг бөгөөд электродуудын хооронд боломжит зөрүү байгаа тохиолдолд л явагддаг. Боломжит ялгаа алга болсноор электролитээр дамжих гүйдэл зогсч, ионуудын эмх цэгцтэй хөдөлгөөн алдагдаж, эмх замбараагүй хөдөлгөөн дахин эхэлдэг.
Жишээлбэл, зэсийн сульфатын CuSO4 уусмалаар цахилгаан гүйдэл дамжих үед зэс электродуудыг буулгах электролизийн үзэгдлийг авч үзье.
Зэсийн сульфатын уусмалаар гүйдэл дамжин өнгөрөх электролизийн үзэгдэл: C - электролит бүхий сав, B - гүйдлийн эх үүсвэр, С - унтраалга.
Мөн электродууд руу ионуудын эсрэг хөдөлгөөн үүснэ. Эерэг ион нь зэс (Cu) ион, сөрөг ион нь хүчлийн үлдэгдэл (SO4) ион байх болно. Зэсийн ионууд катодтой харьцах үед цэнэггүй болж (дутсан электронуудыг өөртөө хавсаргана), өөрөөр хэлбэл цэвэр зэсийн төвийг сахисан молекулууд болж, катод дээр хамгийн нимгэн (молекул) давхарга хэлбэрээр байрлана.
Анод руу хүрсэн сөрөг ионууд мөн цэнэггүй болдог (илүүдэл электроныг өгдөг). Гэхдээ үүнтэй зэрэгцэн тэд анодын зэстэй химийн урвалд ордог бөгөөд үүний үр дүнд зэсийн Cu молекул нь хүчиллэг үлдэгдэл SO4-д наалдаж, CuS O4 зэсийн сульфатын молекул үүсч, буцаж ирдэг. электролит руу буцах.
Энэхүү химийн процесс удаан үргэлжилдэг тул электролитээс ялгардаг катод дээр зэс хуримтлагддаг. Энэ тохиолдолд катод руу очсон зэсийн молекулуудын оронд хоёр дахь электрод - анод татан буугдсанаас болж электролит нь шинэ зэсийн молекулуудыг хүлээн авдаг.
Зэсийн оронд цайрын электродыг авч, электролит нь цайрын сульфатын ZnSO4-ийн уусмал байвал ижил процесс явагдана. Цайр нь мөн анодоос катод руу шилжинэ.
Тиймээс, Металлын цахилгаан гүйдэл ба шингэн дамжуулагчийн хоорондох ялгааМеталлуудад зөвхөн чөлөөт электронууд, өөрөөр хэлбэл сөрөг цэнэгүүд нь цэнэгийн тээвэрлэгч байдаг бол электролитүүдэд эсрэг чиглэлд хөдөлж буй бодисын эсрэг цэнэгтэй хэсгүүд - ионууд зөөгддөг. Тиймээс тэд ингэж хэлдэг электролитууд нь ион дамжуулалттай байдаг.
Электролизийн үзэгдэл 1837 онд химийн гүйдлийн эх үүсвэрийг судлах, сайжруулах талаар олон тооны туршилт хийсэн Б.С.Якоби нээсэн. Жакоби зэсийн сульфатын уусмалд байрлуулсан электродуудын нэг нь цахилгаан гүйдэл дамжин өнгөрөхөд зэсээр бүрхэгдсэн болохыг олж мэдэв.
Энэ үзэгдлийг гэж нэрлэдэг цахилгаанаар бүрэх, одоо маш өргөн практик хэрэглээг олж байна. Үүний нэг жишээ бол никель бүрэх, алтадмал, мөнгөн бүрэх гэх мэт бусад металлын нимгэн давхаргаар металл эд зүйлсийг бүрэх явдал юм.
Хэвийн нөхцөлд хий (агаарыг оруулаад) цахилгаан гүйдэл дамжуулдаггүй. Жишээлбэл, нүцгэн, бие биентэйгээ параллель байрладаг, бие биенээсээ агаарын давхаргаар тусгаарлагдсан байдаг.
Гэсэн хэдий ч өндөр температурын нөлөөн дор их хэмжээний боломжит зөрүү болон бусад шалтгааны улмаас хий, тухайлбал шингэн дамжуулагч, ионжуулж, жишээлбэл, хийн молекулын тоосонцор их хэмжээгээр гарч ирдэг бөгөөд энэ нь цахилгаан гүйдэл дамжуулагч болохын хувьд дамжин өнгөрөхөд хувь нэмэр оруулдаг. хийгээр дамжин өнгөрөх цахилгаан гүйдэл.
Гэхдээ үүнтэй зэрэгцэн хийн иончлол нь шингэн дамжуулагчийн иончлолоос ялгаатай. Хэрэв молекул шингэнд хоёр цэнэглэгдсэн хэсэгт хуваагддаг бол хийд иончлолын нөлөөгөөр молекул бүрээс электронууд үргэлж салж, ион нь молекулын эерэг цэнэгтэй хэсэг хэлбэрээр үлддэг.
Шингэн нь үргэлж цахилгаан гүйдлийн дамжуулагч хэвээр байх үед хийн иончлолыг зогсоох хэрэгтэй, учир нь энэ нь дамжуулагч байхаа болино. Иймээс хийн дамжуулах чанар нь гадны хүчин зүйлийн нөлөөллөөс хамааран түр зуурын үзэгдэл юм.
Гэсэн хэдий ч өөр нэг нэртэй байдаг нумын ялгадасэсвэл зүгээр л цахилгаан нум. Цахилгаан нумын үзэгдлийг 19-р зууны эхээр Оросын анхны цахилгаан инженер В.В.Петров нээсэн.
В.В.Петров олон тооны туршилт хийж, гүйдлийн эх үүсвэрт холбогдсон хоёр нүүрсний хооронд хурц гэрлийн хамт агаараар тасралтгүй цахилгаан гүйдэл үүсдэг болохыг олж мэдэв. Энэ тохиолдолд "харанхуй амар амгаланг нэлээд тод гэрэлтүүлж болно" гэж В.В.Петров зохиолдоо бичжээ. Тиймээс Оросын өөр нэг цахилгаан судлаач Павел Николаевич Яблочков практикт ашигласан цахилгаан гэрлийг анх удаа олж авав.
"Яблочковын лаа" нь цахилгаан нумыг ашиглахад суурилдаг бөгөөд тэр үед цахилгаан инженерчлэлд жинхэнэ хувьсгал хийсэн.
Нумын цэнэгийг одоо ч гэсэн гэрлийн эх үүсвэр болгон ашиглаж байна, жишээлбэл, хайс, проектор. Нуман урсацын өндөр температур нь үүнийг ашиглах боломжийг олгодог. Одоогийн байдлаар маш өндөр гүйдлээр ажилладаг нуман зуухыг хэд хэдэн салбарт ашиглаж байна: ган, цутгамал төмөр, ферро хайлш, хүрэл хайлуулах гэх мэт. Мөн 1882 онд Н.Н.Бенардос анх удаа металл зүсэх, гагнах зориулалттай нуман цэнэгийг ашигласан.
Хийн гэрлийн хоолой, флюресцент ламп, хүчдэл тогтворжуулагчид электрон ба ионы цацрагийг олж авахын тулд гэж нэрлэгддэг. гялалзсан хийн ялгадас.
Бөмбөгний цоорхойг ашиглан их хэмжээний боломжит зөрүүг хэмжихэд оч ялгаруулдаг ба электродууд нь өнгөлсөн гадаргуутай хоёр металл бөмбөлөг юм. Бөмбөлгүүдийг салгаж, хэмжсэн боломжит зөрүүг тэдэнд хэрэглэнэ. Дараа нь бөмбөгийг хооронд нь оч үсрэх хүртэл нэгтгэнэ. Бөмбөлгүүдийн диаметр, тэдгээрийн хоорондох зай, агаарын даралт, температур, чийгшлийг мэддэг тул тусгай хүснэгтийн дагуу бөмбөгний боломжит зөрүүг олдог. Энэ аргыг хэдэн арван мянган вольтын дарааллын боломжит зөрүүг хэдхэн хувиар хэмжихэд ашиглаж болно.
Цахилгаан гүйдлийн тодорхойлолтыг хүн бүр мэддэг. Энэ нь цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн чиглэсэн хөдөлгөөнөөр илэрхийлэгддэг. Янз бүрийн орчинд ийм хөдөлгөөн нь үндсэн ялгаатай байдаг. Энэ үзэгдлийн үндсэн жишээ болгон шингэн дэх цахилгаан гүйдлийн урсгал ба тархалтыг төсөөлж болно. Ийм үзэгдлүүд нь янз бүрийн шинж чанараараа тодорхойлогддог бөгөөд янз бүрийн шингэний нөлөөн дор биш хэвийн нөхцөлд тохиолддог цэнэглэгдсэн бөөмсийн дараалсан хөдөлгөөнөөс эрс ялгаатай байдаг.
Зураг 1. Шингэн дэх цахилгаан гүйдэл. Author24 - оюутны баримт бичгийг онлайнаар солилцох
Шингэн дэх цахилгаан гүйдэл үүсэх
Цахилгаан гүйдэл дамжуулах үйл явц нь металл төхөөрөмж (дамжуулагч) -аар явагддаг хэдий ч шингэн дэх гүйдэл нь тодорхой шалтгааны улмаас ийм атом, молекулуудыг олж авсан эсвэл алдсан цэнэгтэй ионуудын хөдөлгөөнөөс хамаардаг. Ийм хөдөлгөөний үзүүлэлт нь ионууд дамждаг тодорхой бодисын шинж чанарын өөрчлөлт юм. Тиймээс янз бүрийн шингэн дэх гүйдэл үүсэх тухай тодорхой ойлголтыг бий болгохын тулд цахилгаан гүйдлийн үндсэн тодорхойлолтод найдах шаардлагатай. Сөрөг цэнэгтэй ионуудын задрал нь эерэг утгатай одоогийн эх үүсвэрийн бүс рүү шилжихэд хувь нэмэр оруулдаг болохыг тогтоожээ. Ийм процесс дахь эерэг цэнэгтэй ионууд нь эсрэг чиглэлд шилжих болно - сөрөг гүйдлийн эх үүсвэр рүү.
Шингэн дамжуулагчийг гурван үндсэн төрөлд хуваадаг.
- хагас дамжуулагч;
- диэлектрик;
- дамжуулагчид.
Тодорхойлолт 1
Электролитийн диссоциаци гэдэг нь тодорхой уусмалын молекулуудыг сөрөг ба эерэг цэнэгтэй ион болгон задлах үйл явц юм.
Хэрэглэсэн шингэний найрлага, химийн шинж чанар өөрчлөгдсөний дараа шингэн дэх цахилгаан гүйдэл үүсч болохыг тогтоож болно. Энэ нь ердийн металл дамжуулагчийг ашиглах үед цахилгаан гүйдэл өөр аргаар тархах онолтой бүрэн зөрчилддөг.
Фарадейгийн туршилт ба электролиз
Шингэн дэх цахилгаан гүйдлийн урсгал нь цэнэглэгдсэн ионуудын хөдөлгөөний бүтээгдэхүүн юм. Шингэн дэх цахилгаан гүйдэл үүсэх, тархахтай холбоотой асуудлууд нь алдарт эрдэмтэн Майкл Фарадейг судлахад хүргэсэн. Олон тооны практик судалгааны тусламжтайгаар тэрээр электролизийн явцад ялгарах бодисын масс нь цаг хугацаа, цахилгаанаас хамаардаг болохыг нотлох баримтыг олж чадсан. Энэ тохиолдолд туршилт хийсэн хугацаа нь чухал юм.
Эрдэмтэд мөн электролизийн явцад тодорхой хэмжээний бодис ялгарахад ижил хэмжээний цахилгаан цэнэг шаардагддаг болохыг олж мэдсэн. Энэ хэмжигдэхүүнийг Фарадейгийн тоо гэж нэрлэсэн тогтмол утгад үнэн зөв тогтоож, тогтоов.
Шингэн дэх цахилгаан гүйдэл нь өөр өөр тархалтын нөхцөлтэй байдаг. Энэ нь усны молекулуудтай харилцан үйлчилдэг. Эдгээр нь ердийн металл дамжуулагч ашиглан туршилтанд ажиглагдаагүй ионы бүх хөдөлгөөнд ихээхэн саад учруулдаг. Үүнээс үзэхэд электролитийн урвалын үед гүйдэл үүсгэх нь тийм ч их биш байх болно. Гэсэн хэдий ч уусмалын температур нэмэгдэхийн хэрээр цахилгаан дамжуулах чанар аажмаар нэмэгддэг. Энэ нь цахилгаан гүйдлийн хүчдэл нэмэгдэж байна гэсэн үг юм. Мөн электролизийн явцад ашигласан бодис, уусгагчийн олон тооны молекулын улмаас тодорхой молекул сөрөг эсвэл эерэг ионы цэнэг болж задрах магадлал нэмэгддэг нь ажиглагдсан. Уусмалыг тодорхой нормоос хэтэрсэн ионоор ханасан тохиолдолд урвуу процесс явагдана. Уусмалын дамжуулалт дахин буурч эхэлдэг.
Одоогийн байдлаар электролизийн процесс нь шинжлэх ухаан, үйлдвэрлэлийн олон салбар, салбарт хэрэглээгээ олсон. Аж үйлдвэрийн аж ахуйн нэгжүүд үүнийг металл үйлдвэрлэх, боловсруулахад ашигладаг. Цахилгаан химийн урвалууд нь:
- давсны электролиз;
- цахилгаанаар бүрэх;
- гадаргууг өнгөлөх;
- бусад исэлдэлтийн процессууд.
Вакуум болон шингэн дэх цахилгаан гүйдэл
Шингэн болон бусад орчинд цахилгаан гүйдэл тархах нь өөрийн онцлог, онцлог, шинж чанартай нэлээд төвөгтэй процесс юм. Баримт нь ийм хэвлэл мэдээллийн хэрэгсэлд биед бүрэн цэнэг байдаггүй тул тэдгээрийг ихэвчлэн диэлектрик гэж нэрлэдэг. Судалгааны гол зорилго нь атом, молекулууд хөдөлгөөнөө эхлүүлж, цахилгаан гүйдэл үүсгэх процессыг эхлүүлэх ийм нөхцлийг бүрдүүлэх явдал байв. Үүний тулд тусгай механизм эсвэл төхөөрөмжийг ашиглах нь заншилтай байдаг. Ийм модульчлагдсан төхөөрөмжийн гол элемент нь металл хавтан хэлбэртэй дамжуулагч юм.
Гүйдлийн үндсэн параметрүүдийг тодорхойлохын тулд мэдэгдэж буй онол, томъёог ашиглах шаардлагатай. Хамгийн түгээмэл нь Ом-ын хууль юм. Энэ нь одоогийн хүчдэлийн хамаарлын зарчмыг хэрэгжүүлдэг бүх нийтийн ампер шинж чанарын үүрэг гүйцэтгэдэг. Хүчдэл нь амперын нэгжээр хэмжигддэг гэдгийг санаарай.
Ус, давстай туршилт хийхийн тулд давстай устай сав бэлтгэх шаардлагатай. Энэ нь шингэнд цахилгаан гүйдэл үүсэх үед тохиолддог үйл явцын практик, харааны дүрслэлийг өгөх болно. Мөн суурилуулалт нь тэгш өнцөгт электрод, тэжээлийн хангамжийг агуулсан байх ёстой. Туршилтанд бүрэн хэмжээний бэлтгэл хийхийн тулд та ампер суурилуулалттай байх хэрэгтэй. Энэ нь цахилгаан тэжээлээс электрод руу энерги дамжуулахад тусална.
Металл хавтан нь дамжуулагчийн үүрэг гүйцэтгэнэ. Тэдгээрийг ашигласан шингэн рүү дүрж, дараа нь хүчдэлийг холбоно. Бөөмийн хөдөлгөөн нэн даруй эхэлдэг. Энэ нь санамсаргүй байдлаар ажилладаг. Дамжуулагчдын хооронд соронзон орон үүсэхэд бөөмийн хөдөлгөөний бүх үйл явц дараалагдана.
Ионууд цэнэгээ өөрчилж, нэгдэж эхэлдэг. Тиймээс катодууд нь анод болж, анодууд нь катод болдог. Энэ үйл явцад бас хэд хэдэн чухал хүчин зүйлийг анхаарч үзэх хэрэгтэй:
- диссоциацийн түвшин;
- температур;
- цахилгаан эсэргүүцэл;
- хувьсах буюу шууд гүйдлийн хэрэглээ.
Туршилтын төгсгөлд ялтсууд дээр давсны давхарга үүсдэг.
Бараг бүх хүн цахилгаан гүйдлийн тодорхойлолтыг мэддэг боловч гол зүйл бол түүний гарал үүсэл, янз бүрийн хэвлэл мэдээллийн хэрэгсэл дэх хөдөлгөөн нь бие биенээсээ эрс ялгаатай байдаг. Ялангуяа шингэн дэх цахилгаан гүйдэл нь ижил металл дамжуулагчаас арай өөр шинж чанартай байдаг.
Гол ялгаа нь шингэн дэх гүйдэл нь цэнэгтэй ионуудын хөдөлгөөн, өөрөөр хэлбэл ямар нэг шалтгаанаар электроноо алдсан эсвэл авсан атомууд эсвэл бүр молекулуудын хөдөлгөөн юм. Үүний зэрэгцээ, энэ хөдөлгөөний нэг үзүүлэлт нь эдгээр ионууд дамжин өнгөрдөг бодисын шинж чанарын өөрчлөлт юм. Цахилгаан гүйдлийн тодорхойлолт дээр үндэслэн задралын үед сөрөг цэнэгтэй ионууд эерэг ба эерэг, эсрэгээр сөрөг тал руу шилжинэ гэж бид үзэж болно.
Уусмалын молекулыг эерэг ба сөрөг цэнэгтэй ион болгон задлах процессыг шинжлэх ухаанд электролитийн диссоциаци гэж нэрлэдэг. Иймээс шингэн дэх цахилгаан гүйдэл нь ижил металл дамжуулагчаас ялгаатай нь эдгээр шингэний найрлага, химийн шинж чанар өөрчлөгдөж, цэнэглэгдсэн ионуудын хөдөлгөөний процесс үүсдэг тул үүсдэг.
Шингэн дэх цахилгаан гүйдэл, түүний гарал үүсэл, тоон болон чанарын шинж чанарууд нь нэрт физикч М.Фарадейгийн удаан хугацааны туршид судалсан гол асуудлын нэг байв. Ялангуяа олон тооны туршилтуудын тусламжтайгаар тэрээр электролизийн явцад ялгарах бодисын масс нь цахилгаан эрчим хүчний хэмжээ, энэ электролиз хийгдсэн хугацаанаас шууд хамаардаг болохыг баталж чадсан юм. Бодисын төрлөөс бусад шалтгаанаас бусад тохиолдолд энэ масс хамаарахгүй.
Түүнчлэн Фарадей шингэн дэх гүйдлийг судалснаар электролизийн явцад нэг килограмм бодисыг ялгахад ижил хэмжээний бодис шаардлагатайг туршилтаар олж тогтоожээ.9.65.10 7к-тай тэнцэх энэ хэмжээг Фарадейгийн тоо гэж нэрлэжээ.
Металл дамжуулагчаас ялгаатай нь шингэн дэх цахилгаан гүйдэл нь хүрээлэгдсэн байдаг бөгөөд энэ нь бодисын ионуудын хөдөлгөөнийг ихээхэн хүндрүүлдэг. Үүнтэй холбоотойгоор ямар ч электролитэд зөвхөн бага хэмжээний хүчдэл үүсч болно. Үүний зэрэгцээ, хэрэв уусмалын температур нэмэгдвэл түүний дамжуулах чанар нэмэгдэж, талбай нэмэгдэнэ.
Электролиз нь өөр нэг сонирхолтой шинж чанартай байдаг. Гол зүйл бол тодорхой молекулыг эерэг ба сөрөг цэнэгтэй ион болгон задлах магадлал өндөр байх тусам тухайн бодис болон уусгагчийн молекулуудын тоо их байх болно. Үүний зэрэгцээ, тодорхой агшинд уусмал нь ионоор хэт ханасан болж, дараа нь уусмалын дамжуулах чанар буурч эхэлдэг. Тиймээс хамгийн хүчтэй нь ионы концентраци маш бага уусмалд явагдах боловч ийм уусмал дахь цахилгаан гүйдэл маш бага байх болно.
Электролизийн процесс нь цахилгаан химийн урвалтай холбоотой янз бүрийн үйлдвэрлэлийн үйлдвэрлэлд өргөн хэрэглэгддэг. Тэдгээрийн хамгийн чухал нь электролит ашиглан металл үйлдвэрлэх, хлор ба түүний дериватив агуулсан давсны электролиз, исэлдэлтийн урвал, устөрөгч, гадаргууг өнгөлөх, цахилгаанаар бүрэх зэрэг шаардлагатай бодисыг үйлдвэрлэх явдал юм. Жишээлбэл, механик инженерчлэл, багаж хэрэгслийн үйлдвэрлэлийн олон үйлдвэрүүдэд цэвэршүүлэх арга нь маш түгээмэл байдаг бөгөөд энэ нь шаардлагагүй хольцгүйгээр металл үйлдвэрлэх явдал юм.
Шингэн дэх цахилгаан гүйдэл нь эерэг ба сөрөг ионуудын хөдөлгөөнөөс үүсдэг. Электрон хөдөлдөг дамжуулагчийн гүйдэлээс ялгаатай. Тиймээс хэрэв шингэнд ион байхгүй бол энэ нь диэлектрик, жишээлбэл нэрмэл ус юм. Цэнэг тээвэрлэгчид нь ионууд, өөрөөр хэлбэл бодисын молекул, атомууд байдаг тул ийм шингэнээр цахилгаан гүйдэл дамжих үед энэ нь бодисын химийн шинж чанарыг өөрчлөхөд зайлшгүй хүргэдэг.
Шингэн дэх эерэг ба сөрөг ионууд хаанаас гардаг вэ? Цэнэг зөөгч нь бүх шингэнд үүсэх чадваргүй гэдгийг шууд хэлье. Тэдгээрийн дотор гарч ирсэнийг электролит гэж нэрлэдэг. Үүнд хүчил ба шүлтийн давсны уусмал орно. Усанд давс уусгахдаа жишээлбэл, ширээний давс авна NaCl, энэ нь уусгагч, өөрөөр хэлбэл ус эерэг ион болж задардаг Накатион ба сөрөг ион гэж нэрлэдэг Clанион гэж нэрлэдэг. Ион үүсэх процессыг электролитийн диссоциаци гэж нэрлэдэг.
Туршилт хийцгээе, үүнд шилэн чийдэн, хоёр металл электрод, амперметр, тогтмол гүйдлийн эх үүсвэр хэрэгтэй болно. Бид колбыг энгийн давсны уусмалаар дүүргэнэ. Дараа нь бид хоёр тэгш өнцөгт электродыг энэ уусмалд хийнэ. Бид электродуудыг амметрээр дамжуулан шууд гүйдлийн эх үүсвэрт холбодог.
Зураг 1 - Давсны уусмал бүхий колбонд
Хавтануудын хооронд гүйдэл асах үед цахилгаан орон гарч ирэх бөгөөд үүний нөлөөгөөр давсны ионууд хөдөлж эхэлнэ. Эерэг ионууд катод руу, сөрөг ионууд анод руу гүйнэ. Үүний зэрэгцээ тэд замбараагүй хөдөлгөөн хийх болно. Гэхдээ үүнтэй зэрэгцэн талбайн үйл ажиллагааны дор захиалгат нэг нь бас нэмэгдэх болно.
Зөвхөн электронууд хөдөлдөг дамжуулагчаас ялгаатай нь нэг төрлийн цэнэг, хоёр төрлийн цэнэг электролитэд шилждэг. Эдгээр нь эерэг ба сөрөг ионууд юм. Тэд бие бие рүүгээ хөдөлдөг.
Натрийн эерэг ион нь катод руу хүрэхэд алга болсон электроныг авч, натрийн атом болно. Хлорын ионтой ижил төстэй процесс явагдана. Зөвхөн анод хүрэх үед хлорын ион нь электроноо өгч, хлорын атом болж хувирна. Тиймээс электронуудын хөдөлгөөний улмаас гадаад хэлхээнд гүйдэл хадгалагдана. Мөн электролитэд ионууд электроныг нэг туйлаас нөгөө туйл руу зөөдөг мэт санагддаг.
Электролитийн цахилгаан эсэргүүцэл нь үүссэн ионуудын хэмжээнээс хамаарна. Хүчтэй электролитийн хувьд ууссан үед диссоциацийн түвшин маш өндөр байдаг. Сул дорой нь бага. Мөн электролитийн цахилгаан эсэргүүцэл нь температурт нөлөөлдөг. Энэ нь ихсэх тусам шингэний зуурамтгай чанар буурч, хүнд, болхи ионууд илүү хурдан хөдөлж эхэлдэг. Үүний дагуу эсэргүүцэл буурдаг.
Хэрэв давсны уусмалыг зэсийн сульфатын уусмалаар сольсон бол. Дараа нь түүгээр гүйдэл дамжих үед зэсийн катион катод руу хүрч, тэнд дутуу электронуудыг хүлээн авснаар зэсийн атом болон хувирна. Хэрэв үүний дараа та электродыг арилгавал түүн дээр зэсийн ордуудыг олж болно. Энэ процессыг электролиз гэж нэрлэдэг.
« Физик - 10-р анги"
Вакуум дахь цахилгаан гүйдлийн тээвэрлэгчид юу вэ?
Тэдний хөдөлгөөний мөн чанар юу вэ?
Шингэн нь хатуу биеттэй адил диэлектрик, дамжуулагч, хагас дамжуулагч байж болно. Диэлектрикт нэрмэл ус, дамжуулагч - электролитийн уусмал ба хайлмал: хүчил, шүлт, давс орно. Шингэн хагас дамжуулагч нь хайлсан селен, сульфидын хайлмал гэх мэт.
электролитийн диссоциаци.
Поляр усны молекулуудын цахилгаан талбайн нөлөөн дор электролитийг уусгахад электролитийн молекулууд ион болж задардаг.
Туйлын усны молекулуудын цахилгаан талбайн нөлөөн дор молекулууд ион болгон задрахыг нэрлэдэг. электролитийн диссоциаци.
Диссоциацийн зэрэг- ууссан бодис дахь ион болон задарсан молекулуудын эзлэх хувь.
Диссоциацийн зэрэг нь температур, уусмалын концентраци, уусгагчийн цахилгаан шинж чанараас хамаарна.
Температур нэмэгдэхийн хэрээр диссоциацийн зэрэг нэмэгдэж, улмаар эерэг ба сөрөг цэнэгтэй ионуудын концентраци нэмэгддэг.
Өөр өөр шинж тэмдгийн ионууд уулзахдаа дахин төвийг сахисан молекулуудад нэгдэж болно.
Тогтмол нөхцөлд уусмалд динамик тэнцвэр тогтдог бөгөөд энэ үед секундэд ион болж задрах молекулын тоо нь ижил хугацаанд саармаг молекул болж дахин нэгдэх хос ионуудын тоотой тэнцүү байна.
Ионы дамжуулалт.
Усан уусмал эсвэл электролитийн хайлмал дахь цэнэглэгч нь эерэг ба сөрөг цэнэгтэй ионууд юм.
Хэрэв электролитийн уусмал бүхий савыг цахилгаан хэлхээнд оруулбал сөрөг ионууд эерэг электрод - анод, эерэг - сөрөг катод руу шилжиж эхэлнэ. Үүний үр дүнд цахилгаан гүйдэл хэлхээгээр дамжин урсах болно.
Усан уусмал эсвэл электролитийн хайлмал дамжуулалтыг ионоор гүйцэтгэдэг ионы дамжуулалт.
Электролиз.Ионы дамжуулалтын хувьд гүйдэл дамжуулах нь бодисыг шилжүүлэхтэй холбоотой байдаг. Электродууд дээр электролитийг бүрдүүлдэг бодисууд ялгардаг. Анод дээр сөрөг цэнэгтэй ионууд нэмэлт электронуудаа (химид үүнийг исэлдэлтийн урвал гэж нэрлэдэг) өгдөг ба катод дээр эерэг ионууд дутуу электроныг олж авдаг (багасгах урвал).
Шингэн нь электрон дамжуулалттай байж болно. Ийм дамжуулалтыг жишээлбэл, шингэн металл эзэмшдэг.
Редокс урвалтай холбоотой электрод дахь бодис ялгарах процессыг нэрлэдэг электролиз.
Тухайн хугацаанд ялгарах бодисын массыг юу тодорхойлдог вэ? Суллагдсан бодисын масс m нь Δt хугацаанд электродод хүрсэн ионуудын N i тооны нэг ионы m 0i массын үржвэртэй тэнцүү байна.
m = m 0i N i . (16.3)
Ионы масс m 0i:
Энд M нь бодисын молийн (эсвэл атомын) масс, N A нь Авогадро тогтмол, өөрөөр хэлбэл нэг моль дахь ионы тоо юм.
Электрод хүрэх ионы тоо
энд Δq = IΔt нь Δt хугацааны туршид электролитээр дамжин өнгөрөх цэнэг; q 0i нь атомын n валентаар тодорхойлогддог ионы цэнэг юм: q 0i \u003d ne (e нь энгийн цэнэг). Молекулуудын диссоциацийн үед, жишээлбэл, моновалент атомуудаас бүрдэх KBr (n = 1), K + ба Br - ионууд гарч ирдэг. Зэсийн сульфатын молекулуудын диссоциаци нь давхар цэнэглэгдсэн Cu 2+ ба SO 2-4 ионууд (n = 2) үүсэхэд хүргэдэг. (16.4) ба (16.5) илэрхийллүүдийг (16.3) томъёонд орлуулж, Δq = IΔt, a q 0i = ne гэдгийг харгалзан бид олж авна.
Фарадейгийн хууль.
Бодисын масс m ба электролитээр дамжин өнгөрөх Δq = IΔt цэнэгийн хоорондох пропорциональ коэффициентийг k гэж тэмдэглэе.
Энд F \u003d eN A \u003d 9.65 10 4 С / моль - Фарадей тогтмол.
K коэффициент нь тухайн бодисын шинж чанараас хамаарна (M ба n-ийн утга). (16.6) томъёоны дагуу бид байна
m = kIΔt. (16.8)
Фарадейгийн электролизийн хууль:
Δt хугацаанд электрод дээр ялгарах бодисын масс. цахилгаан гүйдэл дамжих үед гүйдэл ба цаг хугацааны хүч чадалтай пропорциональ байна.
Онолын хувьд олж авсан энэхүү мэдэгдлийг Фарадей анх туршилтаар тогтоожээ.
Томъёоны (16.8) k утгыг дуудна цахилгаан химийн эквивалентөгөгдсөн бодис болон илэрхийлсэн унжлага тутамд килограмм(кг/С).
Томъёо (16.8)-аас харахад k коэффициент нь ионоор 1 С-ийн цэнэгийг шилжүүлэх үед электродууд дээр ялгарах бодисын масстай тоогоор тэнцүү байна.
Цахилгаан химийн эквивалент нь энгийн физик утгатай. M / N A \u003d m 0i ба en \u003d q 0i тул (16.7) томъёоны дагуу k \u003d rn 0i / q 0i, өөрөөр хэлбэл k нь ионы массын цэнэгийн харьцаа юм.
m ба Δq утгыг хэмжих замаар янз бүрийн бодисын цахилгаан химийн эквивалентыг тодорхойлж болно.
Та туршлагаараа Фарадейгийн хуулийн хүчинтэй эсэхийг шалгаж болно. Зураг (16.25)-д үзүүлсэн суурилуулалтыг угсарцгаая. Бүх гурван электролитийн банн нь ижил электролитийн уусмалаар дүүрсэн боловч тэдгээрээр дамжин өнгөрөх гүйдэл өөр өөр байдаг. I1, I2, I3-аар дамжих гүйдлийн хүчийг тэмдэглэе. Дараа нь I 1 = I 2 + I 3. Янз бүрийн банн дахь электродууд дээр ялгарах бодисын m 1, m 2, m 3 массыг хэмжих замаар тэдгээр нь I 1, I 2, I 3 харгалзах гүйдэлтэй пропорциональ байгаа эсэхийг шалгаж болно.
Электрон цэнэгийг тодорхойлох.
Электрон цэнэгийг тодорхойлохын тулд электрод дээр ялгарах бодисын массын томъёог (16.6) ашиглаж болно. Энэ томъёоноос харахад электроны цэнэгийн модуль нь дараахтай тэнцүү байна.
IΔt цэнэгийг дамжих үед ялгарсан бодисын масс m, молийн масс M, n атомын валент ба Авогадро тогтмол N A-г мэдсэнээр электрон цэнэгийн модулийн утгыг олох боломжтой. Энэ нь e = 1.6 10 -19 C-тэй тэнцүү байна.
Ийм байдлаар анх удаа 1874 онд энгийн цахилгаан цэнэгийн утгыг олж авчээ.
Электролизийн хэрэглээ.Электролизийг янз бүрийн зорилгоор инженерчлэлд өргөн ашигладаг. Нэг металлын гадаргууг нөгөө металлын нимгэн давхаргаар электролитээр хучих ( никель бүрэх, хром бүрэх, алтаар бүрэхгэх мэт.). Энэхүү бат бөх бүрхүүл нь гадаргууг зэврэлтээс хамгаалдаг. Хэрэв металыг байрлуулсан гадаргуугаас электролитийн бүрээсийг сайн хальслах боломжтой бол (жишээлбэл, гадаргуу дээр бал чулуу түрхэх замаар) хөнгөвчлөх гадаргуугаас хуулбарыг авах боломжтой.
Хулгардаг бүрээсийг олж авах үйл явц - электротип- Оросын эрдэмтэн Б.С.Якоби (1801-1874) боловсруулсан бөгөөд 1836 онд энэ аргыг ашиглан Санкт-Петербург дахь Гэгээн Исаакийн сүмийн хөндийн дүрсийг хийсэн.
Өмнө нь хэвлэх үйлдвэрт матрицаас (хуванцар материал дээрх багцын дардас) рельефийн гадаргуугаас хуулбарыг (стереотипүүд) гаргаж авдаг байсан бөгөөд үүний тулд матриц дээр төмрийн зузаан давхарга эсвэл өөр бодис хадгалдаг байв. Энэ нь багцыг шаардлагатай тооны хуулбараар хуулбарлах боломжийг олгосон.
Электролиз нь металаас хольцыг зайлуулдаг. Тиймээс хүдрээс гаргаж авсан түүхий зэсийг зузаан хуудас хэлбэрээр цутгаж, дараа нь анод хэлбэрээр ваннд хийнэ. Электролизийн явцад анодын зэс уусч, үнэт ховор металл агуулсан хольцууд ёроол руу унаж, цэвэр зэс катод дээр тогтдог.
Хөнгөн цагааныг хайлсан бокситоос электролизээр гаргаж авдаг. Хөнгөн цагааныг олж авах ийм арга нь түүнийг хямд, төмрийн хамт технологи, өдөр тутмын амьдралд хамгийн түгээмэл болгосон юм.
Электролизийн тусламжтайгаар бүх электрон бүтээгдэхүүний үндэс суурь болох электрон хэлхээний хавтанг олж авдаг. Нимгэн зэс хавтанг диэлектрик дээр наасан бөгөөд үүн дээр тусгай будгаар холбох утаснуудын нарийн төвөгтэй хэв маягийг наасан байна. Дараа нь хавтанг электролит дотор байрлуулж, будгаар хучигдаагүй зэсийн давхаргын хэсгүүдийг сийлсэн байна. Үүний дараа будгийг угааж, бичил схемийн дэлгэрэнгүй мэдээлэл самбар дээр гарч ирнэ.
