Prąd elektryczny w cieczach. Ruch ładunków, anionów i kationów. Prąd elektryczny w cieczach: jego pochodzenie, cechy ilościowe i jakościowe. Co wytwarza prąd w cieczach

Powstaje w wyniku ukierunkowanego ruchu wolnych elektronów i w tym przypadku nie zachodzą żadne zmiany w substancji, z której wykonany jest przewodnik.

Nazywa się takie przewodniki, w których przepływowi prądu elektrycznego nie towarzyszą zmiany chemiczne w ich substancji przewodniki pierwszego rodzaju. Należą do nich wszystkie metale, węgiel i szereg innych substancji.

Ale w przyrodzie są też przewodniki prądu elektrycznego, w których podczas przepływu prądu zachodzą zjawiska chemiczne. Przewodniki te nazywane są przewodniki drugiego rodzaju. Należą do nich głównie różne roztwory kwasów, soli i zasad w wodzie.

Jeśli wlejesz wodę do szklanego naczynia i dodasz kilka kropli kwasu siarkowego (lub innego kwasu lub zasady), a następnie weźmiesz dwie metalowe płytki i podłączysz do nich przewodniki, opuszczając te płytki do naczynia i podłączysz do nich źródło prądu drugie końce przewodów przez przełącznik i amperomierz, wówczas z roztworu zostanie uwolniony gaz, który będzie kontynuowany w sposób ciągły tak długo, jak długo obwód będzie zamknięty, ponieważ zakwaszona woda rzeczywiście jest przewodnikiem. Ponadto płyty zaczną pokrywać się pęcherzykami gazu. Pęcherzyki te następnie oderwą się od płytek i wyjdą na zewnątrz.

Kiedy prąd elektryczny przepływa przez roztwór, zachodzą zmiany chemiczne, w wyniku których uwalnia się gaz.

Przewodniki drugiego rodzaju nazywane są elektrolitami i jest to zjawisko zachodzące w elektrolicie, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny.

Metalowe płytki zanurzone w elektrolicie nazywane są elektrodami; jeden z nich, podłączony do bieguna dodatniego źródła prądu, nazywany jest anodą, a drugi, podłączony do bieguna ujemnego, nazywany jest katodą.

Co decyduje o przepływie prądu elektrycznego w przewodniku cieczy? Okazuje się, że w takich roztworach (elektrolity) cząsteczki kwasu (zasady, soli) pod wpływem rozpuszczalnika (w tym przypadku wody) rozpadają się na dwa składniki, a Jedna cząstka cząsteczki ma dodatni ładunek elektryczny, a druga ujemny.

Cząsteczki cząsteczki posiadające ładunek elektryczny nazywane są jonami. Kiedy kwas, sól lub zasada zostaną rozpuszczone w wodzie, w roztworze pojawia się duża liczba jonów dodatnich i ujemnych.

Teraz powinno być jasne, dlaczego przez roztwór przepłynął prąd elektryczny, ponieważ między elektrodami podłączonymi do źródła prądu powstało napięcie, innymi słowy, jedna z nich okazała się naładowana dodatnio, a druga ujemnie. Pod wpływem tej różnicy potencjałów jony dodatnie zaczęły mieszać się w stronę elektrody ujemnej – katody, a jony ujemne – w stronę anody.

W ten sposób chaotyczny ruch jonów stał się uporządkowanym przeciwstawnym ruchem jonów ujemnych w jednym kierunku i dodatnich w drugim. Ten proces przenoszenia ładunku polega na przepływie prądu elektrycznego przez elektrolit i zachodzi tak długo, jak długo istnieje różnica potencjałów na elektrodach. Wraz z zanikiem różnicy potencjałów prąd płynący przez elektrolit zatrzymuje się, uporządkowany ruch jonów zostaje zakłócony i rozpoczyna się od nowa chaotyczny ruch.

Jako przykład rozważmy zjawisko elektrolizy podczas przepuszczania prądu elektrycznego przez roztwór siarczanu miedzi CuSO4 z opuszczonymi w nim elektrodami miedzianymi.

Zjawisko elektrolizy podczas przepływu prądu przez roztwór siarczanu miedzi: C - naczynie z elektrolitem, B - źródło prądu, C - przełącznik

Tutaj również nastąpi przeciwny ruch jonów do elektrod. Jonem dodatnim będzie jon miedzi (Cu), a jonem ujemnym będzie jon reszty kwasowej (SO4). Jony miedzi w kontakcie z katodą zostaną wyładowane (dołączając brakujące elektrony), czyli zamienią się w obojętne cząsteczki czystej miedzi i zostaną osadzone na katodzie w postaci cienkiej (molekularnej) warstwy.

Jony ujemne po dotarciu do anody są również wyładowywane (oddają nadmiar elektronów). Ale jednocześnie wchodzą w reakcję chemiczną z miedzią anody, w wyniku czego do reszty kwasowej SO4 dodaje się cząsteczkę miedzi Cu i powstaje cząsteczka siarczanu miedzi CuS O4, która jest zawracana do elektrolitu.

Ponieważ ten proces chemiczny trwa długo, na katodzie osadza się miedź, która jest uwalniana z elektrolitu. W tym przypadku elektrolit zamiast cząsteczek miedzi, które trafiły do katody, otrzymuje nowe cząsteczki miedzi w wyniku rozpuszczenia drugiej elektrody - anody.

Ten sam proces zachodzi, jeśli zamiast miedzianych zastosuje się elektrody cynkowe, a elektrolitem będzie roztwór siarczanu cynku Zn SO4. Cynk również zostanie przeniesiony z anody na katodę.

Zatem, różnica między prądem elektrycznym w metalach i przewodnikach płynnych polega na tym, że w metalach nośnikami ładunku są wyłącznie wolne elektrony, czyli ładunki ujemne, natomiast w elektrolitach przenoszą go przeciwnie naładowane cząstki substancji – jony poruszające się w przeciwnych kierunkach. Dlatego tak mówią Elektrolity wykazują przewodność jonową.

Zjawisko elektrolizy został odkryty w 1837 roku przez B. S. Jacobiego, który przeprowadził liczne eksperymenty w zakresie badań i udoskonalania chemicznych źródeł prądu. Jacobi odkrył, że jedna z elektrod umieszczonych w roztworze siarczanu miedzi pokryła się miedzią pod wpływem przepływu prądu elektrycznego.

Zjawisko to nazywa się galwanotechnika, znajduje obecnie niezwykle szerokie zastosowanie praktyczne. Przykładem może być powlekanie przedmiotów metalowych cienką warstwą innych metali, tj. niklowanie, złocenie, srebrzenie itp.

Gazy (w tym powietrze) w normalnych warunkach nie przewodzą prądu elektrycznego. Na przykład nagie, zawieszone równolegle do siebie, zostają odizolowane od siebie warstwą powietrza.

Jednak pod wpływem wysokiej temperatury, dużych różnic potencjałów i innych przyczyn gazy, podobnie jak przewodniki cieczy, ulegają jonizacji, tj. w dużych ilościach pojawiają się w nich cząstki cząsteczek gazu, które będąc nośnikami prądu elektrycznego, ułatwiają przepływ prądu elektrycznego prąd przez gaz.

Ale jednocześnie jonizacja gazu różni się od jonizacji ciekłego przewodnika. Jeśli w cieczy cząsteczka rozpada się na dwie naładowane części, to w gazach pod wpływem jonizacji elektrony są zawsze oddzielane od każdej cząsteczki, a jon pozostaje w postaci dodatnio naładowanej części cząsteczki.

Gdy jonizacja gazu ustanie, przestanie on przewodzić, podczas gdy ciecz zawsze pozostanie przewodnikiem prądu elektrycznego. W związku z tym przewodnictwo gazu jest zjawiskiem przejściowym, zależnym od działania przyczyn zewnętrznych.

Istnieje jednak jeszcze jeden tzw wyładowanie łukowe lub po prostu łuk elektryczny. Zjawisko łuku elektrycznego odkrył na początku XIX wieku pierwszy rosyjski inżynier elektryk W.W. Pietrow.

V.V. Petrov poprzez liczne eksperymenty odkrył, że pomiędzy dwoma węglami podłączonymi do źródła prądu w powietrzu następuje ciągłe wyładowanie elektryczne, któremu towarzyszy jasne światło. W swoich pismach V.V. Pietrow napisał, że w tym przypadku „ciemny pokój można dość jasno oświetlić”. W ten sposób po raz pierwszy uzyskano światło elektryczne, które w praktyce zastosował inny rosyjski inżynier elektryk Paweł Nikołajewicz Jabłoczkow.

Świeca Jabłoczkowa, której działanie opiera się na wykorzystaniu łuku elektrycznego, dokonała wówczas prawdziwej rewolucji w elektrotechnice.

Wyładowanie łukowe jest nadal wykorzystywane jako źródło światła, na przykład w reflektorach punktowych i urządzeniach projekcyjnych. Wysoka temperatura wyładowania łukowego pozwala na jego zastosowanie. Obecnie piece łukowe zasilane bardzo dużym prądem znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu: do wytapiania stali, żeliwa, żelazostopów, brązu itp. W 1882 roku N.N. Benardos po raz pierwszy zastosował wyładowanie łukowe do cięcia i spawania metalu.

W świetlówkach gazowych, świetlówkach, stabilizatorach napięcia, tzw wyładowanie gazu jarzeniowego.

Wyładowanie iskrowe służy do pomiaru dużych różnic potencjałów za pomocą szczeliny kulowej, której elektrodami są dwie metalowe kulki o polerowanej powierzchni. Kulki są rozsuwane i przykładana jest do nich zmierzona różnica potencjałów. Następnie kulki zbliżają się do siebie, aż między nimi przeskoczy iskra. Znając średnicę kulek, odległość między nimi, ciśnienie, temperaturę i wilgotność powietrza, znajdź różnicę potencjałów między kulkami za pomocą specjalnych tabel. Metodą tą można mierzyć różnice potencjałów rzędu dziesiątek tysięcy woltów z dokładnością do kilku procent.

Każdy zna definicję prądu elektrycznego. Jest przedstawiany jako ukierunkowany ruch naładowanych cząstek. Taki ruch w różnych środowiskach ma zasadnicze różnice. Jako podstawowy przykład tego zjawiska można wyobrazić sobie przepływ i propagację prądu elektrycznego w cieczach. Zjawiska takie charakteryzują się różnymi właściwościami i znacznie różnią się od uporządkowanego ruchu cząstek naładowanych, który zachodzi w normalnych warunkach, a nie pod wpływem różnych cieczy.

Rysunek 1. Prąd elektryczny w cieczach. Author24 - internetowa wymiana prac studenckich

Powstawanie prądu elektrycznego w cieczach

Pomimo faktu, że proces przewodzenia prądu elektrycznego odbywa się za pomocą metalowych urządzeń (przewodników), prąd w cieczach zależy od ruchu naładowanych jonów, które z jakiegoś konkretnego powodu nabyły lub utraciły podobne atomy i cząsteczki. Wskaźnikiem takiego ruchu jest zmiana właściwości określonej substancji, przez którą przechodzą jony. Dlatego konieczne jest oparcie się na podstawowej definicji prądu elektrycznego, aby sformułować konkretną koncepcję powstawania prądu w różnych cieczach. Ustalono, że rozkład ujemnie naładowanych jonów sprzyja przemieszczaniu się w obszar źródła prądu o wartościach dodatnich. Dodatnio naładowane jony w takich procesach będą poruszać się w przeciwnym kierunku - w kierunku ujemnego źródła prądu.

Przewodniki płynne dzielą się na trzy główne typy:

półprzewodniki;
dielektryki;
dyrygenci.

Definicja 1

Dysocjacja elektrolityczna to proces rozkładu cząsteczek określonego roztworu na jony o ładunku ujemnym i dodatnim.

Można stwierdzić, że prąd elektryczny w cieczach może wystąpić w wyniku zmiany składu i właściwości chemicznych stosowanych cieczy. Jest to całkowicie sprzeczne z teorią propagacji prądu elektrycznego innymi sposobami przy użyciu konwencjonalnego przewodnika metalowego.

Eksperymenty Faradaya i elektroliza

Przepływ prądu elektrycznego w cieczach jest produktem procesu ruchu naładowanych jonów. Problemy związane z występowaniem i propagacją prądu elektrycznego w cieczach stały się powodem badań słynnego naukowca Michaela Faradaya. Za pomocą licznych badań praktycznych udało mu się znaleźć dowody na to, że masa substancji uwolnionej w procesie elektrolizy zależy od ilości czasu i energii elektrycznej. W tym przypadku znaczenie ma czas, w którym przeprowadzono eksperymenty.

Naukowcowi udało się również dowiedzieć, że w procesie elektrolizy, przy uwalnianiu określonej ilości substancji, wymagana jest taka sama ilość ładunków elektrycznych. Wielkość tę dokładnie ustalono i ustalono na stałą wartość, którą nazwano liczbą Faradaya.

W cieczach prąd elektryczny ma inne warunki propagacji. Oddziałuje z cząsteczkami wody. Utrudniają one znacząco wszelki ruch jonów, czego nie zaobserwowano w eksperymentach z użyciem konwencjonalnego przewodnika metalowego. Wynika z tego, że wytwarzanie prądu podczas reakcji elektrolitycznych nie będzie tak duże. Jednakże wraz ze wzrostem temperatury roztworu przewodność stopniowo wzrasta. Oznacza to, że napięcie prądu elektrycznego rośnie. Ponadto podczas procesu elektrolizy zauważono, że prawdopodobieństwo rozpadu danej cząsteczki na ładunki jonów ujemnych lub dodatnich wzrasta ze względu na dużą liczbę cząsteczek użytej substancji lub rozpuszczalnika. Gdy roztwór zostanie nasycony jonami powyżej określonej normy, następuje proces odwrotny. Przewodność roztworu zaczyna ponownie spadać.

Obecnie proces elektrolizy znalazł zastosowanie w wielu dziedzinach i obszarach nauki oraz produkcji. Przedsiębiorstwa przemysłowe wykorzystują go do produkcji lub obróbki metalu. Reakcje elektrochemiczne biorą udział w:

elektroliza soli;
galwanotechnika;
polerowanie powierzchni;
inne procesy redoks.

Prąd elektryczny w próżni i cieczach

Rozchodzenie się prądu elektrycznego w cieczach i innych mediach jest dość złożonym procesem, który ma swoje własne cechy, cechy i właściwości. Faktem jest, że w takich ośrodkach w ciałach nie ma zupełnie ładunków, dlatego zwykle nazywa się je dielektrykami. Głównym celem badań było stworzenie warunków, w których atomy i cząsteczki mogłyby zacząć się poruszać i rozpoczął się proces wytwarzania prądu elektrycznego. W tym celu zwykle stosuje się specjalne mechanizmy lub urządzenia. Głównym elementem takich urządzeń modułowych są przewodniki w postaci metalowych płytek.

Do określenia głównych parametrów prądu należy posłużyć się dobrze znanymi teoriami i wzorami. Najbardziej powszechne jest prawo Ohma. Działa jako uniwersalna charakterystyka amperowa, w której realizowana jest zasada zależności prądu od napięcia. Przypomnijmy, że napięcie mierzy się w amperach.

Aby przeprowadzić eksperymenty z wodą i solą, należy przygotować naczynie ze słoną wodą. Da to praktyczne i wizualne zrozumienie procesów zachodzących podczas powstawania prądu elektrycznego w cieczach. Instalacja musi zawierać także elektrody prostokątne i zasilacze. Aby przygotować się na pełną skalę do eksperymentów, musisz mieć instalację amperową. Pomoże to w przewodzeniu energii z zasilacza do elektrod.

Metalowe płytki będą pełnić rolę przewodników. Zanurza się je w używanej cieczy, a następnie przykłada napięcie. Ruch cząstek rozpoczyna się natychmiast. Dzieje się to w sposób chaotyczny. Kiedy pomiędzy przewodnikami powstaje pole magnetyczne, wszystkie procesy ruchu cząstek są uporządkowane.

Jony zaczynają zmieniać ładunki i łączyć się. W ten sposób katody stają się anodami, a anody katodami. W tym procesie należy wziąć pod uwagę także kilka innych ważnych czynników:

poziom dysocjacji;
temperatura;
opór elektryczny;
wykorzystanie prądu przemiennego lub stałego.

Pod koniec doświadczenia na płytkach tworzy się warstwa soli.

Prawie każda osoba zna definicję prądu elektrycznego, jednak cała rzecz w tym, że jego pochodzenie i ruch w różnych środowiskach znacznie się od siebie różnią. W szczególności prąd elektryczny w cieczach ma nieco inne właściwości niż mówimy o tych samych przewodnikach metalowych.

Główna różnica polega na tym, że prąd w cieczach to ruch naładowanych jonów, czyli atomów, a nawet cząsteczek, które z jakiegoś powodu utraciły lub zyskały elektrony. Ponadto jednym ze wskaźników tego ruchu jest zmiana właściwości substancji, przez którą przechodzą te jony. Opierając się na definicji prądu elektrycznego, możemy założyć, że podczas rozkładu jony naładowane ujemnie będą przemieszczać się w stronę dodatnich i dodatnich, wręcz przeciwnie, w stronę ujemnych.

Proces rozkładu cząsteczek roztworu na jony naładowane dodatnio i ujemnie nazywa się w nauce dysocjacją elektrolityczną. Zatem prąd elektryczny w cieczach powstaje na skutek tego, że w przeciwieństwie do tego samego metalowego przewodnika, zmienia się skład i właściwości chemiczne tych cieczy, w wyniku czego następuje proces ruchu naładowanych jonów.

Prąd elektryczny w cieczach, jego pochodzenie, cechy ilościowe i jakościowe były jednym z głównych problemów, którymi przez długi czas zajmował się słynny fizyk M. Faradaya. W szczególności za pomocą licznych eksperymentów udało mu się udowodnić, że masa substancji uwolnionej podczas elektrolizy zależy bezpośrednio od ilości energii elektrycznej i czasu, w którym prowadzono tę elektrolizę. Masa ta nie zależy od żadnych innych powodów, z wyjątkiem rodzaju substancji.

Ponadto, badając prąd w cieczach, Faraday eksperymentalnie stwierdził, że aby uwolnić jeden kilogram dowolnej substancji podczas elektrolizy, potrzeba tej samej ilości.Ta ilość, równa 9,65,10 · 7 k., została nazwana liczbą Faradaya.

W przeciwieństwie do przewodników metalowych, prąd elektryczny w cieczach jest otoczony, co znacznie utrudnia ruch jonów substancji. W związku z tym w dowolnym elektrolicie można wytworzyć jedynie prąd o niewielkim napięciu. Jednocześnie, jeśli temperatura roztworu wzrasta, wówczas jego przewodność wzrasta, a pole wzrasta.

Elektroliza ma jeszcze jedną interesującą właściwość. Rzecz w tym, że im większa liczba cząsteczek samej substancji i rozpuszczalnika, tym większe prawdopodobieństwo, że dana cząsteczka rozpadnie się na jony naładowane dodatnio i ujemnie. Jednocześnie w pewnym momencie roztwór ulega przesyceniu jonami, po czym przewodność roztworu zaczyna spadać. Zatem najsilniejszy wystąpi w roztworze, w którym stężenie jonów jest wyjątkowo małe, ale natężenie prądu elektrycznego w takich roztworach będzie wyjątkowo małe.

Proces elektrolizy znalazł szerokie zastosowanie w różnych procesach przemysłowych związanych z reakcjami elektrochemicznymi. Do najważniejszych z nich należy produkcja metalu przy użyciu elektrolitów, elektroliza soli zawierających chlor i jego pochodne, reakcje redoks, produkcja tak niezbędnej substancji jak wodór, polerowanie powierzchni i galwanizacja. Na przykład w wielu przedsiębiorstwach produkujących maszyny i przyrządy bardzo powszechna jest metoda rafinacji, która polega na produkcji metalu bez zbędnych zanieczyszczeń.

Prąd elektryczny w cieczach powstaje na skutek ruchu jonów dodatnich i ujemnych. W przeciwieństwie do prądu w przewodnikach, w których poruszają się elektrony. Zatem jeśli w cieczy nie ma jonów, to jest to dielektryk, na przykład woda destylowana. Ponieważ nośnikami ładunku są jony, to znaczy cząsteczki i atomy substancji, przepływ prądu elektrycznego przez taką ciecz nieuchronnie doprowadzi do zmiany właściwości chemicznych substancji.

Skąd w cieczy biorą się jony dodatnie i ujemne? Powiedzmy od razu, że nie wszystkie ciecze są zdolne do tworzenia nośników ładunku. Te, w których się pojawiają, nazywane są elektrolitami. Należą do nich roztwory soli kwasowych i zasadowych. Na przykład rozpuszczając sól w wodzie, weź sól kuchenną NaCl, rozkłada się pod działaniem rozpuszczalnika, czyli wody, na jon dodatni Nie zwane kationem i jonem ujemnym kl zwany anionem. Proces tworzenia jonów nazywa się dysocjacją elektrolityczną.

Przeprowadźmy eksperyment, do którego będziemy potrzebować szklaną kolbę, dwie metalowe elektrody, amperomierz i źródło prądu stałego. Napełnimy kolbę roztworem soli kuchennej w wodzie. Następnie w tym roztworze umieszczamy dwie prostokątne elektrody. Podłączamy elektrody do źródła prądu stałego za pomocą amperomierza.

Rysunek 1 – Kolba z roztworem soli

Po włączeniu prądu pomiędzy płytkami pojawi się pole elektryczne, pod wpływem którego jony soli zaczną się poruszać. Jony dodatnie będą pędzić do katody, a jony ujemne do anody. Jednocześnie wykonają chaotyczny ruch. Ale jednocześnie pod wpływem pola zostanie do niego dodane coś uporządkowanego.

W przeciwieństwie do przewodników, w których poruszają się tylko elektrony, czyli jeden rodzaj ładunku, w elektrolitach poruszają się dwa rodzaje ładunków. Są to jony dodatnie i ujemne. Poruszają się ku sobie.

Kiedy dodatni jon sodu dotrze do katody, zdobędzie brakujący elektron i stanie się atomem sodu. Podobny proces będzie zachodził z jonem chloru. Dopiero gdy dotrze do anody, jon chloru odda elektron i zamieni się w atom chloru. W ten sposób prąd jest utrzymywany w obwodzie zewnętrznym w wyniku ruchu elektronów. W elektrolicie jony wydają się przenosić elektrony z jednego bieguna na drugi.

Oporność elektryczna elektrolitów zależy od liczby utworzonych jonów. Mocne elektrolity mają bardzo dużą szybkość dysocjacji po rozpuszczeniu. Słabi mają mało. Temperatura wpływa również na oporność elektryczną elektrolitu. Wraz ze wzrostem lepkość cieczy maleje, a ciężkie, niezdarne jony zaczynają poruszać się szybciej. W związku z tym opór maleje.

Jeśli roztwór soli kuchennej zastąpi się roztworem siarczanu miedzi. Następnie, gdy przepłynie przez niego prąd, gdy kation miedzi dotrze do katody i odbierze tam brakujące elektrony, zostanie zredukowany do atomu miedzi. A jeśli po tym usuniesz elektrodę, znajdziesz na niej miedzianą powłokę. Proces ten nazywa się elektrolizą.

« Fizyka – klasa 10”

Jakie są nośniki prądu elektrycznego w próżni?
Jaka jest natura ich ruchu?

Ciecze, podobnie jak ciała stałe, mogą być dielektrykami, przewodnikami i półprzewodnikami. Do dielektryków zalicza się wodę destylowaną, przewodnikami są roztwory i stopione elektrolity: kwasy, zasady i sole. Ciekłe półprzewodniki to stopiony selen, stopione siarczki itp.

Dysocjacja elektrolityczna.

Kiedy elektrolity rozpuszczają się pod wpływem pola elektrycznego cząsteczek wody polarnej, cząsteczki elektrolitu rozpadają się na jony.

Nazywa się rozkład cząsteczek na jony pod wpływem pola elektrycznego cząsteczek wody polarnej dysocjacja elektrolityczna.

Stopień dysocjacji- proporcja cząsteczek rozpuszczonej substancji, które rozpadły się na jony.

Stopień dysocjacji zależy od temperatury, stężenia roztworu i właściwości elektrycznych rozpuszczalnika.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta stopień dysocjacji, a w konsekwencji wzrasta stężenie jonów naładowanych dodatnio i ujemnie.

Kiedy jony o różnych znakach spotykają się, mogą ponownie połączyć się w neutralne cząsteczki.

W stałych warunkach w roztworze ustala się równowaga dynamiczna, w której liczba cząsteczek rozpadających się na jony w ciągu sekundy jest równa liczbie par jonów, które jednocześnie łączą się w cząsteczki obojętne.

Przewodność jonowa.

Nośnikami ładunku w roztworach wodnych lub stopionych elektrolitach są jony naładowane dodatnio i ujemnie.

Jeśli naczynie z roztworem elektrolitu zostanie podłączone do obwodu elektrycznego, wówczas jony ujemne zaczną przemieszczać się do elektrody dodatniej - anody, a jony dodatnie - do ujemnej - katody. W rezultacie przez obwód będzie przepływał prąd elektryczny.

Nazywa się przewodnictwo wodnych roztworów lub stopionych elektrolitów, które jest przewodzone przez jony przewodność jonowa.

Elektroliza. W przewodnictwie jonowym przepływ prądu wiąże się z przenoszeniem materii. Na elektrodach uwalniane są substancje tworzące elektrolity. Na anodzie jony naładowane ujemnie oddają dodatkowe elektrony (w chemii nazywa się to reakcją utleniania), a na katodzie jony dodatnie otrzymują brakujące elektrony (reakcja redukcji).

Ciecze mogą również wykazywać przewodność elektronową. Na przykład ciekłe metale mają taką przewodność.

Nazywa się proces uwalniania substancji na elektrodzie związany z reakcjami redoks elektroliza.

Od czego zależy masa substancji uwolnionej w określonym czasie? Jest oczywiste, że masa m uwolnionej substancji jest równa iloczynowi masy m 0i jednego jonu przez liczbę N i jonów, które dotarły do elektrody w czasie Δt:

m = m 0i N ja . (16,3)

Masa jonu m 0i jest równa:

gdzie M jest masą molową (lub atomową) substancji, a N A jest stałą Avogadro, tj. liczbą jonów w jednym molu.

Liczba jonów docierających do elektrody jest równa

gdzie Δq = IΔt jest ładunkiem przechodzącym przez elektrolit w czasie Δt; q 0i to ładunek jonu, który jest określony przez wartościowość n atomu: q 0i = ne (e to ładunek elementarny). Podczas dysocjacji cząsteczek np. KBr, składających się z atomów jednowartościowych (n=1), pojawiają się jony K+ i Br –. Dysocjacja cząsteczek siarczanu miedzi prowadzi do pojawienia się podwójnie naładowanych jonów Cu 2+ i SO 2- 4 (n = 2). Podstawiając wyrażenia (16.4) i (16.5) do wzoru (16.3) i biorąc pod uwagę, że Δq = IΔt, a q 0i = ne, otrzymujemy

Prawo Faradaya.

Oznaczmy przez k współczynnik proporcjonalności pomiędzy masą m substancji a ładunkiem Δq = IΔt przechodzącym przez elektrolit:

gdzie F = eN A = 9,65 10 4 C/mol - Stała Faradaya.

Współczynnik k zależy od charakteru substancji (wartości M i n). Zgodnie ze wzorem (16.6) mamy

m = kIΔt. (16,8)

Prawo elektrolizy Faradaya:

Masa substancji uwolnionej na elektrodzie w czasie Δt. przepływ prądu elektrycznego jest proporcjonalny do natężenia prądu i czasu.

To stwierdzenie, otrzymane teoretycznie, zostało po raz pierwszy ustalone eksperymentalnie przez Faradaya.

Nazywa się wielkość k we wzorze (16.8). odpowiednik elektrochemiczny tej substancji i wyraża się w kilogramów na wisiorek(kg/Cl).

Ze wzoru (16.8) wynika, że współczynnik k jest liczbowo równy masie substancji uwolnionej na elektrodach, gdy jony przenoszą ładunek równy 1 C.

Odpowiednik elektrochemiczny ma proste znaczenie fizyczne. Ponieważ M/N A = m 0i oraz еn = q 0i, to zgodnie ze wzorem (16.7) k = rn 0i /q 0i, czyli k jest stosunkiem masy jonu do jego ładunku.

Mierząc wartości m i Δq, można określić elektrochemiczne odpowiedniki różnych substancji.

Możesz sprawdzić ważność prawa Faradaya eksperymentalnie. Zmontujmy instalację pokazaną na rysunku (16.25). Wszystkie trzy wanny elektrolityczne wypełnione są tym samym roztworem elektrolitu, lecz przepływające przez nie prądy są różne. Oznaczmy aktualne siły przez I1, I2, I3. Wtedy Ja 1 = Ja 2 + Ja 3. Mierząc masy m 1 , m 2 , m 3 substancji uwolnionych na elektrodach w różnych kąpielach, można sprawdzić, czy są one proporcjonalne do odpowiednich natężeń prądu I 1 , I 2 , I 3 .

Wyznaczanie ładunku elektronu.

Wzór (16.6) na masę substancji uwolnionej na elektrodzie można wykorzystać do określenia ładunku elektronu. Z tego wzoru wynika, że moduł ładunku elektronu jest równy:

Znając masę m uwolnionej substancji podczas przejścia ładunku IΔt, masę molową M, wartościowość n atomów i stałą Avogadro N A, możemy znaleźć wartość modułu ładunku elektronu. Okazuje się, że jest równe e = 1,6 · 10 -19 C.

W ten sposób w 1874 roku po raz pierwszy uzyskano wartość elementarnego ładunku elektrycznego.

Zastosowanie elektrolizy. Elektroliza jest szeroko stosowana w technologii do różnych celów. Elektrolitycznie pokryj powierzchnię jednego metalu cienką warstwą drugiego ( niklowanie, chromowanie, złocenie i tak dalej.). Ta trwała powłoka chroni powierzchnię przed korozją. Jeśli zapewnisz dobre oderwanie powłoki elektrolitycznej od powierzchni, na której osadzony jest metal (uzyskuje się to np. poprzez nałożenie na powierzchnię grafitu), wówczas możesz uzyskać kopię z powierzchni reliefowej.

Proces otrzymywania powłok zdzieralnych - elektrotyp- opracował rosyjski naukowiec B. S. Jacobi (1801-1874), który w 1836 roku zastosował tę metodę do wykonania pustych figur dla katedry św. Izaaka w Petersburgu.

Wcześniej w przemyśle poligraficznym kopie powierzchni reliefowej (stereotypy) otrzymywano z matryc (rodzaj odcisku na materiale z tworzywa sztucznego), dla których na matrycach osadzano grubą warstwę żelaza lub innej substancji. Umożliwiło to odtworzenie zestawu w wymaganej liczbie egzemplarzy.

Za pomocą elektrolizy metale oczyszcza się z zanieczyszczeń. W ten sposób otrzymaną z rudy surową miedź odlewa się w postaci grubych arkuszy, które następnie umieszcza się w kąpieli jako anody. Podczas elektrolizy miedź anody rozpuszcza się, zanieczyszczenia zawierające cenne i rzadkie metale opadają na dno, a na katodzie osadza się czysta miedź.

Za pomocą elektrolizy aluminium otrzymuje się ze stopionego boksytu. To właśnie ta metoda produkcji aluminium sprawiła, że było ono tanie i wraz z żelazem najpopularniejsze w technologii i życiu codziennym.

Za pomocą elektrolizy uzyskuje się płytki elektroniczne, które służą jako podstawa wszystkich produktów elektronicznych. Na dielektryk przykleja się cienką miedzianą płytkę, na którą specjalną farbą malowany jest złożony wzór przewodów łączących. Następnie płytkę umieszcza się w elektrolicie, gdzie trawione są obszary warstwy miedzi, które nie są pokryte farbą. Następnie farba zostaje zmyta, a na planszy pojawiają się szczegóły mikroukładu.