Električni tok v tekočinah. Gibanje nabojev, anionov in kationov. Električni tok v tekočinah - teorija, elektroliza Mehanizem toka v tekočinah

« Fizika - 10. razred"

Kateri so nosilci električnega toka v vakuumu?
Kakšna je narava njihovega gibanja?

Tekočine so tako kot trdne snovi lahko dielektriki, prevodniki in polprevodniki. Dielektriki vključujejo destilirano vodo, prevodnike pa raztopine in taline elektrolitov: kislin, alkalij in soli. Tekoči polprevodniki so staljeni selen, staljeni sulfidi itd.

Elektrolitska disociacija.

Ko se elektroliti raztapljajo pod vplivom električnega polja polarnih molekul vode, molekule elektrolitov razpadejo na ione.

Razpad molekul na ione pod vplivom električnega polja polarnih molekul vode imenujemo elektrolitska disociacija.

Stopnja disociacije- delež molekul v raztopljeni snovi, ki so razpadle na ione.

Stopnja disociacije je odvisna od temperature, koncentracije raztopine in električnih lastnosti topila.

Z naraščanjem temperature se stopnja disociacije povečuje in posledično koncentracija pozitivno in negativno nabitih ionov.

Ko se ioni različnih predznakov srečajo, se lahko ponovno povežejo v nevtralne molekule.

Pri konstantnih pogojih se v raztopini vzpostavi dinamično ravnotežje, v katerem je število molekul, ki razpadejo na ione na sekundo, enako številu parov ionov, ki se hkrati rekombinirajo v nevtralne molekule.

Ionska prevodnost.

Nosilci naboja v vodnih raztopinah ali talinah elektrolitov so pozitivno in negativno nabiti ioni.

Če je posoda z raztopino elektrolita priključena na električni krog, se bodo negativni ioni začeli premikati na pozitivno elektrodo - anodo, pozitivni ioni pa na negativno - katodo. Zaradi tega bo skozi vezje stekel električni tok.

Prevodnost vodnih raztopin ali talin elektrolitov, ki jo izvajajo ioni, imenujemo ionska prevodnost.

elektroliza. Pri ionski prevodnosti je prehod toka povezan s prenosom snovi. Na elektrodah se sproščajo snovi, ki sestavljajo elektrolite. Na anodi negativno nabiti ioni oddajo svoje dodatne elektrone (v kemiji to imenujemo oksidacijska reakcija), na katodi pa pozitivni ioni prejmejo manjkajoče elektrone (reakcija redukcije).

Tekočine imajo lahko tudi elektronsko prevodnost. Tako prevodnost imajo na primer tekoče kovine.

Imenuje se proces sproščanja snovi na elektrodi, povezan z redoks reakcijami elektroliza.

Kaj določa maso snovi, ki se sprosti v določenem času? Očitno je, da je masa m sproščene snovi enaka zmnožku mase m 0i enega iona s številom N i ionov, ki so dosegli elektrodo v času Δt:

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

Masa iona m 0i je enaka:

kjer je M molska (ali atomska) masa snovi, NA pa Avogadrova konstanta, tj. število ionov v enem molu.

Število ionov, ki dosežejo elektrodo, je enako

kjer je Δq = IΔt naboj, ki prehaja skozi elektrolit v času Δt; q 0i je naboj iona, ki je določen z valenco n atoma: q 0i = ne (e je elementarni naboj). Med disociacijo molekul, na primer KBr, sestavljenih iz enovalentnih atomov (n = 1), se pojavijo ioni K + in Br -. Disociacija molekul bakrovega sulfata vodi do pojava dvojno nabitih ionov Cu 2+ in SO 2- 4 (n = 2). Z zamenjavo izrazov (16.4) in (16.5) v formulo (16.3) in ob upoštevanju, da je Δq = IΔt, a q 0i = ne, dobimo

Faradayev zakon.

Označimo s k sorazmernostni koeficient med maso m snovi in ​​nabojem Δq = IΔt, ki prehaja skozi elektrolit:

kjer je F = eN A = 9,65·10 4 C/mol - Faradayeva konstanta.

Koeficient k je odvisen od narave snovi (vrednosti M in n). Po formuli (16.6) imamo

m = kIΔt. (16,8)

Faradayev zakon elektrolize:

Masa snovi, ki se sprosti na elektrodi v času Δt. ko električni tok prehaja, je sorazmeren z jakostjo toka in časom.

To trditev, pridobljeno teoretično, je prvi poskusno ugotovil Faraday.

Količina k v formuli (16.8) se imenuje elektrokemijski ekvivalent te snovi in ​​se izraža v kilogramov na obesek(kg/Cl).

Iz formule (16.8) je razvidno, da je koeficient k numerično enak masi snovi, ki se sprosti na elektrodah, ko ioni prenesejo naboj, enak 1 C.

Elektrokemični ekvivalent ima preprost fizikalni pomen. Ker je M/N A = m 0i in еn = q 0i, potem je po formuli (16.7) k = rn 0i /q 0i, tj. k je razmerje med maso iona in njegovim nabojem.

Z merjenjem vrednosti m in Δq je mogoče določiti elektrokemične ekvivalente različnih snovi.

Veljavnost Faradayevega zakona lahko preverite eksperimentalno. Sestavimo instalacijo, prikazano na sliki (16.25). Vse tri elektrolitske kopeli so napolnjene z isto raztopino elektrolita, vendar so tokovi, ki tečejo skozi njih, različni. Jakosti toka označimo z I1, I2, I3. Potem I 1 = I 2 + I 3. Z merjenjem mas m 1 , m 2 , m 3 snovi, ki se sproščajo na elektrodah v različnih kopelih, lahko preverimo, da so sorazmerne z ustreznimi jakostmi toka I 1 , I 2 , I 3 .

Določanje naboja elektrona.

Za določitev naboja elektrona lahko uporabimo formulo (16.6) za maso snovi, ki se sprosti na elektrodi. Iz te formule sledi, da je modul naboja elektrona enak:

Če poznamo maso m snovi, ki se sprosti med prehodom naboja IΔt, molsko maso M, valenco n atomov in Avogadrovo konstanto N A, lahko ugotovimo vrednost modula naboja elektrona. Izkazalo se je, da je enako e = 1,6 · 10 -19 C.

Na ta način je bila leta 1874 prvič pridobljena vrednost osnovnega električnega naboja.

Uporaba elektrolize. Elektroliza se v tehnologiji pogosto uporablja za različne namene. Elektrolitsko pokrijte površino ene kovine s tanko plastjo druge ( nikljanje, kromiranje, pozlačevanje in tako naprej.). Ta vzdržljiv premaz ščiti površino pred korozijo. Če zagotovite dobro luščenje elektrolitskega premaza s površine, na katero je nanesena kovina (to dosežemo na primer z nanosom grafita na površino), potem lahko dobite kopijo z reliefne površine.

Postopek pridobivanja luščilnih premazov - elektrotipija- je razvil ruski znanstvenik B. S. Jacobi (1801-1874), ki je leta 1836 s to metodo izdelal votle figure za katedralo svetega Izaka v Sankt Peterburgu.

Prej so v tiskarski industriji kopije z reliefne površine (stereotipi) pridobivali iz matric (odtis vrste na plastičnem materialu), za katere je bila na matrice nanesena debela plast železa ali druge snovi. To je omogočilo reprodukcijo kompleta v zahtevanem številu izvodov.

Z elektrolizo se kovine očistijo nečistoč. Tako se surovi baker, pridobljen iz rude, vlije v obliko debelih plošč, ki se nato dajo v kopel kot anode. Med elektrolizo se baker anode raztopi, nečistoče, ki vsebujejo dragocene in redke kovine, padejo na dno, čisti baker pa se usede na katodo.

Z elektrolizo pridobivajo aluminij iz staljenega boksita. Prav ta način pridobivanja aluminija je naredil poceni in poleg železa najpogostejšega v tehniki in vsakdanjem življenju.

Z elektrolizo se pridobivajo elektronska vezja, ki služijo kot osnova za vse elektronske izdelke. Na dielektrik je prilepljena tanka bakrena plošča, na katero je s posebno barvo pobarvan kompleksen vzorec povezovalnih žic. Nato se plošča postavi v elektrolit, kjer se predeli bakrene plasti, ki niso prekriti z barvo, jedkajo. Po tem se barva spere in na plošči se pojavijo podrobnosti mikrovezja.

Absolutno vsi vedo, da lahko tekočine dobro prevajajo električno energijo. Prav tako je dobro znano dejstvo, da so vsi vodniki glede na vrsto razdeljeni v več podskupin. Predlagamo, da v našem članku razmislimo o tem, kako se električni tok izvaja v tekočinah, kovinah in drugih polprevodnikih, pa tudi o zakonih elektrolize in njenih vrstah.

Teorija elektrolize

Da bi lažje razumeli, o čem govorimo, predlagamo, da začnemo s teorijo; če električni naboj obravnavamo kot tekočino, je znan že več kot 200 let. Naboji so sestavljeni iz posameznih elektronov, vendar so ti tako majhni, da se vsak večji naboj obnaša kot neprekinjen tok tekočine.

Tako kot trdna telesa so lahko tekoči prevodniki treh vrst:

• polprevodniki (selen, sulfidi in drugi);
• dielektriki (alkalne raztopine, soli in kisline);
• prevodnike (recimo v plazmi).

Proces, pri katerem se elektroliti raztapljajo in ioni razpadajo pod vplivom električnega molarnega polja, imenujemo disociacija. Po drugi strani pa je delež molekul, ki so razpadle na ione, ali razpadlih ionov v topljencu v celoti odvisen od fizikalnih lastnosti in temperature v različnih prevodnikih in talinah. Pomembno si je zapomniti, da se ioni lahko rekombinirajo ali ponovno združijo. Če se pogoji ne spremenijo, bo število razpadlih in združenih ionov enako sorazmerno.

Ioni prevajajo energijo v elektrolitih, ker lahko so tako pozitivno kot negativno nabiti delci. Ko tekočino (oz. natančneje posodo s tekočino priključimo na napajanje), se bodo delci začeli premikati proti nasprotnim nabojem (pozitivne ione bodo začele privlačiti katode, negativne ione pa anode). V tem primeru se energija prenaša neposredno z ioni, zato se prevodnost te vrste imenuje ionska.

Pri tovrstnem prevajanju tok prenašajo ioni, na elektrodah pa se sproščajo snovi, ki so sestavni deli elektrolitov. Če razmišljamo s kemijskega vidika, potem pride do oksidacije in redukcije. Tako se električni tok v plinih in tekočinah prenaša z elektrolizo.

Fizikalni zakoni in tok v tekočinah

Električna energija v naših domovih in opremi se praviloma ne prenaša po kovinskih žicah. V kovini se lahko elektroni premikajo od atoma do atoma in tako nosijo negativen naboj.

Kot tekočine se prenašajo v obliki električne napetosti, znane kot napetost, v enotah voltov, poimenovanih po italijanskem znanstveniku Alessandru Volti.

Video: Električni tok v tekočinah: popolna teorija

Poleg tega električni tok teče od visoke napetosti do nizke napetosti in se meri v enotah, znanih kot amperi, poimenovanih po Andre-Marie Ampere. In po teoriji in formuli, če povečate napetost, se bo sorazmerno povečala tudi njegova moč. To razmerje je znano kot Ohmov zakon. Spodaj je na primer virtualna amperska karakteristika.

Ohmov zakon (z dodatnimi podrobnostmi glede dolžine in debeline žice) je običajno ena od prvih stvari, ki se jih učijo pri pouku fizike, zato mnogi učenci in učitelji obravnavajo električni tok v plinih in tekočinah kot temeljni zakon v fiziki.

Da bi videli gibanje nabojev z lastnimi očmi, morate pripraviti bučko s slano vodo, ravne pravokotne elektrode in vire energije; potrebovali boste tudi ampermetrsko instalacijo, s pomočjo katere se bo energija izvajala iz moči dovod elektrod.

Plošče, ki delujejo kot prevodniki, je treba spustiti v tekočino in vključiti napetost. Po tem se bo začelo kaotično gibanje delcev, toda tako kot po nastanku magnetnega polja med prevodniki bo ta proces urejen.

Takoj ko začnejo ioni izmenjevati naboje in se združevati, bodo anode postale katode, katode pa anode. Toda tukaj morate upoštevati električni upor. Seveda ima teoretična krivulja pomembno vlogo, vendar imata glavni vpliv temperatura in stopnja disociacije (odvisno od izbranih nosilcev) ter ali je izbran izmenični ali enosmerni tok. Ko zaključite to eksperimentalno študijo, lahko opazite, da se je na trdnih telesih (kovinskih ploščah) oblikovala tanka plast soli.

Elektroliza in vakuum

Električni tok v vakuumu in tekočinah je precej zapleteno vprašanje. Dejstvo je, da v takih medijih v telesih ni popolnoma nobenih nabojev, kar pomeni, da je dielektrik. Z drugimi besedami, naš cilj je ustvariti pogoje, da se lahko atom elektrona začne premikati.

Če želite to narediti, morate uporabiti modularno napravo, vodnike in kovinske plošče, nato pa nadaljujte kot v zgornji metodi.

Uporaba elektrolize

Ta postopek se uporablja na skoraj vseh področjih življenja. Celo najosnovnejše delo včasih zahteva poseg električnega toka v tekočine, npr.

S tem preprostim postopkom so trdna telesa prevlečena s tanko plastjo katere koli kovine, na primer z nikljem ali kromom. To je eden od možnih načinov boja proti korozijskim procesom. Podobne tehnologije se uporabljajo pri izdelavi transformatorjev, števcev in drugih električnih naprav.

Upamo, da je naša utemeljitev odgovorila na vsa vprašanja, ki se porajajo ob preučevanju pojava električnega toka v tekočinah. Če potrebujete boljše odgovore, priporočamo obisk foruma električarjev, kjer vam bodo z veseljem brezplačno svetovali.

Glede na svoje električne lastnosti so tekočine zelo raznolike. Staljene kovine imajo tako kot kovine v trdnem stanju visoko električno prevodnost, povezano z visoko koncentracijo prostih elektronov.

Mnoge tekočine, kot so čista voda, alkohol, kerozin, so dobri dielektriki, ker so njihove molekule električno nevtralne in v njih ni prostih nosilcev naboja.

elektroliti. Poseben razred tekočin sestavljajo tako imenovani elektroliti, kamor sodijo vodne raztopine anorganskih kislin, soli in baz, taline ionskih kristalov itd. Za elektrolite je značilna prisotnost visokih koncentracij ionov, ki omogočajo prehod električnega toka. Ti ioni nastanejo med taljenjem in raztapljanjem, ko se pod vplivom električnih polj molekul topila molekule topljenca razgradijo na ločene pozitivno in negativno nabite ione. Ta proces se imenuje elektrolitska disociacija.

Elektrolitska disociacija. Stopnja disociacije a dane snovi, to je delež molekul topljenca, ki so razpadle na ione, je odvisna od temperature, koncentracije raztopine in dielektrične konstante topila. Z naraščanjem temperature se stopnja disociacije povečuje. Ioni nasprotnih predznakov se lahko rekombinirajo in ponovno združijo v nevtralne molekule. Pri stalnih zunanjih pogojih se v raztopini vzpostavi dinamično ravnovesje, v katerem se procesi rekombinacije in disociacije med seboj kompenzirajo.

Kvalitativno je mogoče ugotoviti odvisnost stopnje disociacije a od koncentracije raztopljene snovi z uporabo naslednjih preprostih argumentov. Če enota prostornine vsebuje molekule raztopljene snovi, potem so nekatere od njih disociirane, ostale pa niso disociirane. Število elementarnih disociacijskih aktov na prostorninsko enoto raztopine je sorazmerno s številom nerazcepljenih molekul in je torej enako kjer je A koeficient, odvisen od narave elektrolita in temperature. Število dogodkov rekombinacije je sorazmerno s številom trkov drugačnih ionov, torej sorazmerno s številom teh in drugih ionov. Zato je enako, kjer je B koeficient, ki je konstanten za dano snov pri določeni temperaturi.

V stanju dinamičnega ravnovesja

Razmerje ni odvisno od koncentracije. Vidimo, da nižja kot je koncentracija raztopine, bližje je enotnosti: v zelo razredčenih raztopinah so skoraj vse molekule topljenca disociirane.

Višja kot je dielektrična konstanta topila, bolj so ionske vezi v molekulah topljenca oslabljene in s tem večja je stopnja disociacije. Tako klorovodikova kislina, raztopljena v vodi, proizvaja elektrolit z visoko električno prevodnostjo, medtem ko njena raztopina v etilnem etru zelo slabo prevaja električni tok.

Nenavadni elektroliti. Obstajajo tudi zelo nenavadni elektroliti. Na primer, elektrolit je steklo, ki je zelo prehlajena tekočina z ogromno viskoznostjo. Pri segrevanju se steklo zmehča in njegova viskoznost se močno zmanjša. Natrijevi ioni, ki so prisotni v steklu, postanejo opazno mobilni in prehod električnega toka postane mogoč, čeprav je steklo pri običajnih temperaturah dober izolator.

riž. 106. Prikaz električne prevodnosti stekla pri segrevanju

Jasen prikaz tega lahko vidimo v poskusu, katerega diagram je prikazan na sl. 106. Steklena palica je prek reostata povezana z razsvetljavo. Medtem ko je palica hladna, je tok v tokokrogu zaradi velikega upora stekla zanemarljiv. Če palico segrejemo s plinskim gorilnikom na temperaturo 300-400 °C, bo njen upor padel na nekaj deset ohmov in žarilna nitka žarnice L se bo segrela. Zdaj lahko s tipko K na kratko sklenete žarnico. V tem primeru se bo upor vezja zmanjšal in tok povečal. V takšnih pogojih bo palčka učinkovito segreta z električnim tokom in bo svetila, dokler ne zasije močno, tudi če gorilnik odstranimo.

Ionska prevodnost. Prehod električnega toka v elektrolitu opisuje Ohmov zakon

Električni tok v elektrolitu nastane pri poljubno nizki napetosti.

Nosilci naboja v elektrolitu so pozitivno in negativno nabiti ioni. Mehanizem električne prevodnosti elektrolitov je v marsičem podoben zgoraj opisanemu mehanizmu električne prevodnosti plinov. Glavne razlike so posledica dejstva, da je v plinih upor proti gibanju nosilcev naboja predvsem posledica njihovih trkov z nevtralnimi atomi. V elektrolitih je gibljivost ionov posledica notranjega trenja – viskoznosti – med premikanjem v topilu.

S povišanjem temperature se prevodnost elektrolitov v nasprotju s kovinami poveča. To je posledica dejstva, da se z naraščajočo temperaturo stopnja disociacije poveča in viskoznost zmanjša.

Za razliko od elektronske prevodnosti, ki je značilna za kovine in polprevodnike, kjer prehod električnega toka ne spremlja nobena sprememba kemične sestave snovi, je ionska prevodnost povezana s prenosom snovi

in sproščanje snovi, vključenih v elektrolite na elektrodah. Ta proces se imenuje elektroliza.

elektroliza. Ko se snov sprosti na elektrodi, se zmanjša koncentracija ustreznih ionov v območju elektrolita ob elektrodi. Tako je tu porušeno dinamično ravnovesje med disociacijo in rekombinacijo: tu pride do razgradnje snovi zaradi elektrolize.

Elektrolizo so najprej opazili med razgradnjo vode s tokom iz voltaičnega stebra. Nekaj ​​let kasneje je slavni kemik G. Davy odkril natrij, ki ga je z elektrolizo izoliral iz kavstične sode. Kvantitativne zakonitosti elektrolize je eksperimentalno vzpostavil M. Faraday. Lahko jih je utemeljiti na podlagi mehanizma pojava elektrolize.

Faradayevi zakoni. Vsak ion ima električni naboj, ki je večkratnik elementarnega naboja e. Z drugimi besedami, naboj iona je enak , kjer je celo število, ki je enako valenci ustreznega kemičnega elementa ali spojine. Recimo, da ko tok teče skozi elektrodo, se sprostijo ioni. Njihov naboj v absolutni vrednosti je enak Pozitivni ioni dosežejo katodo in njihov naboj nevtralizirajo elektroni, ki tečejo na katodo po žicah iz tokovnega vira. Negativni ioni se približajo anodi in enako število elektronov gre skozi žice do tokovnega vira. V tem primeru gre naboj skozi zaprt električni tokokrog

Označimo z maso snovi, ki se sprosti na eni od elektrod, in z maso iona (atoma ali molekule). Očitno je, da torej z množenjem števca in imenovalca tega ulomka z Avogadrovo konstanto dobimo

kjer je atomska ali molska masa, Faradayeva konstanta, določena z izrazom

Iz (4) je razvidno, da ima Faradayeva konstanta pomen "en mol elektrike", to je skupni električni naboj enega mola elementarnih nabojev:

Formula (3) vsebuje oba Faradayeva zakona. Pravi, da je masa snovi, ki se sprosti med elektrolizo, sorazmerna naboju, ki prehaja skozi vezje (Faradayev prvi zakon):

Koeficient se imenuje elektrokemijski ekvivalent dane snovi in ​​je izražen v

kilogramov na kulon Ima pomen recipročne vrednosti specifičnega naboja iona.

Elektrokemični ekvivalent k je sorazmeren s kemijskim ekvivalentom snovi (Faradayev drugi zakon).

Faradayevi zakoni in elementarni naboj. Ker koncept atomske narave elektrike v Faradayevem času še ni obstajal, eksperimentalno odkritje zakonov elektrolize še zdaleč ni bilo trivialno. Nasprotno, prav Faradayevi zakoni so v bistvu služili kot prvi eksperimentalni dokaz veljavnosti teh idej.

Eksperimentalna meritev Faradayeve konstante je omogočila prvič pridobitev numerične ocene vrednosti elementarnega naboja veliko pred neposrednimi meritvami elementarnega električnega naboja v Millikanovih poskusih z oljnimi kapljicami. Zanimivo je, da je ideja o atomski strukturi elektrike dobila nedvoumno eksperimentalno potrditev v poskusih elektrolize, opravljenih v 30. letih 19. stoletja, ko niti ideje o atomski zgradbi snovi še niso delili vsi znanstveniki. Helmholtz je v znamenitem govoru, ki ga je imel pred Kraljevo družbo in je bil posvečen spominu na Faradayja, komentiral to okoliščino takole:

"Če priznamo obstoj atomov kemičnih elementov, potem se ne moremo izogniti nadaljnjemu sklepu, da je elektrika, tako pozitivna kot negativna, razdeljena na določene elementarne količine, ki se obnašajo kot atomi elektrike."

Kemični viri toka.Če kovino, kot je cink, potopimo v vodo, se bo določena količina pozitivnih cinkovih ionov pod vplivom polarnih vodnih molekul začela premikati iz površinske plasti kristalne mreže kovine v vodo. Posledično bo cink nabit negativno, voda pa pozitivno. Na meji med kovino in vodo nastane tanek sloj, imenovan dvojni električni sloj; v njej je močno električno polje, katerega jakost je usmerjena od vode proti kovini. To polje preprečuje nadaljnji prehod cinkovih ionov v vodo in posledično nastane dinamično ravnotežje, v katerem je povprečno število ionov, ki prihajajo iz kovine v vodo, enako številu ionov, ki se vračajo iz vode v kovino.

Dinamično ravnotežje se vzpostavi tudi, če kovino potopimo v vodno raztopino soli iste kovine, na primer cinka v raztopini cinkovega sulfata. V raztopini sol disociira na ione, ki nastanejo, in se ne razlikujejo od cinkovih ionov, ki so vstopili v raztopino iz elektrode. Povečanje koncentracije cinkovih ionov v elektrolitu olajša prehod teh ionov v kovino iz raztopine in oteži

prehod iz kovine v raztopino. Zato je v raztopini cinkovega sulfata potopljena cinkova elektroda, čeprav negativno nabita, šibkejša kot v čisti vodi.

Ko je kovina potopljena v raztopino, kovina ne postane vedno negativno nabita. Na primer, če bakreno elektrodo potopimo v raztopino bakrovega sulfata, se bodo ioni začeli obarjati iz raztopine na elektrodi in jo pozitivno nabiti. Poljska jakost v dvojni električni plasti je v tem primeru usmerjena od bakra proti raztopini.

Ko je torej kovina potopljena v vodo ali vodno raztopino, ki vsebuje ione iste kovine, med njima nastane potencialna razlika na meji med kovino in raztopino. Predznak in velikost te potencialne razlike sta odvisna od vrste kovine (baker, cink itd., od koncentracije ionov v raztopini in je skoraj neodvisna od temperature in tlaka).

Dve elektrodi iz različnih kovin, potopljeni v elektrolit, tvorita galvanski člen. Na primer, v celici Volta sta cinkovi in ​​bakreni elektrodi potopljeni v vodno raztopino žveplove kisline. Sprva raztopina ne vsebuje niti cinkovih niti bakrovih ionov. Kasneje pa ti ioni iz elektrod preidejo v raztopino in vzpostavi se dinamično ravnotežje. Dokler elektrodi med seboj nista povezani z žico, je potencial elektrolita v vseh točkah enak, potenciali elektrod pa se razlikujejo od potenciala elektrolita zaradi dvojnih plasti, ki nastanejo na njihovi meji z elektrolit. V tem primeru je potencial elektrode cinka enak -0,763 V, elektromotorna sila voltnega elementa, sestavljena iz teh potencialnih skokov, pa bo enaka

Tok v tokokrogu z galvanskim elementom.Če so elektrode galvanskega člena povezane z žico, se bodo elektroni po tej žici premikali od negativne elektrode (cink) k pozitivni elektrodi (baker), kar poruši dinamično ravnovesje med elektrodama in elektrolitom, v katerem so. potopljena. Cinkovi ioni se bodo začeli premikati iz elektrode v raztopino, tako da se bo električna dvojna plast ohranila v enakem stanju s konstantnim skokom potenciala med elektrodo in elektrolitom. Podobno se bodo pri bakreni elektrodi bakrovi ioni začeli premikati iz raztopine in se obarjati na elektrodi. V tem primeru v bližini negativne elektrode nastane pomanjkanje ionov, v bližini pozitivne elektrode pa presežek takih ionov. Skupno število ionov v raztopini se ne bo spremenilo.

Zaradi opisanih procesov se bo v sklenjenem krogu vzdrževal električni tok, ki ga v vezni žici ustvarja gibanje elektronov, v elektrolitu pa ioni. Ko prehaja električni tok, se cinkova elektroda postopoma raztopi in baker se odloži na pozitivno (baker)

elektroda. Koncentracija ionov se poveča na cinkovi elektrodi in zmanjša na bakreni elektrodi.

Potencial v vezju z galvanskim elementom. Opisani vzorec prehoda električnega toka v neenakomernem zaprtem tokokrogu, ki vsebuje kemični element, ustreza porazdelitvi potenciala vzdolž tokokroga, ki je shematično prikazan na sl. 107. V zunanjem tokokrogu, tj. v žici, ki povezuje elektrodi, se potencial gladko zmanjšuje od vrednosti na pozitivni (bakreni) elektrodi A do vrednosti na negativni (cinkovi) elektrodi B v skladu z Ohmovim zakonom za homogeno dirigent. V notranjem tokokrogu, to je v elektrolitu med elektrodama, se potencial postopoma zmanjšuje od vrednosti v bližini cinkove elektrode do vrednosti v bližini bakrene elektrode. Če v zunanjem tokokrogu tok teče od bakrene elektrode do cinkove elektrode, potem znotraj elektrolita teče od cinka do bakra. Potencialni preskoki v dvojnih električnih plasteh nastanejo kot posledica delovanja zunanjih (v tem primeru kemičnih) sil. Gibanje električnih nabojev v dvojnih plasteh zaradi zunanjih sil poteka nasprotno od smeri delovanja električnih sil.

riž. 107. Porazdelitev potenciala vzdolž verige, ki vsebuje kemični element

Nagnjeni odseki spremembe potenciala na sl. 107 ustreza električnemu uporu zunanjega in notranjega odseka zaprtega kroga. Skupni padec potenciala vzdolž teh odsekov je enak vsoti potencialnih skokov v dvojnih plasteh, to je elektromotorni sili elementa.

Prehod električnega toka v galvanskem členu otežujejo stranski produkti, ki se sproščajo na elektrodah, in pojav koncentracijske razlike v elektrolitu. Ti pojavi se imenujejo elektrolitska polarizacija. Na primer, v elementih Volta, ko je vezje zaprto, se pozitivni ioni premaknejo na bakreno elektrodo in se na njej odložijo. Posledično se bakrena elektroda čez nekaj časa zamenja z vodikovo. Ker je elektrodni potencial vodika za 0,337 V nižji od elektrodnega potenciala bakra, se EMF elementa zmanjša za približno enako. Poleg tega vodik, sproščen na bakreni elektrodi, poveča notranji upor elementa.

Za zmanjšanje škodljivih učinkov vodika se uporabljajo depolarizatorji - različni oksidanti. Na primer, v najpogosteje uporabljenem elementu Leclanche (»suhe« baterije)

Pozitivna elektroda je grafitna palica, obdana s stisnjeno maso manganovega peroksida in grafita.

Baterije. Praktično pomembna vrsta galvanskih členov so baterije, pri katerih je po izpraznitvi možen povratni proces polnjenja s pretvorbo električne energije v kemično. Snovi, porabljene med proizvodnjo električnega toka, se v bateriji obnovijo z elektrolizo.

Vidimo, da se pri polnjenju akumulatorja poveča koncentracija žveplove kisline, kar povzroči povečanje gostote elektrolita.

Tako se med postopkom polnjenja ustvari ostra asimetrija elektrod: ena postane svinec, druga postane svinčev peroksid. Napolnjena baterija je galvanski člen, ki lahko služi kot vir toka.

Ko so porabniki električne energije priključeni na baterijo, bo skozi tokokrog stekel električni tok, katerega smer je nasprotna smeri polnilnega toka. Kemične reakcije potekajo v nasprotni smeri in baterija se vrne v prvotno stanje. Obe elektrodi bosta prekriti s plastjo soli, koncentracija žveplove kisline pa se bo vrnila na prvotno vrednost.

Za napolnjeno baterijo je EMF približno 2,2 V. Pri praznjenju pade na 1,85 V. Nadaljnje praznjenje ni priporočljivo, saj postane tvorba svinčevega sulfata nepovratna in baterija se poslabša.

Največja napolnjenost, ki jo lahko zagotovi baterija, ko je izpraznjena, se imenuje njena zmogljivost. Kapaciteta baterije običajno

merjeno v amper urah. Večja kot je površina plošč, večja je.

Uporaba elektrolize. Elektroliza se uporablja v metalurgiji. Najpogostejša elektrolitska proizvodnja aluminija in čistega bakra. Z elektrolizo je mogoče ustvariti tanke plasti nekaterih snovi na površini drugih, da dobimo dekorativne in zaščitne premaze (nikljanje, kromiranje). Postopek izdelave luščilnih prevlek (elektroplastika) je razvil ruski znanstvenik B. S. Jacobi, ki je z njim izdelal votle skulpture, ki krasijo katedralo svetega Izaka v Sankt Peterburgu.

Kakšna je razlika med fizičnim mehanizmom električne prevodnosti v kovinah in elektrolitih?

Pojasnite, zakaj je stopnja disociacije določene snovi odvisna od dielektrične konstante topila.

Pojasnite, zakaj so v zelo razredčenih raztopinah elektrolitov skoraj vse molekule topljenca disociirane.

Pojasnite, kako je mehanizem električne prevodnosti elektrolitov podoben mehanizmu električne prevodnosti plinov. Zakaj je pri stalnih zunanjih pogojih električni tok sorazmeren z uporabljeno napetostjo?

Kakšno vlogo igra zakon o ohranitvi električnega naboja pri izpeljavi zakona elektrolize (3)?

Pojasnite razmerje med elektrokemijskim ekvivalentom snovi in ​​specifičnim nabojem njenih ionov.

Kako eksperimentalno določiti razmerje elektrokemičnih ekvivalentov različnih snovi, če obstaja več elektrolitskih kopeli, ni pa instrumentov za merjenje toka?

Kako lahko uporabimo pojav elektrolize za izdelavo števca električne energije v enosmernem omrežju?

Zakaj lahko Faradayeve zakone štejemo za eksperimentalni dokaz idej o atomski naravi elektrike?

Kateri procesi se zgodijo, ko kovinske elektrode potopimo v vodo in v elektrolit, ki vsebuje ione teh kovin?

Opišite procese, ki se dogajajo v elektrolitu v bližini elektrod galvanskega člena med prehodom toka.

Zakaj se pozitivni ioni znotraj voltaične celice premikajo od negativne (cinkove) elektrode k pozitivni (bakreni) elektrodi? Kako pride do porazdelitve potenciala v vezju, ki povzroči takšno premikanje ionov?

Zakaj lahko stopnjo napolnjenosti kislinskega akumulatorja preverimo s hidrometrom, to je napravo za merjenje gostote tekočine?

V čem se procesi v baterijah bistveno razlikujejo od procesov v »suhih« baterijah?

Kolikšen del električne energije, porabljene v procesu polnjenja baterije c, se lahko porabi pri praznjenju, če se je med postopkom polnjenja napetost ohranila na njenih sponkah

Poročilo o temi:

Elektrika

v tekočinah

(elektroliti)

elektroliza

Faradayevi zakoni

Elementarni električni naboj

Študenti 8 th razred « B »

L Oginova M arije A ndreevny

Moskva 2003

Šola št. 91

Uvod

Veliko v našem življenju je povezano z električno prevodnostjo raztopin soli v vodi (elektrolitov). Od prvega utripa srca (»živa« elektrika v človeškem telesu, ki je 80% vode) do avtomobilov na ulici, predvajalnikov in mobilnih telefonov (sestavni del teh naprav so »baterije« - elektrokemične baterije in razne baterije). - od svinčeve kisline v avtomobilih do litijevega polimera v najdražjih mobilnih telefonih). V ogromnih kadeh, ki se kadijo s strupenimi hlapi, se aluminij proizvaja z elektrolizo iz boksita, stopljenega pri visokih temperaturah - "krilata" kovina za letala in pločevinke za Fanto. Vse naokoli – od kromirane rešetke hladilnika tujega avtomobila do posrebrenega uhana v ušesu – je kdaj naletelo na raztopino ali staljene soli in posledično na električni tok v tekočinah. Ni zaman, da ta pojav preučuje cela znanost - elektrokemija. Toda zdaj nas bolj zanima fizična osnova tega pojava.

Električni tok v raztopini. elektroliti

Iz pouka fizike v 8. razredu vemo, da naboj v prevodnikih (kovinah) prenašajo negativno nabiti elektroni.

Urejeno gibanje nabitih delcev imenujemo električni tok.

Če pa sestavimo napravo (z grafitnimi elektrodami):

takrat bomo poskrbeli, da se igla ampermetra odkloni – tok teče skozi raztopino! Kateri nabiti delci so v raztopini?

Leta 1877 je švedski znanstvenik Svante Arrhenius, ki je preučeval električno prevodnost raztopin različnih snovi, prišel do zaključka, da jo povzročajo ioni, ki nastanejo, ko se sol raztopi v vodi. Pri raztapljanju v vodi molekula CuSO 4 razpade (disociira) na dva različno nabita iona - Cu 2+ in SO 4 2-. Poenostavljeni procesi se lahko odražajo z naslednjo formulo:

CuSO 4 ÞCu 2+ +SO 4 2-

Raztopine soli, alkalij in kislin prevajajo električni tok.

Snovi, katerih raztopine prevajajo električni tok, imenujemo elektroliti.

Raztopine sladkorja, alkohola, glukoze in nekaterih drugih snovi ne prevajajo električnega toka.

Snovi, katerih raztopine ne prevajajo električnega toka, imenujemo neelektroliti.

Elektrolitska disociacija

Proces razgradnje elektrolita na ione imenujemo elektrolitska disociacija.

S. Arrhenius, ki se je držal fizikalne teorije raztopin, ni upošteval interakcije elektrolita z vodo in je verjel, da so v raztopinah prosti ioni. Nasprotno pa sta ruska kemika I.A. Kablukov in V.A.Kistjakovski uporabila kemijsko teorijo D.I. nato disociirajo na ione. Verjeli so, da raztopine ne vsebujejo prostih, ne »golih« ionov, ampak hidrirane, torej »oblečene v plašč« vodnih molekul. Posledično pride do disociacije molekul elektrolitov v naslednjem zaporedju:

a) orientacija molekul vode okoli polov molekule elektrolita

b) hidratacija molekule elektrolita

c) njegovo ionizacijo

d) njegov razpad na hidratirane ione

Glede na stopnjo elektrolitske disociacije delimo elektrolite na močne in šibke.

- Močni elektroliti- tiste, ki ob raztapljanju skoraj popolnoma disociirajo.

Njihova stopnja disociacije teži k enotnosti.

- Šibki elektroliti- tiste, ki pri raztapljanju skoraj ne disociirajo. Njihova stopnja disociacije se nagiba k ničli.

Iz tega sklepamo, da nosilci električnega naboja (prenašalci električnega toka) v raztopinah elektrolitov niso elektroni, temveč pozitivno in negativno nabiti hidratirani ioni .

Temperaturna odvisnost odpornosti elektrolita

Ko se temperatura dvigne olajša se proces disociacije, poveča se mobilnost ionov in odpornost na elektrolit pade .

Katoda in anoda. Kationi in anioni

Kaj se zgodi z ioni pod vplivom električnega toka?

Vrnimo se k naši napravi:

V raztopini CuSO 4 disociira na ione – Cu 2+ in SO 4 2-. Pozitivno nabit ion Cu 2+ (kation) privlači negativno nabita elektroda – katoda, kjer prejme manjkajoče elektrone in se reducira v kovinski baker – preprosto snov. Če odstranite katodo iz naprave, potem ko je tok prešel skozi raztopino, je zlahka opaziti rdeče-rjavo prevleko - to je kovinski baker.

Faradayev prvi zakon

Ali lahko ugotovimo, koliko bakra se je sprostilo? S tehtanjem katode pred in po poskusu lahko natančno določimo maso nanesene kovine. Meritve kažejo, da je masa snovi, ki se sprosti na elektrodah, odvisna od jakosti toka in časa elektrolize:

kjer je K koeficient sorazmernosti, imenovan tudi elektrokemijski ekvivalent .

Posledično je masa sproščene snovi neposredno sorazmerna z močjo toka in časom elektrolize. Toda trenutno v času (po formuli):

je naboj.

Torej, masa snovi, ki se sprosti na elektrodi, je sorazmerna z nabojem oziroma količino elektrike, ki prehaja skozi elektrolit.

M=K´q

Ta zakon je leta 1843 eksperimentalno odkril angleški znanstvenik Michael Faraday in se imenuje Faradayev prvi zakon .

Faradayev drugi zakon

Kaj je elektrokemijski ekvivalent in od česa je odvisen? Na to vprašanje je odgovoril tudi Michael Faraday.

Na podlagi številnih poskusov je prišel do zaključka, da je ta vrednost značilna za vsako snov. Tako na primer med elektrolizo raztopine lapisa (srebrov nitrat AgNO 3) 1 obesek sprosti 1,1180 mg srebra; natanko enaka količina srebra se sprosti med elektrolizo z nabojem 1 obeska poljubne srebrove soli. Pri elektrolizi soli druge kovine 1 obesek sprosti drugo količino te kovine. torej , Elektrokemični ekvivalent snovi je masa te snovi, ki se sprosti med elektrolizo z 1 kulonom električne energije, ki teče skozi raztopino . Tukaj so njegove vrednosti za nekatere snovi:

Iz tabele vidimo, da se elektrokemijski ekvivalenti različnih snovi med seboj bistveno razlikujejo. Od katerih lastnosti snovi je odvisna vrednost njenega elektrokemijskega ekvivalenta? Odgovor na to vprašanje daje Faradayev drugi zakon :

Elektrokemični ekvivalenti različnih snovi so sorazmerni z njihovimi atomskimi masami in obratno sorazmerni s številom, ki izraža njihovo kemijsko valenco.

n – valenca

A – atomska teža

- imenovan kemijski ekvivalent dane snovi

– sorazmernostni koeficient, ki je že univerzalna konstanta, torej ima enako vrednost za vse snovi. Če izmerimo elektrokemijski ekvivalent v g/k, ugotovimo, da je enak 1,037´10 -5 g/k.

Če združimo prvi in ​​drugi Faradayev zakon, dobimo:

Ta formula ima preprost fizikalni pomen: F je številčno enak naboju, ki mora preiti skozi kateri koli elektrolit, da se na elektrodah sprosti snov v količini, ki je enaka enemu kemijskemu ekvivalentu. F se imenuje Faradayevo število in je enako 96400 k/g.

Mol in število molekul v njem. Avogadrovo število

Iz predmeta kemija v 8. razredu vemo, da je bila za merjenje količin snovi, ki sodelujejo v kemijskih reakcijah, izbrana posebna enota - mol. Če želite izmeriti en mol snovi, morate vzeti toliko gramov, kolikor je njena relativna molekulska masa.

Na primer, 1 mol vode (H 2 O) je enak 18 gramom (1 + 1 + 16 = 18), mol kisika (O 2) je 32 gramov, mol železa (Fe) pa 56 gramov. Toda kar je za nas še posebej pomembno, je bilo ugotovljeno, da je 1 mol katere koli snovi vedno vsebuje enako število molekul .

Mol je količina snovi, ki vsebuje 6 ´ 10 23 molekul te snovi.

V čast italijanskemu znanstveniku A. Avogadru je ta številka ( n) je poklican Avogadrova konstanta oz Avogadrovo število .

Iz formule iz tega izhaja, da če q=F, to . To pomeni, da ko naboj, enak 96.400 kulonov, prehaja skozi elektrolit, se sprostijo grami katere koli snovi. Z drugimi besedami, da se sprosti en mol monovalentne snovi, mora naboj teči skozi elektrolit q=F obeski. Vemo pa, da vsak mol snovi vsebuje enako število molekul - N=6x10 23. To nam omogoča, da izračunamo naboj enega iona enovalentne snovi - elementarni električni naboj - naboj enega (!) Elektrona:

Uporaba elektrolize

Elektrolitska metoda za pridobivanje čistih kovin (rafinacija, rafinacija). Elektroliza, ki jo spremlja raztapljanje anode

Dober primer je elektrolitsko čiščenje (rafinacija) bakra. Baker, pridobljen neposredno iz rude, se vlije v plošče in postavi kot anoda v raztopino CuSO 4 . Z izbiro napetosti na elektrodah kopeli (0,20-0,25 V) je mogoče zagotoviti, da se na katodi sprošča samo kovinski baker. V tem primeru tuje nečistoče preidejo v raztopino (ne da bi se sprostile na katodi) ali padejo na dno kopeli v obliki usedline ("anodno blato"). Kationi anodne snovi se združijo z anionom SO 4 2- in pri tej napetosti se na katodi sprosti samo kovinski baker. Zdi se, da se anoda "raztopi". To čiščenje nam omogoča, da dosežemo čistost 99,99 % (»štiri devetke«). Podobno se čistijo (rafinirajo) tudi plemenite kovine (zlato Au, srebro Ag).

Trenutno se ves aluminij (Al) pridobiva elektrolitsko (iz taline boksita).

Galvanizacija

Galvanizacija – področje uporabne elektrokemije, ki obravnava postopke nanašanja kovinskih prevlek na površino kovinskih in nekovinskih izdelkov, ko enosmerni električni tok teče skozi raztopine njihovih soli. Tehnologijo galvanizacije delimo na galvanizacija in galvanoplastika .

Z elektrolizo lahko kovinske predmete prekrijemo s plastjo druge kovine. Ta proces se imenuje galvanizacija. Posebno tehnično pomembni so premazi s težko oksidirajočimi kovinami, predvsem nikljani in kromirani ter posrebreni in pozlačeni, ki se pogosto uporabljajo za zaščito kovin pred korozijo. Za pridobitev želenih premazov predmet temeljito očistimo, dobro razmastimo in kot katodo postavimo v elektrolitsko kopel, ki vsebuje sol kovine, s katero želimo predmet premazati. Za bolj enakomerno prevleko je koristno uporabiti dve plošči kot anodo, tako da postavite predmet med njima.

Prav tako z elektrolizo ne morete samo prevleči predmetov s plastjo ene ali druge kovine, temveč tudi narediti njihove reliefne kovinske kopije (na primer kovance, medalje). Ta proces je izumil ruski fizik in elektrotehnik, član Ruske akademije znanosti Boris Semenovič Jacobi (1801-1874) v štiridesetih letih 19. stoletja in se imenuje galvanizacija . Za izdelavo reliefne kopije predmeta se najprej naredi odlitek iz plastičnega materiala, na primer iz voska. Ta odlitek se podrgne z grafitom in potopi v elektrolitsko kopel kot katoda, kjer se nanj nanese plast kovine. To se uporablja v tiskarstvu pri izdelavi tiskovin.

Poleg zgoraj omenjenih je elektroliza našla uporabo na drugih področjih:

Pridobivanje oksidnih zaščitnih filmov na kovinah (eloksiranje);

Elektrokemična površinska obdelava kovinskega izdelka (poliranje);

Elektrokemično barvanje kovin (na primer bakra, medenine, cinka, kroma itd.);

Čiščenje vode je odstranjevanje topnih nečistoč iz nje. Rezultat je tako imenovana mehka voda (po lastnostih je podobna destilirani vodi);

Elektrokemično ostrenje rezalnih instrumentov (na primer kirurških nožev, britvic itd.).

Seznam uporabljene literature:

1. Gurevič A. E. “Fizika. Elektromagnetni pojavi. 8. razred" Moskva, Založba "Drofa". 1999

2. Gabrielyan O. S. "Kemija. 8. razred" Moskva, Založba "Drofa". 1997

3. “Osnovni učbenik fizike, ki ga je uredil akademik G. S. Landsberg - II. zvezek - elektrika in magnetizem.” Moskva, "Znanost", 1972.

4. Eric M. Rogers. "Fizika za raziskovalni um (metode, narava in filozofija fizikalne znanosti)". "Princeton University press" 1966. Zvezek III - elektrika in magnetizem. Prevod Moskva, "Mir" 1971.

5. A. N. Remizov "Tečaj fizike, elektronike in kibernetike za medicinske inštitute." Moskva, "Višja šola" 1982.

Tekočine so tako kot vse druge snovi lahko prevodniki, polprevodniki in dielektriki. Na primer, destilirana voda bo dielektrik, raztopine in taline elektrolitov pa prevodniki. Polprevodniki bodo na primer staljeni selen ali sulfidne taline.

Ionska prevodnost

Elektrolitska disociacija je proces razgradnje molekul elektrolitov v ione pod vplivom električnega polja polarnih molekul vode. Stopnja disociacije je delež molekul, ki so razpadle na ione v raztopljeni snovi.

Stopnja disociacije bo odvisna od različnih dejavnikov: temperature, koncentracije raztopine, lastnosti topila. Z zvišanjem temperature se poveča tudi stopnja disociacije.

Ko se molekule ločijo na ione, se gibljejo naključno. V tem primeru se lahko dva iona različnih predznakov rekombinirata, to pomeni, da se lahko ponovno združita v nevtralne molekule. Če v raztopini ni zunanjih sprememb, je treba vzpostaviti dinamično ravnotežje. Z njim bo število molekul, ki so razpadle na ione na časovno enoto, enako številu molekul, ki se bodo ponovno združile.

Nosilci naboja v vodnih raztopinah in talinah elektrolitov bodo ioni. Če je posoda z raztopino ali talino povezana z vezjem, se bodo pozitivno nabiti ioni začeli premikati proti katodi, negativni pa proti anodi. Zaradi tega gibanja bo nastal električni tok. Ta vrsta prevodnosti se imenuje ionska prevodnost.

Poleg ionske prevodnosti v tekočinah ima lahko tudi elektronsko prevodnost. Ta vrsta prevodnosti je značilna na primer za tekoče kovine. Kot je navedeno zgoraj, je pri ionski prevodnosti prehod toka povezan s prenosom snovi.

elektroliza

Snovi, ki so del elektrolitov, se bodo usedle na elektrode. Ta proces se imenuje elektroliza. Elektroliza je proces sproščanja snovi na elektrodi, povezan z redoks reakcijami.

Elektroliza je našla široko uporabo v fiziki in tehnologiji. Z elektrolizo se površina ene kovine prevleče s tanko plastjo druge kovine. Na primer, kromiranje in nikljanje.

Z elektrolizo lahko dobite kopijo z reliefne površine. Za to je potrebno, da se plast kovine, ki se usede na površini elektrode, zlahka odstrani. Da bi to dosegli, se na površino včasih nanese grafit.

Postopek pridobivanja takšnih zlahka luščilnih premazov imenujemo galvanizacija. To metodo je razvil ruski znanstvenik Boris Jacobi pri izdelavi votlih figur za Izakovo katedralo v Sankt Peterburgu.