กระแสไฟฟ้าในของเหลว การเคลื่อนที่ของประจุ ไอออนบวก กระแสไฟฟ้าในของเหลว: ต้นกำเนิด ลักษณะเชิงปริมาณและคุณภาพ สิ่งที่ทำให้เกิดกระแสในของเหลว

มันเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่โดยตรงของอิเล็กตรอนอิสระและในกรณีนี้จะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงในสารที่ตัวนำเกิดขึ้น

ตัวนำดังกล่าวซึ่งทางเดินของกระแสไฟฟ้าไม่ได้มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในสารนั้นเรียกว่า ตัวนำประเภทแรก. ซึ่งรวมถึงโลหะทั้งหมด ถ่านหิน และสารอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง

แต่ยังมีตัวนำกระแสไฟฟ้าในธรรมชาติซึ่งปรากฏการณ์ทางเคมีเกิดขึ้นระหว่างทางของกระแส ตัวนำเหล่านี้เรียกว่า ตัวนำชนิดที่สอง. ซึ่งรวมถึงสารละลายต่างๆ ในน้ำที่เป็นกรด เกลือ และด่างเป็นส่วนใหญ่

หากคุณเทน้ำลงในภาชนะแก้วและเติมกรดกำมะถัน (หรือกรดหรือด่างอื่นๆ) สักสองสามหยด จากนั้นนำแผ่นโลหะสองแผ่นมาต่อเข้ากับตัวนำโดยลดแผ่นเหล่านี้ลงในภาชนะ แล้วต่อกระแสไฟ ไปยังปลายอีกด้านของตัวนำผ่านสวิตช์และแอมมิเตอร์ จากนั้นแก๊สจะถูกปล่อยออกจากสารละลาย และจะดำเนินต่อไปอย่างต่อเนื่องจนกว่าวงจรจะปิด น้ำที่เป็นกรดย่อมเป็นตัวนำ นอกจากนี้จานจะเริ่มปกคลุมด้วยฟองแก๊ส จากนั้นฟองเหล่านี้จะแตกออกจากจานและออกมา

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านสารละลาย จะเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีซึ่งเป็นผลมาจากการปล่อยก๊าซ

ตัวนำประเภทที่สองเรียกว่าอิเล็กโทรไลต์และปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในอิเล็กโทรไลต์เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

แผ่นโลหะที่จุ่มลงในอิเล็กโทรไลต์เรียกว่าอิเล็กโทรด อันหนึ่งเชื่อมต่อกับขั้วบวกของแหล่งกระแสเรียกว่าแอโนดและอีกอันเชื่อมต่อกับขั้วลบเรียกว่าแคโทด

อะไรเป็นสาเหตุของกระแสไฟฟ้าในตัวนำที่เป็นของเหลว ปรากฎว่าในสารละลายดังกล่าว (อิเล็กโทรไลต์) โมเลกุลของกรด (ด่าง, เกลือ) ภายใต้การกระทำของตัวทำละลาย (ในกรณีนี้คือน้ำ) จะสลายตัวเป็นสององค์ประกอบและ อนุภาคหนึ่งของโมเลกุลมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก และอีกอนุภาคมีประจุเป็นลบ

อนุภาคของโมเลกุลที่มีประจุไฟฟ้าเรียกว่า ไอออน เมื่อกรด เกลือ หรือด่างละลายในน้ำ ไอออนบวกและลบจำนวนมากจะปรากฏในสารละลาย

ตอนนี้มันควรจะชัดเจนว่าทำไมกระแสไฟฟ้าถึงผ่านสารละลายเพราะมันถูกสร้างขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดที่เชื่อมต่อกับแหล่งกระแสไฟฟ้ากล่าวอีกนัยหนึ่งหนึ่งในนั้นกลายเป็นประจุบวกและอีกอันหนึ่งเป็นประจุลบ ภายใต้อิทธิพลของความต่างศักย์นี้ ไอออนบวกเริ่มเคลื่อนที่ไปทางขั้วลบ - แคโทด และไอออนลบ - ไปทางขั้วบวก

ดังนั้น การเคลื่อนที่ของไอออนที่วุ่นวายจึงกลายเป็นการเคลื่อนที่สวนทางกันของไอออนลบในทิศทางหนึ่งและไอออนบวกในอีกทิศทางหนึ่ง กระบวนการถ่ายโอนประจุนี้ประกอบด้วยการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านอิเล็กโทรไลต์และเกิดขึ้นตราบใดที่มีความต่างศักย์ทั่วอิเล็กโทรด เมื่อความต่างศักย์หายไป กระแสที่ไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์จะหยุดลง การเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบของไอออนถูกรบกวน และการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายก็เกิดขึ้นอีกครั้ง

ตัวอย่างเช่น พิจารณาปรากฏการณ์ของอิเล็กโทรลิซิสเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านสารละลายของคอปเปอร์ซัลเฟต CuSO4 โดยมีอิเล็กโทรดทองแดงหย่อนลงไป

ปรากฏการณ์ของอิเล็กโทรไลซิสเมื่อกระแสผ่านสารละลายของคอปเปอร์ซัลเฟต: C - เรือที่มีอิเล็กโทรไลต์, B - แหล่งกำเนิดปัจจุบัน, C - สวิตช์

จะมีการเคลื่อนที่ของไอออนสวนทางกับอิเล็กโทรดด้วย ไอออนบวกจะเป็นไอออนทองแดง (Cu) และไอออนลบจะเป็นไอออนของกรด (SO4) ไอออนของทองแดงเมื่อสัมผัสกับแคโทดจะถูกปล่อยออกมา (ยึดอิเล็กตรอนที่หายไปกับตัวมันเอง) นั่นคือพวกมันจะกลายเป็นโมเลกุลที่เป็นกลางของทองแดงบริสุทธิ์และสะสมอยู่บนแคโทดในรูปของชั้น (โมเลกุล) ที่บางที่สุด

ไอออนลบที่มาถึงขั้วบวกจะถูกปล่อยออกมาเช่นกัน (ให้อิเล็กตรอนส่วนเกิน) แต่ในเวลาเดียวกันพวกเขาก็เข้าสู่ปฏิกิริยาทางเคมีกับขั้วบวกของทองแดงซึ่งเป็นผลมาจากการที่โมเลกุลของทองแดง Cu ติดอยู่กับ SO4 ที่เป็นกรดตกค้างและโมเลกุลของคอปเปอร์ซัลเฟต CuS O4 จะเกิดขึ้นซึ่งจะถูกส่งกลับ กลับไปที่อิเล็กโทรไลต์

เนื่องจากกระบวนการทางเคมีนี้ใช้เวลานาน ทองแดงจึงถูกสะสมไว้บนแคโทด ซึ่งถูกปล่อยออกมาจากอิเล็กโทรไลต์ ในกรณีนี้แทนที่จะเป็นโมเลกุลทองแดงที่ไปที่แคโทด อิเล็กโทรไลต์จะได้รับโมเลกุลทองแดงใหม่เนื่องจากการละลายของอิเล็กโทรดที่สอง - แอโนด

กระบวนการเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นหากใช้ขั้วไฟฟ้าสังกะสีแทนขั้วไฟฟ้าทองแดง และอิเล็กโทรไลต์เป็นสารละลายของซิงค์ซัลเฟต ZnSO4 สังกะสีจะถูกถ่ายโอนจากขั้วบวกไปยังขั้วลบด้วย

ดังนั้น, ความแตกต่างระหว่างกระแสไฟฟ้าในตัวนำโลหะและของเหลวอยู่ในความจริงที่ว่าในโลหะมีเพียงอิเล็กตรอนอิสระ เช่น ประจุลบเท่านั้นที่เป็นตัวพาประจุ ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์นั้นถูกนำพาโดยอนุภาคที่มีประจุตรงข้ามของสสาร - ไอออนที่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นพวกเขาจึงพูดอย่างนั้น อิเล็กโทรไลต์มีการนำไอออนิก

ปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้าถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2380 โดย B. S. Jacobi ซึ่งได้ทำการทดลองมากมายเกี่ยวกับการศึกษาและปรับปรุงแหล่งที่มาของสารเคมีในปัจจุบัน จาโคบีพบว่าหนึ่งในอิเล็กโทรดที่วางอยู่ในสารละลายของคอปเปอร์ซัลเฟต เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน จะถูกหุ้มด้วยทองแดง

ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ไฟฟ้าพบแอปพลิเคชั่นที่ใช้งานได้จริงอย่างกว้างขวางในขณะนี้ ตัวอย่างหนึ่งของการเคลือบวัตถุที่เป็นโลหะด้วยชั้นบางๆ ของโลหะอื่นๆ เช่น การชุบนิกเกิล การปิดทอง การชุบเงิน เป็นต้น

ก๊าซ (รวมถึงอากาศ) ไม่นำไฟฟ้าภายใต้สภาวะปกติ ตัวอย่างเช่น เปลือยเปล่า ถูกแขวนขนานกัน ถูกแยกออกจากกันโดยชั้นของอากาศ

อย่างไรก็ตามภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงความต่างศักย์ขนาดใหญ่และเหตุผลอื่น ๆ ก๊าซเช่นตัวนำของเหลวไอออไนซ์คืออนุภาคของโมเลกุลของก๊าซปรากฏขึ้นเป็นจำนวนมากซึ่งเป็นพาหะของไฟฟ้า ของกระแสไฟฟ้าผ่านแก๊ส

แต่ในขณะเดียวกัน ไอออนไนซ์ของก๊าซจะแตกต่างจากไอออไนซ์ของตัวนำที่เป็นของเหลว หากโมเลกุลแตกออกเป็นสองส่วนที่มีประจุในของเหลว จากนั้นในก๊าซ ภายใต้การกระทำของไอออนไนซ์ อิเล็กตรอนจะถูกแยกออกจากแต่ละโมเลกุลเสมอ และไอออนยังคงอยู่ในรูปของส่วนที่มีประจุบวกของโมเลกุล

มีเพียงการหยุดไอออไนเซชันของก๊าซเนื่องจากมันหยุดการนำไฟฟ้า ในขณะที่ของเหลวยังคงเป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าอยู่เสมอ ดังนั้น การนำไฟฟ้าของก๊าซจึงเป็นปรากฏการณ์ชั่วคราว ขึ้นอยู่กับการกระทำของปัจจัยภายนอก

อย่างไรก็ตาม ยังมีอีกชื่อหนึ่งเรียกว่า การปลดปล่อยอาร์คหรือเป็นเพียงอาร์คไฟฟ้า ปรากฏการณ์ของอาร์คไฟฟ้าถูกค้นพบเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 โดยวิศวกรไฟฟ้าชาวรัสเซียคนแรก V. V. Petrov

V. V. Petrov ทำการทดลองมากมายพบว่าระหว่างถ่านสองก้อนที่เชื่อมต่อกับแหล่งกระแสไฟฟ้าจะมีการปล่อยไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องในอากาศพร้อมกับแสงจ้า ในงานเขียนของเขา V. V. Petrov เขียนว่าในกรณีนี้ ดังนั้นเป็นครั้งแรกที่ได้รับแสงไฟฟ้าซึ่งนักวิทยาศาสตร์ไฟฟ้าชาวรัสเซียอีกคนหนึ่ง Pavel Nikolaevich Yablochkov นำไปใช้จริง

"เทียนของ Yablochkov" ซึ่งทำงานโดยใช้อาร์คไฟฟ้าทำให้เกิดการปฏิวัติด้านวิศวกรรมไฟฟ้าอย่างแท้จริงในสมัยนั้น

การปล่อยอาร์กถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงแม้กระทั่งในปัจจุบัน เช่น ในไฟค้นหาและโปรเจ็กเตอร์ อุณหภูมิสูงของการปล่อยอาร์คช่วยให้สามารถใช้งานได้ ในปัจจุบัน เตาอาร์คที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสไฟฟ้าที่สูงมากถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมหลายประเภท: สำหรับการถลุงเหล็ก เหล็กหล่อ เฟอร์โรอัลลอย บรอนซ์ ฯลฯ และในปี พ.ศ. 2425 เอ็น. เอ็น. เบนาร์ดอสได้ใช้การปล่อยอาร์คเป็นครั้งแรกสำหรับการตัดและเชื่อมโลหะ

ในหลอดแก๊ส, หลอดฟลูออเรสเซนต์, เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้า, เพื่อให้ได้ลำแสงอิเล็กตรอนและไอออน, ที่เรียกว่า การปล่อยก๊าซเรืองแสง.

การปล่อยประกายไฟใช้ในการวัดความต่างศักย์ขนาดใหญ่โดยใช้ช่องว่างของลูกบอล ซึ่งอิเล็กโทรดเป็นลูกโลหะสองลูกที่มีพื้นผิวมันเงา ลูกบอลจะเคลื่อนที่ออกจากกัน และนำความต่างศักย์ที่วัดได้มาใช้กับลูกบอล จากนั้นนำลูกบอลมารวมกันจนเกิดประกายไฟระหว่างลูกบอล เมื่อทราบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอล ระยะห่างระหว่างลูกบอล ความดัน อุณหภูมิ และความชื้นในอากาศ พวกเขาจะพบความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างลูกบอลตามตารางพิเศษ วิธีนี้สามารถใช้วัดความต่างศักย์ของลำดับหมื่นโวลต์ได้ภายในไม่กี่เปอร์เซ็นต์

ทุกคนคุ้นเคยกับคำจำกัดความของกระแสไฟฟ้า มันแสดงเป็นการเคลื่อนที่โดยตรงของอนุภาคที่มีประจุ การเคลื่อนไหวดังกล่าวในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันมีความแตกต่างโดยพื้นฐาน จากตัวอย่างพื้นฐานของปรากฏการณ์นี้ เราสามารถจินตนาการถึงการไหลและการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในของเหลวได้ ปรากฏการณ์ดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติที่แตกต่างกันและแตกต่างอย่างมากจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุซึ่งเกิดขึ้นภายใต้สภาวะปกติที่ไม่อยู่ภายใต้อิทธิพลของของเหลวต่างๆ

รูปที่ 1 กระแสไฟฟ้าในของเหลว Author24 - การแลกเปลี่ยนเอกสารของนักเรียนออนไลน์

การก่อตัวของกระแสไฟฟ้าในของเหลว

แม้จะมีความจริงที่ว่ากระบวนการนำกระแสไฟฟ้าดำเนินการโดยใช้อุปกรณ์โลหะ (ตัวนำ) กระแสในของเหลวขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของไอออนที่มีประจุซึ่งได้รับหรือสูญเสียอะตอมและโมเลกุลดังกล่าวด้วยเหตุผลเฉพาะบางประการ ตัวบ่งชี้ของการเคลื่อนไหวดังกล่าวคือการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของสารบางอย่างที่ไอออนผ่านไป ดังนั้นจึงจำเป็นต้องอาศัยคำจำกัดความพื้นฐานของกระแสไฟฟ้าเพื่อสร้างแนวคิดเฉพาะเกี่ยวกับการก่อตัวของกระแสไฟฟ้าในของเหลวต่างๆ พิจารณาว่าการสลายตัวของไอออนที่มีประจุลบก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ไปยังบริเวณของแหล่งกำเนิดปัจจุบันที่มีค่าเป็นบวก ไอออนที่มีประจุบวกในกระบวนการดังกล่าวจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม - ไปยังแหล่งกระแสที่เป็นลบ

ตัวนำของเหลวแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก:

• เซมิคอนดักเตอร์;
• อิเล็กทริก;
• ตัวนำ

คำจำกัดความ 1

การแยกตัวด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการสลายตัวของโมเลกุลของสารละลายหนึ่งๆ ให้เป็นไอออนที่มีประจุลบและประจุบวก

สามารถระบุได้ว่ากระแสไฟฟ้าในของเหลวสามารถเกิดขึ้นได้หลังจากการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบและคุณสมบัติทางเคมีของของเหลวที่ใช้ สิ่งนี้ขัดแย้งกับทฤษฎีการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในรูปแบบอื่นอย่างสิ้นเชิงเมื่อใช้ตัวนำโลหะทั่วไป

การทดลองของฟาราเดย์และอิเล็กโทรลิซิส

การไหลของกระแสไฟฟ้าในของเหลวเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของไอออนที่มีประจุไฟฟ้า ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการเกิดขึ้นและการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในของเหลวนำไปสู่การศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ชื่อดัง Michael Faraday ด้วยความช่วยเหลือจากการศึกษาเชิงปฏิบัติจำนวนมาก เขาสามารถค้นหาหลักฐานว่ามวลของสารที่ปล่อยออกมาระหว่างการแยกด้วยไฟฟ้านั้นขึ้นอยู่กับระยะเวลาและกระแสไฟฟ้า ในกรณีนี้ เวลาที่ทำการทดลองมีความสำคัญ

นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถค้นพบว่าในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส เมื่อสารจำนวนหนึ่งถูกปล่อยออกมา จำเป็นต้องใช้ประจุไฟฟ้าในปริมาณที่เท่ากัน ปริมาณนี้ถูกกำหนดขึ้นอย่างแม่นยำและคงที่ในค่าคงที่ ซึ่งเรียกว่าเลขฟาราเดย์

ในของเหลว กระแสไฟฟ้ามีเงื่อนไขการแพร่กระจายที่แตกต่างกัน ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำ พวกมันขัดขวางการเคลื่อนที่ของไอออนอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งไม่พบในการทดลองโดยใช้ตัวนำโลหะทั่วไป จากนี้ไปการสร้างกระแสระหว่างปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลต์จะไม่ใหญ่นัก อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิของสารละลายเพิ่มขึ้น ค่าการนำไฟฟ้าจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าของกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ ในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ยังพบว่าความน่าจะเป็นที่โมเลกุลบางชนิดจะแตกตัวเป็นประจุไอออนลบหรือไอออนบวกเพิ่มขึ้นเนื่องจากสารหรือตัวทำละลายที่ใช้มีโมเลกุลจำนวนมาก เมื่อสารละลายอิ่มตัวด้วยไอออนเกินเกณฑ์ปกติ กระบวนการย้อนกลับจะเกิดขึ้น การนำไฟฟ้าของสารละลายเริ่มลดลงอีกครั้ง

ปัจจุบัน กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสได้รับการประยุกต์ใช้ในหลายสาขาและสาขาวิทยาศาสตร์และในการผลิต ผู้ประกอบการอุตสาหกรรมใช้ในการผลิตหรือแปรรูปโลหะ ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้ามีส่วนร่วมใน:

• อิเล็กโทรไลซิสเกลือ
• ไฟฟ้า;
• ขัดผิว;
• กระบวนการรีดอกซ์อื่นๆ

กระแสไฟฟ้าในสุญญากาศและของเหลว

การแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าในของเหลวและสื่ออื่น ๆ เป็นกระบวนการที่ค่อนข้างซับซ้อนซึ่งมีลักษณะคุณสมบัติและคุณสมบัติของมันเอง ความจริงก็คือในสื่อดังกล่าวไม่มีค่าใช้จ่ายใด ๆ ในร่างกายดังนั้นจึงมักเรียกว่าไดอิเล็กตริก เป้าหมายหลักของการวิจัยคือการสร้างเงื่อนไขดังกล่าวซึ่งอะตอมและโมเลกุลสามารถเริ่มเคลื่อนไหวได้และเริ่มกระบวนการสร้างกระแสไฟฟ้า สำหรับสิ่งนี้เป็นเรื่องปกติที่จะใช้กลไกหรืออุปกรณ์พิเศษ องค์ประกอบหลักของอุปกรณ์โมดูลาร์ดังกล่าวคือตัวนำในรูปแบบของแผ่นโลหะ

ในการกำหนดพารามิเตอร์หลักของกระแสจำเป็นต้องใช้ทฤษฎีและสูตรที่รู้จัก ที่พบมากที่สุดคือกฎของโอห์ม มันทำหน้าที่เป็นลักษณะเฉพาะของแอมแปร์สากลซึ่งใช้หลักการของการพึ่งพาแรงดันในปัจจุบัน จำได้ว่าแรงดันไฟฟ้าวัดเป็นหน่วยแอมแปร์

สำหรับการทดลองกับน้ำและเกลือจำเป็นต้องเตรียมภาชนะด้วยน้ำเกลือ สิ่งนี้จะให้การแสดงกระบวนการที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในของเหลว นอกจากนี้การติดตั้งควรมีอิเล็กโทรดสี่เหลี่ยมและอุปกรณ์จ่ายไฟ สำหรับการเตรียมการทดลองอย่างเต็มรูปแบบ คุณต้องมีการติดตั้งแอมแปร์ มันจะช่วยนำพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟไปยังขั้วไฟฟ้า

แผ่นโลหะจะทำหน้าที่เป็นตัวนำ พวกเขาจะจุ่มลงในของเหลวที่ใช้แล้วเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของอนุภาคเริ่มต้นขึ้นทันที มันทำงานแบบสุ่ม เมื่อเกิดสนามแม่เหล็กระหว่างตัวนำ กระบวนการทั้งหมดของการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะถูกสั่ง

ไอออนเริ่มเปลี่ยนประจุและรวมกัน ดังนั้นแคโทดจึงกลายเป็นแอโนด และแอโนดกลายเป็นแคโทด ในกระบวนการนี้ ยังมีปัจจัยสำคัญอื่นๆ อีกหลายประการที่ต้องพิจารณา:

• ระดับการแยกตัว
• อุณหภูมิ;
• ความต้านทานไฟฟ้า
• การใช้ไฟฟ้ากระแสสลับหรือไฟฟ้ากระแสตรง

ในตอนท้ายของการทดลอง ชั้นของเกลือจะก่อตัวขึ้นบนจาน

เกือบทุกคนรู้คำจำกัดความของกระแสไฟฟ้าเป็นอย่างดี อย่างไรก็ตาม ประเด็นทั้งหมดก็คือต้นกำเนิดและการเคลื่อนที่ของมันในสื่อต่างๆ นั้นค่อนข้างแตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กระแสไฟฟ้าในของเหลวมีคุณสมบัติค่อนข้างแตกต่างจากตัวนำที่เป็นโลหะชนิดเดียวกัน

ความแตกต่างหลักคือกระแสในของเหลวคือการเคลื่อนที่ของไอออนที่มีประจุ ซึ่งก็คืออะตอมหรือแม้แต่โมเลกุลที่สูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอนด้วยเหตุผลบางอย่าง ในเวลาเดียวกันหนึ่งในตัวบ่งชี้ของการเคลื่อนไหวนี้คือการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของสารที่ไอออนเหล่านี้ผ่าน ตามคำจำกัดความของกระแสไฟฟ้า เราสามารถสรุปได้ว่าในระหว่างการสลายตัว ไอออนที่มีประจุลบจะเคลื่อนไปทางบวกและทางบวกไปทางลบ

กระบวนการสลายตัวของโมเลกุลของสารละลายเป็นไอออนที่มีประจุบวกและประจุลบเรียกว่าการแยกตัวด้วยไฟฟ้าในทางวิทยาศาสตร์ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าในของเหลวจึงเกิดขึ้นเนื่องจากองค์ประกอบและคุณสมบัติทางเคมีของของเหลวเหล่านี้ไม่เหมือนกับตัวนำโลหะชนิดเดียวกัน ส่งผลให้เกิดกระบวนการเคลื่อนที่ของไอออนที่มีประจุไฟฟ้า

กระแสไฟฟ้าในของเหลว ต้นกำเนิด ลักษณะเชิงปริมาณและคุณภาพเป็นหนึ่งในปัญหาหลักที่ศึกษาโดยนักฟิสิกส์ชื่อดัง M. Faraday มาเป็นเวลานาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ด้วยความช่วยเหลือของการทดลองจำนวนมาก เขาสามารถพิสูจน์ได้ว่ามวลของสารที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแยกด้วยไฟฟ้านั้นขึ้นอยู่กับปริมาณไฟฟ้าและเวลาที่ใช้ในการแยกด้วยไฟฟ้าโดยตรง จากเหตุผลอื่นใด มวลนี้ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของสาร

นอกจากนี้ จากการศึกษากระแสในของเหลว ฟาราเดย์ได้ทดลองพบว่าจำเป็นต้องใช้ปริมาณเท่ากันในการแยกสารใดๆ หนึ่งกิโลกรัมในระหว่างการอิเล็กโทรลิซิส จำนวนนี้เท่ากับ 9.65.10 7 k เรียกว่าหมายเลขฟาราเดย์

ซึ่งแตกต่างจากตัวนำโลหะกระแสไฟฟ้าในของเหลวล้อมรอบซึ่งทำให้การเคลื่อนที่ของไอออนของสารซับซ้อนมาก ด้วยเหตุนี้ในอิเล็กโทรไลต์ใด ๆ สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ในเวลาเดียวกัน หากอุณหภูมิของสารละลายสูงขึ้น ค่าการนำไฟฟ้าของสารละลายก็จะเพิ่มขึ้น และสนามก็เพิ่มขึ้น

อิเล็กโทรไลซิสมีคุณสมบัติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่ง สิ่งนี้คือความน่าจะเป็นของการสลายตัวของโมเลกุลเฉพาะเป็นไอออนที่มีประจุบวกและลบนั้นยิ่งสูงขึ้นจำนวนโมเลกุลของสารและตัวทำละลายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในเวลาเดียวกัน ในช่วงเวลาหนึ่ง สารละลายจะอิ่มตัวด้วยไอออน หลังจากนั้นค่าการนำไฟฟ้าของสารละลายจะเริ่มลดลง ดังนั้นสิ่งที่แข็งแกร่งที่สุดจะเกิดขึ้นในสารละลายที่มีความเข้มข้นของไอออนต่ำมาก แต่กระแสไฟฟ้าในสารละลายดังกล่าวจะต่ำมาก

กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสพบการใช้งานอย่างกว้างขวางในการผลิตทางอุตสาหกรรมต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการผลิตโลหะโดยใช้อิเล็กโทรไลต์, อิเล็กโทรไลซิสของเกลือที่มีคลอรีนและอนุพันธ์ของคลอรีน, ปฏิกิริยารีดอกซ์, การผลิตสารที่จำเป็นเช่นไฮโดรเจน, การขัดผิว, การชุบด้วยไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในองค์กรหลายแห่งของวิศวกรรมเครื่องกลและการผลิตเครื่องมือ วิธีการกลั่นเป็นเรื่องธรรมดามาก ซึ่งเป็นการผลิตโลหะโดยไม่มีสิ่งเจือปนที่ไม่จำเป็น

กระแสไฟฟ้าในของเหลวเกิดจากการเคลื่อนที่ของไอออนบวกและไอออนลบ ซึ่งแตกต่างจากกระแสในตัวนำที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ ดังนั้นหากไม่มีไอออนในของเหลวแสดงว่าเป็นอิเล็กทริกเช่นน้ำกลั่น เนื่องจากตัวพาประจุเป็นไอออน ซึ่งก็คือโมเลกุลและอะตอมของสาร เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านของเหลวดังกล่าว ย่อมจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีของสารอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ไอออนบวกและลบในของเหลวมาจากไหน? ให้เราพูดทันทีว่าตัวพาประจุไม่สามารถก่อตัวในของเหลวทั้งหมด สิ่งที่ปรากฏเรียกว่าอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งรวมถึงสารละลายเกลือของกรดและด่าง ตัวอย่างเช่น เมื่อละลายเกลือในน้ำ ให้ใช้เกลือแกง โซเดียมคลอไรด์มันสลายตัวภายใต้การกระทำของตัวทำละลาย นั่นคือ น้ำกลายเป็นไอออนบวก นาเรียกว่าไอออนบวกและไอออนลบ คเรียกว่าแอนไอออน กระบวนการสร้างไอออนเรียกว่าการแยกตัวด้วยไฟฟ้า

มาทำการทดลองกันเถอะเพราะเราต้องการหลอดแก้ว, อิเล็กโทรดโลหะสองตัว, แอมมิเตอร์และแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง เราเติมขวดด้วยสารละลายเกลือทั่วไปในน้ำ จากนั้นเราใส่อิเล็กโทรดสี่เหลี่ยมสองอันลงในสารละลายนี้ เราเชื่อมต่ออิเล็กโทรดเข้ากับแหล่งจ่ายกระแสตรงผ่านแอมมิเตอร์

รูปที่ 1 - กระติกน้ำพร้อมสารละลายเกลือ

เมื่อเปิดกระแสไฟฟ้าระหว่างจานสนามไฟฟ้าจะปรากฏขึ้นภายใต้การกระทำของไอออนของเกลือที่จะเริ่มเคลื่อนที่ ไอออนบวกจะพุ่งไปที่แคโทด และไอออนลบจะพุ่งไปที่แอโนด ในเวลาเดียวกันพวกเขาจะเคลื่อนไหวอย่างวุ่นวาย แต่ในขณะเดียวกัน ภายใต้การดำเนินการของฟิลด์ คำสั่งจะถูกเพิ่มเข้าไปด้วย

ซึ่งแตกต่างจากตัวนำที่มีเพียงอิเล็กตรอนเท่านั้นที่เคลื่อนที่ นั่นคือ ประจุประเภทหนึ่ง ประจุสองประเภทเคลื่อนที่ในอิเล็กโทรไลต์ เหล่านี้เป็นไอออนบวกและลบ พวกเขาเคลื่อนเข้าหากัน

เมื่อโซเดียมไอออนบวกมาถึงแคโทด จะได้อิเล็กตรอนที่ขาดหายไปและกลายเป็นอะตอมของโซเดียม กระบวนการที่คล้ายกันจะเกิดขึ้นกับคลอรีนไอออน เมื่อถึงขั้วบวกเท่านั้น ไอออนของคลอรีนจะปล่อยอิเล็กตรอนและกลายเป็นอะตอมของคลอรีน ดังนั้นกระแสจึงคงอยู่ในวงจรภายนอกเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และในอิเล็กโทรไลต์นั้น ดูเหมือนว่าไอออนจะนำพาอิเล็กตรอนจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่ง

ความต้านทานไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ขึ้นอยู่กับจำนวนไอออนที่เกิดขึ้น ในอิเล็กโทรไลต์เข้มข้น ระดับของการแยกตัวจะสูงมากเมื่อละลาย ผู้อ่อนแอมีน้อย นอกจากนี้ ความต้านทานไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ยังได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิอีกด้วย เมื่อเพิ่มขึ้น ความหนืดของของเหลวจะลดลง และไอออนหนักและเงอะงะจะเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้น ดังนั้นความต้านทานจะลดลง

หากสารละลายเกลือถูกแทนที่ด้วยสารละลายของคอปเปอร์ซัลเฟต จากนั้น เมื่อมีกระแสไหลผ่าน เมื่อไอออนบวกของทองแดงมาถึงแคโทดและรับอิเล็กตรอนที่หายไปที่นั่น ไอออนจะกลับคืนสู่อะตอมของทองแดง และถ้าหลังจากนั้นคุณถอดอิเล็กโทรดออก คุณจะพบคราบทองแดงติดอยู่ กระบวนการนี้เรียกว่าอิเล็กโทรลิซิส

« ฟิสิกส์ - เกรด 10 "

พาหะของกระแสไฟฟ้าในสุญญากาศคืออะไร?
ลักษณะการเคลื่อนไหวของพวกเขาคืออะไร?

ของเหลว เช่น ของแข็ง สามารถเป็นไดอิเล็กตริก ตัวนำ และสารกึ่งตัวนำ อิเล็กทริกรวมถึงน้ำกลั่น ตัวนำ - สารละลายและการละลายของอิเล็กโทรไลต์: กรด ด่าง และเกลือ สารกึ่งตัวนำที่เป็นของเหลว ได้แก่ ซีลีเนียมหลอมเหลว ซัลไฟด์ละลาย เป็นต้น

การแยกตัวด้วยไฟฟ้า

เมื่ออิเล็กโทรไลต์ถูกละลายภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าของโมเลกุลของน้ำที่มีขั้ว โมเลกุลของอิเล็กโทรไลต์จะสลายตัวเป็นไอออน

การแตกตัวของโมเลกุลเป็นไอออนภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าของโมเลกุลของน้ำที่มีขั้วเรียกว่า การแยกตัวด้วยไฟฟ้า.

ระดับของความร้าวฉาน- สัดส่วนของโมเลกุลในสารที่สลายตัวแล้วเป็นไอออน

ระดับของการแยกตัวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความเข้มข้นของสารละลาย และคุณสมบัติทางไฟฟ้าของตัวทำละลาย

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ระดับของการแยกตัวจะเพิ่มขึ้น และเป็นผลให้ความเข้มข้นของไอออนที่มีประจุบวกและประจุลบเพิ่มขึ้น

เมื่อไอออนของสัญญาณต่าง ๆ มาพบกัน สามารถรวมตัวกันเป็นโมเลกุลที่เป็นกลางได้อีกครั้ง

ภายใต้สภาวะคงที่ สมดุลไดนามิกถูกสร้างขึ้นในสารละลาย ซึ่งจำนวนโมเลกุลที่สลายตัวเป็นไอออนต่อวินาทีจะเท่ากับจำนวนคู่ของไอออนที่รวมกันใหม่เป็นโมเลกุลที่เป็นกลางในเวลาเดียวกัน

การนำไอออนิก

ตัวพาประจุในสารละลายที่เป็นน้ำหรืออิเล็กโทรไลต์ละลายเป็นไอออนที่มีประจุบวกและประจุลบ

หากภาชนะที่มีสารละลายอิเล็กโทรไลต์รวมอยู่ในวงจรไฟฟ้า ไอออนลบจะเริ่มเคลื่อนที่ไปทางขั้วบวก - ขั้วบวกและขั้วบวก - ไปทางขั้วลบ - แคโทด เป็นผลให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจร

การนำไฟฟ้าของสารละลายในน้ำหรืออิเล็กโทรไลต์ที่หลอมละลายซึ่งดำเนินการโดยไอออนเรียกว่า การนำไอออนิก.

อิเล็กโทรลิซิส.ด้วยการนำไฟฟ้าแบบอิออน การผ่านของกระแสมีความเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนสสาร สารที่ประกอบเป็นอิเล็กโทรไลต์จะถูกปล่อยออกมาบนขั้วไฟฟ้า ที่ขั้วบวก ไอออนที่มีประจุลบจะบริจาคอิเล็กตรอนส่วนเกิน (ในทางเคมีเรียกว่าปฏิกิริยาออกซิเดชัน) และที่ขั้วลบ ไอออนบวกจะได้รับอิเล็กตรอนที่ขาดหายไป (ปฏิกิริยารีดักชัน)

ของเหลวยังสามารถนำไฟฟ้าได้ การนำไฟฟ้าดังกล่าวถูกครอบครองโดยโลหะเหลว

เรียกกระบวนการปลดปล่อยสารที่ขั้วไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยารีดอกซ์ อิเล็กโทรไลซิส.

อะไรกำหนดมวลของสารที่ปล่อยออกมาในเวลาที่กำหนด? เห็นได้ชัดว่า มวล m ของสารที่ปล่อยออกมาเท่ากับผลคูณของมวล m 0i ของหนึ่งไอออนด้วยจำนวน N i ของไอออนที่มาถึงอิเล็กโทรดในช่วงเวลา Δt:

ม = ม 0i N ผม . (16.3)

มวลไอออน m 0i คือ:

โดยที่ M คือมวลโมลาร์ (หรืออะตอม) ของสาร และ N A คือค่าคงที่ Avogadro นั่นคือ จำนวนไอออนในหนึ่งโมล

จำนวนไอออนที่มาถึงอิเล็กโทรดคือ

โดยที่ Δq = IΔt คือประจุที่ส่งผ่านอิเล็กโทรไลต์ในช่วงเวลา Δt q 0i คือประจุของไอออนซึ่งกำหนดโดยวาเลนซ์ n ของอะตอม: q 0i \u003d ne (e คือประจุพื้นฐาน) ในระหว่างการแยกตัวของโมเลกุล ตัวอย่างเช่น KBr ซึ่งประกอบด้วยอะตอมโมโนวาเลนต์ (n = 1) ไอออน K + และ Br - จะปรากฏขึ้น การแยกตัวของโมเลกุลคอปเปอร์ซัลเฟตทำให้เกิดไอออน Cu 2+ และ SO 2- 4 ที่มีประจุสองเท่า (n = 2) แทนนิพจน์ (16.4) และ (16.5) ลงในสูตร (16.3) และพิจารณาว่า Δq = IΔt, a q 0i = ne เราได้

กฎของฟาราเดย์

ให้เราแสดงด้วย k ค่าสัมประสิทธิ์ของสัดส่วนระหว่างมวล m ของสารและประจุ Δq = IΔt ที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์:

โดยที่ F \u003d eN A \u003d 9.65 10 4 C / โมล - ค่าคงที่ฟาราเดย์.

ค่าสัมประสิทธิ์ k ขึ้นอยู่กับลักษณะของสาร (ค่าของ M และ n) ตามสูตร (16.6) เรามี

m = kIΔt (16.8)

กฎของกระแสไฟฟ้าของฟาราเดย์:

มวลของสารที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดในช่วงเวลา Δt ในระหว่างทางของกระแสไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความแรงของกระแสและเวลา

ข้อความนี้ได้รับในทางทฤษฎี ก่อตั้งขึ้นครั้งแรกโดยการทดลองโดยฟาราเดย์

ค่า k ในสูตร (16.8) เรียกว่า เทียบเท่าไฟฟ้าเคมีให้สารและแสดงใน กิโลกรัมต่อจี้(กก./C).

จากสูตร (16.8) จะเห็นได้ว่าค่าสัมประสิทธิ์ k มีค่าเท่ากับมวลของสารที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดระหว่างการถ่ายโอนประจุ 1 C โดยไอออน

การเทียบเท่าทางเคมีไฟฟ้ามีความหมายทางกายภาพง่ายๆ เนื่องจาก M / N A \u003d m 0i และ en \u003d q 0i ดังนั้นตามสูตร (16.7) k \u003d rn 0i / q 0i เช่น k คืออัตราส่วนของมวลไอออนต่อประจุ

โดยการวัดค่าของ m และ Δq เราสามารถกำหนดค่าเทียบเท่าไฟฟ้าเคมีของสารต่างๆ ได้

คุณสามารถตรวจสอบความถูกต้องของกฎของฟาราเดย์ได้จากประสบการณ์ มาประกอบการติดตั้งตามรูป (16.25) อ่างอิเล็กโทรไลต์ทั้งสามอ่างเต็มไปด้วยสารละลายอิเล็กโทรไลต์เดียวกัน แต่กระแสที่ไหลผ่านจะต่างกัน แสดงถึงความแรงของกระแสน้ำผ่าน I1, I2, I3 จากนั้น ฉัน 1 = ฉัน 2 + ฉัน 3 โดยการวัดมวล m 1 , m 2 , m 3 ของสารที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดในอ่างต่างๆ คุณสามารถมั่นใจได้ว่าพวกมันเป็นสัดส่วนกับกระแสที่สอดคล้องกัน I 1 , I 2 , I 3 .

การหาประจุของอิเล็กตรอน

สูตร (16.6) สำหรับมวลของสารที่ปล่อยออกมาบนอิเล็กโทรดสามารถใช้เพื่อกำหนดประจุอิเล็กตรอนได้ จากสูตรนี้ จะได้ว่าโมดูลัสประจุอิเล็กตรอนเท่ากับ:

เมื่อทราบมวล m ของสารที่ปล่อยออกมาระหว่างทางของประจุ IΔt, มวลโมลาร์ M, ความจุของอะตอม n และค่าคงที่ Avogadro N A เราสามารถหาค่าของโมดูลัสประจุอิเล็กตรอนได้ ปรากฎว่าเท่ากับ e = 1.6 10 -19 C

ด้วยวิธีนี้จึงได้ค่าของประจุไฟฟ้าเบื้องต้นเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2417

การประยุกต์ใช้อิเล็กโทรลิซิสอิเล็กโทรลิซิสถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านวิศวกรรมเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ เคลือบผิวของโลหะด้วยไฟฟ้าด้วยชั้นบาง ๆ ของโลหะอีกชั้นหนึ่ง ( ชุบนิเกิล, ชุบโครเมี่ยม, ชุบทองและอื่นๆ.). การเคลือบที่ทนทานนี้ช่วยปกป้องพื้นผิวจากการกัดกร่อน หากมั่นใจได้ว่าการเคลือบอิเล็กโทรไลต์หลุดลอกได้ดีจากพื้นผิวที่โลหะเกาะอยู่ (เช่น ทำได้โดยการทากราไฟต์ลงบนพื้นผิว) จากนั้นสามารถรับสำเนาได้จากพื้นผิวนูน

กระบวนการรับสารเคลือบลอกได้ - อิเล็กโทรไทป์- ได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย B. S. Jacobi (พ.ศ. 2344-2417) ซึ่งในปี พ.ศ. 2379 ได้ใช้วิธีการนี้เพื่อสร้างรูปกลวงสำหรับมหาวิหารเซนต์ไอแซคในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก

ก่อนหน้านี้ในอุตสาหกรรมการพิมพ์ สำเนาจากพื้นผิวนูน (แบบแผน) ได้มาจากเมทริกซ์ (รอยประทับของชุดบนวัสดุพลาสติก) ซึ่งมีชั้นเหล็กหนาหรือสารอื่นสะสมอยู่บนเมทริกซ์ สิ่งนี้ทำให้สามารถทำซ้ำชุดในจำนวนสำเนาที่ต้องการ

อิเล็กโทรลิซิสจะขจัดสิ่งสกปรกออกจากโลหะ ดังนั้น ทองแดงดิบที่ได้จากแร่จะถูกหล่อเป็นแผ่นหนา จากนั้นจึงนำไปวางในอ่างเป็นแอโนด ในระหว่างการอิเล็กโทรลิซิส ทองแดงแอโนดจะละลาย สิ่งสกปรกที่มีโลหะมีค่าและหายากตกลงไปด้านล่าง และทองแดงบริสุทธิ์จะตกตะกอนที่แคโทด

อะลูมิเนียมได้มาจากบอกไซต์ที่หลอมเหลวโดยอิเล็กโทรไลซิส มันเป็นวิธีการหาอลูมิเนียมที่ทำให้ราคาถูกและเช่นเดียวกับเหล็กซึ่งพบมากที่สุดในเทคโนโลยีและชีวิตประจำวัน

ด้วยความช่วยเหลือของอิเล็กโทรลิซิสทำให้ได้แผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งทำหน้าที่เป็นพื้นฐานของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด แผ่นทองแดงบาง ๆ ติดกาวบนอิเล็กทริกซึ่งใช้รูปแบบการเชื่อมต่อสายที่ซับซ้อนด้วยสีพิเศษ จากนั้นวางแผ่นในอิเล็กโทรไลต์ซึ่งพื้นที่ของชั้นทองแดงที่ไม่ได้ทาสีจะถูกกัด หลังจากนั้นสีจะถูกล้างออกและรายละเอียดของชิปจะปรากฏบนกระดาน