Электрический ток в жидкостях. Движение зарядов, анионы катионы. Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз Механизм протекания тока в жидкостях

«Физика - 10 класс»

Каковы носители электрического тока в вакууме?
Каков характер их движения?

Жидкости, как и твёрдые тела, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К диэлектрикам относится дистиллированная вода, к проводникам - растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов и др.

Электролитическая диссоциация.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы.

Распад молекул на ионы под влиянием электрического поля полярных молекул воды называется электролитической диссоциацией .

Степень диссоциации - доля в растворённом веществе молекул, распавшихся на ионы.

Степень диссоциации зависит от температуры, концентрации раствора и электрических свойств растворителя.

С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в нейтральные молекулы.

При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.

Ионная проводимость.

Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно и отрицательно заряженные ионы.

Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду - аноду, а положительные - к отрицательному - катоду. В результате по цепи пойдёт электрический ток.

Проводимость водных растворов или расплавов электролитов, которая осуществляется ионами, называют ионной проводимостью .

Электролиз. При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительновосстановительными реакциями, называют электролизом .

От чего зависит масса вещества, выделяющегося за определённое время? Очевидно, что масса m выделившегося вещества равна произведению массы m 0i одного иона на число N i ионов, достигших электрода за время Δt:

m = m 0i N i . (16.3)

Масса иона m 0i равна:

где М - молярная (или атомная) масса вещества, a N A - постоянная Авогадро, т. е. число ионов в одном моле.

Число ионов, достигших электрода, равно

где Δq = IΔt - заряд, прошедший через электролит за время Δt; q 0i - заряд иона, который определяется валентностью n атома: q 0i = пе (е - элементарный заряд). При диссоциации молекул, например КВr, состоящих из одновалентных атомов (n = 1), возникают ионы К + и Вr - . Диссоциация молекул медного купороса ведёт к появлению двухзарядных ионов Си 2+ и SO 2- 4 (n = 2). Подставляя в формулу (16.3) выражения (16.4) и (16.5) и учитывая, что Δq = IΔt, a q 0i = nе, получаем

Закон Фарадея.

Обозначим через k коэффициент пропорциональности между массой m вещества и зарядом Δq = IΔt, прошедшим через электролит:

где F = eN A = 9,65 10 4 Кл/моль - постоянная Фарадея .

Коэффициент k зависит от природы вещества (значений М и n). Согласно формуле (16.6) имеем

m = kIΔt. (16.8)

Закон электролиза Фарадея:

Масса вещества, выделившегося на электроде за время Δt. при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени.

Это утверждение, полученное теоретически, впервые было установлено экспериментально Фарадеем.

Величину k в формуле (16.8) называют электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражают в килограммах на кулон (кг/Кл).

Из формулы (16.8) видно, что коэффициент к численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда, равного 1 Кл.

Электрохимический эквивалент имеет простой физический смысл. Так как M/N A = m 0i и еn = q 0i , то согласно формуле (16.7) k = rn 0i /q 0i , т. е. k - отношение массы иона к его заряду.

Измеряя величины m и Δq, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.

Убедиться в справедливости закона Фарадея можно на опыте. Соберём установку, показанную на рисунке (16.25). Все три электролитические ванны заполнены одним и тем же раствором электролита, но токи, проходящие через них, различны. Обозначим силы токов через I1, I2, I3. Тогда I 1 = I 2 + I 3 . Измеряя массы m 1 , m 2 , m 3 веществ, выделившихся на электродах в разных ваннах, можно убедиться, что они пропорциональны соответствующим силам токов I 1 , I 2 , I 3 .

Определение заряда электрона.

Формулу (16.6) для массы выделившегося на электроде вещества можно использовать для определения заряда электрона. Из этой формулы вытекает, что модуль заряда электрона равен:

Зная массу m выделившегося вещества при прохождении заряда IΔt, молярную массу М, валентность п атомов и постоянную Авогадро N A , можно найти значение модуля заряда электрона. Оно оказывается равным e = 1,6 10 -19 Кл.

Именно таким путём и было впервые в 1874 г. получено значение элементарного электрического заряда.

Применение электролиза. Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим способом покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, позолота и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии. Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от поверхности, на которую осаждается металл (этого достигают, например, нанося на поверхность графит) то можно получить копию с рельефной поверхности.

Процесс получения отслаиваемых покрытий - гальванопластика - был разработан русским учёным Б. С. Якоби (1801-1874), который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.

Раньше в полиграфической промышленности копии с рельефной поверхности (стереотипы) получали с матриц (оттиск набора на пластичном материале), для чего осаждали на матрицы толстый слой железа или другого вещества. Это позволяло воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров.

При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.

При помощи электролиза получают алюминий из расплава бокситов. Именно этот способ получения алюминия сделал его дешёвым и наряду с железом самым распространённым в технике и быту.

С помощью электролиза получают электронные платы, служащие основой всех электронных изделий. На диэлектрик наклеивают тонкую медную пластину, на которую наносят особой краской сложную картину соединяющих проводов. Затем пластину помещают в электролит, где вытравливаются не закрытые краской участки медного слоя. После этого краска смывается, и на плате появляются детали микросхемы.

То, что жидкости могут отлично проводить электрическую энергию, знают абсолютно все. И также общеизвестным фактом является то, что все проводники по своему типу делятся на несколько подгрупп. Предлагаем рассмотреть в нашей статье, как электрический ток в жидкостях, металлах и прочих полупроводниках проводится, а также законы электролиза и его виды.

Теория электролиза

Чтобы было легче понять, о чем идет речь, предлагаем начать с теории, электричество, если мы рассматриваем электрический заряд, как своего рода жидкость, стало известным уже более 200 лет. Заряды состоят из отдельных электронов, но те, настолько малы, что любой большой заряд ведет себя как непрерывного течения, жидкость.

Как и тела твердого типа, жидкие проводники могут быть трех типов:

• полупроводниками (селен, сульфиды и прочие);
• диэлектиками (щелочные растворы, соли и кислоты);
• проводниками (скажем, в плазме).

Процесс, при котором происходит растворение электролитов и распадение ионов под воздействием электрического молярного поля, называется диссоциация. В свою очередь, доля молекул, которые распались на ионы, либо распавшихся ионов в растворенном веществе, полностью зависит от физических свойств и температуры в различных проводниках и расплавах. Обязательно нужно помнить, что ионы могут рекомбинироваться или вновь объединиться. Если условия не будут меняться, то количество распавшихся ионов и объединившихся будет равно пропорциональным.

В электролитах проводят энергию ионы, т.к. они могут являться и положительно заряженными частицами, и отрицательно. Во время подключения жидкости (или точнее, сосуда с жидкостью к сети питания), начнется движение частиц к противоположным зарядам (положительные ионы начнут притягиваться к катодам, а отрицательные – к анодам). В этом случае, энергию транспортируют непосредственно, ионы, поэтому проводимость такого типа называется – ионной.

Во время этого типа проводимости, ток переносят ионы, и на электродах выделяются вещества, которые являются составляющими электролитов. Если рассуждать с точки зрения химии, то происходит окисление и восстановление. Таким образом, электрический ток в газах и жидкостях транспортируется при помощи электролиза.

Законы физики и ток в жидкостях

Электричество в наших домах и технике, как правило, не передается в металлических проволоках,. В металле электроны могут переходить от атома к атому, и, таким образом нести отрицательный заряд.

Как жидкости, они приводятся в виде электрического напряжения, известного как напряжение, изменяемом в единицах – вольт, в честь итальянского ученого Алессандро Вольта.

Видео: Электрический ток в жидкостях: полная теория

Также, электрический ток течет от высокого напряжения в низкое напряжение и измеряется в единицах, известных как ампер, названных по имени Андре-Мари Ампера. И согласно теории и формулы, если увеличить напряжение тока, то его сила также увеличится пропорционально. Это соотношение известно как закон Ома. Как пример, виртуальная ампермерная характеристика ниже.

Закон Ома (с дополнительными подробностями относительно длины и толщины проволоки), как правило, является одним из первых вещей, преподаваемых в классах, изучающих физику, многие студенты и преподаватели поэтому рассматривают электрический ток в газах и жидкостях как основной закон в физике.

Для того чтобы увидеть своими глазами движение зарядов, нужно приготовить колбу с соленой водой, плоские прямоугольные электроды и источники питания, также понадобится ампермерная установка, при помощи которой будет проводиться энергия от сети питания к электродам.

Пластины, которые выступают проводниками необходимо опустить в жидкость, и включить напряжение. После этого начнется хаотичное перемещение частиц, но как после возникновения магнитного поля между проводниками, этот процесс упорядочится.

Как только ионы начнут меняться зарядами и объединяться, аноды станут катодами, а катоды – анодами. Но здесь нужно учитывать и электрическое сопротивление. Конечно, не последнюю роль играет теоретическая кривая, но основное влияние – это температура и уровень диссоциации (зависит от того, какие носители будут выбраны), а также выбран переменный ток или постоянный. Завершая это опытное исследование, Вы можете обратить внимание, что на твердых телах (металлических пластинах), образовался тончайший слой соли.

Электролиз и вакуум

Электрический ток в вакууме и жидкостях – это достаточно сложный вопрос. Дело в том, что в таких средах полностью отсутствуют заряды в телах, а значит, это диэлектрик. Иными словами, наша цель – это создание условий, для того, чтобы атом электрона мог начать свое движение.

Для того нужно использовать модульное устройство, проводники и металлические пластины, а далее действовать, как и в методе выше.

Применение электролиза

Этот процесс применяется практически во всех сферах жизни. Даже самые элементарные работы подчас требуют вмешательства электрического тока в жидкостях, скажем,

При помощи этого простого процесса происходит покрытие твердых тел тончайшим слоем какого-либо металла, например, никелирование иди хромирование Т.е. это один из возможных способов борьбы с коррозийными процессами. Подобные технологии используются в изготовлении трансформаторов, счетчиков и прочих электрических приборов.

Надеемся, наше обоснование ответило на все вопросы, которые возникают, изучая явление электрический ток в жидкостях. Если нужны более качественные ответы, то советуем посетить форум электриков, там Вас с радостью проконсультируют бесплатно.

В отношении своих электрических свойств жидкости отличаются большим многообразием. Расплавленные металлы, как и металлы в твердом состоянии, имеют высокую электропроводность, связанную с большой концентрацией свободных электронов.

Многие жидкости, например чистая вода, спирт, керосин, являются хорошими диэлектриками, поскольку их молекулы электронейтральны и в них отсутствуют свободные носители заряда.

Электролиты. Особый класс жидкостей составляют так называемые электролиты, к которым относятся водные растворы неорганических кислот, солей и оснований, расплавы ионных кристаллов и т. д. Для электролитов характерно наличие высоких концентраций ионов, обусловливающих возможность прохождения электрического тока. Эти ионы возникают при плавлении и при растворении, когда под влиянием электрических полей молекул растворителя происходит разложение молекул растворяемого вещества на отдельные положительно и отрицательно заряженные ионы. Такой процесс называется электролитической диссоциацией.

Электролитическая диссоциация. Степень диссоциации а данного вещества, т. е. доля молекул растворенного вещества, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости растворителя. С увеличением температуры степень диссоциации растет. Ионы противоположных знаков могут рекомбинировать, объединяясь снова в нейтральные молекулы. При неизменных внешних условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором процессы рекомбинации и диссоциации компенсируют друг друга.

Качественно зависимость степени диссоциации а от концентрации растворенного вещества можно установить с помощью следующих простых рассуждений. Если в единице объема содержится молекул растворенного вещества, то из них диссоциированы, а остальные не диссоциированы. Число элементарных актов диссоциации в единице объема раствора пропорционально числу нерасщепленных молекул и поэтому равно где А - коэффициент, зависящий от природы электролита и температуры. Число актов рекомбинации пропорционально числу соударений разноименных ионов, т. е. пропорционально числу как тех, так и других ионов. Поэтому оно равно где В - коэффициент, постоянный для данного вещества при определенной температуре.

В состоянии динамического равновесия

Отношение не зависит от концентрации Видно, что чем меньше концентрация раствора, тем а ближе к единице: в очень разбавленных растворах практически все молекулы растворенного вещества диссоциированы.

Чем выше диэлектрическая проницаемость растворителя, тем больше ослабляются ионные связи в молекулах растворенного вещества и, следовательно, тем больше степень диссоциации. Так, соляная кислота дает электролит с высокой электропроводностью при растворении в воде в то время как ее раствор в этиловом эфире очень плохо проводит электрический ток.

Необычные электролиты. Встречаются и весьма необычные электролиты. Например, электролитом является стекло, представляющее собой сильно переохлажденную жидкость, обладающую громадной вязкостью. При нагревании стекло размягчается и его вязкость сильно уменьшается. Присутствующие в стекле ионы натрия приобретают заметную подвижность, и становится возможным прохождение электрического тока, хотя при обычных температурах стекло является хорошим изолятором.

Рис. 106. Демонстрация электропроводности стекла при нагревании

Наглядной демонстрацией этого может служить опыт, схема которого показана на рис. 106. Стеклянная палочка включена в осветительную сеть через реостат Пока палочка холодная, ток в цепи ничтожный из-за высокого сопротивления стекла. Если палочку нагреть газовой горелкой до температуры 300-400 °С, то ее сопротивление упадет до нескольких десятков омов и нить лампочки Л раскалится. Теперь можно закоротить лампочку ключом К. При этом сопротивление цепи уменьшится и сила тока возрастет. В таких условиях палочка будет эффективно нагреваться электрическим током и раскаляться до яркого свечения, даже если убрать горелку.

Ионная проводимость. Прохождение электрического тока в электролите описывается законом Ома

Электрический ток в электролите возникает при сколь угодно малом приложенном напряжении.

Носителями заряда в электролите являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Механизм электропроводности электролитов во многом сходен с описанным выше механизмом электропроводности газов. Основные отличия связаны с тем, что в газах сопротивление движению носителей заряда обусловлено главным образом их столкновениями с нейтральными атомами. В электролитах подвижность ионов обусловлена внутренним трением - вязкостью - при их движении в растворителе.

При повышении температуры проводимость электролитов, в противоположность металлам, увеличивается. Это связано с тем, что с ростом температуры возрастает степень диссоциации и уменьшается вязкость.

В отличие от электронной проводимости, характерной для металлов и полупроводников, где прохождение электрического тока не сопровождается каким бы то ни было изменением химического состава вещества, ионная проводимость связана с переносом вещества

и выделением на электродах веществ, входящих в состав электролитов. Такой процесс называется электролизом.

Электролиз. При выделении вещества на электроде уменьшается концентрация соответствующих ионов в примыкающей к электроду области электролита. Тем самым здесь нарушается динамическое равновесие между диссоциацией и рекомбинацией: именно здесь происходит разложение вещества в результате электролиза.

Электролиз впервые наблюдался в при разложении воды током от вольтова столба. Через несколько лет знаменитый химик Г. Дэви открыл натрий, выделив его путем электролиза из едкого натра. Количественные законы электролиза были экспериментально установлены М. Фарадеем в Их легко обосновать исходя из механизма явления электролиза.

Законы Фарадея. Каждый ион обладает электрическим зарядом, кратным элементарному заряду е. Другими словами, заряд иона равен , где - целое число, равное валентности соответствующего химического элемента или соединения. Пусть при прохождении тока на электроде выделилось ионов. Их заряд по абсолютной величине равен Положительные ионы достигают катода и их заряд нейтрализуется электронами, притекающими к катоду по проводам от источника тока. Отрицательные ионы подходят к аноду и такое же количество электронов уходит по проводам к источнику тока. При этом по замкнутой электрической цепи проходит заряд

Обозначим через массу вещества, выделившегося на одном из электродов, а через массу иона (атома или молекулы). Очевидно, что , следовательно, Умножив числитель и знаменатель этой дроби на постоянную Авогадро получим

где - атомная или молярная масса, постоянная Фарадея, определяемая выражением

Из (4) видно, что постоянная Фарадея имеет смысл «одного моля электричества», т. е. это суммарный электрический заряд одного моля элементарных зарядов:

Формула (3) содержит оба закона Фарадея. Она говорит о том, что масса выделившегося при электролизе вещества пропорциональна прошедшему по цепи заряду (первый закон Фарадея):

Коэффициент называется электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражается в

килограммах на кулон Он имеет смысл обратной величины удельного заряда иона.

Электрохимический эквивалент к пропорционален химическому эквиваленту вещества (второй закон Фарадея).

Законы Фарадея и элементарный заряд. Поскольку во времена Фарадея представления об атомарной природе электричества еще не существовало, экспериментальное открытие законов электролиза было далеко не тривиальным. Напротив, именно законы Фарадея послужили по существу первым экспериментальным доказательством справедливости этих представлений.

Измерение на опыте постоянной Фарадея позволило в впервые получить числовую оценку значения элементарного заряда задолго до прямых измерений элементарного электрического заряда в опытах Милликена с масляными каплями. Замечательно, что идея атомарной структуры электричества получила недвусмысленное экспериментальное подтверждение в опытах по электролизу, выполненных в 30-е годы XIX века, когда даже идея атомарного строения вещества еще не разделялась всеми учеными. В знаменитой речи, произнесенной в Королевском обществе и посвященной памяти Фарадея, Гельмгольц таким образом комментировал это обстоятельство:

«Если мы признаем существование атомов химических элементов, то мы не можем избежать и дальнейшего заключения, что электричество, как положительное, так и отрицательное, разделено на определенные элементарные количества, которые ведут себя как атомы электричества».

Химические источники тока. Если какой-либо металл, например цинк, погрузить в воду, то некоторое количество положительных ионов цинка под влиянием полярных молекул воды начнет переходить из поверхностного слоя кристаллической решетки металла в воду. В результате цинк зарядится отрицательно, а вода положительно. На границе металла и воды образуется тонкий слой, называемый двойным электрическим слоем; в нем существует сильное электрическое поле, напряженность которого направлена от воды к металлу. Это поле препятствует дальнейшему переходу ионов цинка в воду, и в результате возникает динамическое равновесие, при котором среднее число ионов, приходящих из металла в воду, равно числу ионов, возвращающихся из воды в металл.

Динамическое равновесие установится и в том случае, если металл погрузить в водный раствор соли того же металла, например цинк в раствор цинкового купороса . В растворе соль диссоциирует на ионы Образовавшиеся при этом ионы цинка ничем не отличаются от ионов цинка, поступивших в раствор с электрода. Повышение концентрации ионов цинка в электролите облегчает переход этих ионов в металл из раствора и затрудняет

переход из металла в раствор. Поэтому в растворе цинкового купороса погруженный цинковый электрод хотя и заряжается отрицательно, но слабее, чем в чистой воде.

При погружении металла в раствор металл не всегда заряжается отрицательно. Например, если медный электрод погрузить в раствор медного купороса то ионы начнут из раствора осаждаться на электроде, заряжая его положительно. Напряженность поля в двойном электрическом слое в данном случае направлена от меди к раствору.

Таким образом, при погружении металла в воду или в водный раствор, содержащий ионы того же металла, на границе металла с раствором между ними возникает разность потенциалов. Знак и величина этой разности потенциалов зависит от типа металла (медь, цинк и т. от концентрации ионов в растворе и почти не зависит от температуры и давления.

Два электрода из разных металлов, погруженные в электролит, образуют гальванический элемент. Например, в элементе Вольта цинковый и медный электроды погружены в водный раствор серной кислоты. В первый момент раствор не содержит ни ионов цинка, ни ионов меди. Однако в дальнейшем эти ионы поступают в раствор с электродов и устанавливается динамическое равновесие. Пока электроды не соединены друг с другом проводом, потенциал электролита одинаков во всех точках, а потенциалы электродов отличаются от потенциала электролита благодаря образующимся Двойным слоям на их границе с электролитом. При этом электродный потенциал цинка равен -0,763 В, а меди Электродвижущая сила элемента Вольта, складывающаяся из этих скачков потенциалов, будет равна

Ток в цепи с гальваническим элементом. Если электроды гальванического элемента соединить проводом, то электроны по этому проводу будут переходить с отрицательного электрода (цинк) на положительный (медь), что нарушает динамическое равновесие между электродами и электролитом, в который они погружены. Ионы цинка начнут переходить с электрода в раствор, так чтобы поддерживать двойной электрический слой в прежнем состоянии с неизменным скачком потенциала между электродом и электролитом. Аналогично у медного электрода ионы меди начнут переходить из раствора и осаждаться на электроде. При этом около отрицательного электрода образуется недостаток ионов а у положительного - избыток таких ионов. Общее число ионов в растворе не изменится.

В результате описанных процессов в замкнутой цепи будет поддерживаться электрический ток, который в соединительном проводе создается движением электронов, а в электролите ионами. При прохождении электрического тока происходит постепенное растворение цинкового электрода и осаждение меди на положительном (медном)

электроде. Концентрация ионов увеличивается у цинкового электрода и уменьшается у медного.

Потенциал в цепи с гальваническим элементом. Описанная картина прохождения электрического тока в неоднородной замкнутой цепи, содержащей химический элемент, соответствует распределению потенциала вдоль цепи, схематически показанному на рис. 107. Во внешней цепи, т. е. в соединяющем электроды проводе потенциал плавно понижается от значения на положительном (медном) электроде А до значения на отрицательном (цинковом) электроде В в соответствии с законом Ома для однородного проводника. Во внутренней цепи, т. е. в электролите между электродами, потенциал плавно понижается от значения вблизи цинкового электрода до значения вблизи медного электрода. Если во внешней цепи ток идет от медного электрода к цинковому, то внутри электролита - от цинкового к медному. Скачки потенциалов в двойных электрических слоях создаются в результате действия сторонних (в данном случае химических) сил. Движение электрических зарядов в двойных слоях благодаря сторонним силам происходит против направления действия электрических сил.

Рис. 107. Распределение потенциала вдоль цепи, содержащей химический элемент

Наклонным участкам изменения потенциала на рис. 107 соответствуют электрические сопротивления внешнего и внутреннего участков замкнутой цепи. Суммарное падение потенциала вдоль этих участков равно сумме скачков потенциала в двойных слоях, т. е. электродвижущей силе элемента.

Прохождение электрического тока в гальваническом элементе осложняется побочными продуктами, выделяющимися на электродах, и появлением перепада концентрации в электролите. Об этих явлениях говорят как об электролитической поляризации. Например, в элементах Вольты при замыкании цепи положительные ионы движутся к медному электроду и осаждаются на нем. В результате через некоторое время медный электрод как бы заменяется водородным. Так как электродный потенциал водорода на 0,337 В ниже электродного потенциала меди, то ЭДС элемента уменьшается примерно на такую же величину. Кроме того, выделяющийся на медном электроде водород увеличивает внутреннее сопротивление элемента.

Для уменьшения вредного влияния водорода используются деполяризаторы - различные окислители. Например, в наиболее употребительном элементе Лекланше («сухие» батарейки)

положительным электродом служит графитовый стержень, окруженный спрессованной массой перекиси марганца и графита.

Аккумуляторы. Практически важной разновидностью гальванических элементов являются аккумуляторы, для которых после разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую. Вещества, расходуемые при получении электрического тока, восстанавливаются внутри аккумулятора путем электролиза.

Видно, что при зарядке аккумулятора повышается концентрация серной кислоты, что ведет к увеличению плотности электролита.

Таким образом, в процессе зарядки создается резкая асимметрия электродов: один становится свинцовым, другой - из перекиси свинца. Заряженный аккумулятор представляет собой гальванический элемент, способный служить источником тока.

При подключении к аккумулятору потребителей электрической энергии через цепь потечет электрический ток, направление которого противоположно зарядному току. Химические реакции идут в обратном направлении и аккумулятор возвращается в исходное состояние. Оба электрода будут покрыты слоем соли , а концентрация серной кислоты вернется к первоначальному значению.

У заряженного аккумулятора ЭДС составляет примерно 2,2 В. При разрядке она понижается до 1,85 В. Дальнейшую разрядку производить не рекомендуется, так как процесс образования сернокислого свинца становится необратимым и аккумулятор портится.

Максимальный заряд, который может отдать аккумулятор при разрядке, называется его емкостью. Емкость аккумулятора обычно

измеряется в ампер-часах. Она тем больше, чем больше поверхность пластин.

Применения электролиза. Электролиз используется в металлургии. Наиболее распространено электролитическое получение алюминия и чистой меди. С помощью электролиза можно создавать тонкие слои одних веществ на поверхности других с целью получения декоративных и защитных покрытий (никелирование, хромирование). Процесс получения отслаиваемых покрытий (гальванопластика) был разработан русским ученым Б. С. Якоби, применившим его для изготовления полых скульптур, украшающих Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге.

Чем отличается физический механизм электропроводности в металлах и электролитах?

Поясните, почему степень диссоциации данного вещества зависит от диэлектрической проницаемости растворителя.

Объясните, почему в сильно разбавленных растворах электролита практически все молекулы растворенного вещества диссоциированы.

Поясните, в чем механизм электропроводности электролитов сходен с механизмом электропроводности газов. Почему при неизменных внешних условиях электрический ток пропорционален приложенному напряжению?

Какую роль при выводе закона электролиза (3) играет закон сохранения электрического заряда?

Поясните связь электрохимического эквивалента вещества с удельным зарядом его ионов.

Как можно на опыте определить отношение электрохимических эквивалентов разных веществ, если имеется несколько электролитических ванн, но нет приборов для измерения силы тока?

Каким образом явление электролиза можно использовать для создания счетчика расхода электроэнергии в сети постоянного тока?

Почему законы Фарадея можно рассматривать как экспериментальное доказательство представлений об атомарной природе электричества?

Какие процессы происходят при погружении металлических электродов в воду и в электролит, содержащий ионы этих металлов?

Опишите процессы, происходящие в электролите вблизи электродов гальванического элемента при прохождении тока.

Почему внутри гальванического элемента положительные ионы движутся от отрицательного (цинкового) электрода к положительному (медному) электроду? Каким образом в цепи возникает распределение потенциала, заставляющее ионы двигаться именно так?

Почему степень заряженности кислотного аккумулятора можно проверять при помощи ареометра, т. е. прибора для измерения плотности жидкости?

Чем в принципиальном отношении отличаются процессы в аккумуляторах от процессов в «сухих» батарейках?

Какая часть электрической энергии, затраченной в процессе зарядки аккумулятора с может быть использована при его разрядке, если в процессе зарядки аккумулятора на его клеммах поддерживалось напряжение

Доклад на тему:

Электрический ток

в жидкостях

(электролитах)

Электролиз

Законы Фарадея

Элементарный электрический заряд

Ученицы 8 го класса « Б »

Л огиновой М арии А ндреевны

Москва 2003

Школа № 91

Введение

С электропроводностью растворов солей в воде (электролитов) связано очень многое в нашей жизни. С первого удара сердца («живое» электричество в теле человека, на 80% состоящем из воды) до автомобилей на улице, плееров и мобильных телефонов (неотъемлимой частью этих устройств являются «батарейки» – электрохимические элменты питания и различные аккумуляторы – от свинцово-кислотных в автомобилях до литий-полимерных в самых дорогих мобильных телефонах). В огромных, дымящихся ядовитыми парами чанах из расплавленного при огромной температуре боксита электролизом получают алюминий – «крылатый» металл для самолётов и банок для «Фанты». Все вокруг – от хромированной решетки радиатора иномарки до посеребрённой серёжки в ухе когда-либо сталкивалось с раствором или расплавом солей, а следовательно и с электротоком в жидкостях. Не зря это явление изучает целая наука – электрохимия. Но нас сейчас больше интересуют физические основы этого явления.

Электроток в растворе. Электролиты

Из уроков физики в 8 классе нам известно, что заряд в проводниках (металлах) переносят отрицательно заряженные электроны.

Упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током.

Но если мы соберем прибор (с электродами из графита):

то убедимся, что стрелка амперметра отклоняется – через раствор идет ток! Какие же заряженные частицы есть в растворе?

Ещё в 1877 году шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводность растворов различных веществ, пришел к выводу, что её причиной являются ионы, которые образуются при растворении соли в воде. При растворении в воде молекула CuSO 4 распадается (диссоциирует) на два разнозаряженных иона – Cu 2+ и SO 4 2- . Упрощенно происходящие процессы можно отразить следующей формулой:

CuSO 4 ÞCu 2+ +SO 4 2-

Проводят электрический ток растворы солей, щелочей, кислот.

Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.

Растворы сахара, спирта, глюкозы и некоторых других веществ не проводят электрический ток.

Вещества, растворы которых не проводят электрический ток, называются неэлектролитами.

Электролитическая диссоциация

Процесс распада электролита на ионы называется электролитической диссоциацией.

С. Аррениус, который придерживался физической теории растворов, не учитывал взаимодействия электролита с водой и считал, что в растворах находятся свободные ионы. В отличие от него русские химики И. А. Каблуков и В. А. Кистяковский применили к объяснению электролитической диссоциации химическую теорию Д. И. Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходит химическое взаимодействие растворённого вещества с водой, которое приводит к образованию гидратов, а затем они диссоциируют на ионы. Они считали, что в растворах находятся не свободные, не «голые» ионы, а гидратированные, то есть «одетые в шубку» из молекул воды. Следовательно, диссоциация молекул электролитов происходит в следующей последовательности:

а) ориентация молекул воды вокруг полюсов молекулы электролита

б) гидратация молекулы электролита

в) её ионизация

г) распад её на гидратированные ионы

По отношению к степени электролитической диссоциации электролиты делятся на сильные и слабые.

- Сильные электролиты – такие, которые при растворении практически полностью диссоциируют.

У них значение степени диссоциации стремится к единице.

- Слабые электролиты – такие, которые при растворении почти не диссоциируют. Их степень диссоциации стремится к нулю.

Из этого делаем вывод, что переносчиками электрического заряда (носителями электрического тока) в растворах электролитов являются не электроны, а положительно и отрицательно заряженные гидратированные ионы .

Температурная зависимость сопротивления электролита

При повышении температуры облегчается процесс диссоциации, повышается подвижность ионов и сопротивление электролита падает .

Катод и анод. Катионы и анионы

А что же происходит с ионами под воздействием электрического тока?

Вернёмся к нашему прибору:

В растворе CuSO 4 диссоциировал на ионы – Cu 2+ и SO 4 2- . Положительно заряженный ион Cu 2+ (катион) притягивается к отрицательно заряженному электроду – катоду , где получает недостающие электроны и восстанавливается до металлической меди – простого вещества. Если извлечь катод из прибора после прохождения через раствор тока, то нетрудно заметить красно-рыжий налет – это металлическая медь.

Первый закон Фарадея

А можем ли мы узнать сколько меди выделилось? Взвешивая катод до и после опыта, можно точно определить массу осадившегося металла. Измерения показывают, что масса вещества, выделевшегося на электродах, зависит от силы тока и времени электролиза:

где K – коэффиент пропорциональности, называемый также электрохимическим эквивалентом .

Следовательно, масса выделевшегося вещества прямо пропорциональна силе тока и времени электролиза. Но ток за время (согласно формуле):

есть заряд.

Итак, масса вещества, выделевшегося на электроде, пропорциональна заряду, или количеству электричества, прошедшему через электролит.

M=K´q

Этот закон был эксперементально открыт в 1843 году английским ученым Майклом Фарадеем и называется первый закон Фарадея .

Второй закон Фарадея

А что такое и от чего зависит электрохимический эквивалент? На этот вопрос тоже дал ответ Майкл Фарадей.

На основании многочисленных опытов он пришёл к выводу, что эта величина является характерной для каждого вещества. Так, например при электролизе раствора ляписа (азотнокислого серебра AgNO 3) 1 кулон выделяет 1,1180 мг серебра; точно такое же количество серебра выделяется при электролизе зарядом в 1 кулон любой серебряной соли. При электролизе соли другого металла 1 кулон выделяет другое количество данного металла. Таким образом, электрохимическим эквивалентом какого-либо вещества называется масса этого вещества, выделяемая при электролизе 1кулоном протекшего через раствор электричества . Приведем его значения для некоторых веществ:

Из таблицы мы видим, что электрохимические эквиваленты различных веществ существенно отличны один от другого. От каких же свойств вещества зависит величина его электрохимического эквивалента? Ответ на этот вопрос даёт второй закон Фарадея :

Электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их атомным весам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую валентность.

n – валентность

A – атомный вес

– называют химическим эквивалентом данного вещества

– коэффициент пропорциональности, который является уже универсальной постоянной, то есть имеет одинаковое значение для всех веществ. Если измерить электрохимический эквивалент в г/к то найдем, что он равен 1,037´10 -5 г/к.

Обьединяя первый и второй законы Фарадея получаем:

Эта формула имеет простой физический смысл: F численно равно заряду, котоый надо пропустить через любой электролит, чтобы выделить на электродах вещество в количестве, равном одному химическому эквиваленту. F называют числом Фарадея и оно равно 96400 к/г.

Моль и количество молекул в нем. Число Авогадро

Из курса химии за 8й класс мы знаем, что для измерения количеств веществ, участвующих в химических реакциях, была выбрана особая еденица – моль. Чтобы отмерять один моль вещества, нужно взять столько граммов его, какова относительная молекулярная масса его.

Например, 1моль воды (H 2 O) равен 18 граммам (1+1+16=18), моль кислорода (O 2) – 32 грамма, а моль железа (Fe) – 56 грамм.Но что особенно для нас важно, установлено, что 1 моль любого вещества всегда содержит одинаковое число молекул .

Моль – это такое количество вещества, в котором содержится 6 ´ 10 23 молекул этого вещества.

В честь итальянского ученого А. Авогадро это число (N ) называется постоянной Авогадро или числом Авогадро .

Из формулы следует, что если q=F , то . Это значит что при прхождении через электролит заряда равного 96400 кулонам, выделится граммов любого вещества. Иначе говоря, для выделения одного моля одновалентного вещества через электролит должен протечь заряд q=F кулонов. Но мы знаем, что в любом моле вещества содержится одно и то же число его молекул – N=6x10 23 . Это позволяет нам вычислить заряд одного иона одновалентного вещества – элементарный электрический заряд – заряд одного (!) электрона:

Применение электролиза

Электролитический метод получения чистых металлов (рафинирование, аффинаж). Электролиз, сопровождающийся растворением анода

Хорошим примером является электролитическое очищение (рафинирование) меди. Полученная непосредственно из руды медь отливается в виде пластин и помещается в качестве анода в раствор CuSO 4 . Подбирая напряжение на электродах ванны (0,20-0,25в), можно добиться, чтобы на катоде выделялась только металлическая медь. При этом посторонние примеси либо переходят в раствор (без выделения на катоде), либо выпадают на дно ванны в виде осадка («анодный шлам»). Катионы вещества анода соединяются с анионом SO 4 2- , а на катоде при этом напряжении выделяется только металлическая медь. Анод как бы «растворяется». Такая очистка позволяет добится чистоты 99,99% («четыре девятки»). Аналогично (аффинаж) очищают и драгоценные металлы (золото Au, серебро Ag).

В настоящее время весь алюминий (Al) добывается электролитически (из расплава бокситов).

Гальванотехника

Гальванотехника – область прикладной электрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника пожразделяется на гальваностегию и гальванопластику .

Посредством электролиза можно покрыть металлические предметы слоем другого металла. Этот процесс называется гальваностегией . Особое техническое значение имеют покрытия трудноокисляемыми металлами, в частности никелирование и хромирование, а также серебрение и золочение, часто применяемые для защиты металлов от коррозии. Для получения нужных покрытий предмет тщательно очищяют, хорошо обезжиривают и помещают как катод в электролитическую ванну, содержащую соль того металла, которым желают покрыть предмет. Для более равномерного покрытия полезно применять две пластины в качестве анода, помещая предмет между ними.

Также посредством электролиза можно не только покрыть предметы слоем того или иного металла, но и изготовить их рельефные металлические копии (например, монет, медалей). Этот процесс был изобретен русским физиком и электротехником, членом Российской Академии наук Борисом Семеновичем Якоби (1801-1874) в сороковых годах XIX века и называется гальванопластикой . Для изготовления рельефной копии предмета сначала делают слепок из какого-либо пластичного материала, например из воска. Этот слепок натирают графитом и погружают в электролитическую ванну в качестве катода, где на нём и осаждается слой металла. Это применяется в полиграфии при изготовлении печатных форм.

Кроме указанных выше, электролиз нашел применение и в других областях:

Получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);

Электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка);

Электрохимическое окрашивание металлов (например, меди, латуни, цинка, хрома и др.);

Очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);

Электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.).

Список использованной литературы:

1. Гуревич А. Е. «Физика. Электромагнитные явления. 8 класс» Москва, Издательский дом «Дрофа». 1999 год.

2. Габриэлян О. С. «Химия. 8 класс» Москва, Издательский дом «Дрофа». 1997 год.

3. «Элементарный учебник физики под редакцией академика Г. С. Ландсберга - Том II – электричество и магнетизм». Москва, «Наука» 1972 год.

4. Eric M. Rogers. «Physics for the Inquiring Mind (the methods, nature and phylosophy of physical science)». «Prinseton University press» 1966. Том III – электричество и магнетизм. Перевод Москва, «Мир» 1971 год.

5. А. Н. Ремизов «Курс физики, электроники и кибернетики для медицинских институтов». Москва, «Высшая школа» 1982 год.

Жидкости, как и любые другие вещества, могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Например, дистиллированная вода будет являться диэлектриком, а растворы и расплавы электролитов будут являться проводниками. Полупроводниками будут являться, например, расплавленный селен или расплавы сульфидов.

Ионная проводимость

Электролитическая диссоциация - это процесс распадения молекул электролитов на ионы под действием электрического поля полярных молекул воды. Степенью диссоциации называется доля молекул распавшихся на ионы в растворенном веществе.

Степень диссоциации будет зависеть от различных факторов: температура, концентрация раствора, свойства растворителя. При увеличении температуры, степень диссоциации тоже будет увеличиваться.

После того как молекулы разделились на ионы, они движутся хаотично. При этом два иона разных знаков могут рекомбинироваться, то есть снова объединиться в нейтральные молекулы. При отсутствии внешних изменений в растворе должно установиться динамическое равновесие. При нем число молекул которое распалось на ионы за единицу времени, будет равняться числу молекул, которые снова объединятся.

Носителями зарядов в водных растворах и расплавах электролитов будут являться ионы. Если сосуд с раствором или расплавом включить в цепь, то положительно заряженные ионы начнут двигаться к катоду, а отрицательные – к аноду. В результате этого движения возникнет электрический ток. Данный вид проводимости называют ионной проводимостью.

Помимо ионной проводимости в жидкостях может обладать и электронной проводимостью. Такой тип проводимости свойственен, например, жидким металлам. Как отмечалось выше, при ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества.

Электролиз

Вещества которые входят в состав электролитов, будут оседать на электродах. Этот процесс называется в электролизом. Электролиз – процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.

Электролиз нашел широкое применение в физике и технике. С помощью электролиза поверхность одного металла покрывают тонким слоем другого металла. Например, хромирование и никелирование.

С помощью электролиза можно получить копию с рельефной поверхности. Для этого необходимо, чтобы слой металла, который осядет на поверхности электрода, легко можно было снять. Для этого иногда на поверхность наносят графит.

Процесс получения таких легко отслаиваемых покрытий получил название гальвано-пластика. Этим метод разработал русский ученый Борис Якоби при изготовлении полых фигур для Исаакиевского собора с Санкт-Петербурге.