Tout le monde connaît la définition du courant électrique. Il est représenté comme le mouvement dirigé de particules chargées. Un tel mouvement dans différents environnements présente des différences fondamentales. Comme exemple basique de ce phénomène, on peut imaginer l’écoulement et la propagation du courant électrique dans les liquides. De tels phénomènes sont caractérisés par diverses propriétés et sont très différents du mouvement ordonné de particules chargées, qui se produit dans des conditions normales, sans l'influence de divers liquides.

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Formation de courant électrique dans les liquides

Malgré le fait que le processus de conduction du courant électrique s'effectue à travers des dispositifs métalliques (conducteurs), le courant dans les liquides dépend du mouvement des ions chargés qui ont acquis ou perdu des atomes et des molécules similaires pour une raison spécifique. Un indicateur d'un tel mouvement est un changement dans les propriétés d'une certaine substance par où passent les ions. Ainsi, il est nécessaire de s'appuyer sur la définition de base du courant électrique afin de se forger une conception spécifique de la formation de courant dans divers liquides. Il a été déterminé que la décomposition des ions chargés négativement favorise le mouvement dans la région d'une source de courant avec des valeurs positives. Les ions chargés positivement dans de tels processus se déplaceront dans la direction opposée : vers la source de courant négatif.

Les conducteurs de liquide sont divisés en trois types principaux :

• semi-conducteurs;
• diélectriques;
• conducteurs.

Définition 1

Dissociation électrolytique - le processus de décomposition des molécules une certaine solution en ions chargés négativement et positivement.

On peut établir que le courant électrique dans les liquides peut se produire après une modification de la composition et des propriétés chimiques des liquides utilisés. Cela contredit complètement la théorie de la propagation du courant électrique par d'autres moyens lors de l'utilisation d'un conducteur métallique conventionnel.

Les expériences de Faraday et l'électrolyse

Le flux de courant électrique dans les liquides est le produit du processus de mouvement des ions chargés. Les problèmes associés à l'apparition et à la propagation du courant électrique dans les liquides ont motivé l'étude du célèbre scientifique Michael Faraday. Avec l'aide de nombreux recherche pratique a pu trouver la preuve que la masse de substance libérée pendant l'électrolyse dépend du temps et de l'électricité. Dans ce cas, la durée pendant laquelle les expériences ont été réalisées compte.

Le scientifique a également pu découvrir que dans le processus d'électrolyse, lors de la libération d'une certaine quantité d'une substance, la même quantité est nécessaire. charges électriques. Cette quantité a été établie avec précision et enregistrée dans valeur constante, appelé nombre de Faraday.

Dans les liquides, le courant électrique a des conditions de propagation différentes. Il interagit avec les molécules d'eau. Ils empêchent considérablement tout mouvement d’ions, ce qui n’a pas été observé lors d’expériences utilisant un conducteur métallique conventionnel. Il s'ensuit que la génération de courant à réactions électrolytiques ne sera pas si grand. Cependant, à mesure que la température de la solution augmente, la conductivité augmente progressivement. Cela signifie que la tension du courant électrique augmente. De plus, au cours du processus d'électrolyse, il a été remarqué que la probabilité qu'une certaine molécule se décompose en charges ioniques négatives ou positives augmente en raison de grand nombre molécules de la substance ou du solvant utilisé. Lorsque la solution est saturée d’ions au-dessus d’une certaine norme, le processus inverse se produit. La conductivité de la solution recommence à diminuer.

Actuellement, le processus d'électrolyse a trouvé son application dans de nombreux domaines et domaines de la science et de la production. Entreprises industrielles il est utilisé dans la production ou la transformation du métal. Les réactions électrochimiques interviennent dans :

• électrolyse des sels;
• galvanoplastie;
• polissage des surfaces;
• d'autres processus redox.

Courant électrique dans le vide et les liquides

La propagation du courant électrique dans les liquides et autres milieux est un processus assez complexe qui possède ses propres caractéristiques, caractéristiques et propriétés. Le fait est que dans de tels milieux, il n'y a absolument aucune charge dans les corps, c'est pourquoi ils sont généralement appelés diélectriques. L'objectif principal de la recherche était de créer des conditions dans lesquelles les atomes et les molécules pourraient commencer à se déplacer et le processus de génération de courant électrique pourrait commencer. Pour cela, il est d'usage d'utiliser des mécanismes ou dispositifs spéciaux. L'élément principal de ces dispositifs modulaires sont des conducteurs sous forme de plaques métalliques.

Pour déterminer les principaux paramètres actuels, il est nécessaire d'utiliser des théories et des formules bien connues. La plus courante est la loi d'Ohm. Il agit comme une caractéristique d'ampère universelle, où le principe de dépendance du courant à la tension est mis en œuvre. Rappelez-vous que la tension est mesurée en unités d’ampères.

Pour mener des expériences avec de l'eau et du sel, il est nécessaire de préparer un récipient contenant de l'eau salée. Cela donnera une compréhension pratique et visuelle des processus qui se produisent lors de la formation du courant électrique dans les liquides. L'installation doit également contenir des électrodes rectangulaires et des alimentations. Pour une préparation à grande échelle des expériences, vous devez disposer d'une installation en ampères. Cela aidera à conduire l’énergie de l’alimentation électrique vers les électrodes.

Des plaques métalliques feront office de conducteurs. Ils sont plongés dans le liquide utilisé, puis la tension est appliquée. Le mouvement des particules commence immédiatement. Cela se produit de manière chaotique. Chaque fois que champ magnétique Entre les conducteurs, tous les processus de mouvement des particules sont ordonnés.

Les ions commencent à changer de charge et à se combiner. Ainsi, les cathodes deviennent des anodes et les anodes deviennent des cathodes. Il existe également plusieurs autres facteurs importants à prendre en compte dans ce processus :

• niveau de dissociation;
• température;
• résistance électrique;
• utilisation du courant alternatif ou continu.

A la fin de l’expérience, une couche de sel se forme sur les assiettes.

L’origine du courant électrique (le mouvement des charges électriques) à travers une solution est très différente du mouvement des charges électriques le long d’un conducteur métallique.

La différence, tout d'abord, est que les porteurs de charge dans les solutions ne sont pas des électrons, mais des ions, c'est-à-dire les atomes ou molécules eux-mêmes qui ont perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.

Naturellement, ce mouvement, d'une manière ou d'une autre, s'accompagne d'un changement dans les propriétés de la substance elle-même.

Considérons un circuit électrique dont l'élément est un récipient avec une solution sel de table et avec des électrodes de n'importe quelle forme insérées à partir de la plaque. Lorsqu'il est connecté à une source d'alimentation, un courant apparaît dans le circuit, qui représente le mouvement de particules lourdes chargées - les ions - dans la solution. L'apparition d'ions signifie déjà la possibilité d'une décomposition chimique de la solution en deux éléments principaux - Na et Cl. Le sodium, ayant perdu un électron, est un ion chargé positivement se déplaçant vers l'électrode, qui est connectée à la borne négative de la source d'alimentation, circuit électrique. Le chlore, qui a « usurpé » l’électron, est un ion négatif.

Les ions chlore négatifs se déplacent vers l’électrode, qui est connectée au pôle positif de la source d’énergie électrique. Chaînes.

La formation d'ions positifs et négatifs est due à la désintégration spontanée d'une molécule de sel de table dans une solution aqueuse (dissociation électrolytique). Le mouvement des ions est provoqué par la tension appliquée aux électrodes immergées dans la solution. Ayant atteint les électrodes, les ions prennent ou cèdent des électrons, formant respectivement des molécules Cl et Na. Des phénomènes similaires sont observés dans les solutions de nombreuses autres substances. Les molécules de ces substances, comme les molécules de sel de table, sont constituées d'ions de charges opposées, dans lesquels elles se désintègrent en solution. Le nombre de molécules décomposées, plus précisément le nombre d'ions, caractérise la résistance électrique de la solution.

Soulignons encore une fois que l'origine d'un courant électrique le long d'un circuit dont l'élément est une solution provoque le mouvement de la substance de cet élément du circuit électrique, et, par conséquent, une modification de ses propriétés chimiques, tandis que Lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur métallique, aucun changement ne se produit dans le conducteur.

Qu'est-ce qui détermine la quantité de substance libérée lors de l'électrolyse sur les électrodes ? Faraday a répondu à cette question pour la première fois. Faraday a montré expérimentalement que la masse de la substance libérée est liée à la force du courant et au temps pendant lequel il circule t par le rapport (loi de Faraday) :

La masse de substance libérée lors de l'électrolyse d'une substance est directement proportionnelle à la quantité d'électricité traversant l'électrolyte et ne dépend pas de raisons autres que le type de substance.

Ce modèle peut être vérifié par expériences suivantes. Versons le même électrolyte dans plusieurs bains, mais avec des concentrations différentes. Abaissons les électrodes de différentes zones dans les bains et plaçons-les dans les bains à différentes distances. Connectons tous les bains en série et faisons passer le courant à travers eux. Ensuite, évidemment, la même quantité d’électricité traversera chacun des bains. Après avoir pesé les cathodes avant et après l’expérience, nous constaterons que la même quantité de substance a été libérée sur toutes les cathodes. En connectant tous les bains en parallèle et en y faisant passer un courant, on peut vérifier que la quantité de substance libérée au niveau des cathodes est directement proportionnelle à la quantité d'électricité traversant chacune d'elles. Enfin, en connectant en série des bains avec différents électrolytes, il est facile d'établir que la quantité de substance libérée dépend du type de cette substance.

La quantité caractérisant la dépendance de la quantité d'une substance libérée lors de l'électrolyse à son type est appelée équivalent électrochimique et est désignée par la lettre k.

La masse de substance libérée lors de l'électrolyse est la masse totale de tous les ions déchargés au niveau de l'électrode. En soumettant différents sels à l'électrolyse, il est possible d'établir expérimentalement la quantité d'électricité qui doit traverser l'électrolyte pour libérer un kilogramme, l'équivalent d'une substance donnée. Faraday fut le premier à réaliser de telles expériences. Il a découvert que pour libérer un kilogramme - l'équivalent de n'importe quelle substance lors de l'électrolyse, il faut la même quantité d'électricité, égale à 9,65 107 k.

La quantité d'électricité nécessaire pour libérer un kilogramme équivalent d'une substance pendant l'électrolyse est appelée nombre de Faraday et est désignée par la lettre F :

F = 9,65·107k.

Dans un électrolyte, l'ion est entouré de molécules de solvant (eau) qui ont un impact significatif moments dipolaires. Lorsqu'elles interagissent avec un ion, les molécules dipolaires se tournent vers lui avec leurs extrémités, qui ont une charge dont le signe est opposé à la charge de l'ion, de sorte que le mouvement ordonné de l'ion dans un champ électrique est difficile et la mobilité des ions est nettement inférieure à la mobilité des électrons de conduction dans le métal. Puisque la concentration d’ions n’est généralement pas grande par rapport à la concentration d’électrons dans le métal, alors conductivité électrique Les électrolytes ont toujours une conductivité électrique nettement inférieure à celle des métaux.

En raison du fort échauffement dû au courant, seules des densités de courant insignifiantes peuvent être atteintes dans les électrolytes, c'est-à-dire tensions mineures champ électrique. À mesure que la température de l'électrolyte augmente, l'orientation ordonnée des dipôles du solvant se détériore sous l'influence d'un mouvement aléatoire accru des molécules, de sorte que la coque dipolaire est partiellement détruite, la mobilité des ions et la conductivité de la solution augmentent. La dépendance de la conductivité électrique spécifique sur la concentration à température constante est complexe. Si la dissolution est possible dans n'importe quelle proportion, alors à une certaine concentration, la conductivité électrique atteint un maximum. La raison en est la suivante : la probabilité que les molécules se décomposent en ions est proportionnelle au nombre de molécules de solvant et au nombre de molécules. substance soluble par unité de volume. Mais le processus inverse est également possible : (recombinaison d'ions en molécules), dont la probabilité est proportionnelle au carré du nombre de paires d'ions. Enfin, la conductivité électrique est proportionnelle au nombre de paires d'ions par unité de volume. Par conséquent, à faibles concentrations, la dissociation est complète, mais le nombre total d’ions est faible. À des concentrations très élevées, la dissociation est faible et le nombre d’ions est également faible. Si la solubilité d’une substance est limitée, aucune conductivité électrique maximale n’est généralement observée. Lorsqu'elle est congelée, la viscosité d'une solution aqueuse augmente fortement, la mobilité des ions diminue fortement et la conductivité électrique chute mille fois. Lorsque les métaux liquides se solidifient, la mobilité électronique et la conductivité électrique restent presque inchangées.

L'électrolyse est largement utilisée dans divers production électrochimique. Les plus importants d'entre eux sont : la production électrolytique de métaux à partir de solutions aqueuses de leurs sels et de leurs sels fondus ; électrolyse des sels de chlorure; oxydation et réduction électrolytiques ; produire de l'hydrogène par électrolyse ; galvanostégie; galvanotype; électropolissage. La méthode de raffinage produit du métal pur, exempt d’impuretés. La galvanoplastie est le revêtement d'objets métalliques avec une autre couche de métal. La galvanoplastie est la production de copies métalliques à partir d'images en relief de n'importe quelle surface. Électropolissage - nivellement des surfaces métalliques.

Presque tout le monde connaît la définition du courant électrique. Cependant, le fait est que son origine et son mouvement dans différents environnements sont très différents les uns des autres. En particulier, le courant électrique dans les liquides a des propriétés légèrement différentes de celles Il s'agit deà peu près les mêmes conducteurs métalliques.

La principale différence est que le courant dans les liquides est le mouvement d'ions chargés, c'est-à-dire d'atomes ou même de molécules qui, pour une raison quelconque, ont perdu ou gagné des électrons. De plus, l'un des indicateurs de ce mouvement est une modification des propriétés de la substance traversée par ces ions. Sur la base de la définition du courant électrique, nous pouvons supposer que lors de la décomposition, les ions chargés négativement se déplaceront vers les positifs et les positifs, au contraire vers les négatifs.

Le processus de décomposition des molécules de solution en ions chargés positifs et négatifs est appelé en science dissociation électrolytique. Ainsi, le courant électrique dans les liquides est dû au fait que, contrairement au même conducteur métallique, la composition et Propriétés chimiques ces liquides, entraînant le mouvement d’ions chargés.

Le courant électrique dans les liquides, son origine, ses caractéristiques quantitatives et qualitatives étaient l'un des principaux problèmes étudiés depuis longtemps par le célèbre physicien M. Faraday. En particulier, à l'aide de nombreuses expériences, il a pu prouver que la masse de la substance libérée lors de l'électrolyse dépend directement de la quantité d'électricité et du temps pendant lequel cette électrolyse a été réalisée. Cette masse ne dépend d'aucune autre raison, à l'exception du type de substance.

De plus, en étudiant le courant dans les liquides, Faraday a découvert expérimentalement que pour libérer un kilogramme de n'importe quelle substance pendant l'électrolyse, il fallait la même quantité, égale à 9,65,10 7 k., a été appelée le nombre de Faraday.

Contrairement aux conducteurs métalliques, le courant électrique dans les liquides est entouré, ce qui entrave considérablement le mouvement des ions de la substance. À cet égard, seul un faible courant de tension peut être généré dans n’importe quel électrolyte. En même temps, si la température de la solution augmente, sa conductivité augmente et le champ augmente.

L'électrolyse possède une autre propriété intéressante. Le fait est que la probabilité qu'une molécule particulière se brise en ions chargés positifs et négatifs est plus élevée, plus la valeur est élevée. plus grand nombre molécules de la substance elle-même et du solvant. Dans le même temps, à un certain moment, la solution devient sursaturée en ions, après quoi la conductivité de la solution commence à diminuer. Ainsi, le plus fort se produira dans une solution où la concentration d’ions est extrêmement faible, mais l’intensité du courant électrique dans de telles solutions sera extrêmement faible.

Processus d'électrolyse trouvé large application dans divers processus industriels liés aux réactions électrochimiques. Les plus importants d'entre eux comprennent la production de métal à l'aide d'électrolytes, l'électrolyse de sels contenant du chlore et ses dérivés, les réactions redox, la production d'une substance aussi nécessaire que l'hydrogène, le polissage des surfaces et la galvanoplastie. Par exemple, dans de nombreuses entreprises de fabrication de machines et d'instruments, la méthode de raffinage, qui consiste à produire du métal sans impuretés inutiles, est très courante.

Par rapport à leur propriétés électriques les liquides sont très divers. Les métaux en fusion, comme les métaux à l’état solide, ont une conductivité électrique élevée associée à une forte concentration d’électrons libres.

De nombreux liquides, comme l'eau pure, l'alcool, le kérosène, sont de bons diélectriques car leurs molécules sont électriquement neutres et il n'y a pas de porteurs de charge libres.

Électrolytes. Une classe spéciale de liquides est constituée de ce qu'on appelle les électrolytes, qui comprennent les solutions aqueuses. acides inorganiques, sels et bases, fusions de cristaux ioniques, etc. Les électrolytes se caractérisent par la présence de concentrations élevées d'ions, qui permettent le passage du courant électrique. Ces ions apparaissent lors de la fusion et de la dissolution, lorsque, sous l'influence des champs électriques des molécules de solvant, les molécules du soluté se décomposent en ions séparés chargés positivement et négativement. Ce processus est appelé dissociation électrolytique.

Dissociation électrolytique. Le degré de dissociation a d'une substance donnée, c'est-à-dire la proportion de molécules de soluté divisées en ions, dépend de la température, de la concentration de la solution et de la constante diélectrique du solvant. À mesure que la température augmente, le degré de dissociation augmente. Les ions de signes opposés peuvent se recombiner et se combiner à nouveau en molécules neutres. Dans des conditions externes constantes, un équilibre dynamique s'établit dans la solution, dans lequel les processus de recombinaison et de dissociation se compensent.

Qualitativement, la dépendance du degré de dissociation a sur la concentration de la substance dissoute peut être établie à l'aide des arguments simples suivants. Si une unité de volume contient des molécules d'une substance dissoute, certaines d'entre elles sont dissociées et les autres ne le sont pas. Le nombre d'actes élémentaires de dissociation par unité de volume de solution est proportionnel au nombre de molécules non scindées et est donc égal à où A est un coefficient dépendant de la nature de l'électrolyte et de la température. Le nombre d'événements de recombinaison est proportionnel au nombre de collisions d'ions différents, c'est-à-dire proportionnel au nombre de ces ions et des autres ions. Par conséquent, il est égal à où B est un coefficient constant pour une substance donnée à une certaine température.

En état d’équilibre dynamique

Le rapport ne dépend pas de la concentration. On constate que plus la concentration de la solution est faible, plus elle est proche de l'unité : dans les solutions très diluées, presque toutes les molécules du soluté sont dissociées.

Plus la constante diélectrique du solvant est élevée, plus il est affaibli des liaisons ioniques dans les molécules du soluté et, par conséquent, plus le degré de dissociation est élevé. Donc, acide hydrochlorique donne un électrolyte à haute conductivité électrique lorsqu'il est dissous dans l'eau, tandis que sa solution dans l'éther éthylique conduit très mal l'électricité.

Électrolytes inhabituels. Il existe également des électrolytes très inhabituels. Par exemple, l’électrolyte est du verre, qui est un liquide très surfondu avec une énorme viscosité. Lorsqu'il est chauffé, le verre se ramollit et sa viscosité diminue considérablement. Les ions sodium présents dans le verre deviennent sensiblement mobiles et le passage du courant électrique devient possible, bien qu'à températures ordinaires, le verre soit un bon isolant.

Riz. 106. Démonstration de la conductivité électrique du verre lorsqu'il est chauffé

Une démonstration claire de ceci peut être vue dans l’expérience dont le diagramme est présenté sur la figure. 106. Une tige de verre est connectée à un réseau d'éclairage via un rhéostat. Pendant que la tige est froide, le courant dans le circuit est négligeable en raison de la haute résistance du verre. Si le bâton est chauffé avec un brûleur à gaz à une température de 300 à 400 °C, sa résistance chutera à plusieurs dizaines d'ohms et le filament de l'ampoule L deviendra chaud. Vous pouvez maintenant court-circuiter l'ampoule avec la touche K. Dans ce cas, la résistance du circuit diminuera et le courant augmentera. Dans de telles conditions, le bâton sera efficacement chauffé par le courant électrique et brillera jusqu'à ce qu'il brille vivement, même si le brûleur est retiré.

Conductivité ionique. Le passage du courant électrique dans l'électrolyte est décrit par la loi d'Ohm

Le courant électrique dans l’électrolyte se produit à une tension appliquée arbitrairement basse.

Les porteurs de charge dans l’électrolyte sont des ions chargés positivement et négativement. Le mécanisme de conductivité électrique des électrolytes est à bien des égards similaire au mécanisme de conductivité électrique des gaz décrit ci-dessus. Les principales différences sont dues au fait que dans les gaz, la résistance au mouvement des porteurs de charge est principalement due à leurs collisions avec des atomes neutres. Dans les électrolytes, la mobilité des ions est due au frottement interne – la viscosité – lorsqu’ils se déplacent dans le solvant.

À mesure que la température augmente, la conductivité des électrolytes augmente, contrairement aux métaux. Cela est dû au fait qu’avec l’augmentation de la température, le degré de dissociation augmente et la viscosité diminue.

Contrairement à la conductivité électronique, caractéristique des métaux et des semi-conducteurs, où le passage du courant électrique ne s'accompagne d'aucun changement composition chimique substances, la conductivité ionique est associée au transfert de substances

et la libération de substances incluses dans les électrolytes sur les électrodes. Ce processus est appelé électrolyse.

Électrolyse. Lorsqu'une substance est libérée sur l'électrode, la concentration des ions correspondants dans la région électrolytique adjacente à l'électrode diminue. Ainsi, l'équilibre dynamique entre dissociation et recombinaison est ici rompu : c'est ici que se produit la décomposition de la substance par électrolyse.

L'électrolyse a été observée pour la première fois lors de la décomposition de l'eau par le courant provenant de colonne voltaïque. Quelques années plus tard, le célèbre chimiste G. Davy découvre le sodium en l'isolant par électrolyse de la soude caustique. Les lois quantitatives de l'électrolyse ont été établies expérimentalement par M. Faraday. Elles peuvent être facilement justifiées sur la base du mécanisme du phénomène d'électrolyse.

Les lois de Faraday. Chaque ion a une charge électrique qui est un multiple de la charge élémentaire e. Autrement dit, la charge de l'ion est égale à , où est un nombre entier égal à la valence de l'élément ou du composé chimique correspondant. Supposons que lorsqu’un courant traverse l’électrode, des ions sont libérés. Leur charge est valeur absolue Les ions positifs égaux atteignent la cathode et leur charge est neutralisée par les électrons circulant vers la cathode à travers les fils de la source de courant. Les ions négatifs s'approchent de l'anode et le même nombre d'électrons traverse les fils jusqu'à la source de courant. Dans ce cas, une charge traverse un circuit électrique fermé

Désignons par la masse de la substance libérée sur l'une des électrodes, et par la masse de l'ion (atome ou molécule). Il est donc évident qu’en multipliant le numérateur et le dénominateur de cette fraction par la constante d’Avogadro, on obtient

où est atomique ou masse molaire, constante de Faraday, donnée par

D’après (4), il ressort clairement que la constante de Faraday a la signification de « une mole d’électricité », c’est-à-dire qu’elle est la charge électrique totale d’une mole de charges élémentaires :

La formule (3) contient les deux lois de Faraday. Il dit que la masse de la substance libérée lors de l’électrolyse est proportionnelle à la charge traversant le circuit (première loi de Faraday) :

Le coefficient est appelé équivalent électrochimique d'une substance donnée et est exprimé en

kilogrammes par coulomb Il a le sens de l'inverse de la charge spécifique de l'ion.

L'équivalent électrochimique de k est proportionnel à l'équivalent chimique de la substance (deuxième loi de Faraday).

Lois de Faraday et charge élémentaire. Puisque le concept de la nature atomique de l’électricité n’existait pas encore à l’époque de Faraday, la découverte expérimentale des lois de l’électrolyse était loin d’être anodine. Au contraire, ce sont les lois de Faraday qui ont essentiellement servi de première preuve expérimentale de la validité de ces idées.

Mesure expérimentale constante de Faraday a permis pour la première fois d'obtenir une estimation numérique de la valeur de la charge élémentaire bien avant les mesures directes de la charge électrique élémentaire dans les expériences de Millikan avec des gouttes d'huile. Il est remarquable que l'idée de la structure atomique de l'électricité ait reçu une confirmation expérimentale sans équivoque dans les expériences d'électrolyse réalisées dans les années 30 du 19e siècle, alors que même l'idée de la structure atomique de la matière n'était pas encore partagée par tous. scientifiques. DANS discours célèbre, prononcé à la Royal Society et dédié à la mémoire de Faraday, Helmholtz commente ainsi cette circonstance :

"Si nous admettons l'existence d'atomes d'éléments chimiques, nous ne pouvons éviter de conclure que l'électricité, tant positive que négative, est divisée en certaines quantités élémentaires, qui se comportent comme des atomes d'électricité."

Sources de courant chimique. Si un métal, tel que le zinc, est immergé dans l'eau, une certaine quantité d'ions zinc positifs, sous l'influence des molécules d'eau polaires, commencera à se déplacer de la couche superficielle. réseau cristallin métal dans l'eau. De ce fait, le zinc sera chargé négativement et l’eau positivement. Une fine couche appelée double couche électrique se forme à l’interface entre le métal et l’eau ; il contient un fort champ électrique dont l'intensité est dirigée de l'eau vers le métal. Ce champ empêche la transition ultérieure des ions zinc dans l'eau et, par conséquent, un équilibre dynamique apparaît dans lequel le nombre moyen d'ions provenant du métal dans l'eau est égal au nombre d'ions revenant de l'eau au métal.

L'équilibre dynamique sera également établi si le métal est immergé dans Solution aqueuse des sels du même métal, par exemple du zinc dans une solution de sulfate de zinc. Dans la solution, le sel se dissocie en ions. Les ions zinc résultants ne sont pas différents des ions zinc entrés dans la solution depuis l'électrode. Une augmentation de la concentration en ions zinc dans l'électrolyte facilite la transition de ces ions vers le métal à partir de la solution et la rend plus difficile.

transition du métal à la solution. Par conséquent, dans une solution de sulfate de zinc, l’électrode de zinc immergée, bien que chargée négativement, est plus faible que dans l’eau pure.

Lorsqu’un métal est immergé dans une solution, il ne se charge pas toujours négativement. Par exemple, si une électrode de cuivre est immergée dans une solution de sulfate de cuivre, les ions commenceront à précipiter de la solution sur l'électrode, la chargeant positivement. Dans ce cas, l'intensité du champ dans la double couche électrique est dirigée du cuivre vers la solution.

Ainsi, lorsqu'un métal est immergé dans l'eau ou dans une solution aqueuse contenant des ions du même métal, une différence de potentiel apparaît entre eux à l'interface entre le métal et la solution. Le signe et l'ampleur de cette différence de potentiel dépendent du type de métal (cuivre, zinc, etc.), de la concentration en ions dans la solution et sont presque indépendants de la température et de la pression.

Deux électrodes de métaux différents immergées dans un électrolyte forment une cellule galvanique. Par exemple, dans une cellule Volta, les électrodes de zinc et de cuivre sont immergées dans une solution aqueuse d'acide sulfurique. Au début, la solution ne contient ni ions zinc ni ions cuivre. Cependant, plus tard, ces ions pénètrent dans la solution à partir des électrodes et un équilibre dynamique s'établit. Tant que les électrodes ne sont pas reliées entre elles par fil, le potentiel de l'électrolyte est le même en tout point, et les potentiels des électrodes diffèrent du potentiel de l'électrolyte en raison des doubles couches formées à leur interface avec le électrolyte. Dans ce cas, le potentiel d'électrode du zinc est égal à -0,763 V, et celui du cuivre. La force électromotrice de l'élément Volt, constitué de ces sauts de potentiel, sera égale à.

Courant dans un circuit avec un élément galvanique. Si les électrodes d'une cellule galvanique sont reliées par un fil, alors les électrons passant par ce fil passeront de l'électrode négative (zinc) à l'électrode positive (cuivre), ce qui perturbera l'équilibre dynamique entre les électrodes et l'électrolyte dans lequel elles se trouvent. immergé. Les ions zinc commenceront à se déplacer de l'électrode vers la solution, de manière à maintenir la double couche électrique dans le même état avec un saut de potentiel constant entre l'électrode et l'électrolyte. De même, avec une électrode en cuivre, les ions cuivre commenceront à sortir de la solution et à précipiter sur l’électrode. Dans ce cas, un déficit d'ions se forme près de l'électrode négative et un excès de ces ions se forme près de l'électrode positive. Nombre total les ions en solution ne changeront pas.

À la suite des processus décrits, un courant électrique sera maintenu dans un circuit fermé, créé dans le fil de connexion par le mouvement des électrons et dans l'électrolyte par les ions. Lorsqu'un courant électrique passe, l'électrode de zinc se dissout progressivement et du cuivre se dépose sur le positif (cuivre)

électrode. La concentration en ions augmente au niveau de l’électrode de zinc et diminue au niveau de l’électrode de cuivre.

Potentiel dans un circuit avec un élément galvanique. L'image décrite du passage du courant électrique dans un circuit fermé non uniforme contenant élément chimique, correspond à la distribution de potentiel le long du circuit, représentée schématiquement sur la Fig. 107. Dans le circuit externe, c'est-à-dire dans le fil reliant les électrodes, le potentiel diminue progressivement de la valeur à l'électrode positive (cuivre) A à la valeur à l'électrode négative (zinc) B conformément à la loi d'Ohm pour un homogène conducteur. Dans le circuit interne, c'est-à-dire dans l'électrolyte entre les électrodes, le potentiel diminue progressivement d'une valeur proche de l'électrode de zinc à une valeur proche de l'électrode de cuivre. Si dans le circuit externe le courant circule de l'électrode de cuivre vers l'électrode de zinc, alors à l'intérieur de l'électrolyte il circule du zinc vers le cuivre. Des sauts potentiels dans les doubles couches électriques sont créés sous l'action de forces externes (dans ce cas, chimiques). Le mouvement des charges électriques en double couche dû à des forces externes se produit à l'opposé de la direction d'action des forces électriques.

Riz. 107. Répartition potentielle le long d'une chaîne contenant un élément chimique

Les sections inclinées du changement de potentiel sur la Fig. 107 correspondance résistance électrique sections externes et internes d'un circuit fermé. La chute de potentiel totale le long de ces sections est égale à la somme des sauts de potentiel dans les doubles couches, c'est-à-dire la force électromotrice de l'élément.

Le passage du courant électrique dans une cellule galvanique est compliqué par des sous-produits libérés sur les électrodes et l'apparition d'une différence de concentration dans l'électrolyte. Ces phénomènes sont appelés polarisation électrolytique. Par exemple, dans les éléments Volta, lorsque le circuit est fermé, les ions positifs se déplacent vers l'électrode de cuivre et s'y déposent. En conséquence, après un certain temps, l’électrode en cuivre est remplacée par une électrode à hydrogène. Étant donné que le potentiel d'électrode de l'hydrogène est inférieur de 0,337 V au potentiel d'électrode du cuivre, la force électromotrice de l'élément diminue à peu près dans la même quantité. De plus, l'hydrogène libéré sur l'électrode de cuivre augmente la résistance interne de l'élément.

Pour diminuer influence néfaste hydrogène, des dépolariseurs sont utilisés - divers agents oxydants. Par exemple, dans l’élément Leclanche le plus couramment utilisé (piles « sèches »)

L'électrode positive est une tige de graphite entourée d'une masse comprimée de peroxyde de manganèse et de graphite.

Batteries. Un type pratiquement important de cellules galvaniques sont les batteries, pour lesquelles, après décharge, un processus de charge inverse est possible avec conversion de l'énergie électrique en énergie chimique. Les substances consommées lors de la production de courant électrique sont restituées à l’intérieur de la batterie par électrolyse.

On constate que lors du chargement de la batterie, la concentration d'acide sulfurique augmente, ce qui entraîne une augmentation de la densité de l'électrolyte.

Ainsi, lors du processus de charge, une forte asymétrie des électrodes se crée : l'une devient du plomb, l'autre devient du peroxyde de plomb. Une batterie chargée est une cellule galvanique qui peut servir de source de courant.

Lorsque des consommateurs d'énergie électrique sont connectés à la batterie, un courant électrique circulera dans le circuit dont la direction est opposée au courant de charge. Réactions chimiques allez dans la direction opposée et la batterie revient à son état d'origine. Les deux électrodes seront recouvertes d'une couche de sel et la concentration d'acide sulfurique reviendra à sa valeur initiale.

Pour une batterie chargée, la FEM est d'environ 2,2 V. Lors de la décharge, elle tombe à 1,85 V. Une décharge supplémentaire n'est pas recommandée, car la formation de sulfate de plomb devient irréversible et la batterie se détériore.

La charge maximale qu’une batterie peut délivrer lorsqu’elle est déchargée est appelée sa capacité. Capacité de la batterie généralement

mesuré en ampères-heures. Plus c'est grand plus de surface assiettes

Applications de l'électrolyse. L'électrolyse est utilisée en métallurgie. La production électrolytique la plus courante d’aluminium et de cuivre pur. Grâce à l'électrolyse, il est possible de créer de fines couches de certaines substances à la surface d'autres afin d'obtenir des revêtements décoratifs et protecteurs (nickelage, chromage). Le procédé d'obtention de revêtements pelables (électroplastie) a été développé par le scientifique russe B. S. Jacobi, qui l'a utilisé pour réaliser des sculptures creuses qui décorent Cathédrale Saint-Isaacà Saint-Pétersbourg.

Quelle est la différence entre le mécanisme physique de la conductivité électrique des métaux et des électrolytes ?

Expliquez pourquoi le degré de dissociation d'une substance donnée dépend de la constante diélectrique du solvant.

Expliquez pourquoi, dans des solutions électrolytiques très diluées, presque toutes les molécules de soluté sont dissociées.

Expliquez en quoi le mécanisme de conductivité électrique des électrolytes est similaire à celui des gaz. Pourquoi, dans des conditions extérieures constantes, le courant électrique est-il proportionnel à la tension appliquée ?

Quel rôle joue la loi de conservation de la charge électrique dans la dérivation de la loi de l'électrolyse (3) ?

Expliquer la relation entre l'équivalent électrochimique d'une substance et la charge spécifique de ses ions.

Comment peut-on déterminer expérimentalement le rapport des équivalents électrochimiques ? différentes substances, s'il y a plusieurs bains électrolytiques, mais qu'il n'y a pas d'instruments de mesure du courant ?

Comment utiliser le phénomène d’électrolyse pour créer un compteur électrique dans un réseau DC ?

Pourquoi les lois de Faraday peuvent-elles être considérées comme une preuve expérimentale des idées sur la nature atomique de l'électricité ?

Quels processus se produisent lorsque des électrodes métalliques sont immergées dans l'eau et dans un électrolyte contenant des ions de ces métaux ?

Décrire les processus se produisant dans l'électrolyte à proximité des électrodes d'une cellule galvanique lors du passage du courant.

Pourquoi les ions positifs à l'intérieur d'une cellule voltaïque se déplacent-ils de l'électrode négative (zinc) vers l'électrode positive (cuivre) ? Comment se produit une distribution de potentiel dans un circuit qui provoque le déplacement des ions de cette manière ?

Pourquoi peut-on vérifier le degré de charge d'une batterie acide à l'aide d'un densimètre, c'est-à-dire un appareil permettant de mesurer la densité d'un liquide ?

En quoi les processus dans les batteries diffèrent-ils fondamentalement des processus dans les batteries « sèches » ?

Quelle partie de l'énergie électrique dépensée lors du processus de charge de la batterie c peut être utilisée lors de sa décharge, si pendant le processus de charge la tension a été maintenue à ses bornes

Courant électronique dans les liquides

Dans un conducteur de fer, un courant électronique apparaît par le mouvement dirigé d'électrons libres, et dans tout cela, aucun changement ne se produit dans la substance à partir de laquelle le conducteur est constitué.

Les conducteurs dans lesquels le passage du courant électronique ne s'accompagne pas de modifications chimiques dans leur substance sont appelés conducteurs du premier type. Ceux-ci incluent tous les métaux, le charbon et un certain nombre d'autres substances.

Mais il existe aussi dans la nature des conducteurs de courant électronique dans lesquels des phénomènes chimiques se produisent lors du passage du courant. Ces conducteurs sont appelés conducteurs du deuxième type. Il s'agit principalement de différents mélanges d'acides, de sels et d'alcalis dans l'eau.

Si vous versez de l'eau dans un récipient en verre et ajoutez quelques gouttes d'acide sulfurique (ou un autre acide ou alcali), puis prenez deux plaques de fer et connectez-y des conducteurs, abaissez ces plaques dans le récipient et connectez une source de courant à les autres extrémités des conducteurs à travers l'interrupteur et l'ampèremètre, alors le gaz sera libéré de la solution, et cela durera continuellement aussi longtemps que le circuit est fermé car l'eau acidifiée est en effet conductrice. De plus, les plaques commenceront à se couvrir de bulles de gaz. Ensuite, ces bulles se détacheront des assiettes et ressortiront.

Lorsqu’un courant électronique traverse la solution, des modifications chimiques se produisent, entraînant la libération de gaz.

Les conducteurs du deuxième type sont appelés électrolytes, et le phénomène qui se produit dans l'électrolyte lorsqu'un courant électronique le traverse est appelé.

Les plaques de fer immergées dans un électrolyte sont appelées électrodes ; l'un d'eux, connecté au pôle positif de la source de courant, est appelé anode, et l'autre, connecté au pôle négatif, est appelé cathode.

Qu'est-ce qui détermine le passage du courant électronique dans un conducteur aqueux ? Il s'avère que dans de tels mélanges (électrolytes), les molécules d'acide (alcali, sel) sous l'influence d'un solvant (dans ce cas l'eau) se décomposent en deux composants, tandis que Une particule de la molécule a une charge électronique positive et l’autre une charge électronique négative.

Les particules moléculaires possédant une charge électronique sont appelées ions. Lorsqu'un acide, un sel ou un alcali est dissous dans l'eau, un grande quantité des ions chargés à la fois positifs et négatifs.

Il devrait maintenant devenir clair pourquoi un courant électronique a traversé la solution, car une différence de potentiel a été créée entre les électrodes connectées à la source de courant, en d'autres termes, l'une d'elles s'est avérée chargée positivement et l'autre négativement. Sous l'influence de cette différence de potentiel, les ions positifs ont commencé à se mélanger vers l'électrode négative - la cathode, et les ions négatifs - vers l'anode.

Ainsi, le mouvement chaotique des ions est devenu un contre-mouvement ordonné d’ions chargés négativement dans un sens et positifs dans l’autre. Ce processus de transfert de charge constitue le flux de courant électronique à travers l’électrolyte et se produit tant qu’il existe une différence de potentiel entre les électrodes. Avec la disparition de la différence de potentiel, le courant traversant l'électrolyte s'arrête, le mouvement ordonné des ions est perturbé et le mouvement chaotique recommence.

A titre d'exemple, considérons le phénomène d'électrolyse lors du passage d'un courant électronique à travers une solution de sulfate de cuivre CuSO4 dans laquelle sont plongées des électrodes de cuivre.

Le phénomène d'électrolyse lorsque le courant traverse une solution de sulfate de cuivre : C - récipient avec électrolyte, B - source de courant, C - interrupteur

Il y aura également un contre-mouvement des ions vers les électrodes. L’ion positif sera l’ion cuivre (Cu) et l’ion négatif sera l’ion résidu acide (SO4). Les ions de cuivre en contact avec la cathode seront déchargés (attachant les électrons manquants à eux-mêmes), c'est-à-dire convertis en molécules neutres de cuivre pur, et déposés sur la cathode sous la forme d'une fine couche (moléculaire).

Les ions négatifs, ayant atteint l'anode, sont également déchargés (ils cèdent des électrons supplémentaires). Mais en même temps, ils entrent dans une réaction chimique avec le cuivre de l'anode, à la suite de laquelle une molécule de cuivre Cu rejoint le résidu acide SO4 et une molécule de sulfate de cuivre CuS O4 apparaît, qui est renvoyée à l'électrolyte. .

Ce processus chimique étant long, le cuivre se dépose sur la cathode, libéré de l'électrolyte. Dans ce cas, au lieu des molécules de cuivre qui sont allées à la cathode, l'électrolyte reçoit de nouvelles molécules de cuivre en raison de la dissolution de la deuxième électrode - l'anode.

Le même processus se produit si des électrodes de zinc sont utilisées à la place des électrodes de cuivre et que l'électrolyte est une solution de sulfate de zinc Zn SO4. Le zinc sera également transféré de l'anode à la cathode.

De cette façon, différence entre le courant électronique dans les métaux et les conducteurs liquides est que dans les métaux, seuls les électrons libres, c'est-à-dire les charges négatives, sont porteurs de charge, alors que dans les électrolytes, l'électricité est transportée par des particules d'une substance chargées différemment - des ions se déplaçant dans des directions opposées. C'est pourquoi ils disent ça Les électrolytes ont une conductivité ionique.

Phénomène d'électrolyse a été découvert en 1837 par B. S. Jacobi, qui a créé d'innombrables expériences pour étudier et améliorer les sources de courant chimique. Jacobi a découvert que l'une des électrodes placées dans une solution de sulfate de cuivre se recouvrait de cuivre lorsqu'un courant électronique la traversait.

Ce phénomène est appelé galvanoplastie, trouve sur ce momenténorme utilisation pratique. Un exemple en est le revêtement d'objets en fer avec une fine couche d'autres métaux, c'est-à-dire le nickelage, la dorure, l'argenture, etc.

Les gaz (y compris l'air) ne conduisent pas le courant électronique dans des conditions ordinaires. Par exemple, les fils nus des lignes aériennes, suspendus parallèlement les uns aux autres, sont isolés les uns des autres par une couche d'air.

Mais sous l'influence de températures élevées, de grandes différences de potentiel et d'autres circonstances, les gaz, comme les conducteurs aqueux, sont ionisés, c'est-à-dire que des particules de molécules de gaz y apparaissent en grande quantité, ce qui, étant porteurs d'électricité, facilite le passage des électrons. courant à travers le gaz.

Mais en même temps, l'ionisation d'un gaz diffère de l'ionisation d'un conducteur aqueux. Si dans l'eau une molécule se désintègre en deux parties chargées, alors dans les gaz, sous l'influence de l'ionisation, les électrons sont toujours séparés de chaque molécule et un ion reste sous la forme d'une partie chargée positivement de la molécule.

Dès que l'ionisation du gaz sera terminée, il cessera d'être conducteur, tandis que le liquide restera toujours conducteur du courant électronique. Comme suit, la conductivité du gaz est un phénomène temporaire, dépendant de circonstances extérieures.

Mais il existe un autre type de décharge appelé décharge en arc ou simplement un arc électronique. Le phénomène de l'arc électronique a été découvert au début du XIXe siècle par le premier ingénieur électricien russe V.V. Petrov.

V.V. Petrov, à travers d'innombrables expériences, a découvert qu'entre deux charbons connectés à une source de courant, une décharge électronique continue apparaît dans l'air, accompagnée d'une lumière vive. Dans ses propres écrits, V.V. Petrov a écrit qu’avec tout cela, « la paix noire peut être éclairée de manière très brillante ». C'est ainsi qu'a été obtenue pour la première fois la lumière électronique, qui a été utilisée par un autre ingénieur électricien russe Pavel Nikolaevich Yablochkov.

La bougie Yablochkov, dont le fonctionnement est basé sur l'utilisation d'un arc électronique, a constitué à cette époque une véritable révolution dans l'électrotechnique.

La décharge en arc est aujourd'hui utilisée comme source de lumière, par exemple dans les projecteurs et les appareils de projection. La température élevée de la décharge d'arc permet de l'utiliser pour la construction d'un four à arc. DANS heure actuelle fours à arc alimentés par un courant très élevé grande force, sont utilisés dans de nombreuses industries : pour la fusion de l'acier, de la fonte, des ferroalliages, du bronze, etc. Et en 1882, N.N. Benardos a utilisé pour la première fois une décharge à arc pour couper et souder le métal.

Dans les tubes à gaz, les lampes fluorescentes, les stabilisateurs de tension, pour produire des faisceaux électriques et ioniques, ce qu'on appelle décharge de gaz incandescent.

Une décharge par étincelle est utilisée pour mesurer d'énormes différences de potentiel à l'aide d'un espace à billes dont les électrodes sont deux billes de fer à surface polie. Les billes sont écartées et une différence de potentiel mesurée leur est appliquée. Ensuite, les boules se rapprochent jusqu'à ce qu'une étincelle saute entre elles. Connaissant le diamètre des boules, la distance qui les sépare, la pression, la température et l'humidité de l'air, trouvez la différence de potentiel entre les boules à l'aide de tableaux spéciaux. Cette méthode permet de déterminer, avec une précision de quelques pour cent, des différences de potentiel de l'ordre de 10 mille volts.

C'est tout pour le moment. Eh bien, si vous voulez en savoir plus, je vous recommande de prêter attention au disque de Misha Vanyushin :

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