Mindenki ismeri az elektromos áram fogalmát. Ezt a töltött részecskék irányított mozgásaként ábrázolják. Az ilyen mozgás a különböző környezetekben alapvető különbségeket rejt magában. E jelenség alappéldájaként elképzelhető az elektromos áram áramlása és terjedése folyadékokban. Az ilyen jelenségeket különféle tulajdonságok jellemzik, és jelentősen eltérnek a töltött részecskék rendezett mozgásától, amely normál körülmények között, nem különféle folyadékok hatására megy végbe.

1. kép Elektromosság folyadékokban. Szerző24 - diákmunka online cseréje

Elektromos áram képződése folyadékokban

Annak ellenére, hogy az elektromos áram vezetésének folyamatát fémeszközökön (vezetőkön) keresztül hajtják végre, a folyadékok árama a töltött ionok mozgásától függ, amelyek valamilyen meghatározott okból hasonló atomokat és molekulákat szereztek vagy veszítettek el. Az ilyen mozgás mutatója egy bizonyos anyag tulajdonságainak megváltozása, ahol az ionok áthaladnak. Így az elektromos áram alapvető definíciójára kell támaszkodni, hogy a különféle folyadékokban kialakuló áram sajátos fogalmát kialakítsuk. Megállapították, hogy a negatív töltésű ionok bomlása elősegíti a pozitív értékű áramforrás tartományába való mozgást. Az ilyen folyamatokban a pozitív töltésű ionok az ellenkező irányba mozognak - a negatív áramforrás felé.

A folyadékvezetők három fő típusra oszthatók:

• félvezetők;
• dielektrikumok;
• karmesterek.

1. definíció

Elektrolitikus disszociáció - a molekulák bomlásának folyamata egy bizonyos megoldás negatív és pozitív töltésű ionokká.

Megállapítható, hogy a folyadékokban elektromos áram a felhasznált folyadékok összetételének és kémiai tulajdonságainak megváltozása után léphet fel. Ez teljesen ellentmond az elektromos áram más módon történő terjedésének elméletének, ha hagyományos fémvezetőt használunk.

Faraday kísérletei és az elektrolízis

A folyadékokban az elektromos áram áramlása a töltött ionok mozgási folyamatának eredménye. A folyadékokban az elektromos áram előfordulásával és terjedésével kapcsolatos problémák a híres tudós Michael Faraday tanulmányozásának okai lettek. Számos segítségével gyakorlati kutatás bizonyítékot talált arra, hogy az elektrolízis során felszabaduló anyag tömege függ az idő és az elektromosság mennyiségétől. Ebben az esetben a kísérletek végrehajtásának ideje számít.

A tudós azt is kiderítette, hogy az elektrolízis folyamatában egy bizonyos mennyiségű anyag felszabadulásakor ugyanannyira van szükség elektromos töltések. Ezt a mennyiséget pontosan megállapították és rögzítették állandó érték, amelyet Faraday számnak hívnak.

Folyadékokban az elektromos áram terjedési feltételei eltérőek. Kölcsönhatásba lép a vízmolekulákkal. Jelentősen gátolják az ionok minden mozgását, ami a hagyományos fémvezetővel végzett kísérletekben nem volt megfigyelhető. Ebből következik, hogy az áram generálása at elektrolitikus reakciók nem lesz olyan nagy. Az oldat hőmérsékletének növekedésével azonban a vezetőképesség fokozatosan növekszik. Ez azt jelenti, hogy az elektromos áram feszültsége nő. Az elektrolízis során azt is észrevették, hogy egy bizonyos molekula negatív vagy pozitív iontöltésekre bomlik fel, mivel nagyszámú a felhasznált anyag vagy oldószer molekulái. Ha az oldat egy bizonyos norma felett telítődik ionokkal, fordított folyamat megy végbe. Az oldat vezetőképessége ismét csökkenni kezd.

Jelenleg az elektrolízis folyamat a tudomány és a termelés számos területén és területén talált alkalmazást. Az ipari vállalkozások fémgyártásban vagy -feldolgozásban használják. Az elektrokémiai reakciók a következőkben vesznek részt:

• sók elektrolízise;
• galvanizálás;
• felületi polírozás;
• egyéb redox folyamatok.

Elektromos áram vákuumban és folyadékokban

Az elektromos áram terjedése folyadékokban és más közegekben meglehetősen összetett folyamat, amelynek saját jellemzői, jellemzői és tulajdonságai vannak. Az a tény, hogy az ilyen médiában teljesen nincsenek töltések a testekben, ezért általában dielektrikumoknak nevezik őket. A kutatás fő célja az volt, hogy olyan feltételeket teremtsenek, amelyek között az atomok és molekulák mozgásba lendülhetnek, és megindul az elektromos áram előállítási folyamata. Ehhez speciális mechanizmusokat vagy eszközöket szokás használni. Az ilyen moduláris eszközök fő eleme fémlemezek formájában lévő vezetők.

A fő áramparaméterek meghatározásához jól ismert elméletek és képletek alkalmazása szükséges. A leggyakoribb az Ohm-törvény. Univerzális amperkarakterisztikaként működik, ahol megvalósul az áram feszültségtől való függésének elve. Emlékezzünk vissza, hogy a feszültséget Amper egységekben mérik.

A vízzel és sóval végzett kísérletekhez sós vízzel edényt kell készíteni. Ez gyakorlati és vizuális megértést ad a folyadékokban az elektromos áram képződése során fellépő folyamatokról. A telepítésnek tartalmaznia kell téglalap alakú elektródákat és tápegységeket is. A kísérletek teljes körű előkészítéséhez amperes telepítés szükséges. Segít az energiát a tápegységről az elektródákra vezetni.

A fémlemezek vezetőként működnek. A használt folyadékba mártják, majd rákapcsolják a feszültséget. A részecskék mozgása azonnal megindul. Ez kaotikus módon történik. Bármikor mágneses mező A vezetők között a részecskemozgás összes folyamata rendezett.

Az ionok elkezdenek töltéseket váltani és egyesülni. Így a katódokból anódok, az anódok pedig katódokká válnak. Számos más fontos tényezőt is figyelembe kell venni ebben a folyamatban:

• disszociáció szintje;
• hőfok;
• elektromos ellenállás;
• váltakozó vagy egyenáram használata.

A kísérlet végén sóréteg képződik a lemezeken.

Az elektromos áram eredete (az elektromos töltések mozgása) a megoldáson keresztül jelentősen eltér az elektromos töltések fémvezető mentén történő mozgásától.

A különbség elsősorban az, hogy az oldatokban a töltéshordozók nem elektronok, hanem ionok, azaz. maguk az atomok vagy molekulák, amelyek elvesztettek vagy nyertek egy vagy több elektront.

Természetesen ez a mozgás, így vagy úgy, maga az anyag tulajdonságainak megváltozásával jár.

Tekintsünk egy elektromos áramkört, melynek eleme egy megoldással ellátott edény asztali sóés a lemezről belehelyezett bármilyen alakú elektródákkal. Áramforráshoz csatlakoztatva áram jelenik meg az áramkörben, amely a nehéz töltött részecskék - ionok - mozgását jelenti az oldatban. Az ionok megjelenése már az oldat két fő elemre - Na és Cl - kémiai bomlásának lehetőségét jelenti. A nátrium egy elektron elvesztésével pozitív töltésű ion, amely az elektróda felé mozog, amely az áramforrás negatív kivezetéséhez kapcsolódik, elektromos áramkör. Az elektront „bitorló” klór negatív ion.

A negatív klórionok az elektróda felé mozognak, amely az elektromos áramforrás pozitív pólusához kapcsolódik. láncok.

A pozitív és negatív ionok képződése egy konyhasó molekula vizes oldatban történő spontán szétesése (elektrolitikus disszociáció) következtében következik be. Az ionok mozgását az oldatba merített elektródákra adott feszültség okozza. Az elektródákhoz érve az ionok elektronokat vesznek fel vagy adnak fel, Cl és Na molekulákat képezve. Hasonló jelenségek figyelhetők meg sok más anyag oldatában is. Ezeknek az anyagoknak a molekulái a konyhasó molekuláihoz hasonlóan ellentétes töltésű ionokból állnak, amelyekbe oldatokban szétesnek. A bomlott molekulák száma, pontosabban az ionok száma jellemzi az oldat elektromos ellenállását.

Hangsúlyozzuk még egyszer, hogy az elektromos áram eredete egy olyan áramkör mentén, amelynek az eleme oldat, az elektromos áramkör ezen elemének anyagának mozgását, következésképpen kémiai tulajdonságainak megváltozását idézi elő. Amikor elektromos áram halad át egy fémvezetőn, a vezetőben nem történik változás.

Mi határozza meg az elektrolízis során felszabaduló anyag mennyiségét az elektródákon? Faraday először válaszolt erre a kérdésre. Faraday kísérletileg kimutatta, hogy a felszabaduló anyag tömege az áram erősségével és az áramlási idejével t arányban van összefüggésben (Faraday törvénye):

Egy anyag elektrolízise során felszabaduló anyag tömege egyenesen arányos az elektroliton áthaladó elektromosság mennyiségével, és nem függ az anyag típusától eltérő okoktól.

Ez a minta ellenőrizhető kísérleteket követve. Öntsük ugyanazt az elektrolitot több fürdőbe, de eltérő koncentrációban. Engedjük le a különböző területek elektródáit a fürdőkbe, és helyezzük el a fürdőkben különböző távolságra. Kössük sorba az összes fürdőt, és engedjük át rajtuk az áramot. Ekkor nyilván ugyanannyi áram fog áthaladni mindegyik fürdőn. A kísérlet előtt és után lemérve a katódokat, azt találjuk, hogy minden katódon azonos mennyiségű anyag szabadult fel. Az összes fürdő párhuzamos csatlakoztatásával és áram átvezetésével ellenőrizheti, hogy a katódokon felszabaduló anyag mennyisége egyenesen arányos-e az egyes fürdőkön áthaladó elektromosság mennyiségével. Végül a különböző elektrolitokat tartalmazó fürdők sorba kapcsolásával könnyen megállapítható, hogy a felszabaduló anyag mennyisége az anyag típusától függ.

Az elektrolízis során felszabaduló anyag mennyiségének típusától való függőségét jellemző mennyiséget elektrokémiai ekvivalensnek nevezzük, és k betűvel jelöljük.

Az elektrolízis során felszabaduló anyag tömege az elektródán kisütt összes ion össztömege. Különböző sók elektrolízisnek alávetésével kísérletileg meg lehet határozni azt az elektromos áram mennyiségét, amelynek át kell haladnia az elektroliton ahhoz, hogy egy kilogramm - egy adott anyag egyenértéke - felszabaduljon. Faraday volt az első, aki ilyen kísérleteket végzett. Megállapította, hogy egy kilogramm felszabadulásához – ami egyenértékű bármely anyag elektrolízis során – ugyanannyi elektromos áramra van szükség, ami 9,65 107 k.

Az elektrolízis során egy kilogramm egyenértéknyi anyag felszabadulásához szükséges villamos energia mennyiségét Faraday-számnak nevezzük, és F betűvel jelöljük:

F = 9,65·107 k.

Az elektrolitban az iont olyan oldószer (víz) molekulák veszik körül, amelyek jelentős dipólusmomentumokkal rendelkeznek. Ionnal kölcsönhatásba lépve a dipólmolekulák végeikkel felé fordulnak, amelyek töltése az ion töltésével ellentétes előjelű, így az ion rendezett mozgása elektromos térben nehézkes, az ionok mobilitása jelentősen gyengébb a fémben lévő vezetési elektronok mobilitásánál. Mivel az ionok koncentrációja általában nem nagy a fémben lévő elektronok koncentrációjához képest, akkor elektromos vezetőképesség Az elektrolitoknak mindig lényegesen kisebb az elektromos vezetőképessége a fémeknél.

Az erős áramütés miatt az elektrolitokban csak jelentéktelen áramsűrűség érhető el, pl. kisebb feszültségek elektromos mező. Az elektrolit hőmérsékletének növekedésével a molekulák fokozott véletlenszerű mozgása hatására az oldószer dipólusok rendezett orientációja romlik, így a dipólus héja részben tönkremegy, az ionok mobilitása és az oldat vezetőképessége nő. A fajlagos elektromos vezetőképesség koncentrációtól való függése állandó hőmérsékleten összetett. Ha az oldódás bármilyen arányban lehetséges, akkor bizonyos koncentrációnál az elektromos vezetőképesség maximuma. Ennek az az oka, hogy a molekulák ionokká válásának valószínűsége arányos az oldószermolekulák számával és a molekulák számával. oldható anyag térfogategységenként. De lehetséges a fordított folyamat is: (ionok rekombinációja molekulákká), melynek valószínűsége arányos az ionpárok számának négyzetével. Végül az elektromos vezetőképesség arányos az egységnyi térfogatra jutó ionpárok számával. Ezért alacsony koncentrációknál a disszociáció teljes, de az ionok összszáma kicsi. Nagyon nagy koncentrációknál a disszociáció gyenge, és az ionok száma is kicsi. Ha egy anyag oldhatósága korlátozott, akkor általában nem figyelhető meg a maximális elektromos vezetőképesség. Fagyáskor a vizes oldat viszkozitása meredeken megnő, az ionok mobilitása meredeken csökken, az elektromos vezetőképesség ezerszeresére csökken. A folyékony fémek megszilárdulásakor az elektronok mobilitása és elektromos vezetőképessége szinte változatlan marad.

Az elektrolízist széles körben használják a különböző elektrokémiai iparágakban. Ezek közül a legfontosabbak: fémek elektrolitikus előállítása sóik vizes oldataiból és olvadt sóikból; kloridsók elektrolízise; elektrolitikus oxidáció és redukció; hidrogén előállítása elektrolízissel; galvanostegy; elektrotípia; elektropolírozás. A finomítási eljárás tiszta, szennyeződésektől mentes fémet eredményez. A galvanizálás a fémtárgyak bevonása egy másik fémréteggel. A galvanizálás fémmásolatok készítése bármely felület domborművéből. Elektropolírozás - fémfelületek kiegyenlítése.

Szinte mindenki ismeri az elektromos áram definícióját, mint A lényeg azonban az, hogy eredete és mozgása a különböző környezetekben meglehetősen különbözik egymástól. Különösen a folyadékokban lévő elektromos áramnak kissé eltérő tulajdonságai vannak, mint Ez körülbelül ugyanazokról a fémvezetőkről.

A fő különbség az, hogy a folyadékokban az áram a töltött ionok mozgása, vagyis olyan atomok vagy akár molekulák, amelyek valamilyen oknál fogva elveszítették vagy nyertek elektronokat. Ezenkívül ennek a mozgásnak az egyik mutatója az anyag tulajdonságainak megváltozása, amelyen ezek az ionok áthaladnak. Az elektromos áram definíciója alapján feltételezhetjük, hogy a bomlás során a negatív töltésű ionok a pozitív és a pozitív, ellenkezőleg, a negatív felé haladnak.

Az oldatmolekulák pozitív és negatív töltésű ionokra bomlásának folyamatát a tudomány nevezi elektrolitikus disszociáció. Így a folyadékokban elektromos áram abból a tényből adódik, hogy az azonos fémvezetővel ellentétben az összetétel ill. Kémiai tulajdonságok ezek a folyadékok, ami a töltött ionok mozgását eredményezi.

A folyadékok elektromos árama, eredete, mennyiségi és minőségi jellemzői voltak az egyik fő probléma, amelyet a híres fizikus, M. Faraday sokáig tanulmányozott. Különösen számos kísérlet segítségével tudta bizonyítani, hogy az elektrolízis során felszabaduló anyag tömege közvetlenül függ az elektromosság mennyiségétől és az elektrolízis végrehajtásának időtartamától. Ez a tömeg nem függ más okoktól, kivéve az anyag típusát.

Ezenkívül a folyadékok áramának tanulmányozásával Faraday kísérletileg megállapította, hogy egy kilogramm anyag felszabadulásához az elektrolízis során ugyanannyira van szükség.Ezt a mennyiséget, amely 9,65,10 7 k.-nak felel meg, Faraday-számnak nevezték.

A fémvezetőkkel ellentétben a folyadékokban az elektromos áramot körülveszik, ami jelentősen akadályozza az anyag ionjainak mozgását. Ebből a szempontból bármely elektrolitban csak kis feszültségű áram állítható elő. Ugyanakkor, ha az oldat hőmérséklete növekszik, akkor nő a vezetőképessége és nő a mező.

Az elektrolízisnek van egy másik érdekes tulajdonsága. A helyzet az, hogy annál nagyobb a valószínűsége annak, hogy egy adott molekula pozitív és negatív töltésű ionokra bomlik, minél nagyobb a nagyobb szám magának az anyagnak és az oldószernek a molekulái. Ugyanakkor egy bizonyos pillanatban az oldat ionokkal túltelítődik, ami után az oldat vezetőképessége csökkenni kezd. Így a legerősebb olyan oldatban fordul elő, ahol az ionok koncentrációja rendkívül alacsony, de az elektromos áram intenzitása az ilyen oldatokban rendkívül alacsony.

Elektrolízis folyamatot találtunk széles körű alkalmazás elektrokémiai reakciókkal kapcsolatos különféle ipari folyamatokban. Ezek közül a legfontosabbak a fémek elektrolitok felhasználásával történő előállítása, a klórt és származékait tartalmazó sók elektrolízise, ​​a redox reakciók, olyan szükséges anyagok előállítása, mint a hidrogén, felületi polírozás, galvanizálás. Például sok gép- és műszergyártó vállalkozásnál nagyon elterjedt a finomítási eljárás, amely a fém előállítása felesleges szennyeződések nélkül.

Az övékkel kapcsolatban elektromos tulajdonságok a folyadékok nagyon változatosak. Az olvadt fémek, akárcsak a szilárd állapotban lévő fémek, nagy elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, amely a szabad elektronok nagy koncentrációjához kapcsolódik.

Sok folyadék, mint például a tiszta víz, az alkohol, a kerozin jó dielektrikum, mert molekuláik elektromosan semlegesek és nincsenek szabad töltéshordozók.

Elektrolitok. A folyadékok egy speciális osztálya az úgynevezett elektrolitokból áll, amelyek vizes oldatokat tartalmaznak szervetlen savak, sók és bázisok, ionkristályok olvadékai stb. Az elektrolitokra jellemző az ionok nagy koncentrációja, amelyek lehetővé teszik az elektromos áram áthaladását. Ezek az ionok az olvadás és oldódás során keletkeznek, amikor az oldószermolekulák elektromos mezőinek hatására az oldott anyag molekulái külön pozitív és negatív töltésű ionokra bomlanak. Ezt a folyamatot elektrolitikus disszociációnak nevezik.

Elektrolitikus disszociáció. Egy adott anyag a disszociációs foka, vagyis az ionokra bomlott oldott molekulák aránya függ a hőmérséklettől, az oldat koncentrációjától és az oldószer dielektromos állandójától. A hőmérséklet emelkedésével a disszociáció mértéke nő. Az ellenkező előjelű ionok rekombinálódhatnak, újra semleges molekulákká egyesülve. Állandó külső körülmények között az oldatban dinamikus egyensúly jön létre, amelyben a rekombinációs és disszociációs folyamatok kompenzálják egymást.

Minőségileg az alábbi egyszerű érvek segítségével megállapítható az a disszociáció fokának az oldott anyag koncentrációjától való függése. Ha egy térfogategység egy oldott anyag molekuláit tartalmazza, akkor ezek egy része disszociál, a többi nem disszociál. Az egységnyi oldattérfogatra eső elemi disszociációs aktusok száma arányos a fel nem osztott molekulák számával, ezért egyenlő azzal, ahol A az elektrolit természetétől és a hőmérséklettől függő együttható. A rekombinációs események száma arányos az eltérő ionok ütközésének számával, azaz arányos mind ezek, mind más ionok számával. Ezért egyenlő azzal, ahol B egy adott anyagra állandó hőmérsékleten állandó együttható.

Dinamikus egyensúlyi állapotban

Az arány nem függ a koncentrációtól Látható, hogy minél kisebb az oldat koncentrációja, annál közelebb van az egységhez: nagyon híg oldatokban az oldott anyag szinte minden molekulája disszociál.

Minél nagyobb az oldószer dielektromos állandója, annál gyengültebb ionos kötések az oldott anyag molekuláiban, és ezért minél nagyobb a disszociáció mértéke. Így, sósav vízben oldva nagy elektromos vezetőképességű elektrolitot ad, míg etil-éteres oldata nagyon rosszul vezeti az elektromosságot.

Szokatlan elektrolitok. Vannak nagyon szokatlan elektrolitok is. Például az elektrolit üveg, amely egy erősen túlhűtött, hatalmas viszkozitású folyadék. Melegítéskor az üveg meglágyul és viszkozitása nagymértékben csökken. Az üvegben jelenlévő nátriumionok észrevehetően mozgékonyakká válnak, és lehetővé válik az elektromos áram áthaladása, bár normál hőmérsékleten az üveg jó szigetelő.

Rizs. 106. Az üveg elektromos vezetőképességének bemutatása hevítéskor

Ennek világos demonstrációja látható a kísérletben, melynek diagramja a 1. ábrán látható. 106. Egy üvegrúd reosztáton keresztül csatlakozik a világítási hálózathoz, míg a rúd hideg, az üveg nagy ellenállása miatt az áramkörben elhanyagolható az áram. Ha a pálcát gázégővel 300-400 °C-ra melegítjük, akkor ellenállása több tíz ohmra csökken, és az L izzó izzószála felforrósodik. Most rövidre zárhatja az izzót a K gombbal. Ebben az esetben az áramkör ellenállása csökken, az áramerősség pedig nő. Ilyen körülmények között a pálca hatékonyan felmelegszik elektromos áram hatására, és addig világít, amíg fényesen világít, még akkor is, ha az égőt eltávolítják.

Ionos vezetőképesség. Az elektromos áram áthaladását az elektrolitban Ohm törvénye írja le

Az elektrolitban lévő elektromos áram tetszőlegesen alacsony alkalmazott feszültség mellett történik.

Az elektrolitban lévő töltéshordozók pozitív és negatív töltésű ionok. Az elektrolitok elektromos vezetőképességének mechanizmusa sok tekintetben hasonló a gázok elektromos vezetőképességének fentebb leírt mechanizmusához. A fő különbségek abból adódnak, hogy a gázokban a töltéshordozók mozgásával szembeni ellenállás elsősorban a semleges atomokkal való ütközésükből adódik. Az elektrolitokban az ionok mobilitása az oldószerben való mozgásuk során a belső súrlódásnak – viszkozitásnak – köszönhető.

A hőmérséklet emelkedésével az elektrolitok vezetőképessége, ellentétben a fémekkel, nő. Ez annak köszönhető, hogy a hőmérséklet emelkedésével a disszociáció mértéke nő, a viszkozitás pedig csökken.

Ellentétben a fémekre és félvezetőkre jellemző elektronikus vezetőképességgel, ahol az elektromos áram áthaladását nem kíséri változás kémiai összetétel anyagok, az ionvezetőképesség az anyagok átviteléhez kapcsolódik

valamint az elektrolitokban lévő anyagok felszabadulását az elektródákon. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezik.

Elektrolízis. Amikor egy anyag szabadul fel az elektródán, a megfelelő ionok koncentrációja az elektródával szomszédos elektrolit régióban csökken. Így itt megbomlik a disszociáció és a rekombináció közötti dinamikus egyensúly: itt megy végbe az anyag bomlása az elektrolízis hatására.

Az elektrolízist először a víz lebontásában figyelték meg az áram által voltaic oszlop. Néhány évvel később a híres vegyész, G. Davy felfedezte a nátriumot, és elektrolízissel izolálta a nátronlúgból. Az elektrolízis kvantitatív törvényeit M. Faraday kísérleti úton állapította meg, amelyek az elektrolízis jelenségének mechanizmusa alapján könnyen alátámaszthatók.

Faraday törvényei. Minden ionnak van egy elektromos töltése, amely többszöröse az e elemi töltésnek. Más szóval, az ion töltése egyenlő , ahol a megfelelő kémiai elem vagy vegyület vegyértékével egyenlő egész szám. Tegyük fel, hogy amikor az áram áthalad az elektródán, ionok szabadulnak fel. Feladatuk az abszolút érték egyenlő A pozitív ionok elérik a katódot, és töltésüket az áramforrásból a vezetékeken keresztül a katódra áramló elektronok semlegesítik. Negatív ionok közelednek az anódhoz, és ugyanannyi elektron jut el a vezetékeken keresztül az áramforráshoz. Ebben az esetben egy töltés egy zárt elektromos áramkörön halad keresztül

Jelöljük az egyik elektródán felszabaduló anyag tömegével és az ion (atom vagy molekula) tömegével. Nyilvánvaló tehát, hogy ennek a törtnek a számlálóját és nevezőjét megszorozzuk Avogadro állandójával, azt kapjuk

hol van atomi ill moláris tömeg, Faraday állandó, adva

A (4)-ből világos, hogy a Faraday-állandó jelentése „egy mól elektromosság”, azaz egy mól elemi töltés teljes elektromos töltése:

A (3) képlet mindkét Faraday-törvényt tartalmazza. Azt mondja, hogy az elektrolízis során felszabaduló anyag tömege arányos az áramkörön áthaladó töltéssel (Faraday első törvénye):

Az együtthatót egy adott anyag elektrokémiai ekvivalensének nevezzük, és mértékegységben fejezzük ki

kilogramm per coulomb Jelentése az ion fajlagos töltésének reciproka.

A k elektrokémiai egyenértéke arányos az anyag kémiai egyenértékével (Faraday második törvénye).

Faraday törvényei és az elemi vád. Mivel Faraday idejében még nem létezett az elektromosság atomi természetének fogalma, az elektrolízis törvényeinek kísérleti felfedezése korántsem volt triviális. Éppen ellenkezőleg, Faraday törvényei voltak azok, amelyek ezeknek az elképzeléseknek az érvényességének első kísérleti bizonyítékául szolgáltak.

A Faraday-állandó kísérleti mérése először tette lehetővé az elemi töltés értékének számszerű becslését jóval az elemi elektromos töltés közvetlen mérése előtt Millikan olajcseppekkel végzett kísérleteiben. Figyelemre méltó, hogy az elektromosság atomszerkezetének elképzelése egyértelmű kísérleti megerősítést kapott a 19. század 30-as éveiben végzett elektrolízises kísérletekben, amikor még az anyag atomi szerkezetének gondolatát sem osztotta mindenki. tudósok. A Királyi Társaságnak tartott híres beszédében, amelyet Faraday emlékének szenteltek, Helmholtz így kommentálta ezt a körülményt:

"Ha elismerjük a kémiai elemek atomjainak létezését, akkor nem kerülhetjük el azt a további következtetést, hogy az elektromosság, mind a pozitív, mind a negatív, bizonyos elemi mennyiségekre oszlik, amelyek úgy viselkednek, mint az elektromosság atomjai."

Kémiai áramforrások. Ha egy fémet, például cinket vízbe merítünk, akkor a poláris vízmolekulák hatására bizonyos mennyiségű pozitív cinkion elkezd kimozdulni a felületi rétegből. kristályrács fém vízbe. Ennek eredményeként a cink negatívan, a víz pedig pozitívan töltődik. A fém és a víz határfelületén egy elektromos kettős rétegnek nevezett vékony réteg képződik; erős elektromos tér van benne, melynek intenzitása a víztől a fém felé irányul. Ez a mező megakadályozza a cinkionok további átmenetét vízbe, és ennek eredményeként olyan dinamikus egyensúly jön létre, amelyben a fémből a vízbe érkező ionok átlagos száma megegyezik a vízből a fémbe visszatérő ionok számával.

A dinamikus egyensúly akkor is létrejön, ha a fém belemerül vizes oldat ugyanazon fém sói, például cink cink-szulfát oldatában. Az oldatban a só ionokká disszociál.A keletkező cinkionok nem különböznek az elektródáról oldatba került cinkionoktól. A cinkionok koncentrációjának növekedése az elektrolitban megkönnyíti ezen ionok átalakulását a fémbe az oldatból, és megnehezíti azt

átmenet fémről oldatra. Ezért a cink-szulfát oldatban a merített cinkelektróda, bár negatív töltésű, gyengébb, mint a tiszta vízben.

Ha egy fémet oldatba merítünk, a fém nem mindig lesz negatív töltésű. Például, ha egy rézelektródát réz-szulfát-oldatba merítünk, akkor az ionok elkezdenek kicsapódni az elektródán lévő oldatból, pozitívan töltve azt. A térerősség az elektromos kettős rétegben ebben az esetben a réztől az oldat felé irányul.

Így ha egy fémet vízbe vagy ugyanazon fém ionjait tartalmazó vizes oldatba merítünk, potenciálkülönbség keletkezik közöttük a fém és az oldat határfelületén. Ennek a potenciálkülönbségnek az előjele és nagysága a fém típusától (réz, cink stb.), az oldatban lévő ionok koncentrációjától függ, és szinte független a hőmérséklettől és a nyomástól.

Két különböző fémből készült elektróda elektrolitba merítve galvánelemet alkot. Például egy Volta-cellában a cink- és rézelektródákat vizes kénsavoldatba merítik. Az oldat eleinte nem tartalmaz sem cink-, sem rézionokat. Később azonban ezek az ionok az elektródákról bejutnak az oldatba, és létrejön a dinamikus egyensúly. Amíg az elektródák nincsenek huzallal összekötve egymással, az elektrolit potenciálja minden ponton azonos, és az elektródák potenciálja eltér az elektrolit potenciáljától a kettős rétegek miatt, amelyek a határfelületükön képződnek. elektrolit. Ebben az esetben a cink elektródapotenciálja -0,763 V, a rézé pedig a Volt elem elektromotoros ereje, amely ezekből a potenciálugrásokból áll, egyenlő lesz

Áram egy galvánelemes áramkörben. Ha egy galvanikus cella elektródáit egy huzal köti össze, akkor az elektronok ezen a vezetéken keresztül a negatív elektródától (cink) a pozitív elektródáig (réz) mozognak, ami felborítja az elektródák és az elektrolit közötti dinamikus egyensúlyt, amelyben vannak. elmerülve. A cinkionok elkezdenek mozogni az elektródáról az oldatba, hogy az elektromos kettős réteget ugyanabban az állapotban tartsák, állandó potenciálugrással az elektróda és az elektrolit között. Hasonlóképpen egy rézelektródánál a rézionok elkezdenek kimozdulni az oldatból, és kicsapódnak az elektródán. Ebben az esetben a negatív elektród közelében ionhiány képződik, a pozitív elektród közelében pedig az ilyen ionok feleslege. Teljes szám az oldatban lévő ionok nem változnak.

A leírt folyamatok eredményeként zárt körben elektromos áramot tartanak fenn, amelyet az összekötő vezetékben az elektronok mozgása, az elektrolitban pedig ionok hoznak létre. Amikor elektromos áram halad át, a cinkelektróda fokozatosan feloldódik, és réz rakódik le a pozitívon (réz)

elektróda. Az ionkoncentráció a cinkelektródánál nő, a rézelektródánál csökken.

Potenciál galvánelemes áramkörben. A leírt kép az elektromos áram áthaladását egy nem egyenletes zárt áramkörben, amely tartalmazza kémiai elem, megfelel az áramkör mentén fennálló potenciáleloszlásnak, amely vázlatosan az 1. ábrán látható. 107. A külső áramkörben, azaz az elektródákat összekötő vezetékben a potenciál egyenletesen csökken az A pozitív (réz) elektródánál lévő értékről a B negatív (cink) elektródánál lévő értékre az Ohm-törvénynek megfelelően homogénre. karmester. A belső áramkörben, vagyis az elektródák közötti elektrolitban a potenciál fokozatosan csökken a cinkelektróda közelében lévő értékről a rézelektródához közeli értékre. Ha a külső áramkörben az áram a rézelektródától a cinkelektródáig folyik, akkor az elektroliton belül a cinktől a rézig. Az elektromos kettős rétegek potenciális ugrásai külső (jelen esetben kémiai) erők hatására jönnek létre. Az elektromos töltések kettős rétegben történő mozgása külső erők hatására ellentétes az elektromos erők hatásirányával.

Rizs. 107. Potenciális eloszlás egy kémiai elemet tartalmazó lánc mentén

ábrán a potenciálváltozás ferde metszetei. 107 mérkőzés elektromos ellenállás zárt áramkör külső és belső szakaszai. A teljes potenciálesés ezeken a szakaszokon megegyezik a kettős rétegekben bekövetkező potenciálugrások összegével, azaz az elem elektromotoros erejével.

Az elektromos áram áthaladását a galvánelemben megnehezítik az elektródákon felszabaduló melléktermékek és az elektrolitban a koncentrációkülönbség megjelenése. Ezeket a jelenségeket elektrolitikus polarizációnak nevezik. Például Volta elemekben, amikor az áramkör zárva van, pozitív ionok mozognak a rézelektródára, és lerakódnak rajta. Ennek eredményeként egy idő után a rézelektródát hidrogénnel helyettesítik. Mivel a hidrogén elektródpotenciálja 0,337 V-tal kisebb, mint a réz elektródpotenciálja, az elem emf-je megközelítőleg ugyanennyivel csökken. Ezenkívül a rézelektródán felszabaduló hidrogén növeli az elem belső ellenállását.

A csökkentéshez káros befolyást hidrogént, depolarizálókat használnak - különféle oxidálószereket. Például a leggyakrabban használt elemben, a Leclanche („száraz” elemek)

A pozitív elektróda egy grafit rúd, amelyet mangán-peroxid és grafit összenyomott tömege vesz körül.

Elemek. Gyakorlatilag fontos típusa a galvanikus celláknak az akkumulátorok, amelyeknél kisütés után fordított töltési folyamat lehetséges az elektromos energia kémiai energiává alakításával. Az elektromos áram előállítása során elfogyasztott anyagok elektrolízissel visszakerülnek az akkumulátor belsejébe.

Látható, hogy az akkumulátor töltésekor a kénsav koncentrációja nő, ami az elektrolit sűrűségének növekedéséhez vezet.

Így a töltési folyamat során az elektródák éles aszimmetriája jön létre: az egyik ólom, a másik ólom-peroxid lesz. A feltöltött akkumulátor egy galvanikus cella, amely áramforrásként szolgálhat.

Amikor elektromos energiafogyasztókat csatlakoztatnak az akkumulátorhoz, az áramkörön elektromos áram folyik át, amelynek iránya ellentétes a töltőárammal. Kémiai reakciók menjen az ellenkező irányba, és az akkumulátor visszatér eredeti állapotába. Mindkét elektródát sóréteg borítja, és a kénsav koncentrációja visszaáll az eredeti értékre.

Feltöltött akkumulátor esetén az EMF körülbelül 2,2 V. Kisütéskor 1,85 V-ra csökken. A további kisütés nem javasolt, mivel az ólom-szulfát képződése visszafordíthatatlanná válik, és az akkumulátor tönkremegy.

Azt a maximális töltést, amelyet egy akkumulátor lemerült állapotban képes leadni, kapacitásának nevezzük. Az akkumulátor kapacitása általában

amperórában mérve. Minél nagyobb több felület tányérok

Az elektrolízis alkalmazásai. Az elektrolízist a kohászatban használják. Az alumínium és a tiszta réz leggyakoribb elektrolitikus gyártása. Az elektrolízis segítségével egyes anyagokból vékony rétegeket lehet létrehozni mások felületén dekoratív és védőbevonatok (nikkelezés, krómozás) előállítása érdekében. A lehúzható bevonatok előállításának folyamatát (elektroplasztika) B. S. Jacobi orosz tudós dolgozta ki, aki ezzel díszítő üreges szobrokat készített. Szent Izsák-székesegyház Szentpéterváron.

Mi a különbség a fémek és az elektrolitok elektromos vezetőképességének fizikai mechanizmusa között?

Magyarázza meg, hogy egy adott anyag disszociációs foka miért függ az oldószer dielektromos állandójától!

Magyarázza meg, hogy az erősen híg elektrolit oldatokban miért disszociál szinte az összes oldott molekula!

Magyarázza el, hogyan hasonlít az elektrolitok elektromos vezetőképességének mechanizmusa a gázok elektromos vezetőképességének mechanizmusához! Miért arányos állandó külső körülmények között az elektromos áram az alkalmazott feszültséggel?

Milyen szerepet játszik az elektromos töltés megmaradásának törvénye az elektrolízis törvényének (3) levezetésében?

Magyarázza meg az összefüggést egy anyag elektrokémiai megfelelője és konkrét díj az ionjai.

Hogyan határozható meg kísérletileg az elektrokémiai egyenértékek aránya? különböző anyagok, ha több elektrolitikus fürdő van, de nincs árammérő műszer?

Hogyan lehet az elektrolízis jelenségét felhasználni elektromos fogyasztásmérő létrehozására egyenáramú hálózatban?

Miért tekinthetők Faraday törvényei az elektromosság atomi természetével kapcsolatos elképzelések kísérleti bizonyítékának?

Milyen folyamatok mennek végbe, ha fémelektródákat vízbe merítünk, és ezeknek a fémeknek ionjait tartalmazó elektrolitba merítjük?

Ismertesse a galvanikus cella elektródái közelében az elektrolitban az áram áthaladása során lezajló folyamatokat!

Miért mozognak a pozitív ionok a feszültségcellában a negatív (cink) elektródáról a pozitív (réz) elektródára? Hogyan jön létre potenciáleloszlás egy olyan áramkörben, amely az ionok ilyen mozgását idézi elő?

Miért ellenőrizhető a savas akkumulátor töltöttségi foka hidrométerrel, azaz folyadék sűrűségét mérő készülékkel?

Miben különböznek alapvetően az akkumulátorokban végzett folyamatok a „száraz” akkumulátorokban végzett folyamatoktól?

A c akkumulátor töltési folyamatában elhasznált elektromos energia mekkora része használható fel kisütéskor, ha a töltés során a kapcsain feszültséget tartottak

Elektronáram folyadékokban

A vasvezetőben a szabad elektronok irányított mozgása révén elektronáram jelenik meg, és mindebben az anyagban, amelyből a vezető készül, nem történik változás.

Az olyan vezetőket, amelyekben az elektronáram áthaladását nem kísérik anyagukban bekövetkező kémiai változások, nevezzük az első típusú karmesterek. Ezek közé tartozik az összes fém, a szén és számos más anyag.

De vannak a természetben olyan elektromos áramvezetők is, amelyekben az áram áthaladása során kémiai jelenségek lépnek fel. Ezeket a vezetőket ún a második típusú karmesterek. Ide tartoznak elsősorban a savak, sók és lúgok különböző vízkeverékei.

Ha vizet öntünk egy üvegedénybe, és adunk hozzá néhány csepp kénsavat (vagy más savat vagy lúgot), majd veszünk két vaslemezt, és vezetékeket csatlakoztatunk hozzájuk, leengedjük ezeket a lemezeket az edénybe, és áramforrást csatlakoztatunk a a vezetékek másik végét a kapcsolón és ampermérőn keresztül, akkor gáz szabadul fel az oldatból, és ez folyamatosan tart, amíg az áramkör zárva van, mert a savanyított víz valóban vezető. Ezenkívül a lemezeket gázbuborékok borítják. Ezután ezek a buborékok leválik a tányérokról, és kijönnek.

Amikor elektronáram halad át az oldaton, kémiai változások következnek be, ami gáz felszabadulását eredményezi.

A második típusú vezetőket elektrolitoknak nevezzük, és azt a jelenséget, amely az elektrolitban akkor lép fel, amikor elektronáram halad át rajta.

Az elektrolitba merített vaslemezeket elektródáknak nevezzük; az egyiket, amely az áramforrás pozitív pólusára van kötve, anódnak, a másikat, amely a negatív pólushoz csatlakozik, katódnak nevezzük.

Mi határozza meg az elektronáram áthaladását egy vizes vezetőben? Kiderült, hogy az ilyen keverékekben (elektrolitok) a sav (lúg, só) molekulái oldószer (jelen esetben víz) hatására két részre bomlanak, míg A molekula egyik részecskéjének elektrontöltése pozitív, a másiké negatív.

Az elektronikus töltéssel rendelkező molekuláris részecskéket ionoknak nevezzük. Ha egy savat, sót vagy lúgot vízben oldunk, a nagy mennyiség pozitív és negatív töltésű ionok egyaránt.

Most már ki kell derülnie, hogy miért haladt át elektronáram a megoldáson, mert az áramforráshoz csatlakoztatott elektródák között potenciálkülönbség keletkezett, vagyis az egyik pozitív töltésű, a másik negatívan. Ennek a potenciálkülönbségnek a hatására a pozitív ionok a negatív elektród - a katód - felé, a negatív ionok pedig az anód felé kezdtek keveredni.

Így az ionok kaotikus mozgása negatív töltésű ionok rendezett ellenmozgásává vált az egyik irányba, a pozitívoké pedig a másik irányba. Ez a töltésátviteli folyamat az elektronáram áramlását jelenti az elektroliton keresztül, és addig megy végbe, amíg potenciálkülönbség van az elektródák között. A potenciálkülönbség megszűnésével az elektroliton áthaladó áram leáll, az ionok rendezett mozgása megszakad, és újra megindul a kaotikus mozgás.

Példaként tekintsük az elektrolízis jelenségét, amikor réz-szulfát CuSO4 oldatán elektronáramot vezetünk át rézelektródákkal.

Az elektrolízis jelensége, amikor az áram áthalad egy réz-szulfát oldaton: C - edény elektrolittal, B - áramforrás, C - kapcsoló

Az ionok ellenirányú mozgása is lesz az elektródák felé. A pozitív ion a rézion (Cu), a negatív ion pedig a savmaradék ion (SO4) lesz. A katóddal érintkező rézionok kisütve kisülnek (a hiányzó elektronokat magukhoz kapcsolják), azaz tiszta réz semleges molekulákká alakulnak, és vékony (molekuláris) réteg formájában lerakódnak a katódra.

Az anódot elérve a negatív ionok is kisülnek (többlet elektronokat adnak fel). Ugyanakkor kémiai reakcióba lépnek az anód rézével, melynek eredményeként egy Cu rézmolekula csatlakozik a savas SO4 maradékhoz, és megjelenik egy réz-szulfát CuS O4 molekula, amely visszakerül az elektrolitba. .

Mivel ez a kémiai folyamat hosszú időt vesz igénybe, réz rakódik le a katódon, és felszabadul az elektrolitból. Ebben az esetben a katódra ment rézmolekulák helyett az elektrolit új rézmolekulákat kap a második elektród - az anód - feloldódása miatt.

Ugyanez a folyamat megy végbe, ha rézelektródák helyett cinkelektródákat használnak, és az elektrolit cink-szulfát Zn SO4 oldata. A cink is átkerül az anódról a katódra.

Ily módon Különbség az elektronáram között a fémekben és a folyadékvezetőkben az, hogy a fémekben csak a szabad elektronok, azaz a negatív töltések töltéshordozók, míg az elektrolitokban az elektromosságot valamely anyag különböző töltésű részecskéi - ellentétes irányba mozgó ionok - hordozzák. Ezért mondják Az elektrolitoknak ionos vezetőképességük van.

Elektrolízis jelenség 1837-ben fedezte fel B. S. Jacobi, aki számtalan kísérletet végzett a kémiai áramforrások tanulmányozására és javítására. Jacobi azt találta, hogy a réz-szulfát oldatba helyezett elektródák egyike rézzel vonódott be, amikor elektronáram haladt át rajta.

Ezt a jelenséget az ún galvanizálás, rátalál Ebben a pillanatban nagyon hatalmas gyakorlati használat. Ennek egyik példája a vastárgyak bevonása vékony más fémréteggel, azaz nikkelezés, aranyozás, ezüstözés stb.

A gázok (beleértve a levegőt is) normál körülmények között nem vezetnek elektronáramot. Például a felsővezetékek fedetlen, egymással párhuzamosan felfüggesztett vezetékeit levegőréteg választja el egymástól.

De magas hőmérséklet, nagy potenciálkülönbségek és egyéb körülmények hatására a gázok, mint a vizes vezetők, ionizálódnak, azaz nagy mennyiségben jelennek meg bennük a gázmolekulák részecskéi, amelyek elektromosság hordozóiként megkönnyítik az elektronok áthaladását. áram a gázon keresztül.

Ugyanakkor a gáz ionizációja eltér a vizes vezető ionizációjától. Ha a vízben egy molekula két töltött részre bomlik, akkor a gázokban az ionizáció hatására az elektronok mindig elválik minden molekulától, és egy ion a molekula pozitív töltésű része formájában marad.

Amint a gáz ionizációja befejeződik, megszűnik vezetőképessége, míg a folyadék mindig az elektronáram vezetője marad. Az alábbiak szerint a gázvezetőképesség átmeneti, külső körülményektől függő jelenség.

De van egy másik típusú váladék, az úgynevezett ívkisülés vagy egyszerűen egy elektronikus ív. Az elektronív jelenségét a 19. század elején fedezte fel az első orosz villamosmérnök, V. V. Petrov.

V. V. Petrov számtalan kísérlettel azt találta, hogy két, áramforráshoz csatlakoztatott szén között folyamatos elektronikus kisülés jelenik meg a levegőben, erős fény kíséretében. V. V. Petrov saját írásaiban azt írta, hogy mindezzel „a fekete béke elég erősen megvilágítható”. Így nyerték először az elektronikus fényt, amelyet valójában egy másik orosz villamosmérnök, Pavel Nikolaevich Yablochkov használt.

A Yablochkov-gyertya, amelynek működése az elektronikus ív használatán alapul, igazi forradalmat hozott az elektrotechnikában akkoriban.

Az ívkisülést manapság fényforrásként használják, például spotlámpákban és vetítőeszközökben. Az ívkisülés magas hőmérséklete lehetővé teszi ívkemence építésére való felhasználását. BAN BEN aktuális idő nagyon nagy árammal működő ívkemencék nagy erő, számos iparágban használják: acél, öntöttvas, vasötvözetek, bronz olvasztására stb. És 1882-ben N. N. Benardos először használt ívkisülést fém vágására és hegesztésére.

Gáz-fénycsövekben, fénycsövekben, feszültségstabilizátorokban, elektromos és ionsugarak előállítására, ún. izzó gázkisülés.

A szikrakisüléssel óriási potenciálkülönbségeket mérnek egy gömbrés segítségével, melynek elektródái két polírozott felületű vasgolyó. A golyókat elmozdítják egymástól, és mért potenciálkülönbséget alkalmaznak rájuk. Ezután a golyókat közelebb hozzák egymáshoz, amíg egy szikra nem ugrik közéjük. A golyók átmérőjének, a köztük lévő távolságnak, a nyomásnak, a hőmérsékletnek és a páratartalomnak a ismeretében speciális asztalok segítségével találja meg a golyók közötti potenciálkülönbséget. Ezzel a módszerrel néhány százalékos pontossággal 10 ezer voltos nagyságrendű potenciálkülönbség is meghatározható.

Ez minden most. Nos, ha többet szeretne megtudni, ajánlom, hogy figyeljen Misha Vanyushin lemezére:

„Az elektromosságról kezdőknek videó formátumban DVD-n”