Електричний струму рідинах обумовлений рухом позитивних та негативних іонів. На відміну від струму у провідниках, де рухаються електрони. Таким чином, якщо в рідині немає іонів, вона є діелектриком, наприклад дистильована вода. Оскільки носіями заряду є іони, тобто молекули та атоми речовини, то при проходженні через таку рідину електричного струму неминуче призведе до зміни хімічних властивостейречовини.
Звідки ж у рідині беруться позитивні та негативні іони. Скажімо відразу, що не у всіх рідинах здатні утворитись носії зарядів. Ті, де вони з'являються, називаються електролітами. До них відносяться розчини солей кислоти та лугу. При розчиненні солі у воді, наприклад, візьмемо кухонну сіль NaCl, вона розпадається під дією розчинника, тобто води на позитивний іон Naзваний катіоном і негативний іон Clзваним аніоном. Процес утворення іонів називається електролітичною дисоціацією.
Проведемо досвід, для нього нам знадобиться скляна колба два металеві електроди амперметр і джерело постійного струму. Колбу ми заповнимо розчином кухонної солі у воді. Потім помістимо в цей розчин два електроди прямокутної форми. Електроди підключимо до джерела постійного струму через амперметр.
Малюнок 1 - Колба з розчином солі
При включенні струму між пластинами з'явиться електричне поле під дією якого почнуть рухатися іони солі. Позитивні іони спрямують до катода, а негативні до анода. Водночас вони здійснюватимуть хаотичний рух. Але при цьому під дією поля до нього додасться ще й упорядковане.
На відміну від провідників у яких рухаються тільки електрони, тобто один вид зарядів в електролітах переміщуються два види зарядів. Це позитивні та негативні іони. Рушаються вони стрічно один одному.
Коли позитивний іон натрію досягне катода, він отримає недостатній електрон і перетвориться на атом натрію. Аналогічний процес відбудеться і з іоном хлору. Тільки при досягненні анода іон хлору віддасть електрон і перетвориться на атом хлору. Таким чином, у зовнішньому ланцюзі підтримується струм за рахунок руху електронів. А в електроліті іони як би переносять електрони від одного полюса до іншого.
Електричний опір електролітів залежить від кількості іонів, що утворилися. У сильних електролітів під час розчинення рівень дисоціації дуже високий. У слабких низький. Також на електричний опір електроліту впливає температура. При її збільшенні знижується в'язкість рідини і важкі і неповороткі іони починають рухатися швидше. Відповідно опір зменшується.
Якщо розчин кухонної солі замінити на розчин мідного купоросу. То при пропусканні струму через нього, коли катіон міді досягне катода і отримає там електрони, що відсутня, він відновиться до атома міді. І якщо після цього вийняти електрод, можна виявити на ньому наліт міді. Цей процес називається електролізом.
Рідини, як і тверді тіла, можуть бути провідниками, напівпровідниками та діелектриками. У цьому уроці йтиметься про рідини-провідники. Причому не про рідини з електронною провідністю (розплавлені метали), а про рідини-провідники другого роду (розчини та розплави солей, кислот, основ). Тип провідності таких провідників – іонний.
Визначення. Провідники другого роду - такі провідники, у яких при перебігу струму відбуваються хімічні процеси.
Для кращого розуміння процесу провідності струму в рідинах можна уявити наступний досвід: У ванну з водою помістили два електроди, підключені до джерела струму, в ланцюгу як індикатор струму можна взяти лампочку. Якщо замкнути такий ланцюг, лампа горіти не буде, що означає відсутність струму, а це означає, що в ланцюзі є розрив, і вода сама струм не проводить. Але якщо у ванну помістити кілька - кухонної солі - і повторити замикання, то лампочка загориться. Це означає, що у ванній між катодом і анодом почали рухатися вільні носії заряду, у разі іони (рис. 1).
Рис. 1. Схема досвіду
Провідність електролітів
Звідки у другому випадку беруться вільні заряди? Як було зазначено в одному з попередніх уроків, деякі діелектрики - полярні. Вода має полярні молекули (рис. 2).
Рис. 2. Полярність молекули води
При внесенні у воду солі молекули води орієнтуються в такий спосіб, що й негативні полюси перебувають біля натрію, позитивні - біля хлору. Внаслідок взаємодій між зарядами молекули води розривають молекули солі на пари різноіменних іонів. Іон натрію має позитивний заряд, іон хлору – негативний (рис. 3). Саме ці іони і рухатимуться між електродами під дією електричного поля.
Рис. 3. Схема утворення вільних іонів
При підході іонів натрію до катода він отримує свої електрони, що відсутні, іони хлору при досягненні анода віддають свої.
Електроліз
Так як протікання струму в рідинах пов'язане з перенесенням речовини, при такому струмі відбувається процес електролізу.
Визначення.Електроліз - процес, пов'язаний з окислювально-відновними реакціями, за яких на електродах виділяється речовина.
Речовини, які внаслідок таких розщеплень забезпечують іонну провідність, називають електролітами. Таку назву запропонував англійський фізик Майкл Фарадей (рис. 4).
Електроліз дозволяє отримувати з розчинів речовини у досить чистому вигляді, тому його застосовують для отримання рідкісних матеріалів, як натрій, кальцій… у чистому вигляді. Цим займається так звана електролітична металургія.
Закони Фарадея
У першій роботі з електролізу 1833 року Фарадей представив свої два закони електролізу. У першому йшлося про масу речовини, що виділяється на електродах:
Перший закон Фарадея говорить, що ця маса пропорційна заряду, що пройшов через електроліт:
Тут роль коефіцієнта пропорційності грає величина – електрохімічний еквівалент. Це таблична величина, яка є унікальною для кожного електроліту і є його головною характеристикою. Розмірність електрохімічного еквівалента:
Фізичний сенс електрохімічного еквівалента - маса, що виділилася на електроді під час проходження через електроліт кількості електрики на 1 Кл.
Якщо згадати формули з теми про постійний струм:
То можна уявити перший закон Фарадея як:
Другий закон Фарадея безпосередньо стосується вимірювання електрохімічного еквівалента через інші константи для конкретного електроліту:
Тут: - Молярна маса електроліту; - Елементарний заряд; - валентність електроліту; - Число Авогадро.
Величина називається хімічним еквівалентом електроліту. Тобто для того, щоб знати електрохімічний еквівалент, достатньо знати хімічний еквівалент, решта складових формули є світовими константами.
Виходячи з другого закону Фарадея, перший закон можна подати у вигляді:
Фарадей запропонував термінологію цих іонів за ознакою того електрода, якого вони рухаються. Позитивні іони називаються катіонами, тому що вони рухаються до негативно зарядженого катода, негативні заряди називаються аніонами як аноди, що рухаються.
Вищеописана дія води по розриву молекули на два іони називається електролітичною дисоціацією.
Крім розчинів, провідниками другого роду можуть бути розплави. У цьому випадку наявність вільних іонів досягається тим, що при високій температурі починаються дуже активні молекулярні рухи та коливання, в результаті яких відбувається руйнування молекул на іони.
Практичне застосування електролізу
Перше практичне застосуванняелектролізу сталося в 1838 російським ученим Якобі. За допомогою електролізу він отримав відбиток фігур для Ісаакіївського собору. Таке застосування електролізу отримало назву гальванопластика. Іншою сферою застосування є гальваностегія – покриття одного металу іншим (хромування, нікелювання, золочення тощо, рис. 5)
- Fatyf.narod.ru ().
- ХіМіК ().
- Ens.tpu.ru ().
Домашнє завдання
- Що таке електроліти?
- Які існують два принципово різних типурідин, у яких може протікати електричний струм?
- Які можуть бути механізми створення вільних носіїв зарядів?
- *Чому маса, що виділилася на електроді, пропорційна заряду?
Рідини, як і тверді тіла, можуть бути провідниками, напівпровідниками та діелектриками. У цьому уроці йтиметься про рідини-провідники. Причому не про рідини з електронною провідністю (розплавлені метали), а про рідини-провідники другого роду (розчини та розплави солей, кислот, основ). Тип провідності таких провідників – іонний.
Визначення. Провідники другого роду - такі провідники, у яких при перебігу струму відбуваються хімічні процеси.
Для кращого розуміння процесу провідності струму в рідинах можна представити наступний досвід: У ванну з водою помістили два електроди, підключені до джерела струму, в ланцюзі як індикатор струму можна взяти лампочку. Якщо замкнути такий ланцюг, лампа горіти не буде, що означає відсутність струму, а це означає, що в ланцюзі є розрив, і вода сама струм не проводить. Але якщо у ванну помістити кілька - кухонної солі - і повторити замикання, то лампочка загориться. Це означає, що у ванній між катодом і анодом почали рухатися вільні носії заряду, у разі іони (рис. 1).
Рис. 1. Схема досвіду
Провідність електролітів
Звідки у другому випадку беруться вільні заряди? Як було зазначено в одному з попередніх уроків, деякі діелектрики - полярні. Вода має полярні молекули (рис. 2).
Рис. 2. Полярність молекули води
При внесенні у воду солі молекули води орієнтуються в такий спосіб, що й негативні полюси перебувають біля натрію, позитивні - біля хлору. Внаслідок взаємодій між зарядами молекули води розривають молекули солі на пари різноіменних іонів. Іон натрію має позитивний заряд, іон хлору – негативний (рис. 3). Саме ці іони і рухатимуться між електродами під дією електричного поля.
Рис. 3. Схема утворення вільних іонів
При підході іонів натрію до катода він отримує свої електрони, що відсутні, іони хлору при досягненні анода віддають свої.
Електроліз
Так як протікання струму в рідинах пов'язане з перенесенням речовини, при такому струмі відбувається процес електролізу.
Визначення.Електроліз - процес, пов'язаний з окислювально-відновними реакціями, за яких на електродах виділяється речовина.
Речовини, які в результаті подібних розщеплень забезпечують іонну провідність, називають електролітами. Таку назву запропонував англійський фізик Майкл Фарадей (рис. 4).
Електроліз дозволяє отримувати з розчинів речовини у досить чистому вигляді, тому його застосовують для отримання рідкісних матеріалів, як натрій, кальцій… у чистому вигляді. Цим займається так звана електролітична металургія.
Закони Фарадея
У першій роботі з електролізу 1833 року Фарадей представив свої два закони електролізу. У першому йшлося про масу речовини, що виділяється на електродах:
Перший закон Фарадея говорить, що ця маса пропорційна заряду, що пройшов через електроліт:
Тут роль коефіцієнта пропорційності грає величина – електрохімічний еквівалент. Це таблична величина, яка є унікальною для кожного електроліту і є його головною характеристикою. Розмірність електрохімічного еквівалента:
Фізичний сенс електрохімічного еквівалента - маса, що виділилася на електроді під час проходження через електроліт кількості електрики на 1 Кл.
Якщо згадати формули з теми про постійний струм:
То можна уявити перший закон Фарадея як:
Другий закон Фарадея безпосередньо стосується вимірювання електрохімічного еквівалента через інші константи для конкретного електроліту:
Тут: - Молярна маса електроліту; - Елементарний заряд; - валентність електроліту; - Число Авогадро.
Величина називається хімічним еквівалентом електроліту. Тобто для того, щоб знати електрохімічний еквівалент, достатньо знати хімічний еквівалент, решта складових формули є світовими константами.
Виходячи з другого закону Фарадея, перший закон можна подати у вигляді:
Фарадей запропонував термінологію цих іонів за ознакою того електрода, якого вони рухаються. Позитивні іони називаються катіонами, тому що вони рухаються до негативно зарядженого катода, негативні заряди називаються аніонами як аноди, що рухаються.
Вищеописана дія води з розриву молекули на два іони називається електролітичною дисоціацією.
Крім розчинів, провідниками другого роду можуть бути розплави. У цьому випадку наявність вільних іонів досягається тим, що при високій температурі починаються дуже активні молекулярні рухи та коливання, в результаті яких відбувається руйнування молекул на іони.
Практичне застосування електролізу
Перше практичне застосування електролізу відбулося 1838 року російським ученим Якобі. За допомогою електролізу він отримав відбиток фігур для Ісаакіївського собору. Таке застосування електролізу отримало назву гальванопластика. Іншою сферою застосування є гальваностегія – покриття одного металу іншим (хромування, нікелювання, золочення тощо, рис. 5)
- Fatyf.narod.ru ().
- ХіМіК ().
- Ens.tpu.ru ().
Домашнє завдання
- Що таке електроліти?
- Які існують два принципово різні типи рідин, у яких може протікати електричний струм?
- Які можуть бути механізми створення вільних носіїв зарядів?
- *Чому маса, що виділилася на електроді, пропорційна заряду?
Вода як універсальний розчинник.. Водні розчини.. Електролітична дисоціація.. Електроліт.. Слабкі та сильні електроліти.. Носії електричних зарядівв рідині.. Позитивні та негативні іони.. Електроліз.. Розплави.. Природа електричного струму в розплавах.
Однією з умов виникнення електричного струму є наявність вільних набоїв, здатних рухатися під дією електричного поля. Про природу електричного струму в металах ми говорили.
У цьому уроці ми спробуємо розібратися, які частки переносять електричний заряд у рідинах та розплавах.
Вода як універсальний розчинник
Як відомо, дистильована вода не містить носіїв зарядів і тому не проводить електричний струм, тобто є діелектриком. Однак наявність будь-яких домішок уже робить воду досить добрим провідником.
Вода має феноменальну здатність розчиняти в собі майже всі хімічні елементи. При розчиненні у воді різних речовин(кислот, лугів, основ, солей та ін.) Розчин стає провідником через розпад молекул речовини на іони. Це називається електролітичної дисоціацією, а сам розчин – електролітом, здатним проводити електричний струм. Усі водні басейни Землі більшою чи меншою мірою є природними електролітами.
Світовий океан є розчин іонів практично всіх елементів таблиці Менделєєва.
Шлунковий сік, кров, лімфа, всі рідини в людини є електролітами. Всі тварини та рослини також в основному складаються з електролітів.
За ступенем дисоціації є слабкі та сильні електроліти. Вода відноситься до слабких електролітів, а більшість неорганічних кислотвідноситься до сильних електролітів. Електроліти ще називають провідниками другого роду.
Носії електричних зарядів у рідині
При розчиненні у воді (або в іншій рідині) різних речовин вони розпадаються на іони.
Наприклад, звичайна кухонна сіль NaCl (хлорид натрію) у воді поділяється на позитивні іони натрію (Na +) та негативні іони хлору (Cl -). Якщо два полюси отриманому електроліті знаходяться під різними потенціалами, то негативні іони дрейфують до позитивного полюса, в той час як позитивні іони дрейфують до негативного полюса.
Таким чином, електричний струм рідини складається з потоків позитивних і негативних іонів, спрямованих назустріч один одному.
Коли абсолютно чиста вода є ізолятором, вода, що містить навіть невеликі домішки (природні або привнесені ззовні) іонізованої речовини, є провідником електричного струму.
Електроліз
Оскільки позитивні та негативні іони розчиненої речовини під впливом електричного поля дрейфують у різні сторони, речовина поступово поділяється на дві частини
Такий поділ речовини на його елементи називається електролізом.
Електроліти використовуються в електрохімії, у хімічних джерелах струму (гальванічні елементи та батареї), у виробничих процесах гальваніки та інших технологіях, що базуються на русі електричних зарядів у рідинах під дією електричного поля.
Розплави
Дисоціація речовини можлива без участі води. Достатньо розплавити кристали хімічного складуречовини та отримати розплав. Розплави речовини як і водні електроліти є провідниками другого роду, тому їх можна називати електролітами. Електричний струм у розплавах має таку ж природу, як і струм у водних електролітах – це зустрічні потоки позитивних і негативних іонів.
Використовуючи розплави, металургії отримують алюміній електролітичним способом з глинозему. Електричний струм пропускається через оксид алюмінію та в процесі електролізу в одного з електродів (катода), накопичується чистий алюміній. Це дуже енергоємний процес, який за енергоспоживанням нагадує розкладання води на водень та кисень за допомогою електричного струму.
У цеху електролізу алюмінію
« Фізика – 10 клас»
Які є носії електричного струму у вакуумі?
Який характер їхнього руху?
Рідини, як і тверді тіла, можуть бути діелектриками, провідниками та напівпровідниками. До діелектриків відноситься дистильована вода, до провідників - розчини та розплави електролітів: кислот, лугів та солей. Рідкими напівпровідниками є розплавлений селен, розплави сульфідів та ін.
Електролітична дисоціація.
При розчиненні електролітів під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул електролітів на іони.
Розпад молекул на іони під впливом електричного поля полярних молекул води називається електролітичною дисоціацією.
Ступінь дисоціації- Частка в розчиненій речовині молекул, що розпалися на іони.
Ступінь дисоціації залежить від температури, концентрації розчину та електричних властивостейрозчинника.
Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає і, отже, збільшується концентрація позитивно та негативно заряджених іонів.
Іони різних знаків під час зустрічі можуть знову об'єднатися у нейтральні молекули.
При постійних умовах у розчині встановлюється динамічна рівновага, у якому число молекул, що розпадаються за секунду на іони, дорівнює числу пар іонів, які у той час знову об'єднуються в нейтральні молекули.
Іонна провідність.
Носіями заряду у водних розчинах чи розплавах електролітів є позитивно та негативно заряджені іони.
Якщо посудину з розчином електроліту включити в електричний ланцюгто негативні іони почнуть рухатися до позитивного електрода - анода, а позитивні - до негативного - катода. В результаті ланцюга піде електричний струм.
Провідність водних розчинівабо розплавів електролітів, що здійснюється іонами, називають іонною провідністю.
Електроліз.При іонній провідності проходження струму пов'язані з перенесенням речовини. На електродах відбувається виділення речовин, що входять до складу електролітів. На аноді негативно заряджені іони віддають свої зайві електрони (у хімії це називається окисною реакцією), але в катоді позитивні іони отримують недостатні електрони (відновна реакція).
Рідини можуть мати і електронну провідність. Таку провідність мають, наприклад, рідкі метали.
Процес виділення на електроді речовини, пов'язаний з окислювально-відновними реакціями, називають електролізом.
Від чого залежить маса речовини, що виділяється за певний час? Очевидно, що маса m речовини, що виділилася, дорівнює добутку маси m 0i одного іону на число N i іонів, що досягли електрода за час Δt:
m = m 0i N i. (16.3)
Маса іона m 0i дорівнює:
де М – молярна (або атомна) маса речовини, a N A – постійна Авогадро, тобто число іонів в одному молі.
Число іонів, що досягли електрода, дорівнює
де Δq = IΔt – заряд, що пройшов через електроліт за час Δt; q 0i – заряд іона, який визначається валентністю n атома: q 0i = пе (е – елементарний заряд). При дисоціації молекул, наприклад, КВr, що складаються з одновалентних атомів (n = 1), виникають іони К + і Вr - . Дисоціація молекул мідного купоросу веде до появи двозарядних іонів Сі 2+ та SO 2-4 (n = 2). Підставляючи у формулу (16.3) вирази (16.4) та (16.5) та враховуючи, що Δq = IΔt, a q 0i = nе, отримуємо
Закон Фарадея.
Позначимо через k коефіцієнт пропорційності між масою m речовини та зарядом Δq = IΔt, що пройшов через електроліт:
де F = eN A = 9,65 10 4 Кл/моль - постійна Фарадея.
Коефіцієнт k залежить від природи речовини (значень М та n). Відповідно до формули (16.6) маємо
m = kIΔt. (16.8)
Закон електролізу Фарадея:
Маса речовини, що виділилася на електроді за час Δt. при проходженні електричного струму, пропорційна силі струму та часу.
Це твердження, отримане теоретично, вперше було встановлено експериментально Фарадеєм.
Величину k у формулі (16.8) називають електрохімічним еквівалентомданої речовини і виражають у кілограми на кулон(Кг/Кл).
З формули (16.8) видно, що коефіцієнт чисельно дорівнює масі речовини, що виділився на електродах, при переносі іонами заряду, рівного 1 Кл.
Електрохімічний еквівалент має простий фізичний сенс. Оскільки M/N A = m 0i і еn = q 0i , то згідно з формулою (16.7) k = rn 0i /q 0i , тобто k - відношення маси іона до його заряду.
Вимірюючи величини m та Δq, можна визначити електрохімічні еквіваленти різних речовин.
Переконатись у справедливості закону Фарадея можна на досвіді. Зберемо установку, показану малюнку (16.25). Всі три електролітичні ванни заповнені тим самим розчином електроліту, але струми, що проходять через них, різні. Позначимо сили струмів через I1, I2, I3. Тоді I 1 = I 2 + I 3. Вимірюючи маси m 1 , m 2 , m 3 речовин, що виділилися на електродах у різних ваннах, можна переконатися, що вони пропорційні відповідним силам струмів I 1 I 2 I 3 .
Визначення заряду електрона.
Формулу (16.6) для маси речовини, що виділився на електроді, можна використовувати для визначення заряду електрона. З цієї формули випливає, що модуль заряду електрона дорівнює:
Знаючи масу m речовини, що виділилася при проходженні заряду IΔt, молярну масу М, валентність п атомів і постійну Авогадро N A , можна знайти значення модуля заряду електрона. Воно виявляється рівним e = 1,6 10-19 Кл.
Саме таким шляхом і було вперше в 1874 отримано значення елементарного електричного заряду.
Застосування електролізу.Електроліз широко застосовують у техніці для різних цілей. Електролітичним способом покривають поверхню одного металу тонким шаром іншого ( нікелювання, хромування, позолотаі т.п.). Це міцне покриття захищає поверхню корозії. Якщо забезпечити хороше відшаровування електролітичного покриття від поверхні, на яку осаджується метал (цього досягають, наприклад, наносячи на поверхню графіт) можна отримати копію з рельєфної поверхні.
Процес отримання покриттів, що відшаровуються - гальванопластика- був розроблений російським ученим Б. С. Якобі (1801-1874), який у 1836 р. застосував цей спосіб для виготовлення порожніх фігур для Ісаакіївського собору в Санкт-Петербурзі.
Раніше в поліграфічній промисловості копії з рельєфної поверхні (стереотипи) отримували з матриць (відбиток набору на пластичному матеріалі), для чого тримали в облозі матриці товстий шар заліза або іншої речовини. Це дозволяло відтворити набір у потрібній кількості екземплярів.
За допомогою електролізу здійснюють очищення металів від домішок. Так, отриману з руди неочищену мідь відливають у формі товстих листів, які потім поміщають у ванну як аноди. При електролізі мідь анода розчиняється, домішки, що містять цінні та рідкісні метали, випадають на дно, а на катоді осідає чиста мідь.
За допомогою електролізу отримують алюміній із розплаву бокситів. Саме цей спосіб отримання алюмінію зробив його дешевим і поряд із залізом найпоширенішим у техніці та побуті.
За допомогою електролізу отримують електронні плати, що є основою всіх електронних виробів. На діелектрик наклеюють тонку мідну пластину, на яку наносять особливою фарбою складну картину проводів, що з'єднують. Потім пластину поміщають в електроліт, де витравлюються не закриті фарбою ділянки мідного шару. Після цього фарба змивається і на платі з'являються деталі мікросхеми.
