Milyen folyamatot nevezünk elektromos áramnak a folyadékban? Elektromos áram folyadékokban: eredete, mennyiségi és minőségi jellemzői

Elektromos tulajdonságaikat tekintve a folyadékok igen változatosak. Az olvadt fémek, akárcsak a szilárd állapotban lévő fémek, nagy elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, amely a szabad elektronok nagy koncentrációjához kapcsolódik.

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

Elektrolitok. A folyadékok egy speciális osztálya az úgynevezett elektrolitokból áll, amelyek szervetlen savak, sók és bázisok vizes oldataiból, ionos kristályok olvadékaiból stb. elektromos áram. 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: a 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 a sósav vízben oldva nagy elektromos vezetőképességű elektrolitot hoz létre, 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 Amíg a rúd hideg, az üveg nagy ellenállása miatt az áramkörben elhanyagolható. Ha a pálcát gázégővel 300-400 °C hőmérsékletre 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

Elektromosság elektrolitban tetszőlegesen alacsony alkalmazott feszültségen 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 voltaikus oszlopból származó áram általi bomlásakor figyelték meg. Néhány évvel később a híres vegyész, G. Davy felfedezte a nátriumot, és elektrolízissel izolálta a nátronlúgból. Az elektrolízis mennyiségi törvényeit M. Faraday kísérletileg állapította meg. Ezek az elektrolízis jelenségének mechanizmusa alapján könnyen alátámaszthatók.

Faraday törvényei. Minden ion elektromos töltése többszöröse az e elemi töltésnek. Más szavakkal, 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. Töltésük abszolút értékben 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

ahol az atom- vagy moláris tömeg, a Faraday-állandó, amelyet a kifejezés határoz meg

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.

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

átmenet a fémből az oldatba. 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 kialakul 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 elektródpotenciálja -0,763 V, a rézé pedig a Volt elem elektromotoros ereje, amely ezekből a potenciálugrásokból áll

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. Az oldatban lévő ionok teljes száma nem változik.

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. Az elektromos áram áthaladásának leírt mintája egy kémiai elemet tartalmazó nem egyenletes zárt áramkörben megfelel az áramkör mentén elhelyezkedő potenciáleloszlásnak, amelyet vázlatosan az 1. ábra mutat be. 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. A 107 a zárt áramkör külső és belső szakaszának elektromos ellenállásának felel meg. A teljes potenciálesés ezen szakaszok mentén egyenlő a kettős rétegek potenciálugrásának összegével, azaz. elektromos erő elem.

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, amelyekhez kisütés után van lehetőség fordított folyamat töltés konvertálással elektromos energia vegyszerhez. 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 az akkumulátor lemerült állapotban képes leadni, kapacitásának nevezzük. Az akkumulátor kapacitása általában

amperórában mérve. Minél nagyobb a lemezek felülete, annál nagyobb.

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 (elektroplasztika) előállításának folyamatát B. S. Jacobi orosz tudós dolgozta ki, aki a szentpétervári Szent Izsák-székesegyházat díszítő üreges szobrok készítéséhez használta fel.

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! Állandó külső feltételek mellett miért arányos az elektromos áram az alkalmazott feszültséggel?

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

Magyarázza meg az anyag elektrokémiai ekvivalense és ionjainak fajlagos töltése közötti összefüggést!

Hogyan lehet kísérletileg meghatározni a különböző anyagok elektrokémiai egyenértékeinek arányát, ha több elektrolitfürdő 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

« Fizika - 10. osztály"

Melyek az elektromos áram hordozói vákuumban?
Mi a mozgásuk természete?

A szilárd anyagokhoz hasonlóan a folyadékok dielektrikumok, vezetők és félvezetők lehetnek. A dielektrikumok közé tartozik a desztillált víz, a vezetők közé tartoznak az elektrolitok oldatai és olvadékai: savak, lúgok és sók. A folyékony félvezetők az olvadt szelén, az olvadt szulfidok stb.

Elektrolitikus disszociáció.

Az elektrolitok hatás alatti oldásakor elektromos mező A sarki vízmolekulák az elektrolit molekulákat ionokká bomlanak szét.

A molekulák ionokra bomlását a poláris vízmolekulák elektromos mezőjének hatására ún. elektrolitikus disszociáció.

A disszociáció mértéke- az oldott anyagban lévő, ionokra bomlott molekulák aránya.

A disszociáció mértéke függ a hőmérséklettől, az oldat koncentrációjától és az oldószer elektromos tulajdonságaitól.

A hőmérséklet emelkedésével nő a disszociáció mértéke, és ennek következtében nő a pozitív és negatív töltésű ionok koncentrációja.

Amikor a különböző előjelű ionok találkoznak, újra semleges molekulákká egyesülhetnek.

Állandó körülmények között az oldatban dinamikus egyensúly jön létre, amelyben a másodpercenként ionokká széteső molekulák száma megegyezik azon ionpárok számával, amelyek egyidejűleg semleges molekulákká rekombinálódnak.

Ionos vezetőképesség.

A vizes oldatokban vagy elektrolitolvadékokban lévő töltéshordozók pozitív és negatív töltésű ionok.

Ha egy elektrolitoldatot tartalmazó edényt egy elektromos áramkörhöz csatlakoztatnak, akkor a negatív ionok a pozitív elektródára - az anódra, a pozitív ionok pedig a negatívra - a katódra mozognak. Ennek eredményeként elektromos áram fog átfolyni az áramkörön.

Vezetőképesség vizes oldatok vagy elektrolitolvadékot, amelyet ionok hajtanak végre, ún ionvezetőképesség.

Elektrolízis. Az ionvezetésben az áram áthaladása az anyag átadásával jár. Az elektródáknál felszabadulnak az elektrolitokat alkotó anyagok. Az anódnál a negatív töltésű ionok adják fel extra elektronjaikat (a kémiában ezt oxidációs reakciónak nevezik), a katódon pedig a pozitív ionok a hiányzó elektronokat (redukciós reakció).

A folyadékok elektromos vezetőképességgel is rendelkezhetnek. Ilyen vezetőképességűek például a folyékony fémek.

A redoxreakciókkal összefüggő anyag felszabadulási folyamatát az elektródán ún elektrolízis.

Mi határozza meg egy bizonyos idő alatt felszabaduló anyag tömegét? Nyilvánvaló, hogy a felszabaduló anyag m tömege egyenlő egy ion m 0i tömegének szorzatával azon ionok N i számával, amelyek a Δt idő alatt elérték az elektródát:

m = m 0i N i . (16.3)

Az m 0i ion tömege egyenlő:

ahol M az anyag moláris (vagy atom) tömege, N A pedig Avogadro-állandó, azaz az egy mólban lévő ionok száma.

Az elektródát elérő ionok száma egyenlő

ahol Δq = IΔt az elektroliton áthaladó töltés a Δt idő alatt; q 0i az ion töltése, amelyet az atom n vegyértéke határoz meg: q 0i = ne (e az elemi töltés). A molekulák disszociációja során például a KBr, amely egyértékű atomokból áll (n = 1), K + és Br - ionok jelennek meg. A réz-szulfát molekulák disszociációja kétszeres töltésű Cu 2+ és SO 2- 4 ionok megjelenéséhez vezet (n = 2). A (16.4) és (16.5) kifejezéseket behelyettesítve a (16.3) képletbe, és figyelembe véve, hogy Δq = IΔt, a q 0i = ne, kapjuk

Faraday törvénye.

Jelöljük k-val az anyag m tömege és az elektroliton áthaladó Δq = IΔt töltés közötti arányossági együtthatót:

ahol F = eN A = 9,65 10 4 C/mol - Faraday állandó.

A k együttható az anyag természetétől függ (M és n értékei). A (16.6) képlet szerint megvan

m = kIΔt. (16,8)

Faraday elektrolízis törvénye:

Az elektródán felszabaduló anyag tömege a Δt idő alatt. amikor elektromos áram halad át, az arányos az áramerősséggel és az idővel.

Ezt az elméletileg kapott állítást először Faraday állapította meg kísérletileg.

A (16.8) képletben szereplő k mennyiséget nevezzük elektrokémiai ekvivalens ennek az anyagnak a mennyisége, és ebben van kifejezve kilogramm medálonként(kg/Cl).

A (16.8) képletből jól látható, hogy a k együttható számszerűen egyenlő az elektródákon felszabaduló anyag tömegével, amikor az ionok 1 C-nak megfelelő töltést adnak át.

Az elektrokémiai megfelelőnek egyszerű fizikai jelentése van. Mivel M/N A = m 0i és еn = q 0i, így a (16.7) képlet szerint k = rn 0i /q 0i, azaz k az ion tömegének és töltésének aránya.

Az m és Δq értékeinek mérésével meg lehet határozni a különböző anyagok elektrokémiai egyenértékeit.

Kísérletileg ellenőrizheti Faraday törvényének érvényességét. Szereljük össze a (16.25) ábrán látható telepítést. Mindhárom elektrolitfürdő ugyanabban az elektrolitoldatban van megtöltve, de a rajtuk áthaladó áramok eltérőek. Jelöljük az áramerősségeket I1, I2, I3-mal. Ekkor I 1 = I 2 + I 3. A különböző fürdőkben az elektródákra felszabaduló anyagok m 1, m 2, m 3 tömegének mérésével ellenőrizhető, hogy azok arányosak-e a megfelelő I 1, I 2, I 3 áramerősségekkel.

Elektrontöltés meghatározása.

Az elektródán felszabaduló anyag tömegére vonatkozó (16.6) képlet felhasználható az elektron töltésének meghatározására. Ebből a képletből az következik, hogy az elektrontöltés modulusa egyenlő:

Ismerve az IΔt töltés áthaladása során felszabaduló anyag m tömegét, moláris tömeg M, n atom vegyértéke és Avogadro állandója N A, az elektrontöltés modulusának értéke. Kiderül, hogy e = 1,6 10 -19 C.

Ily módon határozták meg először 1874-ben az elemi elektromos töltés értékét.

Az elektrolízis alkalmazása. Az elektrolízist széles körben használják a technológiában különféle célokra. Elektrolitikusan fedje be az egyik fém felületét egy másik fém vékony rétegével ( nikkelezés, krómozás, aranyozás stb.). Ez a tartós bevonat megvédi a felületet a korróziótól. Ha biztosítja az elektrolitikus bevonat jó leválását arról a felületről, amelyre a fémet lerakják (ezt például grafit felhordásával érik el), akkor másolatot kaphat a dombormű felületről.

A lehúzható bevonatok előállításának folyamata - elektrotípia- fejlesztette ki B. S. Jacobi (1801-1874) orosz tudós, aki 1836-ban ezzel a módszerrel készített üreges figurákat a szentpétervári Szent Izsák-székesegyház számára.

Korábban a nyomdaiparban mátrixokból (egy típus lenyomata egy műanyagon) domborzati felületről (sztereotípiák) készült másolatokat kaptak, amelyekhez a mátrixokra vastag vas- vagy más anyagréteg került. Ez lehetővé tette a készlet megfelelő példányszámú reprodukálását.

Elektrolízissel a fémeket megtisztítják a szennyeződésektől. Így az ércből nyert nyers rezet vastag lemezekké öntik, amelyeket aztán anódként fürdőbe helyeznek. Az elektrolízis során az anód reze feloldódik, az értékes és ritka fémeket tartalmazó szennyeződések az aljára hullanak, a katódra pedig a tiszta réz ülepedik.

Az olvadt bauxitból elektrolízissel alumíniumot nyernek. Ez az alumínium-előállítási módszer tette olcsóvá, és a vas mellett a legelterjedtebbé a technikában és a mindennapi életben.

Elektrolízissel elektronikus áramköri lapokat kapnak, amelyek minden elektronikai termék alapjául szolgálnak. A dielektrikumra vékony rézlemezt ragasztanak, amelyre speciális festékkel festik az összekötő vezetékek összetett mintáját. Ezután a lemezt elektrolitba helyezik, ahol a rézréteg festékkel nem borított részeit bemarják. Ezt követően a festéket lemossák, és a mikroáramkör részletei megjelennek a táblán.

A víz, mint univerzális oldószer.. Vizes oldatok.. Elektrolitikus disszociáció.. Elektrolit.. Gyenge és erős elektrolitok.. Elektromos töltéshordozók folyadékban.. Pozitív és negatív ionok.. Elektrolízis.. Olvadások.. Az elektromos áram természete olvadékokban ..

Az elektromos áram előfordulásának egyik feltétele a szabad töltések jelenléte, amelyek elektromos tér hatására mozoghatnak. Beszéltünk a fémek elektromos áramának természetéről is.
Ebben a leckében megpróbáljuk kitalálni milyen részecskék hordoznak elektromos töltést folyadékokban és olvadékokban.

A víz, mint univerzális oldószer

Mint tudjuk, a desztillált víz nem tartalmaz töltéshordozókat, ezért nem vezet elektromos áramot, azaz dielektrikum. A szennyeződések jelenléte azonban már meglehetősen jó vezetővé teszi a vizet.
A víz fenomenálisan képes szinte mindent feloldani kémiai elemek. Különféle anyagok (savak, lúgok, lúgok, sók stb.) vízben való feloldásakor az anyag molekuláinak ionokra bomlása miatt az oldat vezetővé válik. Ezt a jelenséget elektrolitikus disszociációnak nevezik, és maga az oldat egy elektrolit, amely képes elektromos áramot vezetni. A Föld összes vízteste kisebb-nagyobb mértékben természetes elektrolit.

A világóceán a periódusos rendszer szinte minden elemének ionjainak oldata.

A gyomornedv, a vér, a nyirok, az emberi testben lévő összes folyadék elektrolit. Minden állat és növény is elsősorban elektrolitokból áll.

A disszociáció mértéke szerint gyenge és erős elektrolitok vannak. A víz gyenge elektrolit, és a legtöbb szervetlen sav erős elektrolit. Az elektrolitokat a második típusú vezetőknek is nevezik.

Elektromos töltéshordozók folyadékokban

Amikor különböző anyagokat vízben (vagy más folyadékban) oldunk, ionokká bomlanak.
Például a konyhasó NaCl (nátrium-klorid) vízben pozitív nátriumionokra (Na +) és negatív kloridionokra (Cl -) válik szét. Ha a keletkező elektrolitban a két pólus eltérő potenciálon van, akkor a negatív ionok a pozitív pólus felé sodródnak, míg a pozitív ionok a negatív pólus felé.

Így a folyadékban lévő elektromos áram pozitív és negatív ionok egymás felé irányuló áramlásaiból áll.

Míg az abszolút tiszta víz szigetelő, addig a még kis szennyeződéseket (természetes vagy kívülről bevitt) ionizált anyagokat tartalmazó víz elektromos áramvezető.

Elektrolízis

Mivel az oldott anyag pozitív és negatív ionjai az elektromos tér hatására különböző irányokba sodródnak, az anyag fokozatosan két részre válik szét.

Az anyagnak az alkotóelemekre történő szétválasztását elektrolízisnek nevezzük.

Az elektrolitokat az elektrokémiában, kémiai áramforrásokban (voltaikus cellák és akkumulátorok) használják termelési folyamatok galvanikus és egyéb technológiák, amelyek az elektromos töltések folyadékokban elektromos tér hatására történő mozgásán alapulnak.

Megolvad

Egy anyag disszociációja víz részvétele nélkül lehetséges. Elég megolvasztani az anyag kémiai összetételének kristályait, és olvadékot kapni. Az anyagolvadékok, akárcsak a vizes elektrolitok, a második típusú vezetők, ezért elektrolitoknak nevezhetjük őket. Az olvadékokban lévő elektromos áram természete megegyezik a vizes elektrolitokban lévő árammal – ezek a pozitív és negatív ionok ellenáramai.

A kohászat olvadékok felhasználásával alumínium-oxidból elektrolitikus módszerrel alumíniumot állít elő. Elektromos áramot vezetnek át az alumínium-oxidon, és az elektrolízis során tiszta alumínium halmozódik fel az egyik elektródán (katódon). Ez egy nagyon energiaigényes folyamat, amely energiafelhasználás szempontjából a víz elektromos áram segítségével történő hidrogénné és oxigénné történő bomlásához hasonlít.

Az alumínium elektrolízis műhelyben

Mindenki ismeri az elektromos áram fogalmát. Ezt a töltött részecskék irányított mozgásaként ábrázolják. Hasonló mozgás be különböző környezetekben alapvető különbségei vannak. E jelenség alappéldájaként elképzelhető az elektromos áram áramlása és terjedése folyadékokban. Az ilyen jelenségeket különböző tulajdonságok jellemzik, és jelentősen eltérnek a töltött részecskék rendezett mozgásától, amely normál körülmények között nincs kitéve különféle folyadékoknak.

1. ábra Elektromos áram 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

Az elektrolitikus disszociáció egy bizonyos oldat molekuláinak negatív és pozitív töltésű ionokra bomlásának folyamata.

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 gyakorlati tanulmány segítségével sikerült bizonyítékot találnia 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 ugyanannyi elektromos töltésre van szükség. Ezt a mennyiséget pontosan megállapították és állandó értékben rögzítették, amit Faraday-számnak neveztek.

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 elektrolitikus reakciók során keletkező áram 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;
• felületek polírozása;
• 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 mellett az atomok és molekulák elkezdhetnek mozogni, és megindult 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 feszültségfüggőségének 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 töltést 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, amelynek eleme egy konyhasóoldattal ellátott edény, amelybe egy lemezről bármilyen alakú elektródát helyeznek. 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, miután elvesztett egy elektront, egy pozitív töltésű ion, amely egy elektróda felé mozog, amely az áramforrás, az elektromos áramkör negatív kivezetéséhez kapcsolódik. Az elektront „bitorló” klór negatív ion.

A negatív klórionok az elektródára költöznek, amely az elektromos áramforrás pozitív pólusához csatlakozik. láncok.

A pozitív és negatív ionok képződése egy konyhasó molekula vizes oldatban történő spontán szétesése következtében következik be ( elektrolitikus disszociáció). 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 megoldás, az elektromos áramkör ezen elemének anyagának elmozdulását, következésképpen annak megváltozását idézi elő. kémiai tulajdonságok, míg amikor elektromos áram áthalad 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 a következő kísérletekkel ellenőrizhető. 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. Egy ionnal kölcsönhatásba lépve a dipólmolekulák végükkel felé fordulnak, amelyek töltése ellentétes az ion töltésével, ezért az ion rendezett mozgása az ionban. elektromos mező nehezebbé válik, és az ionok mobilitása jelentősen gyengébb, mint a fémben lévő vezetési elektronok mobilitása. Mivel az ionok koncentrációja általában nem magas a fémben lévő elektronok koncentrációjához képest, az elektrolitok elektromos vezetőképessége mindig lényegesen kisebb, mint a fémek elektromos vezetőképessége.

Az erős áramütés miatt az elektrolitokban csak jelentéktelen áramsűrűség érhető el, pl. alacsony elektromos térerősség. 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 megnő. 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 az egységnyi térfogatra jutó oldható anyag molekulák számával. 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 koncentrációban 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. Amikor a folyékony fémek megszilárdulnak, 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.