Ce proces se numește curent electric într-un lichid. Curentul electric în lichide: originea sa, caracteristicile cantitative și calitative

În ceea ce privește proprietățile lor electrice, lichidele sunt foarte diverse. Metalele topite, ca și metalele în stare solidă, au o conductivitate electrică ridicată asociată cu o concentrație mare de electroni liberi.

Multe lichide, de exemplu apă curată, alcoolul, kerosenul sunt buni dielectrici deoarece moleculele lor sunt neutre din punct de vedere electric și nu există purtători de încărcare liberi în ele.

Electroliții. O clasă specială de lichide constă din așa-numiții electroliți, care includ soluții apoase de acizi anorganici, săruri și baze, topituri de cristale ionice etc. Electroliții se caracterizează prin prezența unor concentrații mari de ioni, care fac posibilă o electricitate. curent să treacă. Acești ioni apar în timpul topirii și dizolvării, când, sub influența câmpurilor electrice ale moleculelor de solvent, moleculele solutului se descompun în ioni separati încărcați pozitiv și negativ. Acest proces se numește disociere electrolitică.

Disocierea electrolitică. Gradul de disociere a unei substanțe date, adică proporția de molecule de dizolvat care s-au dizolvat în ioni, depinde de temperatură, concentrația soluției și constanta dielectrică a solventului. Pe măsură ce temperatura crește, gradul de disociere crește. Ionii cu semne opuse se pot recombina, combinându-se din nou în molecule neutre. În condiții externe constante, în soluție se stabilește un echilibru dinamic, în care procesele de recombinare și disociere se compensează reciproc.

Calitativ, dependenţa gradului de disociere a de concentraţia substanţei dizolvate poate fi stabilită folosind următoarele argumente simple. Dacă o unitate de volum conține molecule ale unei substanțe dizolvate, atunci unele dintre ele sunt disociate, iar restul nu sunt disociate. Numărul de acte elementare de disociere pe unitatea de volum de soluție este proporțional cu numărul de molecule nedespărțite și, prin urmare, este egal cu unde A este un coeficient în funcție de natura electrolitului și de temperatură. Numărul de evenimente de recombinare este proporțional cu numărul de ciocniri ale ionilor diferiți, adică proporțional cu numărul acelor ioni și al altor ioni. Prin urmare, este egal cu unde B este un coeficient care este constant pentru o anumită substanță la o anumită temperatură.

Într-o stare de echilibru dinamic

Raportul nu depinde de concentrație Se poate observa că, cu cât concentrația soluției este mai mică, cu atât este mai aproape de unitate: în soluțiile foarte diluate, aproape toate moleculele solutului sunt disociate.

Cu cât constanta dielectrică a solventului este mai mare, cu atât este mai slăbit legături ioniceîn moleculele substanței dizolvate și, prin urmare, cu cât gradul de disociere este mai mare. Astfel, acidul clorhidric produce un electrolit cu conductivitate electrică ridicată atunci când este dizolvat în apă, în timp ce soluția sa în eter etilic conduce electricitatea foarte slab.

Electroliți neobișnuiți. Există, de asemenea, electroliți foarte neobișnuiți. De exemplu, electrolitul este sticla, care este un lichid foarte suprarăcit, cu o vâscozitate enormă. Când este încălzită, sticla se înmoaie și vâscozitatea ei scade foarte mult. Ionii de sodiu prezenți în sticlă devin vizibil mobili, iar trecerea curentului electric devine posibilă, deși la temperaturi obișnuite sticla este un bun izolator.

Orez. 106. Demonstrarea conductivității electrice a sticlei la încălzire

O demonstrație clară a acestui lucru poate fi văzută în experiment, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 106. O bagheta de sticla este conectata la o retea de iluminat printr-un reostat In timp ce tija este rece, curentul din circuit este neglijabil datorita rezistentei mari a sticlei. Dacă bastonul este încălzit cu un arzător cu gaz la o temperatură de 300-400 °C, atunci rezistența sa va scădea la câteva zeci de ohmi și filamentul becului L va deveni fierbinte. Acum puteți scurtcircuita becul cu cheia K. În acest caz, rezistența circuitului va scădea și curentul va crește. În astfel de condiții, bastonul va fi încălzit eficient de curent electric și va străluci până când va străluci puternic, chiar dacă arzătorul este scos.

Conductivitate ionică. Trecerea curentului electric într-un electrolit este descrisă de legea lui Ohm

Curent electricîntr-un electrolit apare la o tensiune aplicată arbitrar scăzută.

Purtătorii de sarcină din electrolit sunt ioni încărcați pozitiv și negativ. Mecanismul de conductivitate electrică a electroliților este în multe privințe similar cu mecanismul de conductivitate electrică a gazelor descris mai sus. Principalele diferențe se datorează faptului că în gaze rezistența la mișcarea purtătorilor de sarcină se datorează în principal ciocnirilor acestora cu atomii neutri. În electroliți, mobilitatea ionilor se datorează frecării interne - vâscozitatea - pe măsură ce aceștia se mișcă în solvent.

Pe măsură ce temperatura crește, conductivitatea electroliților, spre deosebire de metale, crește. Acest lucru se datorează faptului că odată cu creșterea temperaturii gradul de disociere crește și vâscozitatea scade.

Spre deosebire de conductivitatea electronică, caracteristică metalelor și semiconductorilor, unde trecerea curentului electric nu este însoțită de nicio modificare compozitia chimica substanțe, conductivitatea ionică este asociată cu transferul de substanțe

și eliberarea de substanțe incluse în electroliți de pe electrozi. Acest proces se numește electroliză.

Electroliză. Când o substanță este eliberată pe electrod, concentrația ionilor corespunzători în regiunea electrolitului adiacent electrodului scade. Astfel, echilibrul dinamic dintre disociere și recombinare este perturbat aici: aici are loc descompunerea substanței ca urmare a electrolizei.

Electroliza a fost observată pentru prima dată în timpul descompunerii apei prin curent dintr-o coloană voltaică. Câțiva ani mai târziu, celebrul chimist G. Davy a descoperit sodiul, izolându-l prin electroliză de soda caustică. Legile cantitative ale electrolizei au fost stabilite experimental de M. Faraday Ele sunt ușor de justificat pe baza mecanismului fenomenului de electroliză.

legile lui Faraday. Fiecare ion are o sarcină electrică care este un multiplu al sarcinii elementare e Cu alte cuvinte, sarcina ionului este egală cu , unde este un număr întreg egal cu valența elementului sau compusului chimic corespunzător. Să presupunem că atunci când un curent trece prin electrod, ioni sunt eliberați. Sarcina lor în valoare absolută este egală cu Ionii pozitivi ajung la catod și sarcina lor este neutralizată de electronii care curg către catod prin firele de la sursa de curent. Ionii negativi se apropie de anod și același număr de electroni trece prin fire către sursa de curent. În acest caz, o sarcină trece printr-un circuit electric închis

Să notăm după masa substanței eliberate pe unul dintre electrozi și după masa ionului (atom sau moleculă). Este evident că, prin urmare, înmulțind numărătorul și numitorul acestei fracții cu constanta lui Avogadro obținem

unde este masa atomică sau molară, constanta lui Faraday, determinată de expresie

Din (4) este clar că constanta lui Faraday are semnificația „un mol de electricitate”, adică este sarcina electrică totală a unui mol de sarcini elementare:

Formula (3) conține ambele legi lui Faraday. Se spune că masa substanței eliberată în timpul electrolizei este proporțională cu sarcina trecută prin circuit (prima lege a lui Faraday):

Coeficientul se numește echivalentul electrochimic al unei substanțe date și este exprimat în

kilograme pe coulomb Are sensul reciprocului sarcinii specifice a ionului.

Echivalentul electrochimic al lui k este proporțional cu echivalentul chimic al substanței (a doua lege a lui Faraday).

Legile lui Faraday și încărcătura elementară. Deoarece conceptul naturii atomice a electricității nu exista încă pe vremea lui Faraday, descoperirea experimentală a legilor electrolizei a fost departe de a fi banală. Dimpotrivă, legile lui Faraday au servit în esență drept prima dovadă experimentală a validității acestor idei.

Măsurarea experimentală a constantei lui Faraday a făcut posibilă pentru prima dată obținerea unei estimări numerice a valorii sarcinii elementare cu mult înainte de măsurătorile directe ale sarcinii electrice elementare în experimentele lui Millikan cu picături de ulei. Este remarcabil că ideea structurii atomice a electricității a primit confirmare experimentală fără echivoc în experimentele de electroliză efectuate în anii 30 ai secolului al XIX-lea, când nici măcar ideea structurii atomice a materiei nu era încă împărtășită de toți. oameni de știință. Într-un celebru discurs rostit Societății Regale și dedicat memoriei lui Faraday, Helmholtz a comentat această împrejurare în acest fel:

„Dacă admitem existența atomilor elementelor chimice, atunci nu putem evita concluzia ulterioară că electricitatea, atât pozitivă, cât și negativă, este împărțită în anumite cantități elementare, care se comportă ca niște atomi de electricitate.”

Surse de curent chimic. Dacă un metal, cum ar fi zincul, este scufundat în apă, atunci o anumită cantitate de ioni de zinc pozitivi, sub influența moleculelor polare de apă, va începe să se miște din stratul de suprafață. rețea cristalină metal în apă. Ca rezultat, zincul va fi încărcat negativ, iar apa pozitiv. La interfața dintre metal și apă se formează un strat subțire numit strat dublu electric; există un câmp electric puternic în el, a cărui intensitate este direcționată de la apă către metal. Acest câmp previne tranziția ulterioară a ionilor de zinc în apă și, ca urmare, apare un echilibru dinamic în care numărul mediu de ioni care vin din metal în apă este egal cu numărul de ioni care se întorc din apă în metal.

Echilibrul dinamic se va stabili, de asemenea, dacă metalul este scufundat într-o soluție apoasă dintr-o sare a aceluiași metal, de exemplu, zinc într-o soluție de sulfat de zinc. În soluție, sarea se disociază în ioni Ionii de zinc rezultați nu diferă de ionii de zinc care au intrat în soluție de la electrod. O creștere a concentrației ionilor de zinc în electrolit facilitează tranziția acestor ioni în metal din soluție și o face mai dificilă.

trecerea de la metal la soluție. Prin urmare, într-o soluție de sulfat de zinc, electrodul de zinc scufundat, deși încărcat negativ, este mai slab decât în ​​apa pură.

Când un metal este scufundat într-o soluție, metalul nu devine întotdeauna încărcat negativ. De exemplu, dacă un electrod de cupru este scufundat într-o soluție de sulfat de cupru, atunci ionii vor începe să precipite din soluția de pe electrod, încărcându-l pozitiv. Intensitatea câmpului în stratul dublu electric în acest caz este direcționată de la cupru către soluție.

Astfel, atunci când un metal este scufundat în apă sau într-o soluție apoasă care conține ioni ai aceluiași metal, apare o diferență de potențial între aceștia la interfața dintre metal și soluție. Semnul și mărimea acestei diferențe de potențial depind de tipul de metal (cupru, zinc etc., de concentrația de ioni din soluție și este aproape independent de temperatură și presiune.

Doi electrozi din metale diferite scufundați într-un electrolit formează o celulă galvanică. De exemplu, într-o celulă Volta, electrozii de zinc și cupru sunt scufundați într-o soluție apoasă de acid sulfuric. La început, soluția nu conține nici ioni de zinc, nici ioni de cupru. Totuși, mai târziu acești ioni intră în soluție de la electrozi și se stabilește echilibrul dinamic. Atâta timp cât electrozii nu sunt conectați între ei prin sârmă, potențialul electrolitului este același în toate punctele, iar potențialele electrozilor diferă de potențialul electrolitului datorită straturilor duble formate la interfața lor cu electrolit. În acest caz, potențialul electrodului zincului este egal cu -0,763 V, iar al cuprului Forța electromotoare a elementului Volt, constând din aceste salturi de potențial, va fi egală cu

Curent într-un circuit cu un element galvanic. Dacă electrozii unei celule galvanice sunt conectați cu un fir, atunci electronii prin acest fir se vor muta de la electrodul negativ (zinc) la electrodul pozitiv (cupru), ceea ce perturbă echilibrul dinamic dintre electrozi și electrolitul în care se află. scufundat. Ionii de zinc vor începe să se deplaseze de la electrod în soluție, astfel încât să se mențină stratul dublu electric în aceeași stare cu un salt de potențial constant între electrod și electrolit. În mod similar, cu un electrod de cupru, ionii de cupru vor începe să iasă din soluție și să precipite pe electrod. În acest caz, în apropierea electrodului negativ se formează o deficiență de ioni, iar în apropierea electrodului pozitiv se formează un exces de astfel de ioni. Numărul total de ioni din soluție nu se va modifica.

Ca urmare a proceselor descrise, un curent electric va fi menținut într-un circuit închis, care este creat în firul de legătură prin mișcarea electronilor, iar în electrolit de ioni. Când trece un curent electric, electrodul de zinc se dizolvă treptat și cuprul se depune pe pozitiv (cuprul)

electrod. Concentrația ionilor crește la electrodul de zinc și scade la electrodul de cupru.

Potențial într-un circuit cu un element galvanic. Modelul descris al trecerii curentului electric într-un circuit închis neuniform care conține un element chimic corespunde distribuției potențialului de-a lungul circuitului, prezentată schematic în Fig. 107. În circuitul extern, adică în firul care conectează electrozii, potențialul scade ușor de la valoarea de la electrodul pozitiv (cupru) A la valoarea de la electrodul negativ (zinc) B în conformitate cu legea lui Ohm pentru o omogenă. conductor. În circuitul intern, adică în electrolitul dintre electrozi, potențialul scade treptat de la o valoare în apropierea electrodului de zinc la o valoare în apropierea electrodului de cupru. Dacă în circuitul extern curentul curge de la electrodul de cupru la electrodul de zinc, atunci în interiorul electrolitului curge de la zinc la cupru. Potențialele salturi în straturi duble electrice sunt create ca urmare a acțiunii forțelor externe (în acest caz chimice). Circulaţie sarcini electriceîn straturi duble, din cauza forțelor externe, se produce opus direcției de acțiune a forțelor electrice.

Orez. 107. Distribuție potențială de-a lungul unui lanț care conține un element chimic

Secțiunile înclinate ale potențialului se modifică din Fig. 107 corespunde rezistenței electrice a secțiunilor exterioare și interioare ale circuitului închis. Căderea totală a potențialului de-a lungul acestor secțiuni este egală cu suma salturilor potențiale din straturile duble, adică. forta electromotoare element.

Trecerea curentului electric într-o celulă galvanică este complicată de produse secundare eliberate pe electrozi și de apariția unei diferențe de concentrație în electrolit. Aceste fenomene sunt denumite polarizare electrolitică. De exemplu, în elementele Volta, când circuitul este închis, ionii pozitivi se deplasează către electrodul de cupru și se depun pe acesta. Ca urmare, după ceva timp electrodul de cupru este înlocuit cu unul de hidrogen. Deoarece potențialul electrodului hidrogenului este cu 0,337 V mai mic decât potențialul electrodului cuprului, emf-ul elementului scade cu aproximativ aceeași cantitate. În plus, hidrogenul eliberat pe electrodul de cupru crește rezistența internă a elementului.

A reduce influență nocivă hidrogen, se folosesc depolarizatori - diverși agenți oxidanți. De exemplu, în elementul cel mai des folosit Leclanche (baterii „uscate”)

Electrodul pozitiv este o tijă de grafit înconjurată de o masă comprimată de peroxid de mangan și grafit.

baterii. Un tip practic important de celule galvanice sunt bateriile, pentru care, după descărcare, este posibil proces inversîncărcare cu conversie energie electrica la chimic. Substanțele consumate în timpul producerii curentului electric sunt restaurate în interiorul bateriei prin electroliză.

Se poate observa că la încărcarea bateriei, concentrația de acid sulfuric crește, ceea ce duce la o creștere a densității electrolitului.

Astfel, în timpul procesului de încărcare, se creează o asimetrie accentuată a electrozilor: unul devine plumb, celălalt devine peroxid de plumb. O baterie încărcată este o celulă galvanică care poate servi drept sursă de curent.

Când consumatorii de energie electrică sunt conectați la baterie, un curent electric va circula prin circuit, a cărui direcție este opusă curentului de încărcare. Reacții chimice mergeți în direcția opusă și bateria revine la starea inițială. Ambii electrozi vor fi acoperiți cu un strat de sare, iar concentrația de acid sulfuric va reveni la valoarea inițială.

Pentru o baterie încărcată, EMF este de aproximativ 2,2 V. La descărcare, scade la 1,85 V. Nu se recomandă descărcarea ulterioară, deoarece formarea sulfatului de plumb devine ireversibilă și bateria se deteriorează.

Încărcarea maximă pe care o poate furniza o baterie atunci când este descărcată se numește capacitatea sa. Capacitatea bateriei de obicei

măsurată în amperi oră. Cu cât suprafața plăcilor este mai mare, cu atât este mai mare.

Aplicații ale electrolizei. Electroliza este folosită în metalurgie. Cea mai comună producție electrolitică de aluminiu și cupru pur. Folosind electroliza, se pot crea straturi subtiri ale unor substante pe suprafata altora pentru a obtine straturi decorative si de protectie (nichelare, cromare). Procesul de producere a acoperirilor decojite (electroplastie) a fost dezvoltat de omul de știință rus B. S. Jacobi, care l-a folosit pentru a realiza sculpturi goale care decorează Catedrala Sf. Isaac din Sankt Petersburg.

Care este diferența dintre mecanismul fizic al conductivității electrice în metale și electroliți?

Explicați de ce gradul de disociere al unei substanțe date depinde de constanta dielectrică a solventului.

Explicați de ce în soluțiile de electroliți foarte diluate aproape toate moleculele de dizolvat sunt disociate.

Explicați modul în care mecanismul de conductivitate electrică a electroliților este similar cu mecanismul de conductivitate electrică a gazelor. De ce, în condiții externe constante, curentul electric este proporțional cu tensiunea aplicată?

Ce rol joacă legea conservării sarcinii electrice în derivarea legii electrolizei (3)?

Explicați relația dintre echivalentul electrochimic al unei substanțe și sarcina specifică a ionilor acesteia.

Cum se poate determina experimental raportul echivalenților electrochimici ai diferitelor substanțe dacă există mai multe băi electrolitice, dar nu există instrumente pentru măsurarea curentului?

Cum poate fi folosit fenomenul de electroliză pentru a crea un contor de electricitate într-o rețea DC?

De ce legile lui Faraday pot fi considerate ca o dovadă experimentală a ideilor despre natura atomică a electricității?

Ce procese apar atunci când electrozii metalici sunt scufundați în apă și într-un electrolit care conține ioni ai acestor metale?

Descrieți procesele care au loc în electrolit lângă electrozii unei celule galvanice în timpul trecerii curentului.

De ce ionii pozitivi din interiorul unei celule voltaice se deplasează de la electrodul negativ (zinc) la electrodul pozitiv (cupru)? Cum apare o distribuție potențială într-un circuit care face ca ionii să se miște în acest fel?

De ce se poate verifica nivelul de încărcare al unei baterii cu acid folosind un hidrometru, adică un dispozitiv pentru măsurarea densității unui lichid?

Cum diferă fundamental procesele din baterii de procesele din bateriile „uscate”?

Ce parte din energia electrică consumată în procesul de încărcare a bateriei c poate fi utilizată la descărcarea acesteia, dacă în timpul procesului de încărcare tensiunea a fost menținută la bornele acesteia

« Fizica - clasa a X-a"

Care sunt purtătorii de curent electric în vid?
Care este natura mișcării lor?

Lichidele, ca și solidele, pot fi dielectrice, conductori și semiconductori. Dielectricii includ apa distilată, conductorii includ soluții și topituri de electroliți: acizi, alcalii și săruri. Semiconductori lichizi sunt seleniu topit, sulfuri topite etc.

Disocierea electrolitică.

La dizolvarea electroliților sub influență câmp electric Moleculele polare de apă dezintegrează moleculele de electroliți în ioni.

Se numește descompunerea moleculelor în ioni sub influența câmpului electric al moleculelor polare de apă disociere electrolitică.

Gradul de disociere- proporția de molecule dintr-o substanță dizolvată care s-au descompus în ioni.

Gradul de disociere depinde de temperatură, concentrația soluției și proprietățile electrice ale solventului.

Odată cu creșterea temperaturii, gradul de disociere crește și, în consecință, crește concentrația ionilor încărcați pozitiv și negativ.

Când ionii de semne diferite se întâlnesc, ei se pot combina din nou în molecule neutre.

În condiții constante, în soluție se stabilește un echilibru dinamic, în care numărul de molecule care se dezintegrează în ioni pe secundă este egal cu numărul de perechi de ioni care, în același timp, se recombină în molecule neutre.

Conductivitate ionică.

Purtătorii de sarcină în soluții apoase sau topituri de electroliți sunt ioni încărcați pozitiv și negativ.

Dacă un vas cu o soluție de electrolit este conectat la un circuit electric, atunci ionii negativi vor începe să se deplaseze la electrodul pozitiv - anod, iar ionii pozitivi - la negativ - catod. Ca rezultat, un curent electric va curge prin circuit.

Conductivitate solutii apoase sau topirea electroliților, care este realizată de ioni, se numește conductivitate ionică.

Electroliză.În conducerea ionică, trecerea curentului este asociată cu transferul de materie. La electrozi sunt eliberate substanțele care alcătuiesc electroliții. La anod, ionii încărcați negativ renunță la electronii lor suplimentari (în chimie, aceasta se numește reacție de oxidare), iar la catod, ionii pozitivi primesc electronii lipsă (o reacție de reducere).

Lichidele pot avea și conductivitate electronică. Metalele lichide, de exemplu, au o astfel de conductivitate.

Procesul de eliberare a unei substanțe la electrod asociat cu reacțiile redox se numește electroliză.

Ce determină masa unei substanțe eliberată într-un anumit timp? Este evident că masa m a substanței eliberate este egală cu produsul dintre masa m 0i a unui ion cu numărul N i de ioni care au ajuns la electrod în timpul Δt:

m = m 0i N i . (16,3)

Masa ionului m 0i este egală cu:

unde M este masa molară (sau atomică) a substanței și NA este constanta lui Avogadro, adică numărul de ioni dintr-un mol.

Numărul de ioni care ajung la electrod este egal cu

unde Δq = IΔt este sarcina trecută prin electrolit în timpul Δt; q 0i este sarcina ionului, care este determinată de valența n a atomului: q 0i = ne (e este sarcina elementară). În timpul disocierii moleculelor, de exemplu KBr, constând din atomi monovalenți (n = 1), apar ioni K + și Br -. Disociarea moleculelor de sulfat de cupru duce la apariția ionilor de Cu 2+ și SO 2-4 dublu încărcați (n = 2). Înlocuind expresiile (16.4) și (16.5) în formula (16.3) și ținând cont că Δq = IΔt, a q 0i = ne, obținem

legea lui Faraday.

Să notăm cu k coeficientul de proporționalitate dintre masa m a substanței și sarcina Δq = IΔt care trece prin electrolit:

unde F = eN A = 9,65 10 4 C/mol - Constanta lui Faraday.

Coeficientul k depinde de natura substanței (valorile lui M și n). Conform formulei (16.6) avem

m = kIΔt. (16,8)

Legea electrolizei lui Faraday:

Masa substanței eliberată pe electrod în timpul Δt. când trece un curent electric, acesta este proporțional cu puterea curentului și cu timpul.

Această afirmație, obținută teoretic, a fost stabilită pentru prima dată experimental de Faraday.

Mărimea k din formula (16.8) se numește echivalent electrochimic a acestei substante si se exprima in kilograme per pandantiv(kg/Cl).

Din formula (16.8) este clar că coeficientul k este numeric egal cu masa substanței eliberate pe electrozi atunci când ionii transferă o sarcină egală cu 1 C.

Echivalentul electrochimic are o semnificație fizică simplă. Deoarece M/N A = m 0i și еn = q 0i, atunci conform formulei (16.7) k = rn 0i /q 0i, adică k este raportul dintre masa ionului și sarcina sa.

Măsurând valorile lui m și Δq, este posibil să se determine echivalenții electrochimici ai diferitelor substanțe.

Puteți verifica validitatea legii lui Faraday experimental. Să asamblam instalația prezentată în Figura (16.25). Toate cele trei băi electrolitice sunt umplute cu aceeași soluție de electrolit, dar curenții care trec prin ele sunt diferiți. Să notăm puterile curente cu I1, I2, I3. Atunci I 1 = I 2 + I 3. Măsurând masele m 1 , m 2 , m 3 de substanţe eliberate pe electrozi în diferite băi, se poate verifica dacă acestea sunt proporţionale cu intensităţile curente corespunzătoare I 1 , I 2 , I 3 .

Determinarea sarcinii electronilor.

Formula (16.6) pentru masa substanței eliberate pe electrod poate fi utilizată pentru a determina sarcina electronului. Din această formulă rezultă că modulul sarcinii electronilor este egal cu:

Cunoscând masa m a substanței eliberate în timpul trecerii sarcinii IΔt, masa molara M, valența a n atomi și constanta lui Avogadro N A, puteți găsi valoarea modulului sarcinii electronului. Se dovedește a fi egal cu e = 1,6 10 -19 C.

În acest fel, valoarea sarcinii electrice elementare a fost obținută pentru prima dată în 1874.

Aplicarea electrolizei. Electroliza este utilizată pe scară largă în tehnologie în diverse scopuri. Acoperiți electrolitic suprafața unui metal cu un strat subțire al altuia ( placare cu nichel, placare cu crom, placare cu aur etc.). Acest strat durabil protejează suprafața împotriva coroziunii. Dacă asigurați o bună exfoliere a stratului electrolitic de pe suprafața pe care este depus metalul (acest lucru se realizează, de exemplu, prin aplicarea de grafit pe suprafață), atunci puteți obține o copie de pe suprafața de relief.

Procesul de obținere a acoperirilor decojite - electrotip- a fost dezvoltat de omul de știință rus B. S. Jacobi (1801-1874), care în 1836 a folosit această metodă pentru a realiza figuri goale pentru Catedrala Sf. Isaac din Sankt Petersburg.

Anterior, în industria tipografică, se obțineau copii de pe o suprafață în relief (stereotipuri) din matrice (o amprentă a unui tip pe un material plastic), pentru care pe matrice se depunea un strat gros de fier sau altă substanță. Acest lucru a făcut posibilă reproducerea setului în numărul necesar de copii.

Folosind electroliza, metalele sunt purificate de impurități. Astfel, cuprul brut obținut din minereu este turnat sub formă de foi groase, care sunt apoi plasate într-o baie ca anozi. În timpul electrolizei, cuprul anodului se dizolvă, impuritățile care conțin metale valoroase și rare cad la fund, iar cuprul pur se depune pe catod.

Folosind electroliza, aluminiul este obținut din bauxita topită. Această metodă de producere a aluminiului a fost cea care l-a făcut ieftin și, împreună cu fierul, cea mai comună în tehnologie și viața de zi cu zi.

Folosind electroliza, se obțin plăci de circuite electronice, care servesc drept bază pentru toate produsele electronice. Pe dielectric este lipită o placă subțire de cupru, pe care este vopsit cu vopsea specială un model complex de fire de legătură. Apoi placa este plasată într-un electrolit, unde sunt gravate zonele stratului de cupru care nu sunt acoperite de vopsea. După aceasta, vopseaua este spălată, iar detaliile microcircuitului apar pe placă.

Apa ca solvent universal.. Soluții apoase.. Disocierea electrolitică.. Electroliți.. Electroliți slabi și puternici.. Purtători de sarcină electrică în lichid.. Ioni pozitivi și negativi.. Electroliză.. Topituri.. Natura curentului electric în topituri. ..

Una dintre condițiile pentru apariția curentului electric este prezența sarcinilor libere care se pot deplasa sub influența unui câmp electric. Am mai vorbit despre natura curentului electric din metale.
În această lecție vom încerca să ne dăm seama ce particule poartă sarcină electrică în lichide și se topește.

Apa ca solvent universal

După cum știm, apa distilată nu conține purtători de sarcină și, prin urmare, nu conduce curentul electric, adică este un dielectric. Cu toate acestea, prezența oricăror impurități face deja ca apa să fie un conductor destul de bun.
Apa are o capacitate fenomenală de a dizolva aproape totul elemente chimice. Atunci când diferite substanțe (acizi, alcaline, baze, săruri etc.) sunt dizolvate în apă, soluția devine conductor din cauza descompunerii moleculelor substanței în ioni. Acest fenomen se numește disociere electrolitică, iar soluția în sine este un electrolit capabil să conducă curentul electric. Toate corpurile de apă de pe Pământ sunt, într-o măsură mai mare sau mai mică, electroliți naturali.

Oceanul mondial este o soluție de ioni ai aproape tuturor elementelor tabelului periodic.

Sucul gastric, sângele, limfa, toate fluidele din corpul uman sunt electroliți. Toate animalele și plantele sunt, de asemenea, compuse în principal din electroliți.

În funcție de gradul de disociere, există electroliți slabi și puternici. Apa este un electrolit slab, în ​​timp ce majoritatea acizilor anorganici sunt electroliți puternici. Electroliții sunt numiți și conductori de al doilea fel.

Purtători de sarcină electrică în lichide

Când diferite substanțe sunt dizolvate în apă (sau alt lichid), acestea se descompun în ioni.
De exemplu, sarea obișnuită de masă NaCl (clorura de sodiu) din apă se separă în ioni de sodiu pozitivi (Na +) și ioni de clorură negativi (Cl -). Dacă cei doi poli din electrolitul rezultat sunt la potențiale diferite, atunci ionii negativi se deplasează spre polul pozitiv în timp ce ionii pozitivi se deplasează către polul negativ.

Astfel, curentul electric dintr-un lichid constă din fluxuri de ioni pozitivi și negativi direcționați unul către celălalt.

În timp ce apa absolut pură este un izolator, apa care conține chiar și impurități mici (naturale sau introduse din exterior) de materie ionizată este un conductor de curent electric.

Electroliză

Deoarece ionii pozitivi și negativi ai substanței dizolvate se deplasează în direcții diferite sub influența câmpului electric, substanța se separă treptat în două părți.

Această separare a unei substanțe în elementele sale constitutive se numește electroliză.

Electroliții sunt utilizați în electrochimie, în sursele de curent chimic (pile și baterii voltaice), în procesele de productie galvanică și alte tehnologii bazate pe mișcarea sarcinilor electrice în lichide sub influența unui câmp electric.

Se topește

Disocierea unei substanțe este posibilă fără participarea apei. Este suficient să topești cristalele compoziției chimice a substanței și să obții o topitură. Topiturile de materie, la fel ca electroliții aposi, sunt conductori de al doilea fel și, prin urmare, pot fi numiți electroliți. Curentul electric din topituri are aceeași natură ca și curentul din electroliții apos - aceștia sunt contra fluxuri de ioni pozitivi și negativi.

Folosind topituri, metalurgia produce aluminiu folosind metoda electrolitică din alumină. Un curent electric trece prin oxidul de aluminiu și în timpul procesului de electroliză, aluminiul pur se acumulează la unul dintre electrozi (catod). Acesta este un proces foarte consumator de energie, care din punct de vedere al consumului de energie seamănă cu descompunerea apei în hidrogen și oxigen folosind curentul electric.

În atelierul de electroliză a aluminiului

Toată lumea este familiarizată cu definiția curentului electric. Este reprezentată ca mișcarea direcționată a particulelor încărcate. O mișcare similară în medii diferite are diferențe fundamentale. Ca exemplu de bază al acestui fenomen, ne putem imagina fluxul și propagarea curentului electric în lichide. Astfel de fenomene sunt caracterizate de proprietăți diferite și sunt foarte diferite de mișcarea ordonată a particulelor încărcate care are loc în conditii normale nu sunt expuse la diverse lichide.

Figura 1. Curentul electric în lichide. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Formarea curentului electric în lichide

În ciuda faptului că procesul de conducere a curentului electric se realizează prin dispozitive metalice (conductoare), curentul din lichide depinde de mișcarea ionilor încărcați care au dobândit sau au pierdut atomi și molecule similare dintr-un anumit motiv. Un indicator al unei astfel de mișcări este o modificare a proprietăților unei anumite substanțe pe care trec ionii. Astfel, este necesar să ne bazăm pe definiția de bază a curentului electric pentru a forma un concept specific de formare a curentului în diferite lichide. S-a determinat că descompunerea ionilor încărcați negativ promovează mișcarea în regiunea unei surse de curent cu valori pozitive. Ionii încărcați pozitiv în astfel de procese se vor deplasa în direcția opusă - spre sursa de curent negativ.

Conductoarele lichide sunt împărțite în trei tipuri principale:

• semiconductori;
• dielectrice;
• conductoare.

Definiția 1

Disocierea electrolitică este procesul de descompunere a moleculelor unei anumite soluții în ioni încărcați negativi și pozitivi.

Se poate stabili că curentul electric din lichide poate apărea după o modificare a compoziției și proprietăților chimice ale lichidelor utilizate. Acest lucru contrazice complet teoria propagării curentului electric prin alte mijloace atunci când se utilizează un conductor metalic convențional.

Experimentele lui Faraday și electroliza

Fluxul curentului electric în lichide este un produs al procesului de mișcare a ionilor încărcați. Problemele asociate cu apariția și propagarea curentului electric în lichide au devenit motivul studiului celebrului om de știință Michael Faraday. Cu ajutorul a numeroase studii practice, el a reușit să găsească dovezi că masa unei substanțe eliberată în timpul procesului de electroliză depinde de cantitatea de timp și de electricitate. În acest caz contează timpul în care au fost efectuate experimentele.

Omul de știință a putut afla, de asemenea, că în procesul de electroliză, la eliberarea unei anumite cantități de substanță, este necesară aceeași cantitate de sarcini electrice. Această cantitate a fost stabilită cu precizie și fixată într-o valoare constantă, care a fost numită numărul Faraday.

În lichide, curentul electric are diferite condiții de propagare. Interacționează cu moleculele de apă. Ele împiedică în mod semnificativ toată mișcarea ionilor, ceea ce nu a fost observat în experimentele folosind un conductor metalic convențional. De aici rezultă că generarea de curent în timpul reacțiilor electrolitice nu va fi atât de mare. Cu toate acestea, pe măsură ce temperatura soluției crește, conductivitatea crește treptat. Aceasta înseamnă că tensiunea curentului electric crește. De asemenea, în timpul procesului de electroliză, s-a observat că probabilitatea ca o anumită moleculă să se rupă în sarcini ionice negative sau pozitive crește datorită număr mare moleculele substanței sau solventului utilizat. Când soluția este saturată cu ioni peste o anumită normă, are loc procesul invers. Conductivitatea soluției începe să scadă din nou.

În prezent, procesul de electroliză și-a găsit aplicarea în multe domenii și domenii ale științei și producției. Întreprinderile industriale îl folosesc în producția sau prelucrarea metalului. Reacțiile electrochimice sunt implicate în:

• electroliza sărurilor;
• galvanizare;
• lustruirea suprafetelor;
• alte procese redox.

Curentul electric în vid și lichide

Propagarea curentului electric în lichide și alte medii este un proces destul de complex, care are propriile caracteristici, caracteristici și proprietăți. Faptul este că în astfel de medii nu există complet încărcături în corpuri, motiv pentru care se numesc de obicei dielectrici. Scopul principal al cercetării a fost acela de a crea condiții în care atomii și moleculele să poată începe să se miște și a început procesul de generare a curentului electric. Pentru aceasta, se obișnuiește să se utilizeze mecanisme sau dispozitive speciale. Elementul principal al unor astfel de dispozitive modulare sunt conductorii sub formă de plăci metalice.

Pentru a determina principalii parametri de curent este necesar să se utilizeze teorii și formule binecunoscute. Cea mai comună este legea lui Ohm. Acționează ca o caracteristică universală a amperului, unde este implementat principiul dependenței curentului de tensiune. Amintiți-vă că tensiunea se măsoară în unități de amperi.

Pentru a efectua experimente cu apă și sare, este necesar să pregătiți un vas cu apă sărată. Acest lucru va oferi o înțelegere practică și vizuală a proceselor care au loc în timpul formării curentului electric în lichide. Instalația trebuie să conțină și electrozi dreptunghiulari și surse de alimentare. Pentru pregătirea la scară largă pentru experimente, trebuie să aveți o instalație de amperi. Acesta va ajuta la conducerea energiei de la sursa de alimentare la electrozi.

Plăcile metalice vor acționa ca conductoare. Acestea sunt scufundate în lichidul utilizat și apoi se aplică tensiunea. Mișcarea particulelor începe imediat. Se întâmplă într-o manieră haotică. Oricând câmp magneticÎntre conductoare sunt ordonate toate procesele de mișcare a particulelor.

Ionii încep să schimbe încărcăturile și să se combine. Astfel, catozii devin anozi, iar anozii devin catozi. Există, de asemenea, câțiva alți factori importanți de luat în considerare în acest proces:

• nivelul de disociere;
• temperatură;
• rezistenta electrica;
• utilizarea curentului alternativ sau continuu.

La sfârșitul experimentului, pe farfurii se formează un strat de sare.

Originea curentului electric (mișcarea sarcinilor electrice) printr-o soluție este semnificativ diferită de mișcarea sarcinilor electrice de-a lungul unui conductor metalic.

Diferența, în primul rând, este că purtătorii de sarcină din soluții nu sunt electroni, ci ionii, adică. atomii sau moleculele înșiși care au pierdut sau au câștigat unul sau mai mulți electroni.

Desigur, această mișcare, într-un fel sau altul, este însoțită de o schimbare a proprietăților substanței în sine.

Să luăm în considerare un circuit electric, al cărui element este un vas cu o soluție de sare de masă și cu electrozi de orice formă introduși în el dintr-o placă. Când este conectat la o sursă de alimentare, în circuit apare un curent, care reprezintă mișcarea particulelor grele încărcate - ioni - în soluție. Apariția ionilor înseamnă deja posibilitatea descompunerii chimice a soluției în două elemente principale - Na și Cl. Sodiul, care a pierdut un electron, este un ion încărcat pozitiv care se deplasează către un electrod care este conectat la borna negativă a sursei de alimentare, circuitul electric. Clorul, care a „uzurpat” electronul, este un ion negativ.

Ionii negativi de clor se deplasează către electrod, care este conectat la polul pozitiv al sursei de energie electrică. lanţuri.

Formarea ionilor pozitivi și negativi are loc din cauza dezintegrarii spontane a unei molecule de sare de masă într-o soluție apoasă ( disociere electrolitică). Mișcarea ionilor este cauzată de tensiunea aplicată electrozilor scufundați în soluție. Ajunși la electrozi, ionii preiau sau renunță la electroni, formând molecule de Cl, respectiv Na. Fenomene similare se observă în soluțiile multor alte substanțe. Moleculele acestor substanțe, ca și moleculele sării de masă, constau din ioni cu încărcare opusă, în care se dezintegrează în soluții. Numărul de molecule degradate, mai precis, numărul de ioni, caracterizează rezistența electrică a soluției.

Să subliniem încă o dată că originea unui curent electric de-a lungul unui circuit, al cărui element este o soluție, provoacă mișcarea substanței acestui element al circuitului electric și, în consecință, o modificare a acestuia. proprietăți chimice, în timp ce atunci când un curent electric trece printr-un conductor metalic, nu au loc modificări în conductor.

Ce determină cantitatea de substanță eliberată în timpul electrolizei pe electrozi? Faraday a răspuns pentru prima dată la această întrebare. Faraday a arătat experimental că masa substanței eliberate este legată de puterea curentului și de timpul în care curge t prin raport (legea lui Faraday):

Masa substanței eliberată în timpul electrolizei unei substanțe este direct proporțională cu cantitatea de electricitate care trece prin electrolit și nu depinde de alte motive decât tipul de substanță.

Acest model poate fi verificat în următoarele experimente. Să turnăm același electrolit în mai multe băi, dar cu concentrații diferite. Să coborâm electrozii din diferite zone în băi și să-i plasăm în băi la distanțe diferite. Să conectăm toate băile în serie și să trecem curent prin ele. Apoi, evident, aceeași cantitate de energie electrică va trece prin fiecare dintre băi. După ce am cântărit catozii înainte și după experiment, vom descoperi că aceeași cantitate de substanță a fost eliberată pe toți catozii. Conectând toate băile în paralel și trecând un curent prin ele, puteți verifica dacă cantitatea de substanță eliberată la catozi este direct proporțională cu cantitatea de electricitate care trece prin fiecare dintre ele. În final, prin conectarea în serie a băilor cu diferiți electroliți, este ușor de stabilit că cantitatea de substanță eliberată depinde de tipul acestei substanțe.

Cantitatea care caracterizează dependența cantității de substanță eliberată în timpul electrolizei de tipul acesteia se numește echivalent electrochimic și este notă cu litera k.

Masa substanței eliberate în timpul electrolizei este masa totală a tuturor ionilor descărcați la electrod. Prin supunerea diferitelor săruri la electroliză, se poate stabili experimental cantitatea de electricitate care trebuie să treacă prin electrolit pentru a elibera un kilogram – echivalentul unei substanțe date. Faraday a fost primul care a efectuat astfel de experimente. El a descoperit că pentru a elibera un kilogram - echivalentul oricărei substanțe în timpul electrolizei, este necesară aceeași cantitate de electricitate, egală cu 9,65 107 k.

Cantitatea de energie electrică necesară pentru a elibera un kilogram echivalent dintr-o substanță în timpul electrolizei se numește număr Faraday și se notează cu litera F:

F = 9,65.107 k.

Într-un electrolit, ionul este înconjurat de molecule de solvent (apă) care au momente dipol semnificative. Interacționând cu un ion, moleculele dipol se întorc spre acesta cu capetele, care au o sarcină al cărei semn este opus sarcinii ionului, deci mișcarea ordonată a ionului în câmp electric devine mai dificilă, iar mobilitatea ionilor este semnificativ inferioară mobilității electronilor de conducție din metal. Deoarece concentrația de ioni nu este de obicei mare în comparație cu concentrația de electroni din metal, conductivitatea electrică a electroliților este întotdeauna semnificativ mai mică decât conductivitatea electrică a metalelor.

Datorită încălzirii puternice prin curent, în electroliți sunt realizabile doar densități de curent nesemnificative, adică. intensități scăzute ale câmpului electric. Pe măsură ce temperatura electrolitului crește, orientarea ordonată a dipolilor solventului se deteriorează sub influența mișcării aleatoare crescute a moleculelor, prin urmare, învelișul dipolului este parțial distrus, mobilitatea ionilor și conductivitatea soluției crește. Dependența conductibilității electrice specifice de concentrație la o temperatură constantă este complexă. Dacă dizolvarea este posibilă în orice proporție, atunci la o anumită concentrație conductivitatea electrică are un maxim. Motivul pentru aceasta este următorul: probabilitatea ca moleculele să se descompună în ioni este proporțională cu numărul de molecule de solvent și cu numărul de molecule ale substanței solubile pe unitatea de volum. Dar este posibil și procesul invers: (recombinarea ionilor în molecule), a cărui probabilitate este proporțională cu pătratul numărului de perechi de ioni. În cele din urmă, conductivitatea electrică este proporțională cu numărul de perechi de ioni pe unitatea de volum. Prin urmare, la concentrații scăzute disocierea este completă, dar numărul total de ioni este mic. La concentrații foarte mari, disocierea este slabă și numărul de ioni este, de asemenea, mic. Dacă solubilitatea unei substanțe este limitată, atunci de obicei nu se observă o conductivitate electrică maximă. Când este înghețată, vâscozitatea unei soluții apoase crește brusc, mobilitatea ionilor scade brusc, iar conductivitatea electrică scade de o mie de ori. Când metalele lichide se solidifică, mobilitatea electronilor și conductivitatea electrică rămân aproape neschimbate.

Electroliza este utilizată pe scară largă în diverse industrii electrochimice. Cele mai importante dintre ele sunt: ​​producerea electrolitică a metalelor din soluții apoase ale sărurilor lor și din sărurile lor topite; electroliza sărurilor clorurate; oxidare și reducere electrolitică; producerea de hidrogen prin electroliză; galvanostegie; electrotip; electrolustruire. Metoda de rafinare produce metal pur, lipsit de impurități. Galvanizarea este acoperirea obiectelor metalice cu un alt strat de metal. Galvanizarea este producerea de copii metalice din imagini în relief ale oricăror suprafețe. Electropolizare - nivelarea suprafetelor metalice.