Электрический ток в жидкостях
Происхождение электрического тока (движение электрических зарядов) через раствор существенно отличается от движения электрических зарядов по металлическому проводнику. Различие, прежде всего в том, что зарядоносителями в растворах являются не электроны, а ионы, т.е. сами атомы или молекулы,
потерявшие или захватившие один или несколько электронов. Естественно, это движение, так или иначе, сопровождается изменением свойств самого вещества.
Жидкости по степени электропроводности делятся на:
диэлектрики (например, дистиллированная вода);
полупроводники (расплавы некоторых солей).
Носители тока в жидкостях – положительные и отрицательные ионы.
Электролиты – вещества, водные растворы которых проводят электрический ток. К ним относятся водные растворы солей, кислот, щелочей. Они являются проводниками второго рода.
Молекулы воды и электролитов представляют собой электрические диполи. В
результате кулоновского взаимодействия молекулы электролитов распадаются на ионы (катионы и анионы), такой процесс распада молекул называют
Причины электролитической диссоциации:
тепловое движение полярных молекул растворенного вещества,
взаимодействие этих молекул с полярными молекулами растворителя
(поле молекул H 2 O, окружающих полярную молекулу, ослабляет связь между ионами этой молекулы).
Обратный процесс, процесс образования нейтральной молекулы при столкновении положительного и отрицательного ионов называется рекомбинацией
После разрыва молекулы на ионы диполи растворителя обволакивают их,
образуя сольватную оболочку, сильно затрудняющую движение ионов.
При создании в растворе электрического поля внешним источником тока,
катионы начинают направленно двигаться вдоль Е , а анионы – против Е . Таким образом в растворе возникает электрический ток, обусловленный встречным направленным движением разноимённых ионов.
Закон Ома для электролитов:
где + , − , + , − ‒ концентрации и направленные скорости катионов и анионов,
Когда через раствор проходит электрический ток, между электродами,
соединенными с источником тока, создается разность потенциалов, иначе говоря,
один из них оказывается заряженным положительно, а другой отрицательно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы перемещаются по направлению к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы — к
Таким образом, хаотическое движение ионов стало упорядоченным встречным движением отрицательных ионов в одну сторону и положительных в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение электрического тока через электролит и происходит до тех пор, пока имеется разность потенциалов на электродах. С исчезновением разности потенциалов прекращается ток через электролит, нарушается упорядоченное движение ионов, и вновь наступает хаотическое движение.
В качестве примера рассмотрим явление электролиза при пропускании электрического тока через раствор медного купороса CuSO 4 с опущенными в него медными электродами.
Явление электролиза при прохождении тока через раствор медного купороса: С — сосуд с
электролитом, Б — источник тока, В — выключатель
Так как этот химический процесс протекает длительное время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита. При этом электролит вместо ушедших на катод молекул меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода — анода.
Таким образом, разница между электрическим током в металлах и жидких проводниках заключается в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах электричество переносится разноименно заряженными частицами вещества ‒
ионами, двигающимися в противоположных направлениях. Поэтому говорят, что электролиты обладают ионном проводимостью.
Электрический ток в электролитах сопровождается явлением электролиза.
Электролиз – выделение на электродах составных частей растворенных веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах.
Первый закон Фарадея : Масса вещества, которая выделяется на электроде,
прямо пропорциональна заряду, протекшему через электролит:
где k ‒ электрохимический эквивалент вещества, равный количеству вещества,
выделяющемуся на электродах при прохождении через раствор заряда q =1Кл.
Второй закон Фарадея : электрохимический эквивалент вещества k
пропорционален отношению молярной массы A ионов этого вещества к их валентности z
где F = 96486,7 Кл / моль – число Фарадея.
Электролиз широко применяется в различных электрохимических производствах. Важнейшие из них: электролитическое получение металлов из водных растворов их солей и из их расплавленных солей; электролиз хлористых солей; электролитическое окисление и восстановление; получение водорода электролизом; гальваностегия; гальванопластика; электрополировка. Методом рафинирования получают чистый металл, очищенный от примесей . Гальваностегия
– покрытие металлических предметов другим слоем металла . Гальванопластика –
получение металлических копий с рельефных изображений каких-либо поверхностей. Электрополировка – выравнивание металлических поверхностей.
Электрофорез ‒ движение под действием электрического поля грубодисперсных
(взвешенных мелких твёрдых частиц, пузырьков и т.д.) или коллоидно-дисперсных
(крупные органические молекулы) заряженных частиц. Электрический заряд такие
частицы приобретают или в результате ионизации, или в результате формирования на их поверхности двойного слоя элементарных зарядов.
Ионофорез ‒ введение в организм лекарств при пропускании через него электрического тока, образованного (внутри организма) ионами лекарственного вещества, которым пропитывают тампон, подкладываемый под один из электродов.
III. Основы электродинамики
Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.
В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.
Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит
Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.
Второй закон Фарадея:
Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.
Электрический ток в металлах
При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.
Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.
Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-273 0 C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.
Применение электрического тока в металлах
Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.
Электрический ток в газах
Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.
Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.
Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.
Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.
В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».
Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.
Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.
Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!
Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.
Электрический ток в вакууме
А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии — испускания веществом электронов при нагревании.
Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны — анод.
Электрический ток в жидкостях
К жидкостям, являющимся проводниками, относятся расплавы и растворы электролитов, т.е. солей, кислот и щелочей.
При растворении электролитов в воде происходит распад их молекул на ионы – электролитическая диссоциация. Степень диссоциации, т.е. доля в растворенном веществе молекул, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и электрических свойств растворителя. С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов. Ионы разных знаков при встрече могу снова объединиться в нейтральные молекулы. Такой процесс называется рекомбинация. При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.
Т.о., свободными носителями зарядов в проводящих жидкостях являются положительные и отрицательные ионы. Если в жидкость поместить электроды подключенные к источнику тока, то эти ионы начнут придут в движение. Один из электродов подключен к отрицательному полюсу источника тока – он называется катод – другой подключен к положительному — анод. При подключении к источнику тока ионы в растворе электролита отрицательные ионы начинают двигаться к положительному электроду (аноду), а положительные – соответственно к отрицательному (катоду). То есть установится электрический ток. Такую проводимость в жидкостях называют ионной, так как носителями заряда являются ионы.
При прохождении тока через раствор электролита на электродах происходит выделение вещества, связанное с окислительно-восстановительными реакциями. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (окислительная реакция), а на катоде положительные ионы принимают недостающие электроны (восстановительная реакция). Такой процесс называется электролизом.
При электролизе на электродах происходит выделение вещества. Зависимость массы выделившегося вещества m от силы тока, времени прохождения тока и самого вещества установил М.Фарадей. Этот закон можно получить теоретически. Итак, масса выделившегося вещества равна произведению массы одного иона mi на число ионов Ni, достигших электрода за время Dt. Масса иона согласно формуле количества вещества равна mi=M/Na, где M – молярная масса вещества, Na – постоянная Авогадро. Число ионов, достигших электрода, равно Ni=Dq/qi, где Dq – заряд, прошедший электролит за время Dt (Dq=I*Dt), qi – заряд иона, который определяется валентностью атома (qi = n*e, где n – валентность атома, e – элементарный заряд). При подстановке этих формул получаем, что m=M/(neNa)*IDt. Если обозначить через k (коэффициент пропорциональности) =M/(neNa), то имеем m=kIDt. Это математическая запись первого закона Фарадея – одного из законов электролиза. Масса вещества, выделившегося на электроде за время Dt при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и этому промежутку времени. Величину k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества, который численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда, равного 1 Кл. [k]= 1 кг/Кл. k = M/(neNa) = 1/F*M/n, где F – постоянная Фарадея. F=eNa=9,65*10 4 Кл/моль. Выведенная формула k=(1/F)*(M/n) является вторым законом Фарадея.
Электролиз широко применяется в технике для различных целей, например,так покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, омеднение и др.). Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от поверхности, то можно получить копию рельефа поверхности. Этот процесс называется гальванопластика. Также при помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей, например, толстые листы неочищенной меди, полученной из руды, помещают в ванну в качестве анода. В процессе электролиза медь растворяется, примеси выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь. С помощью электролиза ещё получают электронные платы. На диэлектрик наклеивают тонкую сложную картину соединяющих проводов, затем помещают пластину в электролит, где вытравливаются незакрытые краской участки медного слоя. После этого краска смывается и на плате появляются детали микросхемы.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза»
Во всех ранее рассмотренных нами случаях перенос заряда не сопровождался переносом вещества. Но существует класс проводников, прохождение электрического тока в которых всегда сопровождается химическими изменениями и переносом вещества. Такими проводниками являются растворы многих солей, кислот и щелочей, а также расплавы солей и оксидов металлов. Эти вещества называют электролитами.
Чтобы понять природу электрического тока в электролитах, соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампы накаливания и ванны с дистиллированной водой, в которой находятся два угольных электрода. Замкнём цепь. Лампочка не светится. Следовательно, дистиллированная вода является диэлектриком.
Давайте повторим опыт, предварительно растворив в дистиллированной воде сахар. Лампа не светится и в этом случае. Значит, раствор сахара в воде тоже является диэлектриком.
А теперь растворим в дистиллированной воде небольшое количество соли, например, хлорида меди и повторим опыт. Как видим, в цепи проходит электрический ток, о чём наглядно свидетельствует свечение лампы. Вывод напрашивается сам собой: раствор соли в воде является проводником электрического тока.
При изучении химии вы узнали, что при растворении солей, кислот и щелочей в воде происходит электролитическая диссоциация, то есть распад молекул электролита на ионы.
В проведённом опыте хлорид меди в водном растворе диссоциирует на положительно заряженные ионы меди и отрицательно заряженные ионы хлора, которые при отсутствии электрического поля движутся хаотически:
Однако, стоит создать внешнее электрическое поле, как на хаотическое движение частиц накладывается направленное движение положительно и отрицательно заряженных ионов. При этом положительно заряженные ионы меди движутся к электроду, подключённому к отрицательному полюсу источника тока (то есть к катоду), а отрицательно заряженные ионы хлора — к положительному аноду. На аноде будет происходить процесс окисления ионов хлора до атомов хлора: Cl – – e – = Cl. А нейтральные атомы хлора будут образовывать молекулы хлора, который выделяется на аноде: Cl + Cl = Cl2↑.
На катоде же будет происходить процесс восстановления ионов меди до нейтральных атомов и осаждение металлической меди (о чём и свидетельствует бурый налёт на катоде): Cu 2+ + 2e – = Cu.
Таким образом, свободными носителями электрического заряда в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации. Следовательно, проводимость электролитов является ионной.
Давайте изучим сопротивление электролитов. Для этого соберём простую электрическую цепь, состоящую из источника тока, электролитической ванны и амперметра. Поддерживая постоянное напряжение между электродами, приблизим их друг к другу. Нетрудно заметить, что амперметр показывает увеличение силы тока в цепи.
Теперь установим один из электродов так, чтобы его часть выступала над поверхностью раствора, — показания амперметра уменьшились.
Таким образом, при уменьшении расстояния между электродами и площади перекрытия электродов, сопротивление электролита уменьшается.
А сейчас давайте нагреем электролит. Как видим, с ростом температуры показания амперметра увеличиваться. Следовательно, увеличение температуры электролита ведёт к уменьшению его сопротивления.
Теперь давайте будем увеличивать напряжение между электродами в целое число раз. Не трудно заметить, что показания амперметра в этом случае также увеличиваются в целое число раз, пропорционально напряжению. Это свидетельствует о том, что для электролитов выполняется закон Ома:
Отметим также тот факт, что при прохождении электрического тока через электролит проявляется тепловое действие тока, то есть выполняется закон Джоуля—Ленца:
Идём дальше. При изучении химии вы узнали, что процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими при прохождении электрического тока через растворы (расплавы) электролитов, называют электролизом.
Первый закон электролиза был экспериментально установлен Фарадеем в 1833 году. Согласно ему, масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит: m = kq.
Коэффициент пропорциональности k в формуле называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося на одном из электродов при прохождении через электролит единичного электрического заряда.
В СИ электрохимический эквивалент измеряют в килограммах на кулон: [k] = [Кл/кг].
Но вернёмся к первому закону электролиза и вспомним, что заряд, прошедший через поперечное сечение проводника (в нашем случае, через раствор электролита) за единицу времени, можно найти, как произведение силы тока на время его прохождения: q = It.
Массу вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит электрического заряда, можно определить, зная массу одного иона и число осевших на этом электроде ионов: m= m0N.
А массу одного иона легко найти, зная молярную массу вещества и число Авогадро:
Выразим из последних двух формул число ионов:
Теперь вспомним, это же число ионов мы можем определить, как отношение заряда, прошедшего через электролит, к заряду одного иона, который кратен элементарному заряду:
В записанной формуле n — это валентность иона.
Прировняв правые части последних двух равенств, найдём массу выделившегося на катоде вещества.
Сравнивая полученное выражение с первым законом электролиза легко получить формулу для определения электрохимического эквивалента вещества:
Произведение двух универсальных постоянных называют постоянной Фарадея:
А отношение молярной массы вещества к валентности иона называют химическим эквивалентом вещества:
Отсюда вытекает второй закон Фарадея для электролиза: электрохимические эквиваленты веществ пропорциональны их химическим эквивалентам:
А теперь давайте подставим выражение для электрохимического эквивалента вещества в первый закон электролиза:
Полученное выражение называют объединённым законом Фарадея для электролиза. Согласно этому закону масса вещества, выделившегося на каждом из электродов, пропорциональна молярной массе ионов этого вещества, силе тока и времени его прохождения через электролит и обратно пропорциональна валентности ионов вещества.
Используя закон электролиза, можно определить значение заряда электрона:
В 1874 году именно таким путём и было впервые получено значение элементарного электрического заряда.
А теперь, для закрепления материала решим с вами такую задачу. Хромирование тонкой прямоугольной пластинки размерами а = 5,0 см и b = 8,0 см в большой гальванической ванне осуществляется в течение трёх часов при силе тока 1,5 А. Определите толщину образовавшегося на пластинке слоя хрома.
В заключении урока отметим, что электролиз нашёл широкое применения в технике. Так, например, английский химик и один из основателей электрометаллургии сэр Гемфри Дэви разработал методику получения металлов с наименьшим количеством примесей.
С помощью электролиза наносят защитные и декоративные покрытия на металлические изделия (это называется гальваностегией).
В 1836 году русский академик Борис Семёнович Якоби разработал метод для производства идеальных копий исходного предмета. Его назвали гальвванопластикой.
Первым изделием, полученным с помощью гальванотехники, стала монета. Якоби сначала использовал монету для получения матрицы-негатива, а с неё создал копию, находящейся в обороте, монеты. Осознав, что он открыл новый метод фальшивомонетничества, учёный уничтожил полученное изделие. Технология быстро распространилась в Российской империи. В частности, таким способом были созданы скульптуры на нефах Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.
С помощью электролиза также получают электронные платы, служащие основой всех электронных изделий. На диэлектрик наклеивают тонкую медную пластину, на которую наносят особой краской сложную картину соединяющих проводов. Затем пластину помещают в электролит, где вытравливаются не закрытые краской участки медного слоя. После этого краска смывается, и на плате появляются детали микросхемы.