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.
Электрический ток в жидкостях
Электрический ток – это движение зарядов в веществе. Вещество может иметь различные состояния – твердое, жидкое, газообразное, плазменное, и каждый из этих случаев имеет свои особенности. Рассмотрим кратко электрический ток в жидкостях, а также механизм проводимости жидкостей.
Проводимость жидкостей
Для того, чтобы вещество могло проводить электрический ток, оно должно содержать некоторую концентрацию заряженных частиц, способных двигаться под действием электрического поля. Как и в твердых телах, такие частицы имеются не во всех жидкостях, поэтому жидкости также, как и твердые тела, могут быть проводниками и диэлектриками. Например, химически чистая вода практически не содержит носителей заряда, и является диэлектриком.
Однако, проводимость жидкостей, содержащих свободные заряженные частицы, существенно отличается от проводимости твердых тел. Если в твердых телах атомы выстраиваются в плотную кристаллическую решетку, и электроны могут достаточно свободно перемещаться между атомами, обеспечивая металлическую проводимость, то в жидкостях свободных электронов нет. Молекулы жидкости располагаются на достаточно больших расстояниях, и электроны не могут свободно покидать ядра.
Рис. 1. Молекулы жидкости.
Поэтому проводимость жидкостей обеспечивается исключительно за счет наличия в ней заряженных ионов.
Ионы и ионная связь
Ион – это часть молекулы, число электронов в которой не равно числу протонов в ядрах его атомов, и, таким образом, ион всегда имеет некоторый заряд.
Ионы образуются за счет того, что существуют энергетически устойчивые конфигурации электронных оболочек в атомах, число электронов в которых имеет определенные значения – чаще всего, 0, 2 или 8 электронов.
Атому, число внешних электронов у которого близко к этим цифрам, «энергетически выгодно» изменить число электронов так, чтобы число электронов во внешней оболочке стало устойчивым, даже несмотря на приобретение электрического заряда.
Во внешней электронной оболочке натрия имеется один электрон, поэтому натрий очень легко теряет его, превращаясь в положительный ион. Во внешней электронной оболочке хлора имеется семь электронов, поэтому хлор легко включает один свободный электрон в оболочку, становясь отрицательным ионом. Эти два процесса могут быть объединены – натрий передает электрон хлору, в результате образуются два противоположно заряженных иона, которые сразу же притягиваются друг к другу. Поэтому натрий горит в хлоре, образуя белый дым, состоящий из мельчайших кристалликов обычной поваренной соли $NaCl$.
Рис. 2. Горение натрия в хлоре.
Химическая связь, возникающая за счет образования ионов, называется ионной. Такая связь имеется практически во всех кислотах, солях и щелочах.
Электролитическая диссоциация
Если вещество, молекулы которого образованы ионной связью расплавить, то сперва молекулы за счет температуры удаляются друг от друга все дальше, а потом наступает определенный момент, когда и ионы, образующие молекулы, тоже удаляются настолько далеко друг от друга, что им становится возможным образовывать ионные связи с другими ионами. Таким образом, в расплаве вещества за счет температуры появляются подвижные заряженные частицы, способные двигаться под действием внешнего электрического поля.
Воздействие температуры можно заменить воздействием растворителя. Если молекулы растворителя являются диполем (например, обычная вода), то эти молекулы могут взаимодействовать с ионами кристаллической решетки растворяемого вещества, унося их в раствор. В растворе появляются заряженные частицы, способные двигаться под действием электрического поля. Происходит это, как правило, при более низких температурах. Например, если расплав поваренной соли требует температуры более 800⁰C, то растворение соли происходит при комнатной температуре.
Распад вещества на ионы с образованием проводящего электролита под действием температуры или растворителя называется электролитической диссоциацией.
Рис. 3. Ионная электролитическая диссоциация.
Таким образом, жидкость может проводить электрический ток, если она, либо сама состоит из ионов, либо является раствором вещества с ионной связью.
Что мы узнали?
Электрический ток в жидкостях может существовать, если жидкость содержит свободные заряженные частицы – ионы. Такие частицы могут существовать, либо если молекулы жидкости состоят из ионов, либо если в жидкости растворено вещество с ионной связью (например, расплав или раствор поваренной соли). Жидкость, не содержащая ионов (например, химически чистая вода) электрический ток не проводит.
Лекция 8. Растворы электролитов
По способности проводить электрический ток в водном растворе или в расплаве вещества делятся на электролиты и неэлектролиты. Электролитами называются вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. К электролитам относятся соли, кислоты, основания. В молекулах этих веществ имеются ионные или ковалентные сильно полярные химические связи.
Неэлектролитами называются вещества, растворы или расплавы которых не проводят электрический ток. К ним относятся, например, кислород, водород и многие органические вещества (сахар, эфир, бензол и др.). В молекулах этих веществ существуют ковалентные неполярные или малополярные связи.
Для объяснения электропроводности растворов и расплавов солей, кислот и оснований шведский ученый С. Аррениус создал теорию электролитической диссоциации (1887).
1. Молекулы электролитов при растворении или расплавлении распадаются на ионы (электролитическая диссоциация). Ионы – это атомы или группы атомов, имеющие положительный или отрицательный заряд.
2. В растворе или расплаве электролитов ионы движутся хаотически. При пропускании через раствор или расплав электрического тока положительно заряженные ионы движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), а отрицательно заряженные ионы движутся к положительно заряженному электроду (аноду). Поэтому положительные ионы называются катионами, отрицательные ионы – анионами. К катионам относятся: ион водорода Н + , ион аммония NH4 + , ионы металлов Na + , K + , Fe 2+ , А1 3+ , катионы основных солей CuOH + , А1(ОН)2 + , FeOH 2+ и т.д. К анионам относятся: гидроксид-ион ОН – , ионы кислотных остатков Сl – NO3 – , SO4 2– , Сг2О7 2– , анионы кислых солей НСО3 – , Н2РО4 – и т.д.
3. Диссоциация – процесс обратимый. Это значит, что одновременно идут два противоположных процесса: распад молекул на ионы (ионизация, или диссоциация) и соединение ионов в молекулы (ассоциация, или моляризация).
Диссоциацию молекул электролитов выражают уравнениями, в которых вместо знака равенства ставят знак обратимости (). В левой части уравнения записывают формулу молекулы электролита, в правой – формулы ионов, которые образуются в процессе электролитической диссоциации. Например:
Каждая молекула гидроксида аммония диссоциирует на ион аммония и ион гидроксида. Следовательно, в результате диссоциации одной молекулы образуется два иона. Общая сумма зарядов катионов равна общей сумме зарядов анионов и противоположна по знаку (т.к. растворы электролитов электронейтральны).
Механизм электролитической диссоциации. Гидратация ионов. Причины и механизм диссоциации электролитов объясняются химической теорией растворов Д. И. Менделеева и природой химической связи. Растворители, в которых происходит диссоциация, состоят из полярных молекул (вода). Химическая теория растворов основана на представлении об определяющей роли явления сольватации при растворении веществ. Сольватация – процесс химического взаимодействия частиц растворенного вещества с молекулами растворителя, приводящий к образованию сольватов (гидратов, если растворителем является вода). Диссоциация электролитов с ионной и полярной связями протекает не одинаково. В растворах электролитов все ионы находятся в гидратированном состоянии. Растворение электролита можно представить в виде процесса, включающего следующие стадии:
1) ориентация вокруг частиц растворенного вещества полярных молекул растворителя;
2) поляризация молекул (частиц) растворенного вещества под действием полярных молекул растворителя;
3) разрыв связей между частицами растворенного вещества с образованием сольватированных ионов.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
почему чистые кислоты, щёлочи, соли плохо проводят электрический ток, а их водные растворы проводят ток хорошо?
Есть такие растворы веществ, которые способны проводить электрический ток, а другие – нет.
Для выяснения этих особенностей, я продемонстрирую классический опыт, используя специальный прибор для испытания электропроводности. Для начала мы испытаем этот прибор на дистиллированной воде (без растворенных солей) . Электрическая лампочка не загорается. Значит, чистая дистиллированная вода электрического тока не проводит. Давайте повторим опыт на органических веществах: растворе сахара в воде, спирте. Что же мы видим? Электрическая лампочка вновь не горит. Так вот, существуют такие растворы, которые не проводят электрический ток. Ребята, связь в этих соединениях ковалентная слабополярная.
Теперь, используем этот прибор с кристаллами хлорида натрия (поваренная соль) . Кристаллы данного вещества также неэлектропроводны. Попробуем растворить кристаллы соли в воде и тщательно перемешать этот раствор. Экспериментальным путем устанавливаем, что полученный раствор проводит электрический ток, лампочка ярко загорелась. Из выше увиденного, можно сформулировать следующее:
— Вещества, растворы которых не проводят электрический ток, называются неэлектролитами.
— Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.
Неэлектролиты Электролиты
Растворы сахара, спирта, глюкозы (органические вещества) .
Нерастворимые соли, кислоты, основания, оксиды.
Вода.
Простые вещества.
1. Растворимые соли.
2. Кислоты.
3. Щелочи.
Неэлектролиты Электролиты
Вода- H2O
Соли – CaCO3, BaSO4
Кислоты – H2S, HNO2
C2H5OH- спирт 1. BaNO3, FeSO4
2. HCl, HNO3, H2SO4
3. NaOH, KOH
Вы можете сказать, что многие металлы относятся к простым веществам и способны проводить электрический ток. Так вот, ток могут проводить те вещества, у которых есть свободно движущиеся заряженные частицы, и металлы обладают свободными электронами, потому, что для них характерна металлическая связь.
Какие же частицы имеются в электролитах для проведения электрического тока? Вспомните, какая химическая связь в веществе хлорида натрия. Правильно, ионная. В кристаллах ионы не свободны, они находятся строго в узлах кристаллической решетки, поэтому мы видели, что кристаллы этого вещества не проводят ток. При растворении в воде солей (щелочей) происходит разрушение кристаллической решетки, и ионы становятся свободными, т. е. способны к перемещению. Поэтому водные растворы ионных соединений проводят ток.
А как же быть с растворами кислот, в которых связь ковалентная полярная? В этом случае, при растворении в воде ковалентная полярная связь переходит в ионную, и образовавшиеся ионы обуславливают электропроводность растворов.
Распад вещества на ионы при растворении в воде называется электролитической диссоциацией.
Аррениус Сванте (1859–1927)
Шведский физикохимик, член Королевской шведской АН (с 1901). Родился в имении Вейк. Окончил Упсальский университет (1878). В 1881–1883 гг. совершенствовал образование в Физическом институте Королевской шведской АН в Стокгольме. В 1884–1885 гг. работал в Упсальском университете. В 1886 г. работал в Рижском политехническом институте в лаборатории В. Ф. Оствальда, в 1886–1887 гг. – в университетах Вюрцбурга и Граца, в 1888 г. – в Амстердамском университете в лаборатории Вант-Гоффа, в 1889 г. – снова в университете Граца. С 1891 г. в Стокгольмском университете (с 1895 профессор, с 1897 ректор) . В 1905–1927 гг. директор Нобелевского института в Стокгольме.
Впервые этот процесс рассмотрел шведский ученый Сванте Аррениус в 1877 году. Позднее это явление было изучено подробнее с точки физико-химической теории растворов русскими химиками Каблуковым и Кистяковским. Сущность этой теории состоит в рассмотрении растворов, как систем ассоциации частиц, т. е. взаимодействие растворенного вещества с молекулами растворителя.
В данном случае, в качестве растворителя мы взяли воду, молекулы которой представляют диполь, т. е. два полюса