Применение тока в жидкостях. Электрический ток в жидкостях: его происхождение, количественные и качественные характеристики. Электроток в растворе. Электролиты
Всем знакомо определение электрического тока. Оно представляется как направленное движение заряженных частиц. Подобное движение в различных средах имеет принципиальные отличия. Как основной пример этого явления можно представить течение и распространение электрического тока в жидкостях . Такие явления характеризуются различными свойствами и серьезно отличаются от упорядоченного движения заряженных частиц, которое происходит в обычных условиях не под воздействием различных жидкостей.
Рисунок 1. Электрический ток в жидкостях. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Формирование электрического тока в жидкостях
Несмотря на то, что процесс проводимости электрического тока осуществляется посредством металлических приборов (проводников), ток в жидкостях лежит в зависимости от движения заряженных ионов, которые приобрели или потеряли по некой определенной причине подобные атомы и молекулы. Показателем такого движения выступает изменение свойств определенного вещества, где проходят ионы. Таким образом, нужно опираться на основное определение электрического тока, чтобы сформировать специфическое понятие формирования тока в различных жидкостях. Определено, что разложение отрицательно заряженных ионов способствует движению в область источника тока с положительными значениями. Положительно заряженные ионы в таких процессах будут двигаться в противоположном направлении – к отрицательному источнику тока.
Жидкие проводники делятся на три основных типа:
- полупроводники;
- диэлектрики;
- проводники.
Определение 1
Электролитическая диссоциация - процесс разложения молекул определенного раствора на отрицательные и положительные заряженные ионы.
Можно установить, что электроток в жидкостях может возникать после изменения состава и химического свойства используемых жидкостей. Это напрочь противоречит теории распространения электрического тока иными способами при использовании обычного металлического проводника.
Опыты Фарадея и электролиз
Течение электрического тока в жидкостях – это продукт процесса перемещения заряженных ионов. Проблемы, связанные с возникновение и распространением электротока в жидкостях, стали причиной изучения знаменитого ученого Майкла Фарадея. Он при помощи многочисленных практических исследований смог найти доказательства, что масса вещества, выделяемая в процессе электролиза, зависит от количества времени и электричества. При этом имеет значение время, в течение которого проводились эксперименты.
Также ученый смог выяснить, что в процессе электролиза при выделении определенного количества вещества необходимо одинаковое количество электрических зарядов. Это количество удалось точно установить и зафиксировать в постоянной величине, которая получила название числа Фарадея.
В жидкостях электрический ток имеет иные условия распространения. Он взаимодействует с молекулами воды. Они в значительной степени затрудняют все передвижения ионов, что не наблюдалось в опытах с использование обычного металлического проводника. Из этого следует, что образование тока при электролитических реакциях будет не столь большим. Однако при увеличении температуры раствора проводимость постепенно увеличивается. Это означает, что напряжение электрического тока растет. Также в процессе электролиза было замечено, что вероятность распада определенной молекулы на отрицательные или положительные заряды ионов увеличивается из-за большого числа молекул используемого вещества или растворителя. При насыщении раствора ионами сверх определенной нормы, происходит обратный процесс. Проводимость раствора вновь начинает снижаться.
В настоящее время процесс электролиза нашел свое применения во многих областях и сферах науки и на производстве. Промышленные предприятия его используют при получении или обработке металла. Электрохимические реакции участвуют в:
- электролизе солей;
- гальванике;
- полировке поверхностей;
- иных окислительно-восстановительных процессах.
Электрический ток в вакууме и жидкостях
Распространение электрического тока в жидкостях и иных средах представляет собой довольно сложный процесс, который имеет собственные характеристики, особенности и свойства. Дело в том, что в подобных средах полностью отсутствуют заряды в телах, поэтому их принято называть диэлектриками. Главной целью исследований стало то, чтобы создать такие условия, при которых атомы и молекулы могли бы начать свое движения и процесс образования электрического тока начался. Для этого принято использовать специальные механизмы или устройства. Основным элементом таких модульных устройств стали проводники в виде металлических пластин.
Для определения основных параметров тока необходимо воспользоваться известными теориями и формулами. Самым распространенным являются закон Ома. Он выступает в роли универсальной амперной характеристики, где осуществляется принцип зависимости тока от напряжения. Напомним, что напряжение измеряется в единице Ампер.
Для проведения опытов с водой и солью необходимо подготовить сосуд с соленой водой. Это даст практическое и визуальное представление о процессах, которые происходят при образовании электрического тока в жидкостях. Также установка должна содержать электроды прямоугольной формы и источники питания. Для полномасштабной подготовки к опытам нужно иметь амперную установку. Она поможет провести энергию от сети питания к электродам.
В роли проводников будут выступать металлические пластины. Их опускают в используемую жидкость, а затем подключается напряжение. Сразу начинается перемещение частиц. Оно проходит в хаотичном режиме. При возникновении магнитного поля между проводниками все процессе движения частиц упорядочиваются.
Ионы начинают меняться зарядами и объединяться. Таким образом, катоды становятся анодами, а аноды – катодами. В этом процессе необходимо также учитывать еще несколько важных факторов:
- уровень диссоциации;
- температура;
- электрическое сопротивление;
- использование переменного или постоянного тока.
В конце эксперимента происходит образование слоя соли на пластинах.
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 m i на число ионов N i , достигших электрода за время Dt. Масса иона согласно формуле количества вещества равна m i =M/N a , где M – молярная масса вещества, N a – постоянная Авогадро. Число ионов, достигших электрода, равно N i =Dq/q i , где Dq – заряд, прошедший электролит за время Dt (Dq=I*Dt), q i – заряд иона, который определяется валентностью атома (q i = n*e, где n – валентность атома, e – элементарный заряд). При подстановке этих формул получаем, что m=M/(neN a)*IDt. Если обозначить через k (коэффициент пропорциональности) =M/(neN a), 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/(neN a) = 1/F*M/n , где F – постоянная Фарадея. F=eN a =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.
Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. В этом уроке речь пойдет о жидкостях-проводниках. Причем не о жидкостях с электронной проводимостью (расплавленные металлы), а о жидкостях-проводниках второго рода (растворы и расплавы солей, кислот, оснований). Тип проводимости таких проводников - ионный.
Определение . Проводники второго рода - такие проводники, в которых при протекании тока происходят химические процессы.
Для лучшего понимания процесса проводимости тока в жидкостях, можно представить следующий опыт: В ванну с водой поместили два электрода, подключенные к источнику тока, в цепи в качестве индикатора тока можно взять лампочку. Если замкнуть такую цепь, лампа гореть не будет, что означает отсутствие тока, а это значит, что в цепи есть разрыв, и вода сама по себе ток не проводит. Но если в ванную поместить некоторое количество - поваренной соли - и повторить замыкание, то лампочка загорится. Это значит, что в ванной между катодом и анодом начали двигаться свободные носители заряда, в данном случае ионы (рис. 1).
Рис. 1. Схема опыта
Проводимость электролитов
Откуда во втором случае берутся свободные заряды? Как было сказано в одном из предыдущих уроков, некоторые диэлектрики - полярные. Вода имеет как раз-таки полярные молекулы (рис. 2).
Рис. 2. Полярность молекулы воды
При внесении в воду соли молекулы воды ориентируются таким образом, что их отрицательные полюса находятся возле натрия, положительные - возле хлора. В результате взаимодействий между зарядами молекулы воды разрывают молекулы соли на пары разноименных ионов. Ион натрия имеет положительный заряд, ион хлора - отрицательный (рис. 3). Именно эти ионы и будут двигаться между электродами под действием электрического поля.
Рис. 3. Схема образования свободных ионов
При подходе ионов натрия к катоду он получает свои недостающие электроны, ионы хлора при достижении анода отдают свои.
Электролиз
Так как протекание тока в жидкостях связано с переносом вещества, при таком токе имеет место процесс электролиза.
Определение. Электролиз - процесс, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, при которых на электродах выделяется вещество.
Вещества, которые в результате подобных расщеплений обеспечивают ионную проводимость, называются электролитами. Такое название предложил английский физик Майкл Фарадей (рис. 4).
Электролиз позволяет получать из растворов вещества в достаточно чистом виде, поэтому его применяют для получения редких материалов, как натрий, кальций… в чистом виде. Этим занимается так называемая электролитическая металлургия.
Законы Фарадея
В первой работе по электролизу 1833 года Фарадей представил свои два закона электролиза. В первом речь шла о массе вещества, выделяющегося на электродах:
Первый закон Фарадея гласит, что эта масса пропорциональна заряду, прошедшему через электролит:
Здесь роль коэффициента пропорциональности играет величина - электрохимический эквивалент. Это табличная величина, которая уникальна для каждого электролита и является его главной характеристикой. Размерность электрохимического эквивалента:
Физический смысл электрохимического эквивалента - масса, выделившаяся на электроде при прохождении через электролит количества электричества в 1 Кл.
Если вспомнить формулы из темы о постоянном токе:
То можно представить первый закон Фарадея в виде:
Второй закон Фарадея непосредственно касается измерения электрохимического эквивалента через другие константы для конкретно взятого электролита:
Здесь: - молярная масса электролита; - элементарный заряд; - валентность электролита; - число Авогадро.
Величина называется химическим эквивалентом электролита. То есть, для того чтобы знать электрохимический эквивалент, достаточно знать химический эквивалент, остальные составляющие формулы являются мировыми константами.
Исходя из второго закона Фарадея, первый закон можно представить в виде:
Фарадей предложил терминологию этих ионов по признаку того электрода, к которому они движутся. Положительные ионы называются катионами, потому что они движутся к отрицательно заряженному катоду, отрицательные заряды называются анионами как движущиеся к аноду.
Вышеописанное действие воды по разрыву молекулы на два иона называется электролитической диссоциацией.
Помимо растворов, проводниками второго рода могут быть и расплавы. В этом случае наличие свободных ионов достигается тем, что при высокой температуре начинаются очень активные молекулярные движения и колебания, в результате которых и происходит разрушение молекул на ионы.
Практическое применение электролиза
Первое практическое применение электролиза произошло в 1838 году русским ученым Якоби. С помощью электролиза он получил оттиск фигур для Исаакиевского собора. Такое применение электролиза получило название гальванопластика. Другой сферой применения является гальваностегия - покрытие одного металла другим (хромирование, никелирование, золочение и т.д., рис. 5)
- Fatyf.narod.ru ().
- ХиМиК ().
- Ens.tpu.ru ().
Домашнее задание
- Что такое электролиты?
- Какие существуют два принципиально разных типа жидкостей, в которых может протекать электрический ток?
- Какие могут быть механизмы образования свободных носителей зарядов?
- *Почему масса, выделившаяся на электроде, пропорциональна заряду?
«Физика - 10 класс»
Каковы носители электрического тока в вакууме?
Каков характер их движения?
Жидкости, как и твёрдые тела, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К диэлектрикам относится дистиллированная вода, к проводникам - растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов и др.
Электролитическая диссоциация.
При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы.
Распад молекул на ионы под влиянием электрического поля полярных молекул воды называется электролитической диссоциацией .
Степень диссоциации - доля в растворённом веществе молекул, распавшихся на ионы.
Степень диссоциации 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 могут снова объединиться в нейтральные молекулы.
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.
Ионная проводимость.
Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно и отрицательно заряженные ионы.
Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду - аноду, а положительные - к отрицательному - катоду. В результате по цепи пойдёт электрический ток.
Проводимость водных растворов или расплавов электролитов, которая осуществляется ионами, называют ионной проводимостью .
Электролиз. При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).
Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.
Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительновосстановительными реакциями, называют электролизом .
От чего зависит масса вещества, выделяющегося за определённое время? Очевидно, что масса m выделившегося вещества равна произведению массы m 0i одного иона на число N i ионов, достигших электрода за время Δt:
m = m 0i N i . (16.3)
Масса иона m 0i равна:
где М - молярная (или атомная) масса вещества, a N A - постоянная Авогадро, т. е. число ионов в одном моле.
Число ионов, достигших электрода, равно
где Δq = IΔt - заряд, прошедший через электролит за время Δt; q 0i - заряд иона, который определяется валентностью n атома: q 0i = пе (е - элементарный заряд). При диссоциации молекул, например КВr, состоящих из одновалентных атомов (n = 1), возникают ионы К + и Вr - . Диссоциация молекул медного купороса ведёт к появлению двухзарядных ионов Си 2+ и SO 2- 4 (n = 2). Подставляя в формулу (16.3) выражения (16.4) и (16.5) и учитывая, что Δq = IΔt, a q 0i = nе, получаем
Закон Фарадея.
Обозначим через k коэффициент пропорциональности между массой m вещества и зарядом Δq = IΔt, прошедшим через электролит:
где F = eN A = 9,65 10 4 Кл/моль - постоянная Фарадея .
Коэффициент k зависит от природы вещества (значений М и n). Согласно формуле (16.6) имеем
m = kIΔt. (16.8)
Закон электролиза Фарадея:
Масса вещества, выделившегося на электроде за время Δt. при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени.
Это утверждение, полученное теоретически, впервые было установлено экспериментально Фарадеем.
Величину k в формуле (16.8) называют электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражают в килограммах на кулон (кг/Кл).
Из формулы (16.8) видно, что коэффициент к численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда, равного 1 Кл.
Электрохимический эквивалент имеет простой физический смысл. Так как M/N A = m 0i и еn = q 0i , то согласно формуле (16.7) k = rn 0i /q 0i , т. е. k - отношение массы иона к его заряду.
Измеряя величины m и Δq, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.
Убедиться в справедливости закона Фарадея можно на опыте. Соберём установку, показанную на рисунке (16.25). Все три электролитические ванны заполнены одним и тем же раствором электролита, но токи, проходящие через них, различны. Обозначим силы токов через I1, I2, I3. Тогда I 1 = I 2 + I 3 . Измеряя массы m 1 , m 2 , m 3 веществ, выделившихся на электродах в разных ваннах, можно убедиться, что они пропорциональны соответствующим силам токов I 1 , I 2 , I 3 .
Определение заряда электрона.
Формулу (16.6) для массы выделившегося на электроде вещества можно использовать для определения заряда электрона. Из этой формулы вытекает, что модуль заряда электрона равен:
Зная массу m выделившегося вещества при прохождении заряда IΔt, молярную массу М, валентность п атомов и постоянную Авогадро N A , можно найти значение модуля заряда электрона. Оно оказывается равным e = 1,6 10 -19 Кл.
Именно таким путём и было впервые в 1874 г. получено значение элементарного электрического заряда.
Применение электролиза. Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим способом покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, позолота и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии. Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от поверхности, на которую осаждается металл (этого достигают, например, нанося на поверхность графит) то можно получить копию с рельефной поверхности.
Процесс получения отслаиваемых покрытий - гальванопластика - был разработан русским учёным Б. С. Якоби (1801-1874), который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.
Раньше в полиграфической промышленности копии с рельефной поверхности (стереотипы) получали с матриц (оттиск набора на пластичном материале), для чего осаждали на матрицы толстый слой железа или другого вещества. Это позволяло воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров.
При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.
При помощи электролиза получают алюминий из расплава бокситов. Именно этот способ получения алюминия сделал его дешёвым и наряду с железом самым распространённым в технике и быту.
С помощью электролиза 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.
Электрический ток в жидкостях обусловлен движением положительных и отрицательных ионов. В отличии от тока в проводниках где движутся электроны. Таким образом, если в жидкости нет ионов, то она является диэлектриком, например дистиллированная вода. Поскольку носителями заряда являются ионы, то есть молекулы и атомы вещества, то при прохождении через такую жидкость электрического тока неизбежно приведет к изменению химических свойств вещества.
Откуда же в жидкости берутся положительные и отрицательные ионы. Скажем сразу, что не во всех жидкостях способны образоваться носители зарядов. Те, в которых они появляются, называются электролитами. К ним относятся растворы солей кислоты и щелочи. При растворении соли в воде, к примеру, возьмем поваренную соль NaCl , она распадается под действием растворителя, то есть воды на положительный ион Na называемый катионом и отрицательный ион Cl называемым анионом. Процесс образования ионов называется электролитическая диссоциация.
Проведем опыт, для него нам понадобится стеклянная колба два металлических электрода амперметр и источник постоянного тока. Колбу мы заполним раствором поваренной соли в воде. Потом поместим в это раствор два электрода прямоугольной формы. Электроды подключим к источнику постоянного тока через амперметр.
Рисунок 1 — Колба с раствором соли
При включении тока между пластинами появится электрическое поле под действием, которого начнут двигаться ионы соли. Положительные ионы устремятся к катоду, а отрицательные к аноду. В тоже время они будут совершать хаотическое движение. Но при этом под действием поля к нему добавится еще и упорядоченное.
В отличии от проводников в которых движутся только электроны то есть один вид зарядов в электролитах перемещаются два вида зарядов. Это положительные и отрицательные ионы. Движутся они встречно друг другу.
Когда положительный ион натрия достигнет катода, он получит недостающий электрон и превратится в атом натрия. Аналогичный процесс произойдет и с ионом хлора. Только при достижении анода ион хлора отдаст электрон и превратится в атом хлора. Таким образом, во внешней цепи поддерживается ток за счет движения электронов. А в электролите ионы как бы переносят электроны от одного полюса к другому.
Электрическое сопротивление электролитов зависит от количество образовавшихся ионов. У сильных электролитов при растворении уровень диссоциации очень высок. У слабых низкий. Также на электрическое сопротивление электролита влияет температура. При ее увеличении снижается вязкость жидкости и тяжелые, и неповоротливые ионы начинают двигаться быстрее. Соответственно сопротивление уменьшается.
Если раствор поваренной соли заменить на раствор медного купороса. То при пропускании тока через него, когда катион меди достигнет катода и получит там недостающие электроны, он восстановится до атома меди. И если после этого вынуть электрод, то можно обнаружить на нем налет меди. Этот процесс называется электролизом.
