Електричний струм в рідинах та його використання » mozok.click
 

mozok.click » Фізика » Електричний струм в рідинах та його використання
Інформація про новину
  • Переглядів: 452
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 19:21
12-02-2018, 19:21

Електричний струм в рідинах та його використання

Категорія: Фізика

Електролітична дисоціація. Електроліз. Із курсів хімії та фізики 9-го класу ми дізнались, що речовини поділяються на електроліти і неелектро-літи. Електроліти характеризуються тим, що їхні розчини або розплави є провідниками електричного струму. Розчини або розплави неелектролітів не проводять електричного струму. На відміну від металевих провідників (або провідників першого роду), електричний струм в електролітах, або провідниках другого роду супроводжується перенесенням речовини.

Багато речовин уже в твердому стані мають йонну структуру (хлористий натрій та деякі солі). Але у твердому стані йони міцно зв’язані один з одним, оскільки мають протилежні електричні заряди, тому їх рухливість ускладнена. У розплаві рухливість йонів збільшується, а надто при переході речовини у розчин. У розчині під впливом полярних молекул води речовина-електроліт розпадається на позитивно та негативно заряджені йони.

Розпад деяких речовин на йони під дією полярних молекул води називається електролітичною дисоціацією.



Якщо в такому розчині створити електричне поле, то позитивно заряджені йони рухатимуться до катода (негативно заряджений електрод), а негативно заряджені йони - до анода (позитивно заряджений електрод). Відповідно позитивно заряджені йони назвали катіонами, а негативно заряджені - аніонами.

Мал. 84 ілюструє процес електролітичної дисоціації в розчині кухонної солі. Слід зазначити, що в разі зустрічі двох різнополярних йонів, наприклад хлору і натрію, можливий обернений процес - рекомбінація (утворення нейтральної молекули NaCl). Обидва процеси в розчині відбуваються одночасно.

Ступінь розпаду на йони не у всіх електролітах однаковий, він залежить від природи електроліту, його концентрації, характеру розчинника, температури. Електроліти поділяються на сильні і слабкі. Сильні електроліти у водних розчинах практично повністю дисоціюють на йони, а слабкі - тільки частково.

Процес електролітичної дисоціації є оборотним процесом.

Якщо в розчині електроліту створити постійне за напрямком електричне поле, то катіони почнуть рухатись до катода, а аніони - до анода (мал. 85).

Катіони, стикаючись з катодом, приймають від нього відсутні електрони, тобто відновлюються. Наприклад,

На аноді відбувається процес передавання електронів аніона аноду, тобто відбувається процес окислення:

(Окислювач - речовина, до складу якої входять атоми, що приєднують під час хімічної реакції електрони, іншими словами, окислювач - це акцептор електронів). Процеси, що відбуваються при проходженні електричного струму через розчини електролітів, називають електролізом. У процесі електролізу катод є відновником, оскільки він віддає електрони катіонам, а анод - окислювачем, оскільки він приймає електрони від аніонів. Ці процеси відбуваються під дією електричного струму, тому вони називаються процесами або реакціями електровідновлення і електроокислення.

Закони електролізу. З курсу фізики 9-го класу нам відомо, що, вивчаючи проходження електричного струму через електроліти, англійський фізик Майкл Фарадей експериментально встановив закони електролізу.

1 -й закон Фарадея

Маса речовини т, що виділилася на електроді в результаті електролізу, прямо пропорційна силі струму І і часу t проходження струму через електроліт, т = kit, де k - коефіцієнт пропорційності (електрохімічний еквівалент).

Електрохімічний еквівалент речовини дорівнює масі речовини, яка виділяється на електроді за 1 с під час проходження через електроліт струму силою 1 А.

2-й закон Фарадея

Електрохімічний еквівалент речовини k пропорційний хімічному еквіваленту

де М - молярна маса, F - стала Фарадея, п - валентність

речовини.

Фізичний зміст законів Фарадея легко пояснити, використавши електронно-йонну теорію. Маса речовини, що виділяється на електродах при електролізі, це маса N йонів, що осідають на електроді.

Кількість йонів дорівнює

де т - маса речовини, М - її молярна

маса, ЛГд - число Авогадро.

З іншого боку, кількість йонів, що осіли, можна визначити через величину заряду q = I-t, що пройшов крізь електроліт, і заряд одного йона q0,

Отже,

Заряд будь-якого йона дорівнює заряду одновалентного йона, тобто заряду електрона е, помноженому на валентність п йона.

Величини N А і є є універсальними сталими, аМіл - сталі для даної речовини.

Тож вираз

є електрохімічним еквівалентом речовини.


Добуток NAe = F - стала Фарадея - фізична константа, що характеризує кількість електрики (електричний заряд), який треба пропустити крізь розчин електроліту, щоб на електродах виділилася маса речовини, що чисельно дорівнює його електрохімічному еквіваленту. F = (96484,56 ±0,27) Кл/моль.

Для одновалентної речовини стала Фарадея дорівнює електричному заряду, в результаті проходження якого крізь розчин електроліту на електроді виділяється 1 моль речовини.

Закони Фарадея можна записати в об’єднаному вигляді так:

Електричний заряд будь-якого йона

Вольт-амперна характеристика проходження електричного струму крізь електроліт має лінійний характер, як і в металах, але відрізняється тим, що для створення електричного струму в електроліті необхідна певна робота зовнішнього електричного поля - для поляризації електроліту (напруга цього поля для різних електролітів має різне значення) (мал. 86).

Залежність опору електроліту від температури нелінійна (мал. 87). Це пояснюється тим, що зі зростанням температури тепловий рух молекул стає інтенсивнішим, і тому кількість йонів у розчині та їх концентрація зростають. При цьому з підвищенням температури змінюється питомий опір електроліту . Його зміну можна розрахувати за рівнянням, яке використовували в аналогічних розрахунках для металів, р = р0(1 -І- аАТ), де р0 -питомий опір електроліту при 273 К (0 °С), а - термічний коефіцієнт опору. Для електролітів завжди термічний коефіцієнт опору є від’ємним.

Використання електролізу. Явище електролізу знаходить різні застосування у сучасній техніці. Розглянемо деякі з них.

Гальваностегія (від гальвано і грец. stego - покриваю) - нанесення покриттів на поверхню металевих та інших виробів методом електролітичного осадження.

Деталі технічних пристроїв, деякі частини предметів побуту інколи покривають тонкою плівкою благородного металу (платини, золота, срібла) з декоративно-естетичною метою, з метою запобігання корозії. У техніці, аби уникнути корозії, окремі деталі різних пристроїв покривають нікелем, хромом, кадмієм. Деталь заздалегідь ретельно очищають і поміщають в електролітичну ванну, наповнену водним розчином солі відповідного металу, і сполучають з негативним полюсом джерела струму. Анодом слугує пластинка з того самого металу. У результаті електролізу на поверхні деталі осідає шар речовини, сіль якої міститься в розчині електроліту (мал. 88).


Гальванопластика. Використовуючи явище електролізу, можна отримувати абсолютно точні рельєфні копії предметів (наприклад, монет, медалей, ювелірних прикрас тощо). Для цього з предмета спочатку роблять зліпок з будь-якого пластичного матеріалу (наприклад з воску). Потім поверхню цього зліпка роблять електропровідною, покриваючи її тонким шаром елек

тропровідної речовини. Підготовлений у такий спосіб зліпок поміщають в електролітичну ванну як катод (мал. 89). Пропускаючи через ванну електричний струм, покривають зліпок товстим шаром металу. За допомогою гальванопластики виготовляють, наприклад, точні копії дорогоцінних прикрас, знайдених археологами, штампи для виробництва грамплатівок та ін.

Електролітичне рафінування є електролізом водних розчинів або солевих розплавів і дозволяє отримувати метали високої чистоти. Застосовується для глибокого очищення більшості кольорових металів, наприклад, для рафінування міді. Металургійна мідь, тобто мідь, отримана з руди в плавильній печі, містить, як правило, всілякі домішки. Для очищення (рафінування) міді від домішок інших речовин масивні листи металургійної міді опускають в розчин сульфату міді і сполучають з позитивним полюсом джерела струму. Як катод беруть тонкі листи чистої міді. Під час проходження електричного струму через електроліт чиста мідь виділяється на катоді, а анод поступово розчиняється. Домішки випадають в осад. Концентрація мідного купоросу залишається постійною (мал. 90).

Електролітичне полірування. Маса речовини, що осідає на електроді пропорційна силі струму, але на випуклих ділянках, як ми знаємо, напруженість поля більша, ніж на плоских ділянках поверхні. Отже, у цих місцях щільність струму більша. Якщо виріб з шорсткою поверхнею занурити як анод в електролітичну ванну з відповідним чином підібраним електролітом, то метал з виступу переходитиме у розчин з більшою швидкістю, ніж із западин, і шорсткості згладжуватимуться. На цьому принципі ґрунтується електрополірування металів, а також електрозаточування інструментів.

Дайте відповіді на запитання

1. Дистильована вода не проводить електричний струм. Чому вона стає провідником після розчинення в ній солей, кислот, лугів?

2. Чому вольт-амперна характеристика електроліту не починається з початку координат?

3. Що називають електрохімічним еквівалентом речовини? Який фізичний зміст сталої Фарадея?

4. Якою є математична залежність між електрохімічним еквівалентом речовини та її валентністю?

5. Чому навколо електроліту, наприклад, навколо розчину кухонної солі, немає електричного поля і він здається нам незарядженим, хоч всередині нього є заряджені йони?

6. Чому опір розчинів електролітів залежить від температури?

Вправа 12

1. Скільки часу потрібно для того, щоб при нікелюванні виробу на його поверхні утворився шар двовалентного нікелю завтовшки 0,03 мм? Скільки енергії буде затрачено при цьому? Площа поверхні виробу дорівнює 120 см2. Напруга на клемах ванни — 1,8 В, опір розчину - 3,75 Ом.

2. Скільки алюмінію виділиться за витрати електричної енергії 1 кВт-год, якщо електроліз проводиться під напругою 5 В, а ККД всієї установки 80 % ?

3. Під час нікелювання виробу використовують струм густиною 0,4 А/дм . Якої товщини шар двовалентного нікелю можна одержати, пропускаючи через електроліт струм протягом 8,9 год?

4. Під час електролізу розчину сірчаної кислоти за 2 год 23 хв виділяється 5 л водню за нормальних умов. Визначити опір розчину, якщо потужність струму дорівнює 32,5 Вт.

5. За час електролізу води через ванну пройшов заряд 4 кКл, і при цьому виділилось 0,4 л водню при тиску 128 кПа. Визначити температуру водню.






^