Електричний струм в рідинах (електролітах )

Фізика

Доповідь на тему:

Електричний струм в рідинах

(електролітах)

Електроліз

Закони Фарадея

Елементарний електричний заряд

Учениці 8-го класу «Б»

Логінової Марії Андріївни

Москва 2003

Школа № 91

Вступ

З електропровідність розчинів солей у воді (електролітів) пов'язанодуже багато чого в нашому житті. З першого удару серця ( «живе» електрику втілі людини, на 80% складається з води) до автомобілів на вулиці, плеєрів імобільних телефонів (невід'ємною частиною цих пристроїв є
«Батарейки» - електрохімічні елменти харчування та різні акумулятори --від свинцево-кислотних в автомобілях до літій-полімерних у найдорожчихмобільних телефонах). У величезних, димлячих отруйними парами чанах зрозплавленого при величезній температурі бокситу електролізом отримуютьалюміній - «крилатий» метал для літаків і банок для «Фанти». Все навколо
- Від хромованої решітки радіатора іномарки до посрібленою сережки ввусі коли-небудь стикалися з розчином або розплавом солей, аотже і з електрострумом в рідинах. Не даремно це явище вивчаєціла наука - електрохімія. Але нас зараз більше цікавлять фізичніоснови цього явища.

електрострум в розчині. Електроліти

З уроків фізики в 8 класі нам відомо, що заряд в провідниках
(металах) переносять негативно заряджені електрони.

Впорядковане рух заряджених частинок називається електричнимструмом.

Але якщо ми зберемо прилад (з електродами з графіту):

то переконаємося, що стрілка амперметра відхиляється - через розчин йдеток! Які ж заряджені частинки є в розчині?

Ще в 1877 році шведський вчений Сванте Арреніус, вивчаючиелектропровідність розчинів різних речовин, прийшов до висновку, що їїпричиною є іони, які утворюються при розчиненні солі у воді. Прирозчиненні у воді молекула CuSO4 розпадається (дисоціюють) на дваразнозаряженних іона - Cu2 + та SO42-. Спрощено відбуваються процеси можнавідобразити такою формулою:

CuSO4 (Cu2 + + SO42-

V Проводять електричний струм розчини солей, лугів, кислот.

V Речовини, розчини яких проводять електричний струм, називаються електролітами.

V Розчини цукру, спирту, глюкози і деяких інших речовин не проводять електричний струм.

V Речовини, розчини яких не проводять електричний струм, називаються неелектролітів.

Електролітична дисоціація

Процес розпаду електроліту на іони називається електролітичноїдисоціацією.

С. Арреніус, який дотримувався фізичної теорії розчинів, невраховував взаємодії електроліту з водою і вважав, що в розчинахзнаходяться вільні іони. На відміну від нього російські хіміки І. А. Каблуков і
В. А. Кістяківський застосували до пояснення електролітичної дисоціаціїхімічну теорію Д. І. Менделєєва і довели, що при розчиненніелектроліту відбувається хімічна взаємодія розчиненої речовини зводою, що призводить до утворення гідратів, а потім вони дисоціюють наіони. Вони вважали, що в розчинах знаходяться не вільні, а не «голі» іони,а гідратованих, тобто «одягнені в шубку» з молекул води. Отже,дисоціація молекул електролітів відбувається в наступній послідовності:

а) орієнтація молекул води навколо полюсів молекули електроліту

б) гідратація молекули електроліту

в) її іонізація

г) розпад її на гідратованих іони

По відношенню до ступеня електролітичної дисоціації електролітиділяться на сильні і слабкі.

V Сильні електроліти - такі, які при розчиненні практично повністю дисоціюють.

У них значення ступеня дисоціації прагне до одиниці.

V Слабкі електроліти - такі, які при розчиненні майже не дисоціюють. Їх ступінь дисоціації наближається до нуля.

З цього робимо висновок, що переносниками електричного заряду
(носіями електричного струму) у розчинах електролітів є неелектрони, а позитивно і негативно заряджені іони гідратованих.

Температурна залежність опору електроліту

При підвищенні температури полегшується процес дисоціації, підвищуєтьсярухливість іонів і опір електроліту падає.

Катод і анод. Катіони і аніони

А що ж відбувається з іонами під впливом електричного струму?

Повернемося до нашого приладу:

У розчині CuSO4 дисоційований на іони - Cu2 + та SO42-. Позитивнозаряджений іон Cu2 + (катіон) притягається до негативно зарядженогоелектрода - катода, де отримує відсутні електрони і відновлюєтьсядо металевої міді - простої речовини. Якщо витягти катод з приладупісля проходження через розчин струму, то неважко помітити червоно-рудийналіт - це металева мідь.

Перший закон Фарадея

А чи можемо ми дізнатися скільки міді виділилося? Зважуючи катод до іпісля досвіду, можна точно визначити масу обложили металу. Вимірюванняпоказують, що маса речовини, виделевшегося на електродах, залежить відсили струму і часу електролізу:

m = K (I (t

де K - коеффіент пропорційності, що називається такожелектрохімічним еквівалентом.

Отже, маса виделевшегося речовини прямо пропорційна силіструму і часу електролізу. Але струм за час (згідно з формулою):

q = I (t

є заряд.

Отже, маса речовини, виделевшегося на електроді, пропорційназаряду, або кількості електрики, що пройшов через електроліт.

M = K (q

Цей закон був експерементально відкритий в 1843 році англійським вченим
Майклом Фарадеєм і називається перший закон Фарадея.

Другий закон Фарадея

А що таке і від чого залежить електрохімічний еквівалент? На цейпитання теж дав відповідь Майкл Фарадей.

На підставі численних дослідів він прийшов до висновку, що цявеличина є характерною для кожної речовини. Так, наприклад приелектролізі розчину ляпісу (азотнокислого срібла AgNO3) 1 кулон виділяє
1,1180 мг срібла; точно така ж кількість срібла виділяється приелектролізі зарядом в 1 кулон будь-який срібної солі. При електролізі солііншого металу 1 кулон виділяє іншу кількість даного металу. Такимчином, електрохімічним еквівалентом якого-небудь речовини називаєтьсямаса цієї речовини, що виділяється при електролізі 1кулоном протекшего черезрозчин електрики. Наведемо його значення для деяких речовин:

З таблиці ми бачимо, що електрохімічні еквіваленти різнихречовин істотно відмінні одна від іншої. Від яких же властивостей речовинизалежить величина його електрохімічного еквівалента? Відповідь на це питаннядає другий закон Фарадея:

Електрохімічні еквіваленти різних речовин пропорційні їхатомним ваг і обернено пропорційні числах, що виражає їх хімічнувалентність.

Де:

n - валентність

A - атомний вага

- називають хімічним еквівалентом даної речовини < p> - коефіцієнт пропорційності, який є вжеуніверсальної постійною, тобто має однакове значення для всіхречовин. Якщо виміряти електрохімічний еквівалент в м/к то знайдемо, що віндорівнює 1,037 (10-5 г/к.

об'єднає перший і другий закони Фарадея отримуємо:

Ця формула має простий фізичний зміст: F чисельно дорівнює заряду ,кото треба пропустити через будь-який електроліт, щоб виділити на електродахречовина в кількості, що дорівнює одному хімічному еквіваленту. F називаютьчислом Фарадея і воно дорівнює 96400 к/р.

Моль і кількість молекул в ньому. Число Авогадро

З курсу хімії за 8й клас ми знаємо, що для вимірювання кількостіречовин, що беруть участь в хімічних реакціях, була вибрана особлива Одиниця --моль. Щоб відміряти один моль речовини, потрібно взяти стільки грамів його,яка відносна молекулярна маса його.

Наприклад, 1моль води (H2O) становить 18 грам (1 +1 +16 = 18), мількисню (O2) - 32 грама, а моль заліза (Fe) - 56 грамм.Но що особливодля нас важливо, встановлено, що 1 моль будь-якої речовини завжди міститьоднакова кількість молекул.

Моль - це така кількість речовини, у якому міститься 6 (1023молекул цієї речовини.

На честь італійського вченого А. Авогадро це число (N) називаєтьсяпостійної Авогадро або числом Авогадро.

З формули випливає, що якщо q = F, то. Це означає що припрхожденіі через електроліт заряду рівного 96400 кулоном, виділитьсяграмів будь-якої речовини. Інакше кажучи, для виділення одного благаючиодновалентних речовини через електроліт повинен протекти заряд q = F кулонів.
Але ми знаємо, що в будь-якому молі речовини міститься одне й те саме число йогомолекул - N = 6x1023. Це дозволяє нам обчислити заряд одного іонаодновалентних речовини - елементарний електричний заряд - заряд одного
(!) Електрона:

Застосування електролізу

електролітичним методом отримання чистих металів (рафінування, афінаж). Електроліз, що супроводжується розчиненням анода

Хорошим прикладом є електролітичне очищення (рафінування)міді. Отримана безпосередньо з руди мідь відливається у вигляді пластин іпоміщається в якості анода в розчин CuSO4. Підбираючи напругу наелектродах ванни (0,20-0,25 в), можна домогтися, щоб на катоді виділяласятільки металева мідь. При цьому сторонні домішки або переходять врозчин (без виділення на катоді), або випадають на дно ванни у вигляді осаду
( «Анодний шлам»). Катіони речовини анода з'єднуються з аніоном SO42-, а накатоді при цьому напрузі виділяється лише металева мідь. Анод якб «розчиняється». Така очищення дозволяє досягнути чистоти 99,99% ( «чотиридев'ятки »). Аналогічно (афінаж) очищають і дорогоцінні метали (золото Au,срібло Ag).

В даний час весь алюміній (Al) видобувається електролітичні (зрозплаву бокситів).

Гальванотехніка

Гальванотехніка - область прикладної електрохімії, що займаєтьсяпроцесами нанесення металевих покриттів на поверхню якметалевих, так і неметалевих виробів при проходженні постійногоелектричного струму через розчини їх солей. Гальванотехніка пожразделяетсяна гальваностегію і гальванопластики.

За допомогою електролізу можна покрити металеві предмети шароміншого металу. Цей процес називається гальваностегіей. Особливетехнічне значення мають покриття трудноокісляемимі металами, уЗокрема нікелювання і хромування, а також сріблення і позолота,часто застосовуються для захисту металів від корозії. Для отримання потрібнихпокриттів предмет ретельно очіщяют, добре знежирюють і поміщаютькатод у електролітичних ванну, що містить сіль того металу, якимбажають покрити предмет. Для більш рівномірного покриття корисно застосовуватидві пластини в якості анода, розміщуючи предмет між ними.

Також за допомогою електролізу можна не тільки покрити предмети шаромтого чи іншого металу, а й виготовити їх рельєфні металеві копії
(наприклад, монет, медалей). Цей процес був винайдений російським фізиком іелектротехніком, членом Російської Академії наук Борисом Семеновичем Якобі
(1801-1874) в сорокових роках XIX століття і називається гальванопластики. Длявиготовлення рельєфною копії предмета спочатку роблять зліпок з якого-небудьпластичного матеріалу, наприклад з воску. Цей зліпок натирають графітом ізанурюють у електролітичних ванну в якості катода, де на ній іосідає шар металу. Це застосовується в поліграфії при виготовленнідрукарських форм.

Крім зазначених вище, електроліз знайшов застосування і в інших областях:

V отримання оксидних захисних плівок на металах (анодування);

V електрохімічна обробка поверхні металевого виробу

(поліровка);

V електрохімічне фарбування металів (наприклад, міді, латуні, цинку, хрому та ін);

V очищення води - видалення з неї розчинних домішок. В результаті виходить так звана м'яка вода (за своїми властивостями наближається до дистильованої);

V електрохімічна заточка ріжучих інструментів (наприклад, хірургічних ножів, бритв і т.д.).

Список використаної літератури:

1. Гуревич А. Е. «Фізика. Електромагнітні явища. 8 клас »Москва,

Видавничий дім« Дрофа ». 1999 рік.

2. Габріелян О. С. «Хімія. 8 клас »Москва, Видавничий дім« Дрофа ». 1997 рік.

3. «Елементарний підручник фізики під редакцією академіка Г. С. Ландсберг -

Том II - електрика і магнетизм». Москва, «Наука» 1972 рік.

4. Eric M. Rogers. «Physics for the Inquiring Mind (the methods, nature and phylosophy of physical science)». «Prinseton University press» 1966. Том

III - електрика і магнетизм. Переклад Москва, «Мир» 1971 рік.

5. А. Н. Ремізов «Курс фізики, електроніки та кібернетики для медичних інститутів». Москва, «Вища школа» 1982 рік.