Электрический ток в жидкостях (электролитах)

Доклад на тему:

Электрический ток

в жидкостях

(электролитах)

Электролиз

Законы Фарадея

Элементарный электрический заряд

Ученицы 8го класса «Б»

Логиновой Марии Андреевны

Москва 2003

Школа № 91

Введение

С электропроводностью растворов солей в воде (электролитов) связано очень многое в нашей жизни. С первого удара сердца («живое» электричество в теле человека, на 80% состоящем из воды) до автомобилей на улице, плееров и мобильных телефонов (неотъемлимой частью этих устройств являются «батарейки» – электрохимические элменты питания и различные аккумуляторы – от свинцово-кислотных в автомобилях до литий-полимерных в самых дорогих мобильных телефонах). В огромных, дымящихся ядовитыми парами чанах из расплавленного при огромной температуре боксита электролизом получают алюминий – «крылатый» металл для самолётов и банок для «Фанты». Все вокруг – от хромированной решетки радиатора иномарки до посеребрённой серёжки в ухе когда-либо сталкивалось с раствором или расплавом солей, а следовательно и с электротоком в жидкостях. Не зря это явление изучает целая наука – электрохимия. Но нас сейчас больше интересуют физические основы этого явления.

Электроток в растворе. Электролиты

Из уроков физики в 8 классе нам известно, что заряд в проводниках (металлах) переносят отрицательно заряженные электроны.

Упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током.

 Но если мы соберем прибор (с электродами из графита):

то убедимся, что стрелка амперметра отклоняется – через раствор идет ток! Какие же заряженные частицы есть в растворе?

Ещё в 1877 году шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводность растворов различных веществ, пришел к выводу, что её причиной являются ионы, которые образуются при растворении соли в воде. При растворении в воде молекула CuSO₄  распадается (диссоциирует) на два разнозаряженных иона – Cu²⁺ и SO₄^2- . Упрощенно происходящие процессы можно отразить следующей формулой:

CuSO₄ÞCu²⁺+SO₄^2-

ü Проводят электрический ток растворы солей, щелочей, кислот.

ü Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.

ü Растворы сахара, спирта, глюкозы и некоторых других веществ не проводят электрический ток.

ü Вещества, растворы которых не проводят электрический ток, называются неэлектролитами.

Электролитическая диссоциация

Процесс распада электролита на ионы называется электролитической диссоциацией.

С. Аррениус, который придерживался физической теории растворов, не учитывал взаимодействия электролита с водой и считал, что в растворах находятся свободные ионы. В отличие от него русские химики И. А. Каблуков и В. А. Кистяковский применили к объяснению электролитической диссоциации химическую теорию Д. И. Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходит химическое взаимодействие растворённого вещества с водой, которое приводит к образованию гидратов, а затем они диссоциируют на ионы. Они считали, что в растворах находятся не свободные, не «голые» ионы, а гидратированные, то есть «одетые в шубку» из молекул воды. Следовательно, диссоциация молекул электролитов происходит в следующей последовательности:

а) ориентация молекул воды вокруг полюсов молекулы электролита

б) гидратация молекулы электролита

в) её ионизация

г) распад  её на гидратированные ионы

По отношению к степени электролитической диссоциации электролиты делятся на сильные и слабые.

ü Сильные электролиты – такие, которые при растворении практически полностью диссоциируют.

У них значение степени диссоциации стремится к единице.

ü Слабые электролиты – такие, которые при растворении почти не диссоциируют. Их степень диссоциации стремится к нулю.

Из этого делаем вывод, что переносчиками электрического заряда (носителями электрического тока) в растворах электролитов являются не электроны, а положительно и отрицательно заряженные гидратированные ионы.

Температурная зависимость  сопротивления электролита

При повышении температуры облегчается процесс диссоциации, повышается подвижность ионов и сопротивление электролита падает.

Катод и анод. Катионы и анионы

А что же происходит с ионами под воздействием электрического тока?

Вернёмся к нашему прибору:

В растворе CuSO₄ диссоциировал на ионы – Cu²⁺ и SO₄^2-. Положительно заряженный ион Cu²⁺ (катион) притягивается к отрицательно заряженному электроду – катоду, где получает недостающие электроны и восстанавливается до металлической меди – простого вещества. Если извлечь катод из прибора после прохождения через раствор тока, то нетрудно заметить красно-рыжий налет – это металлическая медь.

Первый закон Фарадея

А можем ли мы узнать сколько меди выделилось? Взвешивая катод до и после опыта, можно точно определить массу осадившегося металла. Измерения показывают, что масса вещества, выделевшегося на электродах, зависит от силы тока и времени электролиза:

m=K´I´t

где K – коэффиент пропорциональности, называемый также электрохимическим эквивалентом.

Следовательно, масса выделевшегося вещества прямо пропорциональна силе тока и времени электролиза. Но ток за время (согласно формуле):

q=I´t

есть заряд.

Итак, масса вещества, выделевшегося на электроде, пропорциональна заряду, или количеству электричества, прошедшему через электролит.

M=K´q

Этот закон был эксперементально открыт в 1843 году английским ученым Майклом Фарадеем и называется первый закон Фарадея.

Второй закон Фарадея

А что такое и от чего зависит электрохимический эквивалент? На этот вопрос тоже дал ответ Майкл Фарадей.

На основании многочисленных опытов он пришёл к выводу, что эта величина является характерной для каждого вещества. Так, например при электролизе раствора ляписа (азотнокислого серебра AgNO₃) 1 кулон выделяет 1,1180 мг серебра; точно такое же количество серебра выделяется при электролизе зарядом в 1 кулон любой серебряной соли. При электролизе соли другого металла 1 кулон выделяет другое количество данного металла. Таким образом, электрохимическим эквивалентом какого-либо вещества называется масса этого вещества, выделяемая при электролизе 1кулоном протекшего через раствор электричества. Приведем его значения для некоторых веществ:

Вещество

K в мг/к

Ag (серебро)

1,118

H (водород)

0,01045

Cu (медь)

0,3294

Zn (цинк)

0,3388

Электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их атомным весам и обратно пропорциональны числам, выражающим их химическую валентность.

Где:

n – валентность

A – атомный вес

 – называют химическим эквивалентом данного вещества

 – коэффициент пропорциональности, который является уже универсальной постоянной, то есть имеет одинаковое значение для всех веществ. Если измерить электрохимический эквивалент в г/к то найдем, что он равен 1,037´10^-5  г/к .

Обьединяя первый и второй законы Фарадея получаем:

Эта формула имеет простой физический смысл: F численно равно заряду, котоый надо пропустить через любой электролит, чтобы выделить на электродах вещество в количестве, равном одному химическому эквиваленту. F называют числом Фарадея и оно равно  96400 к/г.

Моль и количество молекул в нем. Число Авогадро

Из курса химии за 8й класс мы знаем, что для измерения  количеств веществ, участвующих в химических реакциях, была выбрана особая еденица – моль. Чтобы отмерять один моль вещества, нужно взять столько граммов его, какова относительная молекулярная масса его.

Например, 1моль воды (H₂O) равен 18 граммам (1+1+16=18), моль кислорода (O₂) – 32 грамма, а моль железа (Fe) – 56 грамм.Но что особенно для нас важно, установлено, что 1 моль любого вещества всегда содержит одинаковое число молекул.

Моль – это такое количество вещества, в котором содержится 6´10²³ молекул этого вещества.

В честь итальянского ученого А. Авогадро это число (N) называется постоянной Авогадро или числом Авогадро.

Из формулы  следует, что если q=F, то  . Это значит что при прхождении через электролит заряда равного 96400 кулонам, выделится   граммов любого вещества. Иначе говоря, для выделения одного моля одновалентного вещества через электролит должен протечь заряд  q=F кулонов. Но мы знаем, что в любом моле вещества содержится одно и то же число его молекул – N=6x10²³. Это позволяет нам вычислить заряд одного иона одновалентного вещества – элементарный  электрический заряд – заряд одного (!) электрона:

Применение электролиза

Электролитический метод получения чистых металлов (рафинирование, аффинаж). Электролиз, сопровождающийся растворением анода

Хорошим примером является электролитическое очищение (рафинирование) меди. Полученная непосредственно из руды медь отливается в виде пластин и помещается в качестве анода в раствор CuSO₄. Подбирая напряжение на электродах ванны (0,20-0,25в), можно добиться, чтобы на катоде выделялась только металлическая медь. При этом посторонние примеси либо переходят в раствор (без выделения на катоде), либо выпадают на дно ванны в виде осадка («анодный шлам»). Катионы вещества анода соединяются с анионом SO₄^2-, а на катоде при этом напряжении выделяется только металлическая медь. Анод как бы «растворяется». Такая очистка позволяет добится чистоты 99,99% («четыре девятки»). Аналогично (аффинаж) очищают и драгоценные металлы (золото Au, серебро Ag).

В настоящее время весь алюминий (Al) добывается электролитически (из расплава бокситов).

Гальванотехника

Гальванотехника – область прикладной электрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника пожразделяется на гальваностегию и гальванопластику.

Посредством электролиза можно покрыть металлические предметы слоем другого металла. Этот процесс называется гальваностегией. Особое техническое значение имеют покрытия трудноокисляемыми металлами, в частности никелирование и хромирование, а также серебрение и золочение, часто применяемые для защиты металлов от коррозии. Для получения нужных покрытий предмет тщательно очищяют, хорошо обезжиривают и помещают как катод в электролитическую ванну, содержащую соль того металла, которым желают покрыть предмет. Для более равномерного покрытия полезно применять две пластины в качестве анода, помещая предмет между ними.

Также посредством электролиза можно не только покрыть предметы слоем того или иного металла, но и изготовить их рельефные металлические копии (например, монет, медалей). Этот процесс был изобретен русским физиком и электротехником, членом Российской Академии наук Борисом Семеновичем Якоби (1801-1874) в сороковых годах XIX века и называется гальванопластикой. Для изготовления рельефной копии предмета сначала делают слепок из какого-либо пластичного материала, например из воска. Этот слепок натирают графитом и погружают в электролитическую ванну в качестве катода, где на нём и осаждается слой металла. Это применяется в полиграфии при изготовлении печатных форм.

Кроме указанных выше, электролиз нашел применение и в других     областях:

ü получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);

ü электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка);

ü электрохимическое окрашивание металлов (например, меди, латуни, цинка, хрома и др.);

ü очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);

ü электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.).

Список использованной литературы:

1. Гуревич А. Е. «Физика. Электромагнитные явления. 8 класс» Москва, Издательский дом «Дрофа». 1999 год.

2. Габриэлян О. С. «Химия. 8 класс» Москва, Издательский дом «Дрофа». 1997 год.

3. «Элементарный учебник физики под редакцией академика Г. С. Ландсберга -  Том II – электричество и магнетизм». Москва, «Наука» 1972 год.

4. Eric M. Rogers. «Physics for the Inquiring Mind (the methods, nature and phylosophy of  physical science)». «Prinseton University press» 1966. Том III – электричество и магнетизм. Перевод Москва, «Мир» 1971 год.

5. А. Н. Ремизов «Курс физики, электроники и кибернетики для медицинских институтов». Москва, «Высшая школа» 1982 год.