Электрический ток в жидкостях вопросы. Электрический ток в жидкостях
Жидкости, как и любые другие вещества, могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Например, дистиллированная вода будет являться диэлектриком, а растворы и расплавы электролитов будут являться проводниками. Полупроводниками будут являться, например, расплавленный селен или расплавы сульфидов.
Ионная проводимость
Электролитическая диссоциация - это процесс распадения молекул электролитов на ионы под действием электрического поля полярных молекул воды. Степенью диссоциации называется доля молекул распавшихся на ионы в растворенном веществе.
Степень диссоциации будет зависеть от различных факторов: температура, концентрация раствора, свойства растворителя. При увеличении температуры, степень диссоциации тоже будет увеличиваться.
После того как молекулы разделились на ионы, они движутся хаотично. При этом два иона разных знаков могут рекомбинироваться, то есть снова объединиться в нейтральные молекулы. При отсутствии внешних изменений в растворе должно установиться динамическое равновесие. При нем число молекул которое распалось на ионы за единицу времени, будет равняться числу молекул, которые снова объединятся.
Носителями зарядов в водных растворах и расплавах электролитов будут являться ионы. Если сосуд с раствором или расплавом включить в цепь, то положительно заряженные ионы начнут двигаться к катоду, а отрицательные – к аноду. В результате этого движения возникнет электрический ток. Данный вид проводимости называют ионной проводимостью.
Помимо ионной проводимости в жидкостях может обладать и электронной проводимостью. Такой тип проводимости свойственен, например, жидким металлам. Как отмечалось выше, при ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества.
Электролиз
Вещества которые входят в состав электролитов, будут оседать на электродах. Этот процесс называется в электролизом. Электролиз – процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.
Электролиз нашел широкое применение в физике и технике. С помощью электролиза поверхность одного металла покрывают тонким слоем другого металла. Например, хромирование и никелирование.
С помощью электролиза можно получить копию с рельефной поверхности. Для этого необходимо, чтобы слой металла, который осядет на поверхности электрода, легко можно было снять. Для этого иногда на поверхность наносят графит.
Процесс получения таких легко отслаиваемых покрытий получил название гальвано-пластика. Этим метод разработал русский ученый Борис Якоби при изготовлении полых фигур для Исаакиевского собора с Санкт-Петербурге.
«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.
То, что жидкости могут отлично проводить электрическую энергию, знают абсолютно все. И также общеизвестным фактом является то, что все проводники по своему типу делятся на несколько подгрупп. Предлагаем рассмотреть в нашей статье, как электрический ток в жидкостях, металлах и прочих полупроводниках проводится, а также законы электролиза и его виды.
Теория электролиза
Чтобы было легче понять, о чем идет речь, предлагаем начать с теории, электричество, если мы рассматриваем электрический заряд, как своего рода жидкость, стало известным уже более 200 лет. Заряды состоят из отдельных электронов, но те, настолько малы, что любой большой заряд ведет себя как непрерывного течения, жидкость.
Как и тела твердого типа, жидкие проводники могут быть трех типов:
- полупроводниками (селен, сульфиды и прочие);
- диэлектиками (щелочные растворы, соли и кислоты);
- проводниками (скажем, в плазме).
Процесс, при котором происходит растворение электролитов и распадение ионов под воздействием электрического молярного поля, называется диссоциация. В свою очередь, доля молекул, которые распались на ионы, либо распавшихся ионов в растворенном веществе, полностью зависит от физических свойств и температуры в различных проводниках и расплавах. Обязательно нужно помнить, что ионы могут рекомбинироваться или вновь объединиться. Если условия не будут меняться, то количество распавшихся ионов и объединившихся будет равно пропорциональным.
В электролитах проводят энергию ионы, т.к. они могут являться и положительно заряженными частицами, и отрицательно. Во время подключения жидкости (или точнее, сосуда с жидкостью к сети питания), начнется движение частиц к противоположным зарядам (положительные ионы начнут притягиваться к катодам, а отрицательные – к анодам). В этом случае, энергию транспортируют непосредственно, ионы, поэтому проводимость такого типа называется – ионной.
Во время этого типа проводимости, ток переносят ионы, и на электродах выделяются вещества, которые являются составляющими электролитов. Если рассуждать с точки зрения химии, то происходит окисление и восстановление. Таким образом, электрический ток в газах и жидкостях транспортируется при помощи электролиза.
Законы физики и ток в жидкостях
Электричество в наших домах и технике, как правило, не передается в металлических проволоках,. В металле электроны могут переходить от атома к атому, и, таким образом нести отрицательный заряд.
Как жидкости, они приводятся в виде электрического напряжения, известного как напряжение, изменяемом в единицах – вольт, в честь итальянского ученого Алессандро Вольта.
Видео: Электрический ток в жидкостях: полная теория
Также, электрический ток течет от высокого напряжения в низкое напряжение и измеряется в единицах, известных как ампер, названных по имени Андре-Мари Ампера. И согласно теории и формулы, если увеличить напряжение тока, то его сила также увеличится пропорционально. Это соотношение известно как закон Ома. Как пример, виртуальная ампермерная характеристика ниже.
Рисунок: зависимость тока от напряженияЗакон Ома (с дополнительными подробностями относительно длины и толщины проволоки), как правило, является одним из первых вещей, преподаваемых в классах, изучающих физику, многие студенты и преподаватели поэтому рассматривают электрический ток в газах и жидкостях как основной закон в физике.
Для того чтобы увидеть своими глазами движение зарядов, нужно приготовить колбу с соленой водой, плоские прямоугольные электроды и источники питания, также понадобится ампермерная установка, при помощи которой будет проводиться энергия от сети питания к электродам.
Рисунок: Ток и соль
Пластины, которые выступают проводниками необходимо опустить в жидкость, и включить напряжение. После этого начнется хаотичное перемещение частиц, но как после возникновения магнитного поля между проводниками, этот процесс упорядочится.
Как только ионы начнут меняться зарядами и объединяться, аноды станут катодами, а катоды – анодами. Но здесь нужно учитывать и электрическое сопротивление. Конечно, не последнюю роль играет теоретическая кривая, но основное влияние – это температура и уровень диссоциации (зависит от того, какие носители будут выбраны), а также выбран переменный ток или постоянный. Завершая это опытное исследование, Вы можете обратить внимание, что на твердых телах (металлических пластинах), образовался тончайший слой соли.
Электролиз и вакуум
Электрический ток в вакууме и жидкостях – это достаточно сложный вопрос. Дело в том, что в таких средах полностью отсутствуют заряды в телах, а значит, это диэлектрик. Иными словами, наша цель – это создание условий, для того, чтобы атом электрона мог начать свое движение.
Для того нужно использовать модульное устройство, проводники и металлические пластины, а далее действовать, как и в методе выше.
Проводники и вакуум
Характеристика тока в вакууме
Применение электролиза
Этот процесс применяется практически во всех сферах жизни. Даже самые элементарные работы подчас требуют вмешательства электрического тока в жидкостях, скажем,
При помощи этого простого процесса происходит покрытие твердых тел тончайшим слоем какого-либо металла, например, никелирование иди хромирование Т.е. это один из возможных способов борьбы с коррозийными процессами. Подобные технологии используются в изготовлении трансформаторов, счетчиков и прочих электрических приборов.
Надеемся, наше обоснование ответило на все вопросы, которые возникают, изучая явление электрический ток в жидкостях. Если нужны более качественные ответы, то советуем посетить форум электриков, там Вас с радостью проконсультируют бесплатно.
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?