Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз. Электрический ток в жидкостях. Движение зарядов, анионы катионы Электрический ток в жидкостях закон фарадея применение
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?
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.
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.
Электрический ток в газах
Носители заряда: электроны, положительные ионы, отрицательные ионы.
Носители заряда возникают в газе в результате ионизации: вследствие облучения газа, либо столкновений частиц нагретого газа друг с другом.
Ионизация электронным ударом.
A_{поля}=eEl
e=1,6\cdot 10^{19}Кл ;
E - направление поля;
l - длина свободного пробега между двумя последовательными столкновениями электрона с атомами газа.
A_{поля}=eEl\geq W - условие ионизации
W - энергия ионизации, т.е. энергия, необходимая для того, чтобы вырвать из атома электрон
Число электронов увеличивается в геометрической прогрессии, в результате возникает электронная лавина, а следовательно разряд в газе.
Электрический ток в жидкости
Жидкости так же, как и твердые тела могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К числу диэлектриков относится дистиллированная вода, к проводникам - растворы электролитов: кислот, щелочей, солей и расплавы металлов. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов.
Электролитическая диссоциация
При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Например, CuSO_{4}\rightarrow Cu^{2+}+SO^{2-}_{4} .
Наряду с диссоциацией идет обратный процесс - рекомбинация , т.е. объединение ионов противоположных знаков в нейтральные молекулы.
Носителями электричества в растворах электролитов являются ионы. Такая проводимость называется ионной .
Электролиз
Если в ванну с раствором электролита поместить электроды и пустить ток, то отрицательные ионы будут двигаться к положительному электроду, а положительные - к отрицательному.
На аноде (положительном электроде) отрицательно заряженные ионы отдают лишние электроны (окислительная реакция), а на катоде (отрицательном электроде) положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).
Определение. Процесс выделения на электродах веществ, связанный с окислительно-восстановительными реакциями называется электролизом.
Законы Фарадея
I. Масса вещества, которая выделяется на электроде, прямо пропорциональна заряду, протекшему через электролит:
m=kq
k - электрохимический эквивалент вещества.
q=I\Delta t , тогда
m=kI\Delta t
k=\frac{1}{F}\frac{\mu}{n}
\frac{\mu}{n} - химический эквивалент вещества;
\mu - молярная масса;
n - валентность
Электрохимические эквиваленты веществ пропорциональны химическим.
F - постоянная Фарадея;
Образуется направленным движением свободных электронов и что при этом никаких изменений вещества, из которого проводник сделан, не происходит.
Такие проводники, в которых прохождение электрического тока не сопровождается химическими изменениями их вещества, называются проводниками первого рода . К ним относятся все металлы, уголь и ряд других веществ.
Но есть в природе и такие проводники электрического тока, в которых во время прохождения тока происходят химические явления. Эти проводники называются проводниками второго рода . К ним относятся главным образом различные растворы в воде кислот, солей и щелочей.
Если в стеклянный сосуд налить воды и прибавить в нее несколько капель серной кислоты (или какой-либо другой кислоты или щелочи), а затем взять две металлические пластины и присоединить к ним проводники опустив эти пластины в сосуд, а к другим концам проводников подключить источник тока через выключатель и амперметр, то произойдет выделение газа из раствора, причем оно будет продолжаться непрерывно, пока замкнута цепь т.к. подкисленная вода действительно является проводником. Кроме того, пластины начнут покрываться пузырьками газа. Затем эти пузырьки будут отрываться от пластин и выходить наружу.
При прохождении по раствору электрического тока происходят химические изменения, в результате которых выделяется газ.
Проводники второго рода называются электролитами , а явление, происходящее в электролите при прохождении через него электрического тока, - .
Металлические пластины, опущенные в электролит, называются электродами; одна из них, соединенная с положительным полюсом источника тока, называется анодом , а другая, соединенная с отрицательным полюсом,- катодом .
Чем же обусловливается прохождение электрического тока в жидком проводнике? Оказывается, в таких растворах (электролитах) молекулы кислоты (щелочи, соли) под действием растворителя (в данном случае воды) распадаются на две составные части, причем одна частица молекулы имеет положительный электрический заряд, а другая отрицательный.
Частицы молекулы, обладающие электрическим зарядом, называются ионами . При растворении в воде кислоты, соли или щелочи в растворе возникает большое количество как положительных, так и отрицательных ионов.
Теперь должно стать понятным, почему через раствор прошел электрический ток, ведь между электродами, соединенными с источником тока, создана , иначе говоря, один из них оказался заряженным положительно, а другой отрицательно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы начали перемешаться по направлению к отрицательному электроду - катоду, а отрицательные ионы - к аноду.
Таким образом, хаотическое движение ионов стало упорядоченным встречным движением отрицательных ионов в одну сторону и положительных в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение электрического тока через электролит и происходит до тех пор, пока имеется разность потенциалов на электродах. С исчезновением разности потенциалов прекращается ток через электролит, нарушается упорядоченное движение ионов, и вновь наступает хаотическое движение.
В качестве примера рассмотрим явление электролиза при пропускании электрического тока через раствор медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.
Явление электролиза при прохождении тока через раствор медного купороса: С - сосуд с электролитом, Б - источник тока, В - выключатель
Здесь также будет встречное движение ионов к электродам. Положительным ионом будет ион меди (Си), а отрицательным - ион кислотного остатка (SO4). Ионы меди при соприкосновении с катодом будут разряжаться (присоединяя к себе недостающие электроны), т. е. превращаться в нейтральные молекулы чистой меди, и в виде тончайшего (молекулярного) слоя отлагаться на катоде.
Отрицательные ионы, достигнув анода, также разряжаются (отдают излишние электроны). Но при этом они вступают в химическую реакцию с медью анода, в результате чего к кислотному остатку SO4 присоединяется молекула меди Сu и образуется молекула медного купороса СuS О4 , возвращаемая обратно электролиту.
Так как этот химический процесс протекает длительное время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита. При этом электролит вместо ушедших на катод молекул меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода - анода.
Тот же самый процесс происходит, если вместо медных взяты цинковые электроды, а электролитом служит раствор цинкового купороса Zn SO4. Цинк также будет переноситься с анода на катод.
Таким образом, разница между электрическим током в металлах и жидких проводниках заключается в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах переносится разноименно заряженными частицами вещества - ионами, двигающимися в противоположных направлениях. Поэтому говорят, что электролиты обладают ионном проводимостью.
Явление электролиза было открыто в 1837 г. Б. С. Якоби, который производил многочисленные опыты по исследованию и усовершенствованию химических источников тока. Якоби установил, что один из электродов, помещенных в раствор медного купороса, при прохождении через него электрического тока покрывается медью.
Это явление, названное гальванопластикой
, находит сейчас чрезвычайно большое практическое применение. Одним из примеров тому может служить покрытие металлических предметов тонким слоем других металлов, т. е. никелирование, золочение, серебрение и т. д.
Газы (в том числе и воздух) в обычных условиях не проводят электрический ток. Например, голые , будучи подвешены параллельно друг другу, оказываются изолированными один от другого слоем воздуха.
Однако под воздействием высокой температуры, большой разности потенциалов и других причин газы, подобно жидким проводникам, ионизируются , т. е. в них появляются в большом количестве частицы молекул газа, которые, являясь переносчиками электричества, способствуют прохождению через газ электрического тока.
Но вместе с тем ионизация газа отличается от ионизации жидкого проводника. Если в жидкости происходит распад молекулы на две заряженные части, то в газах под действием ионизации от каждой молекулы всегда отделяются электроны и остается ион в виде положительно заряженной части молекулы.
Стоит только прекратить ионизацию газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока. Следовательно, проводимость газа - явление временное, зависящее от действия внешних причин.
Однако есть и другой , называемый дуговым разрядом или просто электрической дугой. Явление электрической дуги было открыто в начале 19-го столетия первым русским электротехником В. В. Петровым.
В. В. Петров, проделывая многочисленные опыты, обнаружил, что между двумя древесными углями, соединенными с источником тока, возникает непрерывный электрический разряд через воздух, сопровождаемый ярким светом. В своих трудах В. В. Петров писал, что при этом "темный покой достаточно ярко освещен быть может". Так впервые был получен электрический свет, практически применил который еще один русский ученый-электротехник Павел Николаевич Яблочков.
"Свеча Яблочкова", работа которой основана на использовании электрической дуги, совершила в те времена настоящий переворот в электротехнике.
Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для . В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы и т.д. А в 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла.
В газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков используется так называемый тлеющий газовый разряд .
Искровой разряд применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.
