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 напряжения

Закон 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.

Электронный ток в жидкостях

В железном проводнике электронный ток появляется направленным движением свободных электронов и что при всем этом никаких конфигураций вещества, из которого проводник изготовлен, не происходит.

Такие проводники, в каких прохождение электронного тока не сопровождается хим переменами их вещества, именуются проводниками первого рода . К ним относятся все металлы, уголь и ряд других веществ.

Но есть в природе и такие проводники электронного тока, в каких во время прохождения тока происходят хим явления. Эти проводники именуются проводниками второго рода . К ним относятся приемущественно разные смеси в воде кислот, солей и щелочей.

Если в стеклянный сосуд налить воды и прибавить в нее несколько капель серной кислоты (либо какой-нибудь другой кислоты либо щелочи), а потом взять две железные пластинки и присоединить к ним проводники опустив эти пластинки в сосуд, а к другим концам проводников подключить источник тока через выключатель и амперметр, то произойдет выделение газа из раствора, при этом оно будет длиться безпрерывно, пока замкнута цепь т.к. подкисленная вода вправду является проводником. Не считая того, пластинки начнут покрываться пузырьками газа. Потом эти пузырьки будут отрываться от пластинок и выходить наружу.

При прохождении по раствору электронного тока происходят хим конфигурации, в итоге которых выделяется газ.

Проводники второго рода именуются электролитами , а явление, происходящее в электролите при прохождении через него электронного тока, - .

Железные пластинки, опущенные в электролит, именуются электродами; одна из их, соединенная с положительным полюсом источника тока, именуется анодом , а другая, соединенная с отрицательным полюсом,- катодом .

Чем все-таки обусловливается прохождение электронного тока в водянистом проводнике? Оказывается, в таких смесях (электролитах) молекулы кислоты (щелочи, соли) под действием растворителя (в этом случае воды) распадаются на две составные части, при этом одна частичка молекулы имеет положительный электронный заряд, а другая отрицательный.

Частички молекулы, владеющие электронным зарядом, именуются ионами . При растворении в воде кислоты, соли либо щелочи в растворе появляется огромное количество как положительных, так и отрицательно заряженных ионов.

Сейчас должно стать понятным, почему через раствор прошел электронный ток, ведь меж электродами, соединенными с источником тока, сотворена разность потенциалов, по другому говоря, какой-то из них оказался заряженным положительно, а другой негативно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы начали перемешаться по направлению к отрицательному электроду - катоду, а отрицательные ионы - к аноду.

Таким макаром, хаотическое движение ионов стало упорядоченным встречным движением отрицательно заряженных ионов в одну сторону и положительных в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение электронного тока через электролит и происходит до того времени, 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 разглядим явление электролиза при пропускании электронного 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

Тут 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 для себя недостающие электроны), т. е. преобразовываться в нейтральные молекулы незапятанной меди, и в виде тончайшего (молекулярного) слоя отлагаться на катоде.

Отрицательные ионы, достигнув анода, также разряжаются (отдают лишние электроны). Но при всем этом они вступают в хим реакцию с медью анода, в итоге чего к кислотному остатку SO4 присоединяется молекула меди Сu и появляется молекула медного купороса СuS О4 , возвращаемая назад электролиту.

Потому что этот хим процесс протекает долгое время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита. При всем этом электролит заместо ушедших на катод молекул меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода - анода.

Тот же самый процесс происходит, если заместо медных взяты цинковые электроды, а электролитом служит раствор цинкового купороса Zn SO4. Цинк также будет переноситься с анода на катод.

Таким макаром, разница меж электронным током в металлах и водянистых проводниках состоит в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах электричество переносится разноименно заряженными частичками вещества - ионами, двигающимися в обратных направлениях. Потому молвят, что электролиты владеют ионном проводимостью.

Явление электролиза было открыто в 1837 г. Б. С. Якоби, который создавал бессчетные опыты по исследованию и усовершенствованию хим источников тока. Якоби установил, что один из электродов, помещенных в раствор медного купороса, при прохождении через него электронного тока покрывается медью.

Это явление, нареченное гальванопластикой , находит на данный момент очень огромное практическое применение. Одним из примеров тому может служить покрытие железных предметов узким слоем других металлов, т. е. никелирование, золочение, серебрение и т. д.

Газы (в том числе и воздух) в обыденных критериях не проводят электронный ток. К примеру, нагие провода воздушных линий, будучи подвешены параллельно друг дружке, оказываются изолированными один от другого слоем воздуха.

Но под воздействием высочайшей температуры, большой разности потенциалов и других обстоятельств газы, подобно водянистым проводникам, ионизируются , т. е. в их возникают в большенном количестве частички молекул газа, которые, являясь переносчиками электричества, содействуют прохождению через газ электронного тока.

Но совместно с тем ионизация газа отличается от ионизации водянистого проводника. Если в воды 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 закончить ионизацию газа, как он закончит быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электронного тока. Как следует, проводимость газа - явление временное, зависящее от деяния наружных обстоятельств.

Но есть и другой вид разряда, именуемый дуговым разрядом либо просто электронной дугой. Явление электронной дуги было открыто сначала 19-го столетия первым русским электротехником В. В. Петровым.

В. В. Петров, проделывая бессчетные опыты, нашел, что меж 2-мя древесными углями, соединенными с источником тока, появляется непрерывный электронный разряд через воздух, сопровождаемый броским светом. В собственных трудах В. В. Петров писал, что при всем этом «черный покой довольно ярко освещен может быть». Так в первый раз был получен электронный свет, фактически применил который очередной российский ученый-электротехник Павел Николаевич Яблочков.

«Свеча Яблочкова», работа которой базирована на использовании электронной дуги, сделала в те времена реальный переворот в электротехнике.

Дуговой разряд применяется как источник света и в наши деньки, к примеру в прожекторах и проекционных аппаратах. Высочайшая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В текущее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, используются в ряде областей индустрии: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы и т.д. А в 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд в первый раз был применен для резки и сварки металла.

В газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электрических и ионных пучков употребляется так именуемый тлеющий газовый разряд .

Искровой разряд применяется для измерения огромных разностей потенциалов при помощи шарового разрядника, электродами которого служат два железных шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на их подается измеряемая разность потенциалов. Потом шары сближают до того времени, пока меж ними не перескочит искра. Зная поперечник шаров, расстояние меж ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов меж шарами по особым таблицам. Этим способом можно определять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка 10-ов тыщ вольт.

Это пока все. Ну а если Вы желаете выяснить больше, то рекомендую направить внимание на диск Миши Ванюшина:

«Про электричество для начинающих в видео формате на DVD-диске»

Доклад на тему:

Электрический ток

в жидкостях

(электролитах)

Электролиз

Законы Фарадея

Элементарный электрический заряд

Ученицы 8 го класса « Б »

Л огиновой М арии А ндреевны

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 CuSO 4 распадается (диссоциирует) на два разнозаряженных иона – Cu 2+ и SO 4 2- . Упрощенно происходящие процессы можно отразить следующей формулой:

CuSO 4 ÞCu 2+ +SO 4 2-

Проводят электрический ток растворы солей, щелочей, кислот.

Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.

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

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.

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

У них значение степени диссоциации стремится к единице.

- 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 CuSO 4 диссоциировал на ионы – Cu 2+ и SO 4 2- . Положительно заряженный ион Cu 2+ (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:

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):

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 AgNO 3) 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)
H (водород)

Из таблицы мы видим, что электрохимические эквиваленты различных веществ существенно отличны один от другого. От каких же свойств вещества зависит величина его электрохимического эквивалента? Ответ на этот вопрос даёт второй закон Фарадея :

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

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 (H 2 O) равен 18 граммам (1+1+16=18), моль кислорода (O 2) – 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 ´ 10 23 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=6x10 23 . 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 CuSO 4 . 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 SO 4 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:

Получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);

Электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка);

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

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

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.

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.

В отношении своих электрических свойств жидкости отличаются большим многообразием. Расплавленные металлы, как и металлы в твердом состоянии, имеют высокую электропроводность, связанную с большой концентрацией свободных электронов.

Многие жидкости, например чистая вода, спирт, керосин, являются хорошими диэлектриками, поскольку их молекулы электронейтральны и в них отсутствуют свободные носители заряда.

Электролиты. Особый класс жидкостей составляют так называемые электролиты, к которым относятся водные растворы неорганических кислот, солей и оснований, расплавы ионных кристаллов и т. д. Для электролитов характерно наличие высоких концентраций ионов, обусловливающих возможность прохождения электрического тока. Эти ионы возникают при плавлении и при растворении, когда под влиянием электрических полей молекул растворителя происходит разложение молекул растворяемого вещества на отдельные положительно и отрицательно заряженные ионы. Такой процесс называется электролитической диссоциацией.

Электролитическая диссоциация. Степень диссоциации а данного вещества, т. е. доля молекул растворенного вещества, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости растворителя. С увеличением температуры степень диссоциации растет. Ионы противоположных знаков могут рекомбинировать, объединяясь снова в нейтральные молекулы. При неизменных внешних условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором процессы рекомбинации и диссоциации компенсируют друг друга.

Качественно зависимость степени диссоциации а от концентрации растворенного вещества можно установить с помощью следующих простых рассуждений. Если в единице объема содержится молекул растворенного вещества, то из них диссоциированы, а остальные не диссоциированы. Число элементарных актов диссоциации в единице объема раствора пропорционально числу нерасщепленных молекул и поэтому равно где А - коэффициент, зависящий от природы электролита и температуры. Число актов рекомбинации пропорционально числу соударений разноименных ионов, т. е. пропорционально числу как тех, так и других ионов. Поэтому оно равно где В - коэффициент, постоянный для данного вещества при определенной температуре.

В состоянии динамического равновесия

Отношение не зависит от концентрации Видно, что чем меньше концентрация раствора, тем а ближе к единице: в очень разбавленных растворах практически все молекулы растворенного вещества диссоциированы.

Чем выше диэлектрическая проницаемость растворителя, тем больше ослабляются ионные связи в молекулах растворенного вещества и, следовательно, тем больше степень диссоциации. Так, соляная кислота дает электролит с высокой электропроводностью при растворении в воде в то время как ее раствор в этиловом эфире очень плохо проводит электрический ток.

Необычные электролиты. Встречаются и весьма необычные электролиты. Например, электролитом является стекло, представляющее собой сильно переохлажденную жидкость, обладающую громадной вязкостью. При нагревании стекло размягчается и его вязкость сильно уменьшается. Присутствующие в стекле ионы натрия приобретают заметную подвижность, и становится возможным прохождение электрического тока, хотя при обычных температурах стекло является хорошим изолятором.

Рис. 106. Демонстрация электропроводности стекла при нагревании

Наглядной демонстрацией этого может служить опыт, схема которого показана на рис. 106. Стеклянная палочка включена в осветительную сеть через реостат Пока палочка холодная, ток в цепи ничтожный из-за высокого сопротивления стекла. Если палочку нагреть газовой горелкой до температуры 300-400 °С, то ее сопротивление упадет до нескольких десятков омов и нить лампочки Л раскалится. Теперь можно закоротить лампочку ключом К. При этом сопротивление цепи уменьшится и сила тока возрастет. В таких условиях палочка будет эффективно нагреваться электрическим током и раскаляться до яркого свечения, даже если убрать горелку.

Ионная проводимость. Прохождение электрического тока в электролите описывается законом Ома

Электрический ток в электролите возникает при сколь угодно малом приложенном напряжении.

Носителями заряда в электролите являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Механизм электропроводности электролитов во многом сходен с описанным выше механизмом электропроводности газов. Основные отличия связаны с тем, что в газах сопротивление движению носителей заряда обусловлено главным образом их столкновениями с нейтральными атомами. В электролитах подвижность ионов обусловлена внутренним трением - вязкостью - при их движении в растворителе.

При повышении температуры проводимость электролитов, в противоположность металлам, увеличивается. Это связано с тем, что с ростом температуры возрастает степень диссоциации и уменьшается вязкость.

В отличие от электронной проводимости, характерной для металлов и полупроводников, где прохождение электрического тока не сопровождается каким бы то ни было изменением химического состава вещества, ионная проводимость связана с переносом вещества

и выделением на электродах веществ, входящих в состав электролитов. Такой процесс называется электролизом.

Электролиз. При выделении вещества на электроде уменьшается концентрация соответствующих ионов в примыкающей к электроду области электролита. Тем самым здесь нарушается динамическое равновесие между диссоциацией и рекомбинацией: именно здесь происходит разложение вещества в результате электролиза.

Электролиз впервые наблюдался в при разложении воды током от вольтова столба. Через несколько лет знаменитый химик Г. Дэви открыл натрий, выделив его путем электролиза из едкого натра. Количественные законы электролиза были экспериментально установлены М. Фарадеем в Их легко обосновать исходя из механизма явления электролиза.

Законы Фарадея. Каждый ион обладает электрическим зарядом, кратным элементарному заряду е. Другими словами, заряд иона равен , где - целое число, равное валентности соответствующего химического элемента или соединения. Пусть при прохождении тока на электроде выделилось ионов. Их заряд по абсолютной величине равен Положительные ионы достигают катода и их заряд нейтрализуется электронами, притекающими к катоду по проводам от источника тока. Отрицательные ионы подходят к аноду и такое же количество электронов уходит по проводам к источнику тока. При этом по замкнутой электрической цепи проходит заряд

Обозначим через массу вещества, выделившегося на одном из электродов, а через массу иона (атома или молекулы). Очевидно, что , следовательно, Умножив числитель и знаменатель этой дроби на постоянную Авогадро получим

где - атомная или молярная масса, постоянная Фарадея, определяемая выражением

Из (4) видно, что постоянная Фарадея имеет смысл «одного моля электричества», т. е. это суммарный электрический заряд одного моля элементарных зарядов:

Формула (3) содержит оба закона Фарадея. Она говорит о том, что масса выделившегося при электролизе вещества пропорциональна прошедшему по цепи заряду (первый закон Фарадея):

Коэффициент называется электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражается в

килограммах на кулон Он имеет смысл обратной величины удельного заряда иона.

Электрохимический эквивалент к пропорционален химическому эквиваленту вещества (второй закон Фарадея).

Законы Фарадея и элементарный заряд. Поскольку во времена Фарадея представления об атомарной природе электричества еще не существовало, экспериментальное открытие законов электролиза было далеко не тривиальным. Напротив, именно законы Фарадея послужили по существу первым экспериментальным доказательством справедливости этих представлений.

Измерение на опыте постоянной Фарадея позволило в впервые получить числовую оценку значения элементарного заряда задолго до прямых измерений элементарного электрического заряда в опытах Милликена с масляными каплями. Замечательно, что идея атомарной структуры электричества получила недвусмысленное экспериментальное подтверждение в опытах по электролизу, выполненных в 30-е годы XIX века, когда даже идея атомарного строения вещества еще не разделялась всеми учеными. В знаменитой речи, произнесенной в Королевском обществе и посвященной памяти Фарадея, Гельмгольц таким образом комментировал это обстоятельство:

«Если мы признаем существование атомов химических элементов, то мы не можем избежать и дальнейшего заключения, что электричество, как положительное, так и отрицательное, разделено на определенные элементарные количества, которые ведут себя как атомы электричества».

Химические источники тока. Если какой-либо металл, например цинк, погрузить в воду, то некоторое количество положительных ионов цинка под влиянием полярных молекул воды начнет переходить из поверхностного слоя кристаллической решетки металла в воду. В результате цинк зарядится отрицательно, а вода положительно. На границе металла и воды образуется тонкий слой, называемый двойным электрическим слоем; в нем существует сильное электрическое поле, напряженность которого направлена от воды к металлу. Это поле препятствует дальнейшему переходу ионов цинка в воду, и в результате возникает динамическое равновесие, при котором среднее число ионов, приходящих из металла в воду, равно числу ионов, возвращающихся из воды в металл.

Динамическое равновесие установится и в том случае, если металл погрузить в водный раствор соли того же металла, например цинк в раствор цинкового купороса . В растворе соль диссоциирует на ионы Образовавшиеся при этом ионы цинка ничем не отличаются от ионов цинка, поступивших в раствор с электрода. Повышение концентрации ионов цинка в электролите облегчает переход этих ионов в металл из раствора и затрудняет

переход из металла в раствор. Поэтому в растворе цинкового купороса погруженный цинковый электрод хотя и заряжается отрицательно, но слабее, чем в чистой воде.

При погружении металла в раствор металл не всегда заряжается отрицательно. Например, если медный электрод погрузить в раствор медного купороса то ионы начнут из раствора осаждаться на электроде, заряжая его положительно. Напряженность поля в двойном электрическом слое в данном случае направлена от меди к раствору.

Таким образом, при погружении металла в воду или в водный раствор, содержащий ионы того же металла, на границе металла с раствором между ними возникает разность потенциалов. Знак и величина этой разности потенциалов зависит от типа металла (медь, цинк и т. от концентрации ионов в растворе и почти не зависит от температуры и давления.

Два электрода из разных металлов, погруженные в электролит, образуют гальванический элемент. Например, в элементе Вольта цинковый и медный электроды погружены в водный раствор серной кислоты. В первый момент раствор не содержит ни ионов цинка, ни ионов меди. Однако в дальнейшем эти ионы поступают в раствор с электродов и устанавливается динамическое равновесие. Пока электроды не соединены друг с другом проводом, потенциал электролита одинаков во всех точках, а потенциалы электродов отличаются от потенциала электролита благодаря образующимся Двойным слоям на их границе с электролитом. При этом электродный потенциал цинка равен -0,763 В, а меди Электродвижущая сила элемента Вольта, складывающаяся из этих скачков потенциалов, будет равна

Ток в цепи с гальваническим элементом. Если электроды гальванического элемента соединить проводом, то электроны по этому проводу будут переходить с отрицательного электрода (цинк) на положительный (медь), что нарушает динамическое равновесие между электродами и электролитом, в который они погружены. Ионы цинка начнут переходить с электрода в раствор, так чтобы поддерживать двойной электрический слой в прежнем состоянии с неизменным скачком потенциала между электродом и электролитом. Аналогично у медного электрода ионы меди начнут переходить из раствора и осаждаться на электроде. При этом около отрицательного электрода образуется недостаток ионов а у положительного - избыток таких ионов. Общее число ионов в растворе не изменится.

В результате описанных процессов в замкнутой цепи будет поддерживаться электрический ток, который в соединительном проводе создается движением электронов, а в электролите ионами. При прохождении электрического тока происходит постепенное растворение цинкового электрода и осаждение меди на положительном (медном)

электроде. Концентрация ионов увеличивается у цинкового электрода и уменьшается у медного.

Потенциал в цепи с гальваническим элементом. Описанная картина прохождения электрического тока в неоднородной замкнутой цепи, содержащей химический элемент, соответствует распределению потенциала вдоль цепи, схематически показанному на рис. 107. Во внешней цепи, т. е. в соединяющем электроды проводе потенциал плавно понижается от значения на положительном (медном) электроде А до значения на отрицательном (цинковом) электроде В в соответствии с законом Ома для однородного проводника. Во внутренней цепи, т. е. в электролите между электродами, потенциал плавно понижается от значения вблизи цинкового электрода до значения вблизи медного электрода. Если во внешней цепи ток идет от медного электрода к цинковому, то внутри электролита - от цинкового к медному. Скачки потенциалов в двойных электрических слоях создаются в результате действия сторонних (в данном случае химических) сил. Движение электрических зарядов в двойных слоях благодаря сторонним силам происходит против направления действия электрических сил.

Рис. 107. Распределение потенциала вдоль цепи, содержащей химический элемент

Наклонным участкам изменения потенциала на рис. 107 соответствуют электрические сопротивления внешнего и внутреннего участков замкнутой цепи. Суммарное падение потенциала вдоль этих участков равно сумме скачков потенциала в двойных слоях, т. е. электродвижущей силе элемента.

Прохождение электрического тока в гальваническом элементе осложняется побочными продуктами, выделяющимися на электродах, и появлением перепада концентрации в электролите. Об этих явлениях говорят как об электролитической поляризации. Например, в элементах Вольты при замыкании цепи положительные ионы движутся к медному электроду и осаждаются на нем. В результате через некоторое время медный электрод как бы заменяется водородным. Так как электродный потенциал водорода на 0,337 В ниже электродного потенциала меди, то ЭДС элемента уменьшается примерно на такую же величину. Кроме того, выделяющийся на медном электроде водород увеличивает внутреннее сопротивление элемента.

Для уменьшения вредного влияния водорода используются деполяризаторы - различные окислители. Например, в наиболее употребительном элементе Лекланше («сухие» батарейки)

положительным электродом служит графитовый стержень, окруженный спрессованной массой перекиси марганца и графита.

Аккумуляторы. Практически важной разновидностью гальванических элементов являются аккумуляторы, для которых после разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую. Вещества, расходуемые при получении электрического тока, восстанавливаются внутри аккумулятора путем электролиза.

Видно, что при зарядке аккумулятора повышается концентрация серной кислоты, что ведет к увеличению плотности электролита.

Таким образом, в процессе зарядки создается резкая асимметрия электродов: один становится свинцовым, другой - из перекиси свинца. Заряженный аккумулятор представляет собой гальванический элемент, способный служить источником тока.

При подключении к аккумулятору потребителей электрической энергии через цепь потечет электрический ток, направление которого противоположно зарядному току. Химические реакции идут в обратном направлении и аккумулятор возвращается в исходное состояние. Оба электрода будут покрыты слоем соли , а концентрация серной кислоты вернется к первоначальному значению.

У заряженного аккумулятора ЭДС составляет примерно 2,2 В. При разрядке она понижается до 1,85 В. Дальнейшую разрядку производить не рекомендуется, так как процесс образования сернокислого свинца становится необратимым и аккумулятор портится.

Максимальный заряд, который может отдать аккумулятор при разрядке, называется его емкостью. Емкость аккумулятора обычно

измеряется в ампер-часах. Она тем больше, чем больше поверхность пластин.

Применения электролиза. Электролиз используется в металлургии. Наиболее распространено электролитическое получение алюминия и чистой меди. С помощью электролиза можно создавать тонкие слои одних веществ на поверхности других с целью получения декоративных и защитных покрытий (никелирование, хромирование). Процесс получения отслаиваемых покрытий (гальванопластика) был разработан русским ученым Б. С. Якоби, применившим его для изготовления полых скульптур, украшающих Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге.

Чем отличается физический механизм электропроводности в металлах и электролитах?

Поясните, почему степень диссоциации данного вещества зависит от диэлектрической проницаемости растворителя.

Объясните, почему в сильно разбавленных растворах электролита практически все молекулы растворенного вещества диссоциированы.

Поясните, в чем механизм электропроводности электролитов сходен с механизмом электропроводности газов. Почему при неизменных внешних условиях электрический ток пропорционален приложенному напряжению?

Какую роль при выводе закона электролиза (3) играет закон сохранения электрического заряда?

Поясните связь электрохимического эквивалента вещества с удельным зарядом его ионов.

Как можно на опыте определить отношение электрохимических эквивалентов разных веществ, если имеется несколько электролитических ванн, но нет приборов для измерения силы тока?

Каким образом явление электролиза можно использовать для создания счетчика расхода электроэнергии в сети постоянного тока?

Почему законы Фарадея можно рассматривать как экспериментальное доказательство представлений об атомарной природе электричества?

Какие процессы происходят при погружении металлических электродов в воду и в электролит, содержащий ионы этих металлов?

Опишите процессы, происходящие в электролите вблизи электродов гальванического элемента при прохождении тока.

Почему внутри гальванического элемента положительные ионы движутся от отрицательного (цинкового) электрода к положительному (медному) электроду? Каким образом в цепи возникает распределение потенциала, заставляющее ионы двигаться именно так?

Почему степень заряженности кислотного аккумулятора можно проверять при помощи ареометра, т. е. прибора для измерения плотности жидкости?

Чем в принципиальном отношении отличаются процессы в аккумуляторах от процессов в «сухих» батарейках?

Какая часть электрической энергии, затраченной в процессе зарядки аккумулятора с может быть использована при его разрядке, если в процессе зарядки аккумулятора на его клеммах поддерживалось напряжение