Меню

Электрический ток в растворах электролитов закон электролиза применение электролиза в технике

Электрический ток в электролитах. Законы электролиза. Применение электролиза

Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К числу диэлектриков относится дистиллированная вода, к проводникам – растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфитов и др..

Электролиты состоят из молекул, которые при растворении в воде распадаются ионы, способные к свободному перемещению.

Распад молекул вещества на ионы под действием молекул растворителя называется электролитической диссоциацией. Процесс, обратный диссоциации – рекомбинация. Носителями тока в электролитах 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 установится электрический ток. Таким образом, электрический ток в жидкостях – это упорядоченное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных — к аноду.

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью – например, жидкие металлы.

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролита. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны, а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны. Процесс выделения на электроде вещества, входящего в состав электролита, называется электролизом(«лио» — разделяю).

Электролиз широко применяется на практике:

1. покрытие поверхности металла тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, омеднение и т.п.) – защита от коррозии;

2. изготовление металлических копий рельефной поверхности;

3. очистка металлов от примесей;

4. получение газов промышленным способом;

5. электрополировка поверхностей.

Закон электролиза впервые был установлен экспериментально Фарадеем и носит название закона электролиза Фарадея: масса вещества, выделившегося на электроде при прохождении электрического тока, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит.

m = kq, где k – коэффициент пропорциональности между массой вещества и зарядом, называемый электрохимическим эквивалентом вещества. k= , где Nа – постоянная Авогадро, М – молярная масса вещества, n – валентность вещества, а отношение называется химическим эквивалентом вещества.

Из формулы закона электролиза видно, что коэффициент k численно равен массе вещества, выделившегося на электродах при переносе ионами заряда, равного 1 Кл. Таким образом, единица измерения 1кг/Кл. Значение k для различных веществ можно найти в таблице.

Билет № 15

Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Плазма

Газы в обычных условиях почти полностью состоят из нейтральных молекул или атомов и, следовательно, являются диэлектриками. Ионизированные газы являются проводниками.

Различают несколько способовионизации газа:

1. Термоионизация – под воздействием высоких температур;

2. Фотоионизация – под воздействием излучений;

3. Ударная ионизация – при столкновении быстрых частиц между собой.

Вследствие ионизации часть атомов распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам. Рекомбинация – процесс, обратный ионизации. Таким образом, носителями тока в газах являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Электрическим током в газах называют упорядоченное положительных ионов к катоду, отрицательных ионов и электронов – к катоду. Явление прохождения электрического тока в газах по-другому называют газовым разрядом.

Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового разряда.

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе в единицу времени образуется определенное число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов.

Участок ОА: при небольшой разности потенциалов между электродами не все образующиеся ионы и электроны достигают электродов, часть их рекомбинирует; по мере увеличения разности потенциалов число заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается – сила тока линейно возрастает.

Участок АВ: наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за единицу времени, достигают за это время электродов – ток достигает насыщения.

Если действие ионизатора на участках ОА и АВ прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников носителей тока нет. Электрический ток, протекающий под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным газовым разрядом.

Участок ВС: если продолжать увеличивать разность потенциалов на электродах, то с некоторого значения сила тока снова начнет резко возрастать, т.к. начнется:

1) ионизация электронным ударом (свободные электроны становятся настолько быстрыми, что при столкновениях с нейтральными атомами ионизируют их);

2) эмиссия (испускание) электронов с катода (быстрые положительные ионы выбивают с поверхности катода электроны).

Если действие ионизатора на участке ВС прекратить, то разряд не прекратится. Электрический ток, протекающий без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным газовым разрядом.В зависимости от свойств и состояния газа, а также характера и расположения электродов возникают различные виды самостоятельного разряда в газах:

Процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем и характеризуется напряжением пробоя.

Плазма– это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают.

Различают высокотемпературную >10 5 K и низкотемпературную 5 K плазму. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам. В состоянии плазмы находится около 99% вещества Вселенной (звезды, Солнце, межзвездная среда). Плазмой окружена и наша планета: верхний слой атмосферы на высоте 100-30 км – ионосфера, выше ионосферы – радиационные пояса Земли.

Читайте также:  Какое напряжение электрического тока считается относительно безопасным для человека

Источник

Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея

Электрический ток в различных средах.

Электролиты относятся к так называемым проводникам второго рода. В отличие от металлов и полупроводников (проводников первого рода), протекание тока в которых не сопровождается какими-либо химическими превращениями, в электролитах протекание тока всегда сопровождается химическими превращениями. Электролитами являются растворы солей, кислот и щелочей в воде и некоторых других жидкостях, а также расплавы солей, являющихся в твердом состоянии ионными кристаллами.

Носителями тока в электролитах являются положительные и отрицательные ионы, на которыедиссоциируют (расщепляются) молекулы растворенного вещества. Степень диссоциации характеризуется коэффициентом диссоциации α, показывающим, какая доля молекул растворенного вещества находится в диссоциированном состоянии. Коэффициент диссоциации зависит от химической природы растворителя и концентрации растворяемого вещества. В частности, чем ниже концентрация растворяемого вещества, тем выше коэффициент диссоциации.

Если в электролит ввести твердые проводящие электроды и подать на них напряжение, то ионы придут в движение — возникнет электрический ток (рис.7.1). Положительные ионы (катионы) движутся к отрицательному электроду (катоду); отрицательные ионы (анионы) – к положительному электроду (аноду).

Рис.7.1. Электрический ток в электролите.

Достигнув соответствующих электродов, анионы и катионы отдают избыточные или получают недостающие электроны и превращаются в нейтральные молекулы. Таким образом, прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением на электродах составных частей электролита. Это явление называется электролизом. Основные законы электролиза были установлены в 1836г. Майклом Фарадеем (Faraday M., 1791-1867):

Первый закон Фарадея. Количество вещества, выделившегося на каждом из электродов при электролизе, пропорционально заряду, протекшему через электролит:

где Кэлектрохимический эквивалент, зависящий от природы вещества.

Второй закон Фарадея. Электрохимический эквивалент всех веществ пропорционален их химическому эквиваленту:

где — атомный вес, — валентность химического элемента; -число Фарадея.

Выделение вещества на электродах начинается лишь с некоторого напряжения, называемого пороговым напряжением разложения электролита Up. Начиная с этого напряжения, в электролите появляется ток, плотность которого подчиняется закону Ома:

где n + и n — — концентрация положительных и отрицательных ионов, соответственно; q + и q — — заряды ионов; u + и u — — подвижности ионов; σ – электропроводность электролита.

Подвижность ионов зависит от их природы и свойств растворителя. С повышением температуры подвижность ионов возрастает. В электролитах подвижность ионов очень мала. Так, для водных растворов при комнатной температуре она составляет 10 -8 -10 -7 (для сравнения, подвижность электронов в металлах

Если молекула диссоциирует только на пару ионов, то и . В этом случае

На рис.7.2 представлена ВАХ электролита: , R – сопротивление слоя электролита между электродами.

Рис.7.2. Вольтамперная характеристика электролита.

Электролиз находит самые разнообразные технические применения: гальванопластика и гальваностегия; электрометаллургия; электрополировка металлов; получение тяжелой воды и другие.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



Вопрос 2. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Закон электролиза. Применение электролиза в технике

date image2015-04-08
views image7198

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.

К ним относятся растворы солей, кислот, щелочей.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

Например, при растворении в воде молекулы медного купороса распадаются на положительные ионы меди и отрицательные ионы (кислотный остаток).

При прохождении электрического тока через водный раствор медного купороса у положительного электрода (анода) выделяется кислотный остаток, а на отрицательном электроде (катоде) выделяется медь. Т.е. в жидкостях ионная проводимость.

Электролиз – это процесс выделение на электроде вещества под действием электрического тока.

Масса вещества, выделившегося на электроде, вычисляется по формуле:

k – электрохимический эквивалент вещества (зависит от природы вещества), (кг/Кл),

I – сила тока, измеряется в Амперах (А),

— промежуток времени, в течении которого проходил ток, (с).

Электролиз применяется для очистки металлов от примесей, для покрытия поверхности одного металла тонким слоем другого, для получения копий с рельефных поверхностей.

  1. Первый закон Ньютона; инерциальная система отсчета.
  2. Электрический ток в полупроводниках: зависимость сопротивления поупроводников от внешних условий; собственная проводимость поупроводников; донорные и акцепторные примеси; р-п переход; полупроводниковые диоды.
  3. Экспериментальное задание: «Измерение коэффициента трения скольжения».

Вопрос 1. Первый закон Ньютона; инерциальная система отсчета.

Динамикой называют раздел механики, в котором изучают различные виды механических движений с учетом взаимодействия тел между собой. Основы динамики составляют три закона Ньютона, являющиеся результатом обобщения наблюдений и опытов в области механических явлений, которые были известны еще до Ньютона и осуществлены самим Ньютоном. Законы динамики Ньютона (иначе называемой классической динамикой) имеют ограниченную область применимости. Они справедливы для макроскопических тел, движущихся со скоростями, много меньшими, чем скорость света в вакууме. Явление сохранения телом состояния покоя или прямолинейного равномерного движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий на это тело называют инерцией. К выводу о существовании явления инерции впервые пришел Галилей, а затем Ньютон. Этот вывод формулируется в виде первого закона Ньютона (закона инерции): существуют такие системы отсчета, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на неё внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Свойство тела сохранять свою скорость неизменной, т. е. сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии внешних воздействий на это тело или их взаимной компенсации, называется его инертностью. Инертность тел приводит к тому, что мгновенно изменить скорость тела невозможно — действие на него другого тела должно длиться определенное время. Чем инертнее тело, тем меньше изменяется его скорость за данное время, т. е. тем меньшее ускорение получает это тело. Количественную меру инертности тела называют его массой. Чем более инертно тело, тем больше его масса.

Читайте также:  Как изменяется амплитуда колебаний силы тока проходящего через катушку при увеличении частоты

I. Закон Ньютона(Закон инерции). Существуют такие системы отсчёта (инерциальные), относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела или действие других тел компенсируется.

Вопрос 2. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Полупроводники – это вещества, занимающие промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток (проводниками), и веществами, практически не проводящими тока (диэлектриками).

К полупроводникам относятся кремний Si, германий Ge, селен Se и соединения (Pb, CdS и др.).

1.С ростом температуры их сопротивление резко падает.

2.Наличие примесей приводит к значительному уменьшению их удельного сопротивления.

3.Электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами – электронами, но и равными им по величине положительными зарядами – дырками.

Атомы в кристалле кремния (IV группа табл. Менделеева) связаны между собой ковалентными связями. Эти связи достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. При нагревании кремния наступает разрыв отдельных связей, и некоторые электроны становятся свободными. В электрическом поле они перемещаются между узлами решётки, образуя электрический ток.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. Дырка несёт положительный заряд.

В чистых полупроводниках электрический ток создаётся движением отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводников.

При добавлении примесей к полупроводнику резко увеличивается его проводимость.

Примеси бывают донорные и акцепторные.

Донорная примесь – это примесь с большей, чем у кристалла, валентностью.

При добавлении такой примеси в полупроводнике образуются дополнительные свободные электроны. Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n-типа.

Например, для кремния с валентностью равной 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью равной 5.

Каждый атом примеси мышьяка приведёт к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь – это примесь с меньшей, чем у кристалла, валентностью.

При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником p-типа.

Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью равной 3.

Каждый атом примеси индия приведёт к образованию лишней дырки.

  1. Второй закон Ньютона; понятие о массе и силе, принцип суперпозиции сил; формулировка второго закона Ньютона; классический принцип относительности.
  2. Магнитное поле: понятие о магнитном поле; магнитная индукция; линия магнитной индукции, магнитный поток; движение заряженных частиц в однородном магнитном поле.
  3. Задача на движение или равновесие заряженной частицы в электрическом поле.

Вопрос 1. Сила. Сложение сил. Сила – это векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии.

Сила характеризуется модулем, точкой приложения и направлением.

Сила обозначается , измеряется в Ньютонах (Н).

Если на тело одновременно действует несколько сил, то результирующая сила находится по правилу сложения векторов.

II.Произведение массы тела на ускорение равно сумме всех сил, действующих на тело. Взаимодействие тел. Сила. Второй закон Ньютона.

Простые наблюдения и опыты, например с тележками (рис. 3), приводят к следующим качественным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной; б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.

Взаимодействия отличаются друг от друга и количественно, и качественно. Например, ясно, что чем больше деформируется пружина, тем больше взаимодействие ее витков. Или чем ближе два одноименных заряда, тем сильнее они будут притягиваться. В простейших случаях взаимодействия количественной характеристикой является сила. Сила — причина ускорения тел (в инерциальной системе отсчета). Сила — это векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точкой приложения; в) направлением.

Читайте также:  Блуждающие токи в проводке дома

Единица силы — ньютон. 1 ньютон — это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 в направлении действия этой силы, если другие тела

на него не действуют. Равнодействующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу.

Качественно по своим свойствам взаимодействия также различны. Например, электрическое и магнитное взаимодействия связаны с наличием зарядов у частиц либо с движением заряженных частиц.

На основании опытных данных были сформулированы законы Ньютона. Второй закон Ньютона. Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействующая сила:

Вопрос 2. Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля. Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. Магнитное поле в макроскопическом описании представлено двумя различными векторными полями, обозначаемым как H и B.H называется напряжённостью магнитного поля; B называется магнитной индукцией. Термин магнитное поле применяется к обоим этим векторным полям (хотя исторически относился в первую очередь к H. в 1819 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле вокруг себя. Затем, в 1820 году, Андре-Мари Ампер показал, что параллельные провода, по которым идёт ток в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу. Наконец, Жан-Батист Био и Феликс Савар в 1820 году открыли закон, названный законом Био-Савара-Лапласа, который правильно предсказывал магнитное поле вокруг любого провода, находящегося под напряжением. Ампер ввел термин «электродинамика» для описания взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Магнитный поток Ф (поток магнитной индукции) через поверхность площадью S — величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и косинус угла а между вектором и нормалью к поверхности: Ф=BScos . В СИ единица магнитного потока 1 Вебер (Вб) — магнитный поток через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению однородного магнитного поля, индукция которого равна 1 Тл:

На заряженную частицу в электростатическом поле действует кулоновская сила, которую можно найти, зная напряженность поля в данной точке:

  1. Третий закон Ньютона; формулировка третьего закона Ньютона; характеристика сил действия и противодействия: модуль, направление, точка приложения, природа.
  2. Закон электромагнитной индукции Фарадея; правило Ленца; индуктивность; энергия электромагнитного поля.
  3. Задача на определение индукции магнитного поля.

Силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулям и направлены по одной прямой в противоположные стороны. Третий закон Ньютона отражает факт равноправия взаимодействующих тел и справедлив при описании взаимодействия тел в инерциальных системах отсчета.Равенство модулей сил и можно продемонстрировать на установке. Если к левому динамометру приложить некоторую силу, то такая же сила будет действовать и на правый динамометр и показания обоих динамометров будут одинаковы. Любое из наблюдаемых нами движений различных тел можно объяснить с помощью законов Ньютона. Например, идущий человек движется вперед благодаря тому, что он отталкивается ногами от земли, т. е. взаимодействует с ней. Человек и земля действуют друг на друга с одинаковыми по модулю и противоположно направленными силами и получают ускорения, обратно пропорциональные их массам. Поскольку масса Земли огромна по сравнению с массой человека, то ускорение Земли практически равно нулю, т. е. она не меняет свою скорость. Человек же приходит в движение относительно Земли. Направлением силы считается направление, в котором перемещалось бы изначально покоящееся (неподвижное) тело, под действием этой силы. Прямая линия, вдоль которой направлен вектор силы, называется линией действия силы.

Точкой приложения называют условную точку материального тела, к которой непосредственно приложена сила.

Источник

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Закон электролиза. Применение электролиза в технике.

Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.

К ним относятся растворы солей, кислот, щелочей.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

Например, при растворении в воде молекулы медного купороса распадаются на положительные ионы меди и отрицательные ионы (кислотный остаток).

При прохождении электрического тока через водный раствор медного купороса у положительного электрода (анода) выделяется кислотный остаток, а на отрицательном электроде (катоде) выделяется медь. Т.е. в жидкостях ионная проводимость.

Электролиз – это процесс выделение на электроде вещества под действием электрического тока.

Масса вещества, выделившегося на электроде, вычисляется по формуле:

k – электрохимический эквивалент вещества (зависит от природы вещества), (кг/Кл),

I – сила тока, измеряется в Амперах (А),

— промежуток времени, в течении которого проходил ток, (с).

Электролиз применяется для очистки металлов от примесей, для покрытия поверхности одного металла тонким слоем другого, для получения копий с рельефных поверхностей.

Дата добавления: 2015-01-30 ; просмотров: 29 | Нарушение авторских прав

Источник