Меню

Электрический ток в жидкости схема



Электрический ток в жидкостях

Вещества, обладающие ионной проводимостью, называют электролитами. Электрический ток в жидкостях – это упорядоченное движение ионов. Электролитами являются растворы солей, кислот, щелочей. Ионная проводимость обусловлена электролитической диссоциацией-распадом молекул на ионы под действием молекул растворителя. Образующиеся при распаде молекул ионы имеют одинаковые по модулю и противоположные по знаку заряды. Электрическое поле приводит их в упорядоченное движение.

Электролиз – выделение растворенного вещества на электродах, опущенных в электролит. Количественное описание процесса электролиза было экспериментально получено Майклом Фарадеем[6].

Рис. 9.4. Движение ионов в электролите между цинковым и медным электродами.

Первый закон Фарадея утверждает, что масса вещества, выделенная на электроде, пропорциональна заряду Q, перенесенному через электролит:

где k – электрохимический эквивалент вещества, который измеряется в системе СИ в единицах 1 кг/Кл.

В качестве примера на рис.9.4 медный и цинковый электроды помещены в серную кислоту. Под действием ионов серной кислоты в нее попадают положительно заряженные ионы цинка. При этом свободные электроны остаются на стержне. Когда цепь замкнута по внешнему проводу возникает движение свободных электронов, то есть возникает ток. Ионы цинка осаждаются на медном электроде.

Второй закон Фарадея устанавливает связь между электрохимическим эквивалентом вещества и его химическим эквивалентом. Химическим эквивалентом χ называют отношение атомной массы вещества А к его валентности n :

Второй закон Фарадея формулируется так: электрохимические эквиваленты вещества пропорциональны их химическим эквивалентам:

Из уравнения (9.2.3) следует, что отношение химического эквивалента вещества к электрохимическому эквиваленту оказывается постоянной величиной для всех веществ. Это отношение получило название постоянной Фарадея:

Далее экспериментальные исследования показали, что два открытых закона являются частными случаями более общего закона — объединенного закона Фарадея.

Объединенный закон Фарадея имеет следующий вид:

На принципе электролиза в электролитах работают широко используемые в повседневной жизни батарейки. Электролиз применяется в промышленности для получения водорода, гидроксидов натрия, хлора и других химических соединений, извлечения металлов из руд, а также при очистке сточных вод.

Пример. 9.2. Законы Фарадея широко используются в медицине. Организм человека состоит из биологических жидкостей, в которых много свободных электронов и ионов. Под действием электрического поля они движутся в противоположных направлениях и с разными скоростями. Электрический ток используется в физиотерапии. Постоянное напряжение

60 вольт прикладывается к свинцовым электродам. Законы электролиза используются и для введения лекарственных веществ через кожу. Этот способ лечения получил название электрофорез. На ткань наносится лекарство. Ткань укладывается на тело человека, например, как показано на рис. 9.5, на спину.

9.5. К объяснению электрофореза.

Под нее ставится электрод. Второй электрод располагается на другой части тела, например, опять же на спине. К ним подводится слабый постоянный ток, порядка десятков — сотен микроампер. Под действием тока происходит диссоциация молекул раствора, образовавшиеся ионы направляются из раствора к поверхности тела, постепенно осаживаясь на коже и проникая в нее.

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

Источник

Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза. Физика. 10 класс.

Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза. Физика. 10 класс.

  • Оглавление
  • Занятия
  • Обсуждение
  • О курсе

Вопросы

Задай свой вопрос по этому материалу!

Поделись с друзьями

Комментарии преподавателя

Электрический ток в жидкостях

Ток в жидкостях

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).

Читайте также:  Шарахает током от всего

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.

Рис. 4. Майкл Фарадей

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)

Читайте также:  Что такое бэби ток

Рис. 5. Примеры гальванопластики и гальваностегии соответственно

Также электролиз применяется в металлургии для выплавки редких металлов в чистом виде (алюминий, натрий, кальций, магний).

К занятию прикреплен файл «Это интересно!». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.

Источник

Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза

Урок 79. Физика 10 класс

Доступ к видеоуроку ограничен

Конспект урока «Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза»

Как и другие тела, жидкости могут являться проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Например, дистиллированная вода является диэлектриком. Это легко подтверждается с помощью опыта. Поместим два электрода в ванну с водой. Эти электроды мы подсоединим к источнику тока, а также включим в цепь лампочку и выключатель. Как и всегда, с помощью выключателя мы можем замыкать и размыкать цепь, ну а лампочка будет служить индикатором того, что по цепи протекает электрический ток.

Итак, если мы замкнем цепь, то никакого электрического тока мы не получим: ведь дистиллированная вода является диэлектриком. Разомкнем цепь и насыплем в ванну некоторое количество самой обычной поваренной соли. Подождав, пока соль растворится, снова замкнем цепь. В этом случае, лампочка загорится, что будет означать протекание электрического тока по всей цепи. Давайте разберемся, как же соль могла повлиять на проводимость воды.

После того, как мы насыпали соль в ванну, там образовался солевой раствор. Как вы знаете из курса химии, молекулы воды являются полярными, так же, как и молекулы поваренной соли. Центр распределения положительного заряда в поваренной соли приходится на ион натрия, а центр распределения отрицательного заряда приходится на ион хлора. В результате, молекулы воды ориентируются таким образом, что вокруг иона натрия скапливаются отрицательные полюса молекул воды, а вокруг иона хлора — скапливаются положительные полюса молекул воды.

В этом случае, действие кулоновских сил достаточно велико, чтобы расщепить молекулу поваренной соли. То есть, молекула распадается на ион натрия и ион хлора.

Таким образом, в растворе возникают заряженные частицы — ионы. В результате, отрицательные ионы (в данном случае ионы хлора), начинают двигаться к аноду, а положительные ионы (в данном случае ионы натрия) начинают двигаться к катоду. Это есть не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то есть электрический ток.

Процесс расщепления молекулы на ионы называется электролитической диссоциацией. То есть при электролитической диссоциации полярные молекулы распадаются под влиянием кулоновских сил. После распада молекулы, положительные ионы электролитов называются катионами, а отрицательные — анионами. Конечно, не все молекулы распадаются. Процент распавшихся молекул будет зависеть от концентрации раствора, температуры и, конечно, свойств самого электролита.

Таким образом, в водных растворах и расплавах электролитов возникает ионная проводимость. То есть, ионная проводимость — это проводимость, возникающая в результате переноса электрического заряда ионами. С ионной проводимостью связано понятие электролиза. Электролиз — это процесс выделения вещества на электроде в результате окислительно-восстановительных реакций.

Изучением данных вопросов активно занимался уже известный нам ученый Майкл Фарадей. Именно Фарадей впервые ввел такие термины, как электролиты, катионы и анионы, катод и анод.

Фарадей задался вопросом о том, как вычислить массу вещества, выделившегося на электроде в результате протекания электрического тока через электролит. Эту массу можно вычислить:

Именно к такому выводу и пришел Фарадей, установив, что масса вещества, выделившегося на электроде прямо пропорциональна силе тока, протекающего через электролит и времени протекания тока. Этот закон получил название закона Фарадея или закона электролиза. Как мы видим, в формуле есть несколько констант, которые было решено заменить на одну константу: 𝑚=𝑘𝐼𝑡. Эта константа называется электрохимическим эквивалентом.

Если мы выразим электрохимический эквивалент из формулы, описывающей закон электролиза, то убедимся, что он измеряется в килограммах на кулон:

Читайте также:  Значение пускового тока двигателя при прямом пуске

Иногда электрохимический эквивалент разделяют на две константы: число Фарадея (равного произведению элементарного заряда и числа Авогадро) и химический эквивалент (равный отношению молярной массы вещества к его валентности):

Электрохимические эквиваленты сведены в таблицы:

Но, даже если у вас нет этой таблицы, вы все равно сможете вычислить электрохимический эквивалент любого элемента, используя таблицу Менделеева. Для примера возьмем серебро:

Кстати говоря, закон электролиза можно использовать, для экспериментального определения заряда электрона. Силу тока, протекающего через электролит, мы можем измерить, так же как и время протекания тока. Массу выделившегося на электроде вещества измерить тоже несложно. Таким образом, закон электролиза позволяет определить элементарный заряд:

Электролиз широко используется в промышленности. Например, он используется для очистки металлов от примести, или, наоборот, для покрытия поверхности каким-то металлом. Такие процессы, как никелирование, хромирование, оцинковка или омеднение осуществляются благодаря открытию электролиза.

Пример решения задачи.

Задача. Для никелирования детали площадью 0,3 м 2 , на деталь требуется нанести слой толщиной 0,08 мм. Плотность никеля равна 8900 кг/м 3 . Какой ток нужно пустить через электролитическую ванну, чтобы полностью закончить никелирование за 3 часа?

Источник

Электрический ток в жидкостях

Знакомство с явлением

Соединим с источником тока последовательно лампу и электролитическую ванну с дистиллированной водой, в которую опущены угольные электроды. Химически чистая вода почти не проводит ток.

ванна с дистиллированной водой

Если же в воде растворить соль (например CuSO4, CuCl2), то лампочка загорится, а на катоде из раствора выделится медь.

проводимость электролитов

Электролитическая диссоциация

По способности проводить электрический ток в водном растворе и расплаве все вещества делятся на электролиты и неэлектролиты.

электролиты

Электролитическая диссоциация – явление расщепления нейтральных молекул кислот, солей и щелочей при их растворении на положительные и отрицательные ионы.

электролитическая диссоциация

Интенсивность электролитической диссоциации зависит:

  1. От температуры раствора.
  2. От концентрации раствора.
  3. От рода раствора (его диэлектрической проницаемости).

Электрический ток в растворах и (или расплавах) электролитов представляет собой упорядоченное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

электрический ток в электролитах

На вольт-амперной характеристике график смещен вследствие явления поляризации.

вольт-амперная характеристика

Справедлив закон Ома при неизменной концентрации раствора и температуры.

Электролиз

Электролиз – перенос вещества при прохождении электрического тока через электролит.

Электролиз сопровождается выделением на электродах, опущенных в электролит, составных частей растворенного вещества.

Закон электролиза Фарадея

Масса вещества, выделившегося на электроде за время Dt при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени:

закон электролиза

k – электрохимический эквивалент вещества ().

сопротивление электролита

Сопротивление электролита уменьшается с ростом температуры, т. к. увеличивается количество ионов вследствие электролитической диссоциации.

Закон Фарадея позволяет определить заряд электрона:

Вывод о существовании в природе элементарного электрического заряда был сделан Гельмгольцем в 1881 г.

Применение электролиза

Рафинирование (очистка) металлов

Процесс происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом – тонкая пластинка из чистого металла, а электролитом – раствор соли данного металла, например при рафинировании меди – раствор медного купороса.

При определенных условиях на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.

рафинирование меди

Электрометаллургия

Некоторые металлы, например алюминий, получают методом электролиза из расплавленной руды. Электролитической ванной и одновременно катодом служит железный ящик с угольным подом, а анодом – угольные стержни. Температура руды (около 900 0 С) поддерживается протекающим в ней током. Расплавленный алюминий опускается на дно ящика, откуда его через отверстие выпускают в форму для отливки.

электорометаллургия

Гальваностегия

Электролитический способ покрытия металлических изделий слоем благородных металлов не поддающихся окислению.

гальваностегия

Гальванопластика

Используется для воспроизведения формы рельефных предметов (медалей, монет, точных копий художественных изделий).

гальванопластика

Электроэпиляция

Используется в косметологии для удаления волос воздействием на волосяные фолликулы очень тонкими иголками.

Источник