Меню

При прохождении тока через электролит отрицательно заряженные ионы перемещаются



Подготовка к зачету по теме «Токи в различных средах»

date image2015-05-27
views image4429

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Вопрос № 1. Почему при прохождении тока через электролиты происходит перемещение и отложение веществ на электродах, а при прохождении тока по металлическим проводникам этого не происходит?

Ответ: Под действием электрического поля в электролитах ионы перемещаются к электродам, на которых они нейтрализуются и оседают; дальнейшее движение частиц прекращается. В металлических проводниках под действием электрического поля электроны проводимости движутся от отрицательного полюса к положительному во внешней цепи и под действием сторонних сил внутри источника тока – от положительного полюса к отрицательному. Таким образом, путь движения электронов замкнутый, поэтому ни на каком участке цепи нет отложения вещества.

Вопрос № 2. Почему в водных растворах солей, кислот и щелочей происходит распад молекул растворимых веществ на ионы?

Ответ: Молекулы растворимых веществ (солей, кислот, щелочей) состоят из атомов (молекул), которые удерживаются друг около друга электрическими силами. Растворитель – вода — имеет большую диэлектрическую проницаемость, поэтому силы взаимного притяжения между ионами растворимого вещества резко уменьшаются (в 30-40 раз) в водных растворах. Происходит распад молекул растворимого вещества на ионы, которые в результате теплового движения расходятся и, таким образом, образуют свободные положительные и отрицательные ионы.

Вопрос № 3. Каков физический смысл постоянной Фарадея?

Ответ: Постоянная Фарадея равна электрическому заряду, который надо пропустить через раствор электролита, чтобы на электроде выделилась масса вещества, численно равная отношению молярной массы к валентности. Постоянная Фарадея равна F = 96500 Кл/моль.

Вопрос № 4. Что такое электролит? Почему сопротивление электролита уменьшается при повышении его температуры?

Ответ: Электролит – проводник с ионной проводимостью. При повышении температуры в электролите увеличивается число свободных ионов и уменьшается его вязкость, поэтому увеличивается сила тока, что указывает на уменьшение сопротивления электролита.

Вопрос № 5. Что такое самостоятельная и несамостоятельная проводимость газа?

Ответ: Проводимость газа зависит от наличия в нем свободных электрически заряженных частиц: электронов и ионов. При нормальных условиях молекулы газа электрически нейтральны. Если генерация (образование) электрически заряженных частиц вызывается внешними ионизаторами, то процесс прохождения тока через газ называется несамостоятельным и проводимость газа считается несамостоятельной. Если генерация свободных электрически заряженных частиц в газе вызывается действием электрического поля, в котором находится газ, то процесс прохождения тока через газ называется самостоятельным и проводимость газа считается самостоятельной.

Вопрос № 6. Почему все газы при нормальных условиях являются изоляторами?

Ответ: При нормальных условиях молекулы газа электрически нейтральны, поэтому нет необходимого условия для прохождения тока – наличия свободных электрически заряженных частиц. Поэтому все газы при нормальных условиях являются изоляторами.

Вопрос № 7. Действием каких внешних факторов можно повысить электрическую проводимость газа при нормальном давлении?

Ответ: Электрическая проводимость газа при нормальном давлении находится в прямой зависимости от интенсивности ионизации, т.е. от числа пар ионов и электронов, образующихся в единице объема газа за единицу времени. Интенсивность ионизации можно повысить сильным нагреванием, воздействием рентгеновского и других излучений, бомбардировкой молекул газа быстродвижущимися электронами и ионами.

Вопрос № 8. Почему в разряженном газе возникает самостоятельный заряд при меньшем напряжении, чем в том же газе при нормальном давлении?

Ответ: Самостоятельный разряд в газе наступает в момент, когда кинетическая энергия электронов и ионов достигает значения, необходимого для ударной ионизации. При разряжении газа увеличивается расстояние между его молекулами, поэтому увеличивается длина свободного пробега электронов и ионов. Под действием ускоряющего электрического поля увеличиваются скорости электронов и ионов. В этом случае даже при малом напряжении электроны и ионы приобретают достаточные кинетические энергии для ударной ионизации. При нормальном давлении газа необходимо увеличивать напряжение, чтобы электроны и ионы на сравнительно меньшей длине свободного пробега смогли приобрести кинетические энергии, достаточные для ударной ионизации.

Вопрос № 9. Какова природа проводимости газов? В чем разница в образовании ионов в электролитах и газах?

Ответ: Проводимость газов – электронно-ионная. В электролитах образуются положительные и отрицательные ионы при электролитической диссоциации, которая происходит независимо от наличия или отсутствия электрического поля. В газах образуются положительные ионы и электроны только при действии внешнего ионизатора или при действии электрического поля, вызывающего ударную ионизацию.

Вопрос № 10. Перечислить типы газовых разрядов при нормальном давлении.

Ответ: Искровой, коронный и дуговой.

Вопрос № 11. Что такое плазма? Почему она является хорошим проводником тока?

Ответ: Плазма – состояние вещества, при котором его частицы представляют смесь положительных ионов, электронов и нейтральных атомов и молекул. Степень ионизации плазмы зависит от отношения концентрации электрически заряженных частиц к полной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации различают плазмы слабо ионизированную, умеренно ионизированную, полностью ионизированную. Солнце, звезды и некоторые межзвездные облака являются полностью ионизированной плазмой, или высокотемпературной плазмой. Искусственно плазма возникает в газовых разрядах, в пламени горения топлива. Так как плазма состоит из большого количества ионов и свободных электронов, то она обладает очень малым сопротивлением, является хорошим проводником тока.

Вопрос № 12. Как называются проводники, создающие электрическое поле в электролите?

Ответ: Проводники, создающие электрическое поле в электролите называются электроды.

Вопрос № 13. Что называется катодом?

Ответ: Катод – электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока.

Вопрос № 14. Что такое анионы?

Ответ: Анионы – это отрицательно заряженные ионы, осаждающиеся на аноде.

Вопрос № 15. Производит ли электрический ток в электролитах химическое действие?

Ответ:Электрический ток в электролитах производит химическое действие.

Вопрос № 16. Какой ток необходим для электролиза?

Ответ: Для электролиза необходим постоянный электрический ток.

Вопрос № 17. Чем объяснить, что при повышении температуры электропроводность электролита возрастает?

Ответ: При повышении температуры электропроводность электролита возрастает, так как возрастает число свободных ионов и уменьшается вязкость жидкости, поэтому ионы приобретают большую подвижность.

Вопрос № 18. Как зависит степень диссоциации от концентрации растворенного вещества в электролите?

Ответ:С повышением концентрации растворенного вещества степень диссоциации уменьшается, так как возрастает молизация ионов.

Вопрос № 19. Что такое ионизаторы?

Ответ: Ионизаторы – это внешние потоки энергии, вызывающие ионизацию газа.

Вопрос № 20. Что такое рекомбинация ионов?

Ответ:Тепловое движение приводит к столкновению положительных ионов и электронов, вследствие чего возникают нейтральные молекулы. Это явление называется рекомбинацией ионов.

Вопрос № 21. Почему при электрическом разряде газ начинает светиться?

Ответ: При электрическом разряде газ начинает светиться, так как при высоком напряжении движущийся электрон может либо ионизировать нейтральную молекулу, либо привести ее в возбужденное состояние. Возбужденная молекула при переходе в нормальное состояние испускает энергию в форме света.

Вопрос № 22. Как зависит сила тока от напряжения при несамостоятельном разряде?

Ответ: Сила тока при несамостоятельном разряде подчиняется закону Ома при небольших напряжениях и отклоняется от него при более высоких напряжениях.

Вопрос № 23. Какой ток называется током насыщения?

Ответ: Ток насыщения – это ток, сила которого не зависит от напряжения.

Вопрос № 24. Как объяснить, что при увеличении напряжения после тока насыщения наблюдается резкое возрастание силы тока?

Ответ: При увеличении напряжения после тока насыщения наблюдается резкое возрастание силы тока, так как при высоком напряжении (десятки тысяч вольт) единичные свободные электроны, находящиеся в газе, приобретают большую скорость и при столкновении с нейтральными молекулами ионизируют их. Ионизация возникает за счет энергии электрического поля.

Читайте также:  От чего зависит направление магнитных линий в проводнике с током

Вопрос № 25. Что представляет собой тихий несветящийся разряд?

Ответ: Тихий несветящийся разряд – это разряд, происходящий в результате действия на газ ионизатора при напряжениях, недостаточных для возникновения ударной ионизации; может быть обнаружен гальванометром, не сопровождается звуковыми и световыми эффектами.

Вопрос № 26. Что представляет собой кистевой разряд?

Ответ: Кистевой разряд – это разряд, возникающий на проводах высокого напряжения; слабое свечение и характерное жужжание; является источником потерь электрической энергии.

Вопрос № 27. Что представляет собой коронный разряд?

Ответ: Коронный разряд – это разряд, возникающий на заостренном аноде в форме фиолетовых искр при напряжении, близком к напряжению, необходимому для возникновения ударной ионизации («Огни Эльма»).

Вопрос № 28. Что представляет собой искровой разряд?

Ответ: Искровой разряд – это самостоятельный разряд, происходящий при высоком напряжении, достаточном для возникновения ударной ионизации, и сопровождающийся характерным треском.

Вопрос № 29. При каком условии возникает дуговой разряд?

Ответ: Дуговой разряд возникает при условии, когда между электродами небольшое (40 – 50 В) напряжение, но большая сила тока.

Вопрос № 30. Почему дуговой разряд продолжается при наличии некоторого расстояния между электродами?

Ответ: Дуговой разряд продолжается при наличии некоторого расстояния между электродами, когда воздух при высокой температуре становится электропроводным.

Вопрос № 31. Почему проводимость газов при разряжении улучшается?

Ответ: Проводимость газов при разряжении улучшается, так как увеличивается путь свободного пробега электронов, вследствие чего они приобретают в электрическом поле запас кинетической энергии, достаточный для ионизации.

Вопрос № 32. Чем объяснить, что электропроводность сильно разряженного газа?

Ответ: Электроны при движении в трубке редко сталкиваются с молекулами, т.е. ионов образуется очень мало, поэтому электропроводность газов близка к нулю.

Вопрос № 33. Какова причина свечения газа при тлеющей форме разряда (при давлении 1 -3 мм рт.ст.)?

Ответ: Свечение газа при тлеющей форме разряда является следствием столкновений электронов с молекулами газа, которые приходят в возбужденное состояние и излучают свет.

Вопрос № 34. Где используются тлеющие разряды?

Ответ: Тлеющие разряды используются для газосветных ламп, освещения реклам, декоративного освещения.

Вопрос № 35. Какие явления наблюдаются в двухэлектродной трубке по мере увеличения разрежения?

Ответ:В двухэлектродной трубке по мере увеличения разрежения увеличивается катодное темное пространство. При давлении около 0.001 мм рт.ст. светящийся анодный столб исчезает, но стекло трубки против катода начинает светиться желто-зеленым светом. В трубке возникают катодные лучи.

Вопрос № 36. Что представляют собой катодные лучи?

Ответ: Катодные лучи – это поток электронов, идущих от катода к аноду.

Вопрос № 37. Какова непосредственная причина возникновения катодных лучей?

Ответ: Непосредственная причина возникновения катодных лучей – эмиссионные явления на электродах.

Вопрос № 38. Как влияет на катодные лучи электрическое поле конденсатора?

Ответ: Катодные лучи отклоняются в сторону положительно заряженной пластины.

Вопрос № 39. Где используются катодные лучи?

Ответ: Катодные лучи используются в рентгеновских трубках для получения лучей Рентгена, в электронных микроскопах, в электроннолучевых трубках и др.

Источник

При прохождении тока через электролит отрицательно заряженные ионы перемещаются

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы.

Основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований. Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза (рис.9.10).

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году.

Первый закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:

m = kq = kIt,

где kэлектрохимический эквивалент вещества:

F = eNA = 96485 Кл / моль. – постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея электрохимические эквиваленты различных веществ относятся их химические эквиваленты :

Объединенный закон Фарадея для электролиза:

Электролитические процессы классифицируются следующим образом:

получение неорганических веществ (водорода, кислорода, хлора, щелочей и т.д.);

получение металлов (литий, натрий, калий, бериллий, магний, цинк, алюминий, медь и т.д.);

очистка металлов (медь, серебро,…);

получение металлических сплавов;

получение гальванических покрытий;

обработка поверхностей металлов (азотирование, борирование, электрополировка, очистка);

получение органических веществ;

электродиализ и обессоливание воды;

нанесение пленок при помощи электрофореза.

Практическое применение электролиза

Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии, биохимии и т. д. В химической промышленности электролизом получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, химически чистые водород и кислород и т. д. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.).

Электролиз в гидрометаллургии является одной из стадий переработки металлсодержащего сырья, обеспечивающей получение товарных металлов. Электролиз может осуществляться с растворимыми анодами – процесс электрорафинирования или с нерастворимыми – процесс электроэкстракции. Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах. В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки.

Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др. Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов 1 в электролизер 3 (рис.9.11). При пропускании тока металл, подлежащий очистке 1, подвергается анодному растворению, т. е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде 2, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми 4, либо переходят в электролит и удаляются.

На рисунке 9.11 приведена схема электролитического рафинирования меди.

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 подразделяется на гальваностегиюи гальванопластику.

Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера (рис. 9.12).

Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла.

Рис. 9.12 Рис. 9.13

Рекомендуем просмотреть демонстрацию «Гальванопластика».

Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами (рис. 9.13).

С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д. Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование «накладного» слоя никеля, серебра, золота и т. д.).

Источник

Электрический ток в электролитах

Электрический ток в электролитах всегда связан с переносом вещества. В металлах и в полупроводниках, например, вещество, при прохождении через них тока, не переносится, поскольку в этих средах носителями тока являются электроны и дырки, а в электролитах — переносится. Так происходит потому, что в электролитах носителями свободных зарядов выступают положительно и отрицательно заряженные ионы вещества, а вовсе не электроны или дырки.

Читайте также:  Номинальная сила тока в трансформаторе

Многочисленные соединения металлов будучи расплавленными, а также некоторые твердые вещества — относятся к электролитам. Но главными представителями данного типа проводников, которые широко используются в технике, являются водные растворы неорганических кислот, оснований и солей.

Электрический ток в электролитах

Вещество, при прохождении электрического тока через среду электролита, выделяется на электродах. Данное явление называется электролизом. Когда через электролит течет электрический ток, положительно и отрицательно заряженные ионы вещества движутся одновременно в противоположных направлениях.

Отрицательно заряженные ионы (анионы) устремляются к положительному электроду источника тока (аноду), а положительно заряженные (катионы) — к отрицательному его полюсу (катоду).

Источниками ионов в водных растворах кислот, щелочей и солей являются нейтральные молекулы, часть которых расщепляется под действием приложенной электрической силы. Данное явление расщепления нейтральных молекул называется электролитической диссоциацией. К примеру хлорид меди CuCl2 распадается при диссоциации в водном растворе на ионы хлора (отрицательно заряженный) и меди (положительно заряженный).

Когда электроды подключаются к источнику тока, электрическое поле начинает действовать на ионы в растворе или расплаве, при этом анионы хлора движутся к аноду (положительному электроду), а катионы меди — к катоду (отрицательному электроду).

По достижении отрицательного электрода, положительно заряженные ионы меди нейтрализуются избытком электронов на катоде и становятся нейтральными атомами, которые на катоде и оседают. По достижении положительного электрода, отрицательно заряженные ионы хлора отдают по одному электрону в ходе взаимодействия положительным зарядом анода. При этом образовавшиеся нейтральные атомы хлора объединяются парами в молекулы Cl2, и хлор выделяется в виде пузырьков газа на аноде.

Часто процесс электролиза сопровождается взаимодействием продуктов диссоциации (это называется вторичными реакциями) когда продукты разложения, выделяющиеся на электродах, взаимодействуют с растворителем или непосредственно с материалом электрода. Для примера возьмем электролиз водного раствора сульфата меди (медный купорос — CuSO4). В данном примере электроды будут изготовлены из меди.

Молекула сульфата меди диссоциирует с образованием положительно заряженного иона меди Cu+ и отрицательно заряженного сульфат-иона SO4-. Нейтральные атомы меди оседают твердым осадком на катоде. Таким путем добывают химически чистую медь.

Сульфат-ион отдает положительному электроду два электрона и становится нейтральным радикалом SO4, который тут же реагирует с медным анодом (вторичная реакция на аноде). Продукт реакции на аноде — сульфат меди, который переходит в раствор.

Получается, что когда электрический ток пропускается через водный раствор сульфата меди, медный анод просто постепенно растворяется, а на катоде оседает медь. При этом концентрация водного раствора сульфата меди не изменяется.

В 1833 году английский физик Майкл Фарадей в ходе экспериментальной работы установил закон электролиза, который называется теперь его именем.

Закон Фарадея позволяет определить количество первичных продуктов, которые выделятся на электродах в процессе электролиза. Закон звучит так: «Масса m вещества, выделяющегося на электроде при электролизе прямо пропорциональна заряду Q, который прошел через электролит».

Коэффициент пропорциональности k в данной формуле называется электрохимическим эквивалентом.

Масса вещества, которое выделяется на электроде при электролизе, равна суммарной массе всех ионов, которые пришли к данному электроду:

В формуле присутствует заряд q0 и масса m0 одного иона, а также прошедший через электролит заряд Q. N – это количество ионов, которые пришли к электроду при прохождении заряда Q через электролит. Электрохимическим эквивалентом k поэтому называется отношение массы иона m0 к его заряду q0.

Поскольку заряд иона численно равен произведению валентности вещества на элементарный заряд, то химический эквивалент может быть представлен в следующем виде:

Где: Nа — постоянная Авогадро, М — молярная масса вещества, F – постоянная Фарадея.

Постоянная Фарадея

Фактически постоянная Фарадея может быть определена как величина заряда, который должен пройти через электролит, чтобы на электроде при этом выделился один моль одновалентного вещества. Закон Фарадея для электролиза тогда приобретает вид:

Явление электролиза находит широчайшее применение в современном производстве. Например, путем электролиза в промышленности получают алюминий, медь, водород, диоксид марганца, пероксид водорода. Многие металлы извлекаются из руд и перерабатываются с помощью электролиза (электрорафинирование и электроэкстракция).

Также благодаря электролизу функционируют химические источники тока. Электролиз служит в очистке сточных вод (электроэкстракция, электрокоагуляция, электрофлотация). Многие вещества (металлы, водород, хлор и др.) получаются благодаря электролизу при гальваностегии и гальванопластике.

Источник

Электрический ток в электролитах

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в жидкостях.

Электролитом мы называем раствор (или расплав) вещества, через который может идти электрический ток; при этом исходное вещество проводником тока не является.

Например, кристаллы поваренной соли не проводят ток. Дистиллированная вода — тоже диэлектрик. Однако при растворении соли в воде получается среда, через которую ток отлично проходит! Следовательно, солёная вода будет электролитом (Вот почему запрещено купаться во время грозы — в водоёмах всегда растворено некоторое количество солей. При ударе молнии по воде пойдёт электрический ток).

Электролитами оказываются растворы солей, кислот и оснований. Прохождение тока через эти растворы означает, что в них имеются свободные заряды. Откуда же они там берутся, если ни в воде, ни в исходном веществе свободных зарядов не было?

Электролитическая диссоциация

Механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в электролите, называется электролитической диссоциацией. Мы ограничимся рассмотрением электролитической диссоциации в растворах.

Вообще, диссоциация — это распад молекулы на составные части под влиянием тех или иных факторов.В процессе электролитической диссоциации молекулы растворяемого вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы в результате действия электрических сил со стороны молекул воды.

Многие свойства воды объясняются тем, что её молекулы являются полярными, то есть в электрическом отношении ведут себя как диполи (напомним, что диполь — это система двух одинаковых по модулю и противоположных по знаку зарядов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга). Полярность молекул обусловлена их геометрическим устройством (рис. 1 (изображение с сайта howyourbrainworks.net)).

Рис. 1. Молекулы воды

Угол, образованный линиями центров атома кислорода и двух атомов водорода, составляет примерно . Кроме того, электронные оболочки смещены в сторону кислорода. В результате центры положительных и отрицательных зарядов оказываются пространственно разделёнными: «минусы» преобладают в кислородной части молекулы воды, а «плюсы» — в водородной части.

Будучи диполями, молекулы воды создают вокруг себя электрическое поле и действуют электрическими силами как друг на друга, так и на молекулы примесей (притягиваясь друг к другу противоположно заряженными частями, молекулы воды создают весьма прочные связи. Вот почему столь велики удельная теплоёмкость и удельная теплота парообразования воды — на разрыв этих связей требуется значительная энергия).

Почему же соли, кислоты и основания распадаются в воде на ионы? Всё дело в том, что молекулы этих веществ также являются полярными. Давайте вернёмся к нашему примеру с растворением поваренной соли .

У атома натрия на внешнем электронном уровне находится один электрон. Он слабо связан с атомом и всегда готов покинуть место своего обитания. У атома хлора на внешнем электронном уровне семь электронов — одного как раз не хватает до полного комплекта. Атом хлора всегда готов захватить себе недостающий электрон.

Поэтому при образовании молекулы внешний электрон атома натрия уходит к атому хлора, и в результате молекула становится полярной — она состоит из положительного иона и отрицательного иона . Эта молекула схематически изображена на рис. 2 (атом хлора крупнее, чем атом натрия).

Читайте также:  Мидриаз при ударе током

Иными словами, с электрической точки зрения молекула также оказывается диполем.

Взаимодействие двух сортов диполей — молекул и — как раз и вызывает процесс растворения.

На рис. 3 мы видим, как протекает этот процесс (изображение с сайта intro.chem.okstate.edu). Более крупные зелёные шарики изображают ионы хлора, более мелкие серые — ионы натрия.

Рис. 3. Электролитическая диссоциация: растворение в воде

Левая часть рисунка показывает ситуацию до начала растворения. Крупица соли в виде небольшого кубического кристаллика (Кристаллическая решётка поваренной соли имеет кубическую структуру. В вершинах куба в шахматном порядке, крест-накрест расположены атомы натрия и хлора) только что оказалась в воде.

Сразу же начинается «электрическая атака» со стороны молекул воды. Отрицательно заряженные (кислородные) части молекул обращаются к положительным ионам натрия, а положительные (водородные) части молекулы воды — к отрицательным ионам хлора. Молекулы начинают «растягиваться» разнонаправленными электрическими силами притяжения к молекулам-диполям воды, и связь между ионами натрия и хлора, скрепляющая молекулу соли, ослабевает.

В конце концов эта связь становится настолько слабой, что удары соседних частиц, совершающих тепловое движение, разрушают молекулу . Она распадается на положительный ион и отрицательный ион .

В правой части рис. 3 мы видим результат такого распада: вырванные из кристаллической решётки ион хлора и ион натрия отправляются «в свободное плавание», окружённые прицепившимися к ним молекулами воды. Обратите внимание, что молекулы воды прилипли к отрицательному иону хлора своими положительными водородными частями, а к положительному иону натрия, наоборот, повернулись их отрицательные кислородные части.
Таким образом, при растворении соли в воде появляются свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы (рис. 4 ). Это и является необходимым условием прохождения тока через раствор.

Рис. 4. Раствор в воде

Описанный выше процесс растворения совершенно аналогично протекает и в случае других примесей.Так, щёлочь распадается в водном растворе на положительные ионы калия и отрицательные ионы гидроксильной группы . Молекула серной кислоты при распаде даёт два положительных иона и отрицательно заряженный ион кислотного остатка В растворе медного купороса появляются положительные ионы меди и отрицательно заряженные ионы

Все ли молекулы растворяемого вещества распадутся на ионы? Это зависит от ряда условий.

Степенью диссоциации называется отношение числа распавшихся молекул к общему начальному числу молекул. При полном растворении вещества степень диссоциации равна .

Наряду с диссоциацией имеет место и обратный процесс: рекомбинация. А именно, две частицы противоположного знака могут встретиться и снова образовать нейтральную молекулу (рекомбинировать). С течением времени в растворе устанавливается состояние динамического равновесия: среднее число диссоциаций в единицу времени равно среднему числу рекомбинаций, в результате чего концентрация раствора остаётся неизменной (вспомните аналогичную ситуацию с насыщенным паром: при динамическом равновесии пара и жидкости среднее число вылетевших из жидкости молекул равно среднему числу молекул, вернувшихся обратно из пара в жидкость, так что концентрация насыщенного пара неизменна).

Процессы диссоциации-рекомбинации записываются в виде следующих уравнений, отражающих состояние динамического равновесия:

Изменение внешних условий может нарушить текущее динамическое равновесие и сместить его в ту или иную сторону. Например, при повышении температуры увеличивается скорость диссоциации, и концентрация положительных и отрицательных ионов в растворе возрастает.

Ионная проводимость

В металлах, как вы помните, имеется лишь один тип свободных зарядов — это свободные электроны. В электролитах ситуация иная: здесь возникают свободные заряды двух типов.

1. Положительные ионы, образовавшиеся из атомов металлов или водорода.

2. Отрицательные ионы — атомные или молекулярные кислотные остатки (например, или ), а также гидроксильная группа .

Второе отличие от металлов заключается в том, что носители свободных зарядов в электролите могут иметь заряд, равный по модулю как элементарному заряду , так и целому числу элементарных зарядов . Здесь — валентность атома или группы атомов; например, при растворении медного купороса имеем .

Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды электролита совершают лишь хаотическое тепловое движение наряду с окружающими молекулами. Но при наложении внешнего поля положительные и отрицательные ионы начинают упорядоченное движение.

Поместим в сосуд с электролитом два электрода; один из электродов присоединим к положительной клемме источника тока, а другой — к отрицательной (рис. 5 ). Когда речь идёт о прохождении тока через электролиты, положительный электрод называют анодом, а отрицательный — катодом (Имеется народная мудрость для запоминания знаков анода и катода: Андрей — парень положительный, Катька — девка отрицательная ;-)).

Рис. 5. Ионная проводимость электролита

В электрическом поле, возникшем между электродами, положительные ионы электролита устремляются к «минусу» катода, а отрицательные ионы — к «плюсу» анода. Таким образом, электрический ток в электролите образуется в результате встречного движения ионов: положительных — к катоду, отрицательных — к аноду. Поэтому проводимость электролитов называется ионной (в отличие от электронной проводимости металллов).

На положительном аноде имеется недостаток электронов. Отрицательные ионы, достигнув анода, отдают ему свои лишние электроны; эти электроны отправляются по цепи к «плюсу» источника.

Наоборот, на отрицательном катоде — избыток электронов. Положительные ионы, придя на катод, забирают у него электроны, и это количество ушедших электронов немедленно восполняется их доставкой на катод с «минуса» источника.

Таким образом, в той части цепи, которая состоит из источника тока и металлических проводников, возникает циркуляция электронов по маршруту «анод источник катод».

Цепь замыкается электролитом, где электрический ток обеспечивается двусторонним движением ионов.

Электролиз

Положительные и отрицательные ионы, будучи носителями свободных зарядов, в то же время являются частицами вещества. Поэтому важнейшее отличие тока в электролитах от тока в металлах состоит в том, что электрический ток в электролите сопровождается переносом вещества.

Явление переноса вещества при прохождении электрического тока через электролит называется электролизом. Законы электролиза были экспериментально изучены Фарадеем.

В процессе электролиза происходит разложение растворённого вещества на составные части и выделение этих частей на электродах. Так, в растворе медного купороса положительные ионы меди идут на катод, в результате чего катод покрывается медью. Кислотный остаток выделяется на аноде.

Естественным образом возникает вопрос о нахождении массы вещества, выделяющегося на электроде за определённое время . Эта масса, очевидно, совпадает с массой данного вещества, перенесённого током за время через электролит.

Пусть — масса одного иона этого вещества, — заряд иона ( — валентность вещества). Предположим, что за время через электролит прошёл заряд . Число ионов, пришедших на электрод, тогда равно . Масса выделившегося на электроде вещества равна суммарной массе пришедших ионов:

Величина является характеристикой вещества и называется его электрохимическим эквивалентом. Значения электрохимических эквивалентов различных веществ приводятся в таблицах.

При протекании через электролит постоянного тока за время проходит заряд . Подставляя это в формулу (1) , получим первую формулу Фарадея:

Первый закон Фарадея. Масса выделяющегося на электроде вещества пропорциональна силе тока, протекающего через электролит, и времени прохождения тока.

Теперь преобразуем выражение для электрохимического эквивалента, введя молярную массу вещества:

Подставляя это выражение в (2) , получим вторую формулу Фарадея:

Второй закон Фарадея. Масса выделяющегося на электроде вещества прямо пропорциональна молярной массе этого вещества и обратно пропорциональна его валентности.

В формуле (3) мы видим произведение двух констант и . Оно также является константой и называется постоянной Фарадея:

Формула (3) с постоянной Фарадея запишется так:

Источник

Adblock
detector