Ток состоит из ионов

Электрический ток в различных средах

Мы определили электрический ток как направленное движение зарядов. До сих пор движущимися зарядами являлись электроны. Однако такими зарядами могут быть и другие заряженные частицы, например, ионы.

Ион — это атом, который потерял или приобрёл электрон (или парочку). Разберёмся с этим определением, атомы состоят из положительно заряженного ядра (состоит из протонов и нейтронов) и вращающихся вокруг него электронов. В стандартном состоянии, количество протонов (положительных частиц) равно количеству электронов (отрицательных частиц), т.е. атом является электронейтральным (рис. 1).

Рис. 1. Атом, ион, катион, анион

Однако, в результате различного рода физических процессов, атом может приобрести или потерять электрон и стать ионом. В случае потери электрона, количество положительных зарядов остаётся тем же, а отрицательных — на один меньше. Т.е. атом становится положительным ионом. Такой ион называется катионом. В случае приобретения электрона, количество положительных зарядов атома остаётся тем же, а отрицательных — на один больше. Т.е. атом становится отрицательным ионом. Такой ион называется анионом (рис. 1).

Звучит достаточно пугающе и сложно, однако получение раствора ионов — дело достаточно обыденное, так обычная поваренная соль () разделяется (диссоциирует) на катион натрия (

Итак, представим себе электролитическую ванночку, т.е. ёмкость, заполненную электролитом. Опустим в неё два электрода (пластинки), присоединённые к источнику тока, тогда данные электроды заряжены положительно (катод) и отрицательно (анод). В таком случае, внутри ванночки организуется электрическое поле, которое позволяет ионам двигаться каждый к своему электроду, т.е. возникает электрический ток (рис. 2).

Рис. 2. Электролитическая ванночка

В описанном процессе происходит выделение ионов на электродах (электролиз). Для описания этого процесса Фарадеем были выведены два закона, имеющие названия законы Фарадея или законы электролиза.

(1)

• где
  • — масса вещества, выделившаяся на электроде,
  • — заряд, прошедший через электролит,
  • — электрохимический эквивалент вещества (табличное значение),
  • — сила тока,
  • — время прохождения тока.

Выражение (1) является первым законом Фарадея. Определяет массу вещества, выделившегося на электроде.

— молярная масса вещества,

— валентность вещества.

Выражения (2) является вторым законом Фарадея. Определяет значение электрохимического эквивалента для каждого вещества.

Источник

Ток состоит из ионов

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

Растворы всех веществ можно разделить на две группы: проводят электрический ток или проводниками не являются.

С особенностями растворения веществ можно познакомиться экспериментально, исследуя электропроводность растворов этих веществ с помощью прибора, изображённого на рисунке

Для объяснения особенностей водных растворов электролитов шведским ученым С. Аррениусом в 1887 г. была предложена теория электролитической диссоциации. В дальнейшем она была развита многими учеными на основе учения о строении атомов и химической связи. Современное содержание этой теории можно свести к следующим трем положениям:

1. Электролиты при растворении в воде или расплавлении распадаются (диссоциируют) на ионы – положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженные частицы.

Ионы находятся в более устойчивых электронных состояниях, чем атомы. Они могут состоять из одного атома — это простые ионы ( Na + , Mg 2+ , А l 3+ и т.д.) — или из нескольких атомов — это сложные ионы ( N О₃ — , SO 2- ₄ , РО З- ₄ и т.д.).

2. В растворах и расплавах электролиты проводят электрический ток.

Под действием электрического тока ионы приобретают направленное движение: положительно заряженные ионы движутся к катоду, отрицатель­но заряженные — к аноду. Поэтому первые называются катионами, вторые — анионами. Направленное движение ионов происходит в результате притяжения их противоположно заряженными электродами.

Электролиты – это вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток

Неэлектролиты – это вещества, водные растворы или расплавы которых не проводят электрический ток

Вещества с ионной химической связью или ковалентной сильнополярной химической связью – кислоты, соли, основания

Вещества с ковалентной неполярной химической связью или ковалентной слабополярной химической связью

В растворах и расплавах образуются ионы

В растворах и расплавах не образуются ионы

3. Диссоциация — обратимый процесс: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения ионов (ассоциация).

Поэтому в уравнениях электролитической диссоциации вместо знака равенства ставят знак обратимости. Например, уравнение диссоциации молекулы электролита К A на катион К + и анион А — в общем виде записывается так:

КА ↔ K + + A —

Рассмотрим процесс растворения электролитов в воде

В целом молекула воды не заряжена. Но внутри молекулы Н₂О атомы водорода и кислорода располагаются так, что положительные и отрицательные заряды находятся в противоположных концах молекулы (рис. 1). Поэтому молекула воды представляет собой диполь.

Рис. 1. Молекула воды полярна и представляет собой диполь

Растворение в воде веществ с ионной химической связью

(на примере хлорида натрия – поваренной соли)

Механизм электролитической диссоциации NaCl при растворении поваренной соли в воде (рис. 2) состоит в последовательном отщеплении ионов натрия и хлора полярными молекулами воды. Вслед за переходом ионов Na + и Сl – из кристалла в раствор происходит образование гидратов этих ионов.

Рис. 2. Механизм растворения хлорида натрия в воде:
а – ориентация молекул воды на поверхности кристалла NaCl и отрыв иона Na + ; б – гидратация (окружение молекулами воды) ионов Na + и Сl –

Растворение в воде веществ с ковалентной сильнополярной химической связью

(на примере соляной кислоты)

При растворении в воде соляной кислоты (в молекулах HCl cвязь между атомами ковалентная сильнополярная) происходит изменение характера химической связи. Под влиянием полярных молекул воды ковалентная полярная связь превращается в ионную. Образовавшиеся ионы остаются связанными с молекулами воды – гидратированными. Если растворитель неводный, то ионы называют сольватированными (рис.3).

Рис. 3. Диссоциация молекул HCl на ионы в водном растворе

Основные положения:

Электролитическая диссоциация – это процесс распада электролита на ионы при растворении его в воде или расплавлении.

Электролиты – это вещества, которые при растворении в воде или в расплавленном состоянии распадаются на ионы.

Ионы – это атомы или группы атомов, обладающие положительным (катионы) или отрицательным (анионы) зарядом.

Ионы отличаются от атомов как по строению, так и по свойствам

Пример 1. Сравним свойства молекулярного водорода (состоит из двух нейтральных атомов водорода) со свойствами иона.

Источник

Ток состоит из ионов

СТРАНИЦЫ

• О Блоге
• О Викторе Егеле
• Карта Сайта
• Контакты

Рубрики

• Импульсные источники питания (6)
• Немного теории (21)
• Практические примеры (17)
• Светодиоды и светильники (4)
• Справочные материалы (7)
• Электромонтажные работы (4)

ионный ток

Электрический ток в проводниках второго рода (электролитах)

Электролиты: — это жидкости или растворы солей, кислот, щелочей в воде; — расплавы солей и других веществ. Представим электрическую батарею как источник тока. На одном конце электрической батареи, в результате внутренней химической реакции, будет скапливаться избыток электронов (это будет минусовой полюс), а на другом конце батареи будет недостаток электронов (это будет плюсовой полюс).

Растворы всех электролитов всегда имеют в избытке ионы растворенных в нем веществ. Они будут разлагаться на анионы( — ) и катионы(+).

Например: щелочь NaOH — разлагается на анионы (ОН -) и катионы (Na +), серная кислота Н2 SO4 – разлагается на анионы (SO — -) и катионы (Н +), вода (Н2О) — разлагается на анионы (ОН -) и катионы (Н +).

Если в ванну с раствором, например щелочи NaOH, опустим два электрода и подключим к ним электрическую батарею, то в цепи пойдет электрический ток. Под действием электрического поля от батареи, положительно заряженные ионы ( Na+) будут притягиваться к отрицательному электроду (катоду), а отрицательно заряженные ионы (НО -) будут притягиваться к положительному электроду ( аноду). Отрицательный ион (ОН -) отдаст свой заряд (-1) аноду, а положительный ион (Na+) примет электрон (заряд -1) от катода.

Таким образом электрический ток в цепи состоит из двух составляющих: — ток в проводнике ( электронный ток ), — ток в электролите (ионный ток ).

Чистая дистиллированная вода, при комнатной температуре, очень плохо проводит электрический ток. Ее заливают в аккумуляторы, она служит для разбавления электролита до нужной плотности.

Рубрика: Немного теории | Метки: ионный ток, электронный ток | Комментариев нет

Источник

Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Химические источники тока (ХИТ) — эта тема имеет высокое практическое значение. Это кардиостимуляторы, электромобили, которые пытаются сохранить экологию, портативные устройства, включая фото и видеотехнику, компьютерную технику, навигаторы. За последние годы прогресс химических источников тока произошел большой, от известных свинцовых аккумуляторов, которые постепенно вытесняются литий-ионными, литий-полимерными и другими аккумуляторами.

В этой области борьба идет за мощность, емкость, которая позволяет максимально долго использовать источники тока. Дополнительным стимулом к их развитию является создание гибких источников тока. Научная составляющая в этой области лежит в плане разработки материалов для таких химических элементов.

Устройство и работа

Химические источники тока состоят из электродов и электролита, который находится в емкости. Электрод, на котором окисляется восстановитель, называется анодом. Электрод, на котором восстанавливается окислитель, называется катодом. В общем получается электрохимическая система.

Попутным результатом такой реакции стало возникновение тока. Восстановитель передает электроны на окислитель, который восстанавливается. Электролит, который находится между электродами, нужен для прохождения реакции. Если перемешать порошки различных двух металлов, то электричество не возникнет, энергия появится в виде теплоты. Электролит необходим для упорядочения процесса движения электронов. Электролит состоит обычно из раствора соли или расплавленного вещества.

Электроды имеют вид решеток или пластин из металла. При помещении их в раствор электролита получается разность потенциалов пластин. Анод отдает электроны, а катод их принимает. На поверхности возникают химические реакции. Когда цепь размыкается, то реакции прекращаются. Если реагенты закончились, то реакция также больше не идет. Если удалить один из электродов, то цепь размыкается.

Из чего состоят химические источники тока

В качестве окислителей применяются соли и кислородосодержащие кислоты, а также нитроорганические вещества, кислород. В качестве восстановителей применяются металлы, оксиды, углеводороды.

Электролит может состоять из:

• Соли, щелочи и кислоты, растворенные в воде.
• Соли в растворе, с возможностью электронной проводимости.
• Расплавленные соли.
• Твердые вещества с подвижным ионом.
• Электролиты в виде матрицы. Это растворы жидкости, расплавы, которые находятся в порах электроносителя.
• Электролиты с ионным обменом. Твердые вещества с закрепленными ионогенными группами, с одним знаком. С другим знаком ионы подвижны. Эта характеристика позволяет создать однополярную проводимость.

Гальванические элементы

Напряжение на ячейке составляет 0,5-4 вольта. В химических образцах источника применяют гальваническую батарею, которая состоит из элементов. Может использоваться параллельная схема нескольких элементов. При последовательной схеме в цепь включены одинаковые батареи. Они должны обладать одинаковыми свойствами, с одной конструкцией, технологией, типоразмером. Для схемы параллельного соединения подойдут элементы с различными свойствами.

Классы

Химические источники тока делятся по следующим свойствам:

• Размерности.
• Конструктивным особенностям.
• Применяемым химическим веществам.
• Источнику реакции.

Эти свойства создают эксплуатационные параметры источников, которые подходят для определенной области использования.

Деление на классы электрохимических источников основывается на отличии в способе действия устройства. По этим свойствам их различают:

• Первичные источники – для однократного применения. В них заключен определенный запас веществ, который будет израсходован при реакции. Когда произойдет разряд, ячейка исчерпывает свою способность к работе. Первичные источники, основанные на химических реакциях, называются элементами. Наиболее простой элемент – это батарейка типа АА.
• Химические источники тока , которые имеют возможность перезаряжаться, называются аккумуляторами, это вторичные многоразовые элементы. Израсходованные химические элементы могут регенерироваться и снова накопить энергию, путем подключения к ним тока. Это называется зарядкой элементов. Такие элементы применяют длительное время, так как их легко зарядить. В процессе разряда вырабатывается электрический ток. К таким источникам можно причислить элементы питания различных видов приборов и устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и т.д.
• Тепловые химические источники тока – это приборы постоянного действия. В результате их работы постоянно поступает новая порция веществ и удаляется использованный продукт реакции.
• В смешанных элементах находится запас реагента. Другой реагент поступает в устройство снаружи. Время действия устройства имеет зависимость от резерва первого вещества. Комбинированные элементы применяются в качестве аккумуляторов, когда имеется возможность регенерации их заряда через прохождение тока от внешнего питания.
• Химические источники тока, которые могут возобновлять заряд , заряжаются разными способами. В них можно заменять израсходованные реагенты. Такие источники действуют не постоянно.

Свойства

Основные характеристики ХИТ можно перечислить в таком виде:

• Разрядное напряжение. Это свойство имеет зависимость от определенной электрохимической системы. А также оказывает влияние процент концентрации электролита, температура, ток.
• Мощность.
• Разрядный ток, зависящий от сопротивления цепи.
• Емкость, наибольшее количество энергии, которое источник выдает при общем разряде.
• Запас энергии – наибольшая энергия, которая получена при полном разряде устройства.
• Энергетические свойства и характеристики. Для батарей аккумуляторов это число циклов заряда и разряда, без уменьшения емкости и напряжения (ресурс).
• Температурный интервал работы.
• Сохраняемый срок – наибольший допускаемый период времени от изготовления до первого разряда элемента.
• Время службы – наибольший допускаемый срок работы и хранения. Для элементов на топливе имеют значение сроки работы при постоянной и периодической работе.
• Полная энергия, отданная за все время работы.
• Механическая, вибрационная прочность.
• Возможность функционирования в любом положении.
• Надежная работа.
• Простота в уходе.

Сахарная батарея

Чтобы произвести литий-ионные аккумуляторы в Японии закупают материалы в других странах. Это негативно сказывается на экономическом положении страны. Поэтому ученые ищут способы изготовления аккумуляторов из того сырья, которое имеется в наличии. Таким сырьем в Японии стал сахар. Аккумулятор на сахаре в Японии по свойствам имеет надежность и энергоемкость выше обычных аналогов, и стоимость его ниже.

Большой спрос на литий, который вызван резким распространением переносных аккумуляторов, озаботил производителей аккумуляторов, так как этот элемент добывается только в странах с политической нестабильностью. Это явилось вторым фактором поиска альтернативных материалов для недорогих аккумуляторов с высокой надежностью. Сахароза легко преобразуется в дешевый материал для анодного сырья в литий-ионных батареях.

Сахар нагревают в условиях вакуума под давлением до 1500 градусов. Он превращается в порошок, состоящий из углерода, который может повысить заряд на 20% больше аналогичных изделий. Это явилось первым шагом в разработке дешевых батарей. Пока такие виды батарей не составляют конкуренции современным аккумуляторам. Но ученые предполагают, что в будущем подобные разработки вытеснят дорогие изделия.

Требования

Конструктивные особенности химических источников тока должны создавать условия, которые способствовали бы максимальной эффективности химических реакций.

К таким условиям можно отнести:

• Недопущение утечек тока.
• Постоянная работа.
• Герметичность.
• Раздельное помещение реагентов.
• Качественное контактирование электролита с электродами.
• Хороший отвод тока из объекта химической реакции до наружного вывода с наименьшими потерями.

К химическим элементам предъявляются требования:

• Повышенные значения свойств.
• Максимальный диапазон температуры работы.
• Наибольшее напряжение.
• Минимальная себестоимость электричества.
• Постоянное значение напряжения.
• Хорошее сохранение заряда.
• Безопасное функционирование.
• Простое обслуживание, или ее отсутствие.
• Долговременная работа.

Эксплуатация источников тока

Основное достоинство первичных элементов состоит в отсутствии надобности обслуживания. Перед работой нужно просто осмотреть их, определить срок годности. При включении в цепь нельзя путать полярность и допускать повреждения контактов. Сложные конструкции источников требуют особого ухода. Цель его заключается в удлинении срока службы до максимума.

Уход за аккумуляторами требует выполнения следующих мероприятий:

• Обеспечение чистоты.
• Контроль параметра напряжения отключенной цепи.
• Обеспечение необходимого уровня электролита, доливки дистиллированной воды.
• Проверка концентрации электролита ареометром.

При использовании батареек (гальванических элементов) нужно выполнять требования, которые относятся к применению электрических приборов.

Сфера использования

В современное время химические источники тока используются в:

• Транспорте.
• Переносных устройствах.
• Космической технике.
• Оборудовании научных исследований.
• Медицинских приборах.

Применяются в бытовой сфере:

• Батарейки (сухие).
• Батареи аккумуляторов электроники.
• Аккумуляторы на автомобилях.

Большое распространение нашли литиевые химические источники тока. Это обусловлено наличием у лития максимальной удельной энергии. Он отличается наиболее отрицательным потенциалом электрода из металлов. Батареи литий ионного типа опередили все другие источники по размеру значений удельной энергии. В настоящее время ученые разрабатывают различные усовершенствования литиевых аккумуляторов. Разработки ведутся в направлении получения конструкций корпуса сверхмалой толщины, которые будут использоваться для питания смартфонов и подобных им гаджетов, а также создание сверхмощных батарей аккумуляторов.

В последнее время серьезные работы ученых ведутся по изобретению и модернизации топливных батарей – устройств, которые создают электрическую энергию, за счет проведения химических реакций веществ, постоянно подающихся к электродам снаружи. Для окисления берут кислород, а в качестве топлива пытаются использовать водород. На основе таких батарей уже действуют некоторые опытные образцы на электростанциях.

Источник