Реферат: Электрический ток в жидкостях (электролитах)

Доклад на тему:

 

 

 

Электрический ток

в жидкостях

(электролитах)

Электролиз

ЗаконыФарадея

Элементарныйэлектрический заряд

 

 

Ученицы8гокласса«Б»

ЛогиновойМарииАндреевны

 

 

 

 

Москва2003

Школа № 91

Введение

 

С электропроводностью растворов солей в воде(электролитов) связано очень многое в нашей жизни. С первого удара сердца («живое» электричество в теле человека, на 80%состоящем из воды) до автомобилей на улице, плееров и мобильных телефонов(неотъемлимой частью этих устройств являются «батарейки» – электрохимические элменты питания и различные аккумуляторы – отсвинцово-кислотных в автомобилях до литий-полимерных в самых дорогих мобильныхтелефонах). В огромных, дымящихся ядовитыми парами чанах из расплавленного приогромной температуре боксита электролизом получают алюминий – «крылатый» металл для самолётов и банок для «Фанты». Все вокруг – от хромированнойрешетки радиатора иномарки до посеребрённой серёжки в ухе когда-либосталкивалось с раствором или расплавом солей, а следовательно и с электротокомв жидкостях. Не зря это явление изучает целая наука – электрохимия. Но нассейчас больше интересуют физические основы этого явления.

Электроток в растворе. Электролиты

Из уроков физики в 8 классе нам известно, что заряд в проводниках(металлах) переносят отрицательно заряженные электроны.

Упорядоченное движение заряженных частицназывается электрическим током.

 Но если мы соберем прибор (с электродами из графита):

/>

то убедимся, что стрелка амперметра отклоняется – через раствор идетток! Какие же заряженные частицы есть в растворе?

Ещё в 1877 году шведский ученый Сванте Аррениус, изучаяэлектропроводность растворов различных веществ, пришел к выводу, что еёпричиной являются ионы, которые образуются при растворении соли в воде. Прирастворении в воде молекула CuSO4  распадается (диссоциирует) на дваразнозаряженных иона – Cu2+ и SO42-. Упрощенно происходящие процессы можно отразить следующейформулой:

CuSO4ÞCu2++SO42-

ü Проводят электрический ток растворы солей,щелочей, кислот.

ü Вещества, растворы которых проводятэлектрический ток, называются электролитами.

ü Растворы сахара, спирта, глюкозы и некоторыхдругих веществ не проводят электрический ток.

ü Вещества, растворы которых не проводятэлектрический ток, называются неэлектролитами.

Электролитическая диссоциация

Процесс распада электролита наионы называется электролитической диссоциацией.

С. Аррениус, который придерживался физической теории растворов, неучитывал взаимодействия электролита с водой и считал, что в растворах находятсясвободные ионы. В отличие от него русские химики И. А. Каблуков и В. А.Кистяковский применили к объяснению электролитической диссоциации химическуютеорию Д. И. Менделеева и доказали, что при растворении электролита происходитхимическое взаимодействие растворённого вещества с водой, которое приводит кобразованию гидратов, а затем они диссоциируют на ионы. Они считали, что врастворах находятся не свободные, не «голые» ионы, а гидратированные, тоесть «одетые в шубку» из молекул воды. Следовательно, диссоциация молекул электролитовпроисходит в следующей последовательности:

а)ориентация молекул воды вокруг полюсов молекулы электролита

б)гидратация молекулы электролита

в)её ионизация

г)распад  её на гидратированные ионы

По отношению к степени электролитической диссоциации электролитыделятся на сильные и слабые.

ü Сильные электролиты – такие, которые при растворении практически полностьюдиссоциируют.

У них значение степени диссоциации стремится к единице.

ü Слабые электролиты – такие, которые при растворении почти не диссоциируют. Их степеньдиссоциации стремится к нулю.

Из этого делаем вывод, что переносчиками электрического заряда(носителями электрического тока) в растворах электролитов являются неэлектроны, а положительно и отрицательно заряженные гидратированные ионы.

Температурная зависимость  сопротивления электролита

При повышении температурыоблегчается процесс диссоциации,повышается подвижность ионов и сопротивление электролита падает.

Катод и анод. Катионы и анионы

А что же происходит с ионами под воздействием электрического тока?

Вернёмся к нашему прибору:

/>

В растворе CuSO4 диссоциировал на ионы – Cu2+ и SO42-. Положительно заряженный ион Cu2+(катион) притягивается к отрицательно заряженному электроду – катоду, гдеполучает недостающие электроны и восстанавливается до металлической меди –простого вещества. Если извлечь катод из прибора после прохождения черезраствор тока, то нетрудно заметить красно-рыжий налет – это металлическая медь.

Первый закон Фарадея

А можем ли мы узнать сколько медивыделилось? Взвешивая катод до и после опыта, можно точно определить массуосадившегося металла. Измерения показывают, что масса вещества, выделевшегосяна электродах, зависит от силы тока и времени электролиза:

m=K´I´t

где K – коэффиент пропорциональности, называемый также электрохимическим эквивалентом.

Следовательно, масса выделевшегося вещества прямо пропорциональнасиле тока и времени электролиза. Но ток за время (согласно формуле):

q=I´t

есть заряд.

Итак, массавещества, выделевшегося на электроде, пропорциональна заряду, или количествуэлектричества, прошедшему через электролит.

M=K´q

Этот закон был эксперементально открыт в 1843 году английским ученымМайклом Фарадеем и называется первый закон Фарадея.

 

Второй закон Фарадея

А что такое и от чего зависит электрохимический эквивалент? На этотвопрос тоже дал ответ Майкл Фарадей.

На основании многочисленных опытов он пришёл к выводу, что этавеличина является характерной для каждого вещества. Так, например приэлектролизе раствора ляписа (азотнокислого серебра AgNO3) 1 кулон выделяет 1,1180 мгсеребра; точно такое же количество серебра выделяется при электролизе зарядом в1 кулон любой серебряной соли. При электролизе соли другого металла 1 кулонвыделяет другое количество данного металла. Таким образом, электрохимическим эквивалентом какого-либовещества называется масса этого вещества, выделяемая при электролизе 1кулономпротекшего через раствор электричества. Приведем егозначения для некоторых веществ:

Вещество

K в мг/к

Ag (серебро) 1,118 H (водород) 0,01045 Cu (медь) 0,3294 Zn (цинк) 0,3388 /> /> />

Изтаблицы мы видим, что электрохимические эквиваленты различных веществсущественно отличны один от другого. От каких же свойств вещества зависитвеличина его электрохимического эквивалента? Ответ на этот вопрос даёт второй закон Фарадея:

/>

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

 

Где:

n – валентность

A – атомный вес

/> – называют химическим эквивалентом данного вещества

/> – коэффициент пропорциональности, которыйявляется уже универсальной постоянной, то есть имеет одинаковое значение длявсех веществ. Если измерить электрохимический эквивалент в г/к то найдем, чтоон равен 1,037´10-5  г/к.

Обьединяя первый и второйзаконы Фарадея получаем:

/>

Эта формула имеет простой физическийсмысл: F численно равно заряду, котоый надо пропустить черезлюбой электролит, чтобы выделить на электродах вещество в количестве, равномодному химическому эквиваленту. F называютчислом Фарадея и оно равно  96400 к/г.

Моль и количество молекул в нем. ЧислоАвогадро

Из курса химии за 8й класс мы знаем,что для измерения  количеств веществ, участвующих в химических реакциях, былавыбрана особая еденица – моль. Чтобы отмерять один моль вещества, нужно взятьстолько граммов его, какова относительная молекулярная масса его.

Например, 1моль воды (H2O) равен 18 граммам (1+1+16=18), моль кислорода (O2) –32 грамма, а моль железа (Fe) – 56 грамм.Но что особенно для нас важно,установлено, что 1 моль любого вещества всегда содержит одинаковоечисло молекул.

Моль – это такоеколичество вещества, в котором содержится 6´1023 молекул этого вещества.

В честь итальянского ученогоА. Авогадро это число (N)называется постоянной Авогадро или числом Авогадро.

Из формулы /> следует, что если q=F, то /> .Это значит что при прхождении через электролит заряда равного 96400 кулонам,выделится  /> граммовлюбого вещества. Иначе говоря, длявыделения одного моля одновалентного вещества через электролит должен протечьзаряд  q=Fкулонов. Но мы знаем, что в любом моле веществасодержится одно и то же число его молекул – N=6x1023. Это позволяет нам вычислить заряд одного ионаодновалентного вещества – элементарный  электрический заряд – заряд одного (!)электрона:

/>

Применение электролиза

Электролитический метод получения чистых металлов (рафинирование,аффинаж). Электролиз, сопровождающийся растворением анода

Хорошим примером являетсяэлектролитическое очищение (рафинирование) меди. Полученная непосредственно изруды медь отливается в виде пластин и помещается в качестве анода в раствор CuSO4. Подбирая напряжение на электродах ванны(0,20-0,25в), можно добиться, чтобы на катоде выделялась только металлическаямедь. При этом посторонние примеси либо переходят в раствор (без выделения накатоде), либо выпадают на дно ванны в виде осадка («анодный шлам»). Катионывещества анода соединяются с анионом SO42-, а на катоде при этом напряжении выделяется толькометаллическая медь. Анод как бы «растворяется». Такая очистка позволяет добится чистоты 99,99% («четыре девятки»).Аналогично (аффинаж) очищают и драгоценные металлы (золото Au,серебро Ag).

В настоящее время весь алюминий (Al) добывается электролитически (из расплавабокситов).

Гальванотехника

Гальванотехника – область прикладнойэлектрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий наповерхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождениипостоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехникапожразделяется на гальваностегиюи гальванопластику.

Посредством электролизаможно покрыть металлические предметы слоем другого металла. Этот процессназывается гальваностегией. Особое техническое значение имеютпокрытия трудноокисляемыми металлами, в частности никелирование и хромирование,а также серебрение и золочение, часто применяемые для защиты металлов откоррозии. Для получения нужных покрытий предмет тщательно очищяют, хорошообезжиривают и помещают как катод в электролитическую ванну, содержащую сольтого металла, которым желают покрыть предмет. Для более равномерного покрытияполезно применять две пластины в качестве анода, помещая предмет между ними.

/>

Также посредством электролиза можно не только покрыть предметы слоемтого или иного металла, но и изготовить их рельефные металлические копии(например, монет, медалей). Этот процесс был изобретен русским физиком иэлектротехником, членом Российской Академии наук Борисом Семеновичем Якоби(1801-1874) в сороковых годах XIX века и называется гальванопластикой. Для изготовлениярельефной копии предмета сначала делают слепок из какого-либо пластичного материала,например из воска. Этот слепок натирают графитом и погружают вэлектролитическую ванну в качестве катода, где на нём и осаждается слойметалла. Это применяется в полиграфии при изготовлении печатных форм.

/>

Кроме указанных выше, электролиз нашел применение ив других     областях:

ü получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование);

ü электрохимическая обработка поверхности металлического изделия(полировка);

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

ü очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В результатеполучается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной);

ü электрохимическая заточка режущих инструментов (например,хирургических ножей, бритв и т.д.).

Списокиспользованной литературы:

1.       Гуревич А. Е. «Физика. Электромагнитные явления. 8 класс» Москва,Издательский дом «Дрофа». 1999 год.

2.       Габриэлян О. С. «Химия. 8 класс» Москва, Издательский дом «Дрофа». 1997год.

3.       «Элементарный учебник физики под редакцией академика Г. С. Ландсберга - Том II – электричество и магнетизм». Москва, «Наука»1972 год.

4.       Eric M. Rogers. «Physics forthe Inquiring Mind (the methods, nature and phylosophy of  physical science)».«Prinseton University press» 1966. ТомIII – электричество и магнетизм. Перевод Москва, «Мир» 1971 год.

5.       А. Н. Ремизов «Курс физики, электроники и кибернетики длямедицинских институтов». Москва, «Высшая школа» 1982 год.