Электрический ток в электролитах носители тока — Стиль жизни

Передача электричества

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями заряда электрического тока в электролитах являются ионы. Они образуются в результате распада (электролитической диссоциации) молекул вещества под действием молекул воды в растворе или при нагревании и образовании расплава.

Расщепление молекул происходит за счёт разрыва полярных ковалентных или ионных связей. Интенсивность диссоциации зависит от температуры и концентрации раствора. Также на степень диссоциации влияет природа электролита. В связи с этим выделяют:

слабые электролиты, распадающиеся частично или не распадающиеся вообще;
сильные электролиты, быстро распадающиеся на ионы.

К слабым электролитам относится большинство органических веществ, слабые кислоты, плохо растворимые соли и нерастворимые основания. Сильные кислоты, щёлочи, соли относятся к сильным электролитам.

Рис. 1. Процесс электролитической диссоциации.

Образованные в результате диссоциации ионы делятся на два типа:

катионы – положительно заряженные частицы;
анионы – отрицательно заряженные частицы.

Проводником электрического тока в электролитах является электрод. Он может быть анодом или катодом. Анод присоединён к положительному полюсу источника тока, катод – к отрицательному. Анод окисляет вещества, находящиеся в электролите, катод – восстанавливает.

Рис. 2. Электроды.

Если в раствор электролита поместить два электрода – катод и анод – и включить электрический ток, то ионы начнут двигаться под действием электрического поля. Катионы устремятся к катоду, анионы – к аноду. Достигнув электродов, ионы нейтрализуются, превращаются в нейтральные атомы и оседают.

Процесс разложения вещества на составные части, которые оседают на электродах, называется электролизом.

Что такое кислоты

Естественно, это химические соединения, в состав которых обязательно входит один или несколько атомов водорода, плюс так называемый кислотный остаток. В химических реакциях атомы водорода могут меняться на атомы металла, и получившиеся соединения буду называться солями.

Кислота – это не обязательно жидкость, в природе существуют и газообразные, и кристаллические их варианты. Например, я уже упоминала про фтор и фтороводородную кислоту, которую он образует. Вот если в этой кислоте поменять атом водорода на металл, например, тот же кальций или алюминий, то и получится фторид кальция, либо фторид алюминия, который и входит в состав зубной пасты.

С твердой кислотой вы можете познакомиться в статье про взаимодействие канцелярского клея с уксусом и даже провести с ней очень простые опыты.

Общее у них кислот одно – все они имеют более или менее кислый вкус, чем и объясняется их собирательное название. Схожи они между собой и своими химическими свойствами – практически все они разрушают металлы, а нашему организму приносят вред при попадании как на поверхность кожи или слизистых оболочек, так и вовнутрь.

Закон Ома

В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю e E , в результате чего получает ускорение e m E .

Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле

υ д = υ д m a x = e E m τ .

Время свободного пробега обозначается τ . Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υ д равняется половине максимального значения:

υ д = 1 2 υ д m a x = 1 2 e E m τ .

Если имеется проводник с длиной l , сечением S с концентрацией электронов n , тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:

I = e n S υ д = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .

U = E l – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:

R = 2 m e 2 n τ l S .

Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:

ρ = 2 m e 2 n τ ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m .

Электронный ток в жидкостях кратко

«Физика — 10 класс»

Каковы носители электрического тока в вакууме?Каков характер их движения? Жидкости, как и твёрдые тела, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К диэлектрикам относится дистиллированная вода, к проводникам — растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов и др.

Электролитическая диссоциация.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы.

Распад молекул на ионы под влиянием электрического поля полярных молекул воды называется электролитической диссоциацией.

Степень диссоциации — доля в растворённом веществе молекул, распавшихся на ионы.

Степень диссоциации зависит от температуры, концентрации раствора и электрических свойств растворителя.

С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Ионы разных знаков при встрече могут снова объединиться в нейтральные молекулы.

При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.

Ионная проводимость.

Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов 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 по цепи пойдёт электрический ток.

Проводимость водных растворов или расплавов электролитов, которая осуществляется ионами, называют ионной проводимостью.

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

Электролиз. При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительновосстановительными реакциями, называют электролизом.

От чего зависит масса вещества, выделяющегося за определённое время? Очевидно, что масса m выделившегося вещества равна произведению массы m0i одного иона на число Ni ионов, достигших электрода за время Δt:

Масса иона m0i равна:

где М — молярная (или атомная) масса вещества, a NA — постоянная Авогадро, т. е. число ионов в одном моле.

Число ионов, достигших электрода, равно:

где Δq = IΔt — заряд, прошедший через электролит за время Δt; q0i — заряд иона, который определяется валентностью n атома: q0i = пе (е — элементарный заряд). При диссоциации молекул, например КВr, состоящих из одновалентных атомов (n = 1), возникают ионы К + и Вr — . Диссоциация молекул медного купороса ведёт к появлению двухзарядных ионов Си 2+ и SO 2- 4 (n = 2). Подставляя в формулу (16.3) выражения (16.4) и (16.5) и учитывая, что Δq = IΔt, a q0i = nе, получаем

Закон Фарадея.

Обозначим через k коэффициент пропорциональности между массой m вещества и зарядом Δq = IΔt, прошедшим через электролит:

где F = eNA = 9,65 • 10 4 Кл/моль — постоянная Фарадея

Коэффициент k зависит от природы вещества (значений М и n). Согласно формуле (16.6) имеем

Закон электролиза Фарадея:

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

Это утверждение, полученное теоретически, впервые было установлено экспериментально Фарадеем.

Величину k в формуле (16.8) называют электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражают в килограммах на кулон

(кг/Кл).

Из формулы (16.8) видно, что коэффициент к численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда, равного 1 Кл.

Электрохимический эквивалент имеет простой физический смысл. Так как M/NA = m0i и еn = q0i, то согласно формуле (16.7) k = rn0i/q0i, т. е. k — отношение массы иона к его заряду.

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

Свободные электроны в металлах

Вещества, относящиеся к металлам, могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии (ртуть, галлий, цезий и др.). При этом все они являются проводниками электрического тока. Твердые вещества имеют структуру жесткой кристаллической решетки, в узлах которых “сидят” положительно заряженные ионы, совершающие небольшие колебания относительно точки равновесия. В объеме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений.

Рис. 1. Механизм электрического тока в металлах.

Это электронное “облако” движется беспорядочно, хаотично до тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле. Электрическое поле E, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд q с силой F:

Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и, таким образом, появляется электрический ток в цепи.

Многочисленные наблюдения показали, что при прохождении электрического тока масса проводников и их химический состав не изменяются. Отсюда следует вывод, что ионы металлов, которые составляют основную массу вещества, не принимают участия в переносе электрического заряда.

Закон Фарадея

Процесс электролиза экспериментально изучил английский физик и химик Майкл Фарадей в 1833 году. Он сформулировал закон, согласно которому масса выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна прошедшему через электролит заряду. Этот закон закрепился в науке как первый закон Фарадея.

Рис. 3. Майкл Фарадей.

m = kQ = kIt,

где:

m – масса вещества;
Q – заряд;
k – электрохимический эквивалент;
I – сила тока;
t – время действия тока.

Согласно второму закону Фарадея масса выделившегося на электроды вещества прямо пропорциональна отношению молярной массы к валентности и равна электрохимическому эквиваленту.

m = k = M/z,

где:

m – масса выделившегося вещества;
k – электрохимический эквивалент;
M – молярная масса;
z – валентность вещества.

Электролиз используется в щелочных и кислотных аккумуляторах. С помощью электролиза можно защитить изделие металлическим покрытием.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1 ).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Электрический ток в газах

Протекание электрического тока через газ.При нормальной температуре и давлении газы являются изоляторами электричества, поскольку молекулы не имеют свободных заряженных частиц для миграции в этом состоянии.При высоком напряжении и низком давлении газы действуют как проводящая среда за счет образования ионов.

Разрядная трубка

Цилиндрическая трубка длиной 30 см и диаметром 4 см, закрытая с обоих концов, в которой исследуется электрический разряд.
Состоит из двух платиновых электродов на концах трубки.
Вакуумный насос и манометр также подключены.
Разность потенциалов на электродах составляет около 50 кВ.

Газовый разряд при разном давлении

При 10 мм рт. ст.

Начинается разрядка.
Появляется светящаяся полоска между электродами.
Возникает фиолетовая нерегулярная искра, называемая голубым серпантином (одиночная веревка).
Издает дребезжащий звук.

При 5 мм рт. ст.

Синие полосы расширяются.
Разряд становится ярким и устойчивым.
С жужжащим звуком появляется светящийся столбик, называемый положительным столбиком (также называется разрядкой Гейслера).
Цвет зависит от используемого газа: красный для воздуха и синий для водорода.

При 2 мм рт. ст.

Положительный столб, начинающийся от анода, занимает большую часть трубки.
Положительный столб отделяется от катода и движется к аноду.
Светящееся свечение на катоде называется отрицательным свечением.
Пространство между положительным столбцом и отрицательным свечением называется темным пространством Фарадея.

При 0,4 мм рт. ст.

Положительный столбик укорачивается и распадается на альтернативные яркие и темные дискообразные структуры, называемые бороздками.
Темное пространство Фарадея увеличивается.
Отрицательное свечение покидает катод, и появляется другое свечение, называемое катодным свечением.
Пространство между катодом и свечением -ve представляет собой темное пространство Крукса.

При 0,01 мм рт. ст.

Бороздки, темное пространство Фарадея, отрицательное свечение исчезает.
Трубка, заполненная темным пространством Крука.
Стенка трубки будет светиться флуоресценцией определенного цвета.
Поскольку испускаются определенные лучи, катод ударяется о стену.
Эти невидимые лучи называются катодными лучами.

При 10-4 мм рт. ст.

Разряд не проходит через трубку, так как молекул газа для проводимости очень мало.
Катодные лучи.
Когда разрядная трубка разряжается до 0,01 мм рт. ст., вся трубка заполняется темным пространством Крука, и стенка трубки начинает светиться. Это указывает на то, что нечто, исходящее от катода, ударяется о стену и заставляет стену светиться.
Нечто, исходящее от катода в виде потока видимых лучей, называется катодными лучами.
Эти быстро движущиеся невидимые частицы называются электронами.

Свойства катодных лучей перечислены ниже:

Излучаются с поверхности катода по нормали к ней.
Направление не зависит от положения анода из-за присутствия газов.
Движутся по прямой траектории и отбрасывают тень.
Когда они падают на определенное вещество, то производят флуоресценцию.
Вызывают химические изменения и влияют на фотопластинки.
Производят рентгеновские лучи, когда ударяются о металл с высоким атомным номером.
Выделяют тепло, когда их останавливает материя.
Оказывают механическое давление и обладают большой потенциальной и кинетической энергией.
Они отклоняются как электрическими, так и магнитными полями.
Их скорость 107 м/с.
Могут ионизировать газ, через который они проходят.
Могут проникать сквозь тонкий лист бумаги.

Электрический ток в жидкостях. Движение зарядов, анионы катионы.

Электрический ток в жидкостях обусловлен движением положительных и отрицательных ионов. В отличии от тока в проводниках где движутся электроны. Таким образом, если в жидкости нет ионов, то она является диэлектриком, например дистиллированная вода. Поскольку носителями заряда являются ионы, то есть молекулы и атомы вещества, то при прохождении через такую жидкость электрического тока неизбежно приведет к изменению химических свойств вещества.

Откуда же в жидкости берутся положительные и отрицательные ионы. Скажем сразу, что не во всех жидкостях способны образоваться носители зарядов. Те, в которых они появляются, называются электролитами. К ним относятся растворы солей кислоты и щелочи. При растворении соли в воде, к примеру, возьмем поваренную соль NaCl, она распадается под действием растворителя, то есть воды на положительный ион Na называемый катионом и отрицательный ион Cl называемым анионом. Процесс образования ионов называется электролитическая диссоциация.

Проведем опыт, для него нам понадобится стеклянная колба два металлических электрода амперметр и источник постоянного тока. Колбу мы заполним раствором поваренной соли в воде. Потом поместим в это раствор два электрода прямоугольной формы. Электроды подключим к источнику постоянного тока через амперметр.

Рисунок 1 — Колба с раствором соли

При включении тока между пластинами появится электрическое поле под действием, которого начнут двигаться ионы соли. Положительные ионы устремятся к катоду, а отрицательные к аноду. В тоже время они будут совершать хаотическое движение. Но при этом под действием поля к нему добавится еще и упорядоченное.

В отличии от проводников в которых движутся только электроны то есть один вид зарядов в электролитах перемещаются два вида зарядов. Это положительные и отрицательные ионы. Движутся они встречно друг другу.

Когда положительный ион натрия достигнет катода, он получит недостающий электрон и превратится в атом натрия. Аналогичный процесс произойдет и с ионом хлора. Только при достижении анода ион хлора отдаст электрон и превратится в атом хлора. Таким образом, во внешней цепи поддерживается ток за счет движения электронов. А в электролите ионы как бы переносят электроны от одного полюса к другому.

Электрическое сопротивление электролитов зависит от количество образовавшихся ионов. У сильных электролитов при растворении уровень диссоциации очень высок. У слабых низкий. Также на электрическое сопротивление электролита влияет температура. При ее увеличении снижается вязкость жидкости и тяжелые, и неповоротливые ионы начинают двигаться быстрее. Соответственно сопротивление уменьшается.

Если раствор поваренной соли заменить на раствор медного купороса. То при пропускании тока через него, когда катион меди достигнет катода и получит там недостающие электроны, он восстановится до атома меди. И если после этого вынуть электрод, то можно обнаружить на нем налет меди. Этот процесс называется электролизом.