Электропроводность электролитов

Министерство образования и науки Республики Татарстан Казанский государственный технологический университет Секция теоретическая физика Реферат на тему Электропроводность электролитов Работу выполнил студент гр.815121 Куклев К.А. Преподаватель Абдрахманова А. Х. Казань 2006 Содержание Введение Условия существования тока Закон Ома и Джоуля - Ленца в дифференциальной форме Сторонние силы Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом Правила Кирхгофа Ток в сплошной среде Список используемой литературы Введение Если через некоторую площадку переносится суммарный заряд, отличный от нуля, то через эту площадку течёт электрический ток. Электрический ток - это любое упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Электрическим током проводимости называется упорядоченное движение в веществе или вакууме свободных заряженных частиц - носителей тока. Примерами таких токов могут служить электрические токи в металлах, электролитах, ионизованных газах, плазме, полупроводниках, пучки электронов или ионов в вакууме.

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества.

Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества.Однако 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.Условия существования тока Электрический ток возникает в том случае, если в проводнике поддерживается электрическое поле Е, которое перемещает носители тока электроны, ионы, заряженные пылинки, капельки и т.д Носитель заряда участвуют в тепловом хаотическом движении.

При включении поля на хаотическое движение носителей накладывается упорядоченное движение. За направление тока принимают движение положительных зарядов, то есть ток течёт от плюса к минусу. Количественной мерой тока служит сила тока I - скалярная величина, определяющаяся электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени.Для постоянного тока, то есть тока не изменяющегося во времени Если электрический ток создаётся носителями обоих знаков, движущихся в противоположных направлениях, то Таким образом, сила тока представляет собой поток заряда через поверхность.

Электрический ток может быть неравномерно распределён по поверхности площадки, через которую он протекает, поэтому для детальной характеристики тока используют понятие плотности тока - это векторная физическая величина, определяемая силой тока, проходящей через единичную площадку, перпендикулярную направлению движения носителей За направление вектора j принимается направление вектора средней скорости положительных зарядов.

Зная вектор плотности тока в любой точке пространства, можно найти силу тока через любую поверхность S То есть сила тока - это поток вектора плотности тока через поверхность.Закон Ома и Джоуля - Ленца в дифференциальной форме Сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. 1 где - сопротивление сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течёт ток силой 1А. Сопротивление проводника определяется по формуле 2 где - удельное электрическое сопротивление.

Если подставить 2 в 1 , то получим Учитывая, что - плотность тока удельная электрическая проводимость напряжённость электрического поля в проводнике, получим 3 Выражение 3 представляет собой закон Ома для плотности тока плотность тока проводимости равна произведению удельной электрической проводимости проводник на напряженность электрического поля в проводнике. Этот закон часто называют законом Ома в дифференциальной форме.

Если проводник неподвижен и в нём не протекают химические реакции, то работа тока идёт на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается. Количество тепла определяется по формуле , где Отсюда 4 Это закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.Если сила тока изменяется во времени, то количество тепла определяется по формуле 5 Используя закон Джоуля-Ленца можно перейти к выражению, характеризующему выделение тепла в различных физически элементарных объёмах проводника.

Выделив в проводнике элементарный объём в виде цилиндра - 1 - Здесь где . Разделив полученное уравнение на и , получим формулу объёмной плотности тепловой мощности тока 6 Это уравнение выражает закон Джоуля - Ленца для плотности тепловой мощности тока его часто называют законом Джоуля - Ленца в дифференциальной форме объёмная плотность тепловой мощности тока в проводнике равна произведению его удельной электрической проводимости на квадрат напряженности электрического поля в проводнике.

Сторонние силы Для того, чтобы электростатическое поле в проводнике, а вместе с ним и электрический ток не исчезали, необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом перемещать заряды, приносимые током, к концу проводника с большим потенциалом. Значит, заряды должны двигаться по замкнутому пути. Известно, что циркуляция электростатического поля при постоянном токе равна нулю. Следовательно, в замкнутой цепи должен быть участок, на котором положительные заряды движутся в сторону возрастания потенциала, то есть против сил электростатического поля. Перемещение зарядов на этом участке возможно только с помощью сил не электростатического происхождения, которые называются сторонними силами.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой ЭДС 7 Сторонние силы, действующие на заряд q на участке 1-2 можно представить следующим образом , где - напряжённость поля сторонних сил. Работа сторонних сил на участке 1-2 равна . Для замкнутой цепи . Следовательно, ЭДС, действующую в замкнутой цепи, можно представить как циркуляцию вектора напряжённости сторонних сил. На заряд действуют такие силы электростатического поля Тогда . Работа, совершаемая на участке 1-2 будет равна Величина, численно равная работе, совершённой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжёния или напряжёнием. Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным. Участок цепи, на котором отсутствуют сторонние силы, называют однородным.

Для однородного участка цепи , то есть напряжение совпадает с разностью потенциалов.

Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом На неоднородном участке цепи на носители тока действует электростатические силы и сторонние силы . Следовательно, плотность тока в этих точках оказывается пропорциональной сумме напряжений 8 Выражение 8 представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в дифференциальном виде. Перейдём к интегральной форме закона Ома. Рассмотрим неоднородный участок цепи. В следствие закона сохранения электрического заряда, сила тока в любом сечении проводника будет постоянной.

Подставим в 8 значения и . Получим выражение для элементарного участка цепи , где и - проекции на элемент контура . Умножим последнее соотношение на модуль и проинтегрируем по контуру . Учитывая, что - сопротивление участка цепи 1-2 получим . Если - способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении, то . Если нет, то . Запишем последнее соотношение в виде 9 Формула 9 представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме.

Для замкнутой цепи 10 Это закон Ома для замкнутого неоднородного участка цепи в интегральной форме. Здесь , где R - внешнее сопротивление цепи, r - сопротивление источника ЭДС. Правила Кирхгофа Узлом называется точка, в которой сходятся три и более проводника.

I правило Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю. рис.1 Запишем первое правило Кирхгофа для рис.1 . II правило Алгебраическая сумма падения напряжений в ветвях замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС, которые встречаются в этом контуре. 11 рис.2 Для составления уравнения 11 нужно условиться о направлении обхода контура по часовой стрелке или против её . Выбор этого направления совершенно произволен.

В случае обхода по часовой стрелке замкнутого контура АВСДА рис.2 уравнение 11 имеет вид . Ток в сплошной среде 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.Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора - к аноду рис.3 . Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде.

Ионы хлора, достигнув анода, отдают но одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков. Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей.Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO4 медный купорос в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди. Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде.

Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO4 вступает во вторичную реакцию с медным анодом SO4 Cu CuSO4. Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор. Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложение меди на катоде.

Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.Рисунок 3. Электролиз водного раствора хлорида меди. Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833году. 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. Величину k называют электрохимическим эквивалентом.

Второй закон Фарадея электрохимические эквиваленты различных веществ относятся, как и их химические эквиваленты Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду Здесь m0 и q0 - масса и заряд одного иона число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0. Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e q0 ne , то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде Здесь NA - постоянная Авогадро, M m0NA - молярная масса вещества, F eNA - постоянная Фарадея.

F eNA 96485 Кл моль. Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.Закон Фарадея для электролиза приобретает вид Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.

Список использованной литературы Савельева И.В. Курс общей физики Т2. М. Наука, 1982, 432с. Трофимова Т.И Курс физики М. Высш. шк 1998, 542с. А.А. Детлаф, Б.М. Яворский и др. Курс физики . М. Высш. шк 2001, 718с. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики М. Наука, 1990, 400с.