рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Постоянный ток в жидкостях (растворах электролитов)

Постоянный ток в жидкостях (растворах электролитов) - раздел Физика, Учебно-методической комиссией Физика: курс лекций/ Г.В. Яборов, С.Н. Кравченко. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – Ч. 2. ­– 63 с. Глава 1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ Неметаллические Проводящие Ток Жидкости Обладают Ионной Проводимостью, Т.е. Н...

Неметаллические проводящие ток жидкости обладают ионной проводимостью, т.е. носители тока в них положительные и отрицательные ионы. Такие жидкости называются электролитами или проводниками II рода. К электролитам относятся водные растворы солей, кислот, щелочей, расплавы солей и некоторые растворы солей на органических растворителях. В электролитах вещество находится в особом состоянии, представляя собой свободные ионы, называемом диссоциированном состоянием. Диссоциация – процесс распада вещества на положительные (катионы) и отрицательны (анионы) ионы при растворении или расплавлении.

Универсальным растворителем, как известно, является вода. Сама по себе молекула воды должна быть ковалентным полярным диэлектриком. Но в виду сильной полярности связи водород–кислород (перетекание электронной плотности от кислорода к водороду) вода обладает уникальными химическими и физическими свойствами. Во-первых, в отличие от всех других соединений кроме аммиака, плотность воды в твердом состоянии (лед) меньше плотности в жидком состоянии. Поэтому при кристаллизации воды, лед плавает на поверхности расплава. В других веществах, твердая фаза оседает на дно расплава. Во-вторых, вода в жидком состоянии представляет собой механическую смесь молекул воды (H2O) и диссоциированных ионов водорода и гидрооксил-ионов. Реакция диссоциации воды, записывается химическим равновесным уравнением:

. (50)

В теории кинетики химических реакций определяется константа диссоциации K, которая определяется как отношение числа распавшихся ионов в растворе на число растворенных. Для воды, при нормальных условиях, , т.е. одна молекула из десяти миллионов распадается на ионы водорода и гидрооксила.

Натуральный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком, в водном растворе называют водородным показателем и обозначают pH (на всех языках произносится пэ-аш, а не пи-эйтч!):

.  

Для чистой воды pH=7 и чистая вода считается нейтральной средой. Среда считается кислой (водный раствор кислоты и чистые кислоты испытывающие явление диссоциации) если pH<7, а щелочной – pH>7. В водных растворах водородный показатель меняется от большего нуля значения до шестнадцати. Для измерения степени кислотности или щелочности среды используют цветовые химические индикаторы (реактивы, меняющие цвет в определенном интервале pH) или электронные измерители pH-метры.

Чистая вода считается диэлектриком (ε=78), но хотя в чистой воде есть носители заряда в виде диссоциированных молекул (иногда говорят, что вода является растворителем себя), и объемная концентрация их много мала, по сравнению с металлом:

.  

Исходя из этой, оценки вода должна быть очень слабым проводником. На практике, действительно, чистая вода очень слабо, но проводит ток.

При растворении в воде соли, соль диссоциируется на ионы, и если константа диссоциации велика, то раствор становится электролитом и проводит электрический ток. Электрический ток в электролитах сопровождается явлением электролиза – выделением на электродах составных частей растворенных веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах.

Рассмотрим процесс электролиза на классическом примере в водном растворе медного купороса. Данный процесс проводят на медно-электрохимических заводах. Реакция диссоциации медного купороса состоит из двух ступеней и выглядит следующим образом:

.  

Константа диссоциации по первой ступени () порядка 10–2, а по второй – 10–5. Диссоциация по второй ступени в неразбавленных растворах медного купороса вызывает образование за счет сил кулоновского притяжения ионов меди и гидрооксила нестабильного иона , обеспечивающего голубую окраску раствора и кислотность раствора. В насыщенных растворах, имеющих зеленую окраску, образуется более сложный ион, за счет сил кулоновского притяжения иона Cu2+ и иона. Поскольку константа диссоциации по первой ступени намного больше, чем по второй, то при электролизе медного купороса, преимущественную роль играют ионы меди и сульфат-ионы, причем наведенное внешнее электрическое поле будет смещать равновесие реакции диссоциации в сторону первой ступени, т.е. уменьшению концентрации иона в растворе.

Устройства для проведения электролиза называют электролизерами или электролизными ваннами. Электролизер представляет из себя ванну, сделанную из пассивного для данного раствора соли и продуктов реакции материала. В ванну заливают раствор и в раствор опускают два электрода (катод и анод), так же сделанные из пассивного материала (углерода, платины и пр.). Если электролиз применяется для рафинирования металла, то анод делается из металла, металлургической чистоты, а катод из рафинированного металла, т.к. на катоде будет осаждаться чистый металл. Рассмотрим процессы, проходящие при электролизе медного купороса, в электролизере, изображенном на рис. 12.

 

Катод (–) Анод (+)

 
 


Cu2+ e e Cu2+ SO42– SO42–

Cu2+ e e Cu2+ SO42– SO42–

H+ e e H+ OH OH

Cu2+ e e Cu2+ SO42– SO42–

Cu2+ e e Cu2+ SO42– SO42–

H+ e e H+ OH OH

Cu2+ e e Cu2+ SO42– SO42–

 

 
 


Рис. 12. Схема электролиза медного купороса.

Напряжение между катодом и анодом поддерживают порядка единиц вольт, немного выше потенциала ионизации металлического иона (Cu2+). Между катодом и анодом наведено внешнее электрическое поле от источника тока. Это поле действует посредством силы Кулона на ионы, так что следствием этого действия будет наличие повышенной концентрации положительных ионов (катионов) Cu2+ и H+ у катода, и повышенной концентрацией отрицательных ионов (анионов) SO42– и OH у анода, по сравнению с другими объемами раствора. Полному расслоению ионов препятствует тепловое перемешивание. Рассмотрим отдельно электродные процессы.

У поверхности катода находятся электроны, нанесенные ЭДС источника тока. Также у поверхности катода присутствуют ионы меди Cu2+ и ионы водорода H+. Ни чего не мешает данным катионам восстановиться до атомарной меди и атомарного водорода. Электрохимические уравнения выглядят следующим образом:

Cu2++2e→Cu0 2H++2e→H2↑.   (51)

На катоде в данном случае осаждается металлическая медь и выделяется газообразный водород.

На аноде происходят аналогичные процессы, но не восстановления, а окисления. У поверхности анода повышенная концентрация анионов SO42– и OH. Сульфат-ион разорвать малыми напряженностями электрического поля не возможно, а восстановить гидрооксил-ион можно. В электрохимическом восстановительном уравнении (51) задействовали четыре электрона с катода, соответственно в силу закона сохранения заряда, четыре электрона должны быть отданы аноду. Электрохимическое уравнение в данном случае следующее:

4OH–4е→4[OH]0→4H++2O2↑. (52)

Конечной стадией электролиза раствора медного купороса будет раствор серной кислоты. Для подтверждения этого проверим химический баланс катодного (51) и анодного (52) уравнений. Разность правых и левых частей:

Cu0+H2↑+4H++2O2↑–Cu2+–2e–2H+–2e–4OH+4е =2H++4e.  

Получаем, что в растворе остается два иона водорода, присутствующие сульфат-ионы, и ушло четыре электрона на процесс электролиза от источника тока.

В результате электролиза, масса, выделившегося металла на катоде будет пропорциональна заряду, прошедшему через электролит, т.к. в восстановлении металла участвуют электроны источника тока. Это – первый закон Фарадея:

.  

Счетное количество электронов используется для восстановления металла – необходимо перейти от заряда к количеству электронов:

,  

где e – заряд электрона.

Так для восстановления двухвалентного иона нужно два электрона, трехвалентного – три и т.д., следовательно, масса выделившегося металла будет обратно пропорциональна валентности (заряду) иона в растворе:

.  

Поскольку при электролизе, на катоде восстанавливаются атомы, а ставится цель подсчитать массу металла, то чтобы перейти от числа атомов к массе, нужно домножить на атомарную массу, деленную на постоянную Авогадро:

.   (53)

В выражении (53) поставлен знак равно, т.к. больше, как видно из электрохимических уравнений, масса выделившегося металла на катоде ни от чего не зависит. Это и есть закон электролиза. В классическом виде, от записывается:

, (54)

где F=e·NA – универсальная постоянная Фарадея. Отношение атомарной массы к валентности иона в растворе в электрохимии называется электрохимическим эквивалентом.

Так же кроме восстановления металла на катоде идет и восстановление водорода, поэтому при расчете электролиза еще и необходимо учитывать реакции электролиза воды.

Рассмотренный процесс электролиза меди применяют на электролизно-медном заводе. Металлургическая медь, не пригодна для производства проводов. Поскольку медная руда всегда полиметаллическая, кроме меди содержит цинк, железо, редкоземельные элементы, сурьму, олово и т.д. Металлургическим процессом убрать все примеси невозможно или очень дорого. Для удаления примесей из металлургической меди применяют электро-рафинирование. Анод отливают из металлургической меди, катод и проволок чистой меди в виде решетки и опускают в раствор серной кислоты. Напряжение между катодом и анодом держат немного выше потенциала ионизации меди. Под действием тока анод растворяется в серной кислоте и переходит в ион меди, на катоде он восстанавливается в чистую медь. Примеси остаются или в растворе или выпадают в шлам на дно электролизера. Точно таким же способом рафинируют цинк и другие металлы.

Рассмотрим процесс электролиза растворов солей щелочных металлов, например, хлорида натрия (NaCl). На катоде пытается восстановиться натрий, но он тут же растворяется в раствор едкого натра, поскольку металлический натрий с водой активно реагирует по схеме: 2Na+2H2O→2Na++2OH+H2↑. Катодные и анодные процессы при электролизе раствора NaCl идут по схеме:

на катоде:, на аноде:.  

Плюс реакции электролиза воды:

на катоде:, на аноде:.  

Конечным продуктом электролиза будет раствор едкого натра.

Другим образом обстоит дело при электролизе расплава солей щелочных металлов. При расплавлении соль в расплаве диссоциирует на ионы, например:

NaCl→Na++Cl.  

При электролизе расплава поваренной соли на катоде будет осаждаться натрий, на аноде – выделяться хлор:

на катоде: 2Na++2e→2Na0, на аноде: 2Cl–2e→Cl2↑.  

Электролизом расплава можно выделить чистые активные металлы. Среди щелочных металлом широкое применение в промышленности литий, натрий и калий. Все эти металлы поучают электрометаллургическим путем.

Обратный электролизу процесс, связанный с растворением металла в электролите и отбором освободившихся при этом электронов в виде электрического тока в внешнюю сеть используется в химических источниках тока (батареях и аккумуляторах).В аккумуляторах осуществляются обратимые реакции разряда (растворения катода в электролите) и заряда (восстановления металла катода после разряда путем электролиза). Простейший гальванический элемент представляет из себя два электрода: активный (катод) и пассивный (анод) опущенные в раствор электролита, которым может быть раствор кислоты, щелочи или соли.

Рассмотрим работу распространенного коммерческого гальванического цинкового элемента, с электрохимической парой цинк – двуокись марганца, или, как их обычно называют, марганцево-цинковые элементы. Фонари, радиоприемная и радиопередающая аппаратура, телефония, сигнальные приборы, измерительная аппаратура – вот далеко не полный перечень применения этих крайне неприхотливых, удобных в эксплуатации и дешевых источников тока.

Катод изготовляют в виде цинкового стаканчика, а анод – из порошка двуокиси марганца в смеси с порошкообразным графитом, напрессованной на угольный стержень, являющийся токоотводом. Электролит в стаканчиковом элементе состоит из раствора хлористого аммония и хлористого цинка, с добавлением загустителя. В качестве загустителя применяют коллоиднообразующие вещества, до недавнего времени использовали крахмал или отходы мукомольного производства.

Химическая реакция в цинковом элементе следующая:

.  

Цинк, при растворении отдает два электрона, которые и поступают в внешнюю сеть.

Кроме основных характеристик источника тока (ЭДС и внутреннее сопротивление), химические источники тока характеризуют еще одной важной величиной – электрической емкостью, выражаемой обычно в ампер-часах (А·ч). Электрическая емкость источника тока показывает максимальный заряд, который может отдать источник. Например, если на автомобильной стартерной аккумуляторной батарее написана емкость 55 А·ч, то это означает, что батарея может отдать максимальный заряд в сеть 55·3600=198 кКл, но совсем не то, что при токе в 55 А батарея проработает 1 ч.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Учебно-методической комиссией Физика: курс лекций/ Г.В. Яборов, С.Н. Кравченко. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – Ч. 2. ­– 63 с. Глава 1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ

Я... Одобрено учебно методической комиссией машиностроительного факультета филиала ЮУрГУ в г Миассе...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Постоянный ток в жидкостях (растворах электролитов)

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Закон сохранения электрического заряда
  Взаимодействие между электрически заряженными частицами или телами, движущимися произвольным образом относительно инерциальной системы координат, осуществляется посредством электром

Закон Кулона
  Закон Кулона определяет силу взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами. В скалярном виде он записывается следующим образом:

Напряженность электрического поля
  Электростатическое поле не дано человеку в ощущении. Это особый вид материи, наличие которой можно определить с помощью инструмента. Инструментом в данном случае служит пробное заря

Потенциал электрического поля
  Из закона Кулона и определения напряженности электрического поля следует, что напряженность электрического поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, и на бесконечном

Поле электрического диполя в вакууме
  Электрическим диполем называется простейшая система из двух одинаково разноименно заряженных точечных зарядов, находящийся на расстоянии l, изображенная на рис.2. Вектор

Для электростатического поля в вакууме
  Вычисление напряженностей простейших электростатических полей, генерируемых точечными зарядами решается в рамках закона Кулона. Однако вычисление напряженности электростатического п

Дипольные моменты молекул диэлектрика
  Диэлектриками или изоляторами называются вещества, которые при обычных условиях не проводят электрический ток. Согласно классической теории, в диэлектриках в отличие от про

Поляризация диэлектриков
  Если полярный диэлектрик не находится во внешнем электрическом поле, то в результате теплового движения молекул векторы их электрических дипольных моментов ориентированы беспорядочн

В изотропной диэлектрической среде
  При рассмотрении электрического поля в веществе различают два типа электрических зарядов: свободные и связанные. Связанными зарядами называют заряды, которые входят в соста

В изотропной диэлектрической среде
  В изотропной диэлектрической среде вектор поляризованности пропорционален вектору напряженности внешнего эл

Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектриками называется группа твердотельных кристаллических ионных диэлектриков, обладающих в интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая сильно изменяется под в

Распределение зарядов в проводнике
Металл, в отличие от диэлектрика, проводит электрический ток. Следовательно, в металлических проводниках имеются свободные носители заряда – электроны проводимости или свободные электроны, которые

Электрическая емкость уединенного проводника
  Уединенным называется проводник, который находится столь далеко от других тел, что влиянием их электрических полей можно пренебречь. Характер распределения зарядов по поверхности за

Взаимная электрическая емкость двух проводников. Конденсаторы
  Рассмотрим систему, состоящею из двух проводников, заряды которых равны и противоположны по знаку или один заряжен, а другой нет. Если проводники удалены от других заряженных тел, т

Энергия заряженных проводников и электростатического поля
  В этом разделе всюду предполагается, что среда, в которой находятся заряженные тела и создано электрическое поле, электрически изотропная и не обладает сегнетоэлектрическими свойств

Законы постоянного тока в проводниках
4.2.1. Закон Ома для полной цепи   Полной электрической цепью называется цепь, составленная из источника постоянного тока и активной нагрузки в виде сопротивления (рис

Постоянный ток в газах
  Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из атомов и молекул. В газах атомы и молекулы находятся в обособленном состоянии и, соответственно, они полностью электрически не

Работа выхода электрона из металла
Электроны проводимости металла, совершая беспорядочное тепловое движение, могут вылетать за пределы металлического тел, поэтому у поверхности металла существует электронное облако, постоянно обмени

Электронно-вакуумный диод
Простейший электронно-вакуумный прибор, состоящий из двух электродов, называется диодом. Электронно-вакуумный диод, представляет собой металлический или стеклянный баллон, внутри которого размещены

Электронно-вакуумный триод
В отличие от диода, электронно-вакуумном триоде – три электрода: катод, анод и сетка. Третий электрод (сетка) выполнен в виде металлической решетки из тонких проводников и расположен ближе к катоду

Заряд и разряд конденсатора
  Конденсатор не проводит постоянный ток. При подключении к источнику тока разряженного конденсатора, он зарядится, и ток по нему, в дальнейшем, не потечет. Но, можно показать, что пр

Конденсатор в цепи гармонического переменного тока
  Если подключить конденсатор параллельно к генератору переменного синусоидального (гармонического) тока, то через конденсатор будет протекать синусоидальный ток без искажения закона

RC-цепь в переменном синусоидальном токе
  Иные процессы происходят при включении последовательно конденсатору сопротивления в цепь генератора синусоидального тока. Схема включения приведена на рис. 20.

Выбор системы координат и некоторые действия над векторами
Для математического нахождения положения точки в пространстве строится прямоугольная система координат, введенная Р.Декартом. Все три оси в декартовый системе координат взаимно перпендикулярны. Оси

Правила дифференцирования и интегрирования
Если , и

Комплексная арифметика
Мнимой, или комплексной единицей называют число , получаемое при решении уравнения

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги