Электрический ток в жидкостях. Движение зарядов, анионы катионы. Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз Какие частицы создают электрический ток в жидкостях

К жидкостям, являющимся проводниками, относятся расплавы и растворы электролитов, т.е. солей, кислот и щелочей.

При растворении электролитов в воде происходит распад их молекул на ионы – электролитическая диссоциация. Степень диссоциации, т.е. доля в растворенном веществе молекул, распавшихся на ионы, 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 могу снова объединиться в нейтральные молекулы. Такой процесс называется рекомбинация. 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.

Т.о., свободными носителями зарядов в проводящих жидкостях являются положительные и отрицательные ионы. Если в жидкость поместить электроды подключенные к источнику тока, то эти ионы начнут придут в движение. Один из электродов подключен к отрицательному полюсу источника тока – он называется катод – другой подключен к положительному - анод. При подключении к источнику тока ионы в растворе электролита отрицательные ионы начинают двигаться к положительному электроду (аноду), а положительные – соответственно к отрицательному (катоду). То есть установится электрический ток. Такую проводимость в жидкостях называют ионной, так как носителями заряда являются ионы.

При прохождении тока через раствор электролита на электродах происходит выделение вещества, связанное с окислительно-восстановительными реакциями. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (окислительная реакция), а на катоде положительные ионы принимают недостающие электроны (восстановительная реакция). Такой процесс называется электролизом.

При электролизе на электродах происходит выделение вещества. Зависимость массы выделившегося вещества m от силы тока, времени прохождения тока и самого вещества установил М.Фарадей. Этот закон можно получить теоретически. Итак, масса выделившегося вещества равна произведению массы одного иона m i на число ионов N i , достигших электрода за время Dt. Масса иона согласно формуле количества вещества равна m i =M/N a , где M – молярная масса вещества, N a – постоянная Авогадро. Число ионов, достигших электрода, равно N i =Dq/q i , где Dq – заряд, прошедший электролит за время Dt (Dq=I*Dt), q i – заряд иона, который определяется валентностью атома (q i = n*e, где n – валентность атома, e – элементарный заряд). При подстановке этих формул получаем, что m=M/(neN a)*IDt. Если обозначить через k (коэффициент пропорциональности) =M/(neN a), то имеем m=kIDt. Это математическая запись первого закона Фарадея – одного из законов электролиза. Масса вещества, выделившегося на электроде за время Dt при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и этому промежутку времени. Величину k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества, который численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда, равного 1 Кл. [k]= 1 кг/Кл. k = M/(neN a) = 1/F*M/n , где F – постоянная Фарадея. F=eN a =9,65*10 4 Кл/моль. Выведенная формула k=(1/F)*(M/n) является вторым законом Фарадея.

Электролиз широко применяется в технике для различных целей, например,так покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, омеднение и др.). Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от поверхности, то можно получить копию рельефа поверхности. Этот процесс называется гальванопластика. Также при помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей, например, толстые листы неочищенной меди, полученной из руды, помещают в ванну в качестве анода. В процессе электролиза медь растворяется, примеси выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь. С помощью электролиза ещё получают электронные платы. На диэлектрик наклеивают тонкую сложную картину соединяющих проводов, затем помещают пластину в электролит, где вытравливаются незакрытые краской участки медного слоя. После этого краска смывается и на плате появляются детали микросхемы.

Практически каждому человеку известно определение электрического тока как Однако все дело в том, что происхождение и движение его в различных средах достаточно сильно отличается друг от друга. В частности, электрический ток в жидкостях обладает несколько другими свойствами, чем Речь идет о тех же металлических проводниках.

Основное отличие состоит в том, что ток в жидкостях - это движение заряженных ионов, то есть атомов или даже молекул, которые по какой-либо причине потеряли или приобрели электроны. При этом одним из показателей этого движения является изменение свойств того вещества, по которому данные ионы проходят. Опираясь на определение электрического тока, мы можем предположить, что при разложении отрицательно заряженные ионы будут двигаться в сторону положительного а положительные, наоборот, к отрицательному.

Процесс разложения молекул раствора на положительные и отрицательные заряженные ионы получил в науке название электролитической диссоциации. Таким образом, электрический ток в жидкостях возникает вследствие того, что, в отличие от того же металлического проводника, изменяется состав и химические свойства этих жидкостей, результатом чего является процесс перемещения заряженных ионов.

Электрический ток в жидкостях, его происхождение, количественные и качественные характеристики были одной из главных проблем, изучением которой долгое время занимался знаменитый физик М. Фарадей. В частности, с помощью многочисленных экспериментов ему удалось доказать, что масса выделяемого при электролизе вещества напрямую зависит от количества электричества и времени, в течении которого этот электролиз осуществлялся. Ни от каких других причин, за исключением рода вещества, эта масса не зависит.

Кроме того, изучая ток в жидкостях, Фарадей экспериментально выяснил, что для выделения одного килограмма любого вещества при электролизе необходимо одно и то же количество Это количество, равное 9,65.10 7 к., получило название числа Фарадея.

В отличие от металлических проводников, электрический ток в жидкостях оказывается окруженным которые значительно затрудняют передвижение ионов вещества. В связи с этим, в любом электролите возможно образование тока только небольшого напряжения. В то же время, если температура раствора повышается, то его проводимость увеличивается, а поля возрастает.

Электролиз обладает еще одним интересным свойством. Все дело в том, что вероятность распада той или иной молекулы на положительные и отрицательные заряженные ионы тем выше, чем большее число молекул собственно вещества и растворителя. В то же время, в определенный момент наступает перенасыщение раствора ионами, после чего проводимость раствора начинает снижаться. Таким образом, наиболее сильная будет проходить в растворе, где концентрация ионов крайне невелика, однако напряженность электрического тока в таких растворах будет крайне низкой.

Процесс электролиза нашел широкое применение в различных промышленных производствах, связанных с проведением электрохимических реакций. К числу наиболее важных из них можно отнести получение металла с помощью электролитов, электролиз солей, содержащих хлор и его производные, окислительно-восстановительные реакции, получение такого необходимого вещества, как водород, полировка поверхностей, гальваника. Например, на многих предприятиях машино- и приборостроения весьма распространен метод рафинирования, который представляет собой получение металла без всяких ненужных примесей.

Происхождение электрического тока (движение электрических зарядов) через раствор существенно отличается от движения электрических зарядов по металлическому проводнику.

Различие, прежде всего в том, что зарядоносителями в растворах являются не электроны, а ионы, т.е. сами атомы или молекулы, потерявшие или захватившие один или несколько электронов.

Естественно, это движение, так или иначе, сопровождается изменением свойств самого вещества.

Рассмотрим электрическую цепь, элементом которой является сосуд с раствором поваренной соли и с вставленными в него электродами любой формы из пластины. При подключении к источнику питания в цепи появляется ток, представляющий собой в растворе движение тяжелых заряженных частиц - ионов. Появление ионов уже означает возможность химического разложения раствора на два основных элемента - Na и Cl. Натрий, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженный ион, движущийся к электроду, который подключен к отрицательному полюсу источника питания, электрической цепи. Хлор, “узурпировавший” электрон, представляет собой отрицательный ион.

Отрицательные ионы хлора движутся к электроду, который подключен к положительному полюсу источника питания эл. цепи.

Образование положительных и отрицательных ионов происходит вследствие самопроизвольного распада молекулы поваренной соли в водном растворе (электролитическая диссоциация). Движение ионов обусловлено напряжением, поданным на электроды, опущенные в раствор. Достигнув электродов, ионы забирают или отдают электроны, образуя соответственно молекулы Cl и Na. Подобные явления наблюдаются в растворах многих других веществ. Молекулы этих веществ, подобно молекулам поваренной соли, состоят из противоположно заряженных ионов, на которые они и распадаются в растворах. Количество распавшихся молекул, точнее, число ионов, характеризует электрическое сопротивление раствора.

Ещё раз подчеркнём, что происхождение электрического тока по цепи, элементом которой является раствор, вызывает перемещение вещества этого элемента электрической цепи, и, следовательно, изменение его химический свойств, в то время, как при прохождении электрического тока по металлическому проводнику никаких изменений в проводнике не происходит.

От чего зависит количество вещества, выделяющегося при электролизе на электродах? Впервые на этот вопрос ответил Фарадей. Фарадей показал экспериментально, что масса выделяемого вещества связана с силой тока и временем его протекания t соотношением (закон Фарадея):

Масса выделяющегося вещества при электролизе вещества прямо пропорциональна количеству прошедшего через электролит электричества и не зависит от других причин, кроме рода вещества.

Указанную закономерность можно проверить на следующих опытах. Нальём в несколько ванн один и тот же электролит, но разной концентрации. Опустим в ванны электроды, имеющие разную площадь, и расположим их в ванных на разных расстояниях. Соединим все ванны последовательно и пропустим через них ток. Тогда через каждую из ванн, очевидно, пройдёт одинаковое количество электричества. Взвесив катоды до и после опыта, мы обнаружим, что на всех катодах выделилось одинаковое количество вещества. Соединив все ванны параллельно и пропустив через них ток, можно убедиться, что количество вещества, выделившегося на катодах, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через каждую из них. Наконец, соединив последовательно ванны с различными электролитами, легко установить, что количество выделившегося вещества зависит от рода этого вещества.

Величина, характеризующая зависимость количества выделяющегося при электролизе вещества от его рода, называется электрохимическим эквивалентом и обозначается буквой к.

Масса вещества, выделяющегося при электролизе, представляет собой общую массу всех разрядившихся на электроде ионов. Подвергая электролизу разные соли, можно на опыте установить количество электричества, которое должно пройти через электролит, чтобы выделился один килограмм - эквивалент данного вещества. Такие опыты впервые проделал Фарадей. Он нашел, что для выделения одного килограмм - эквивалента любого вещества при электролизе требуется одинаковые количества электричества, равные 9,65·107 к.

Количество электричества, необходимое для выделения при электролизе килограмм - эквивалента вещества, называется числом Фарадея и обозначается буквой F:

F = 9,65·107 к.

В электролите ион оказывается окруженным молекулами растворителя (воды), обладающими значительными дипольными моментами. Взаимодействуя с ионом, дипольные молекулы поворачиваются к нему своими концами, имеющими заряд, знак которого противоположен заряду иона, поэтому упорядочное движение иона в электрическом поле затрудняется, и подвижность ионов значительно уступает подвижности электронов проводимости в металле. Так как и концентрация ионов обычно не велика по сравнению с концентрацией электронов в металле, то электрическая проводимость у электролитов всегда существенно меньше электрической проводимости металлов.

Вследствие сильного нагревания током в электролитах достижимы лишь незначительные плотности тока, т.е. небольшие напряженности электрического поля. При повышении температуры электролита упорядоченная ориентация диполей растворителя ухудшается под влиянием усилившегося беспорядочного движения молекул, поэтому дипольная оболочка частично разрушается, подвижность ионов и проводимость раствора увеличивается. Зависимость удельной электрической проводимости от концентрации при неизменной температуре сложна. Если растворение возможно в любых пропорциях, то при некоторой концентрации электрическая проводимость имеет максимум. Причина этого такова: вероятность распада молекул на ионы пропорциональна числу молекул растворителя и числу молекул растворимого вещества в единице объёма. Но возможен и обратный процесс: (рекомбинация ионов в молекулы), вероятность которого пропорциональна квадрату числа пар ионов. Наконец, электрическая проводимость пропорциональна числу пар ионов в единице объёма. Поэтому, при малых концентрациях диссоциация полная, но общее число ионов мало. При очень больших концентрациях диссоциация слабая и число ионов также невелико. Если растворимость вещества ограничена, то обычно максимума электрической проводимости не наблюдается. При замораживании вязкость водного раствора резко возрастает, подвижность ионов резко уменьшается, и удельная электрическая проводимость падает в тысячу раз. При затвердевании же жидких металлов подвижность электронов и удельная электрическая проводимость почти не изменяется.

Электролиз широко применяется в различных электрохимических производствах. Важнейшие из них: электролитическое получение металлов из водных растворов их солей и из их расплавленных солей; электролиз хлористых солей; электролитическое окисление и восстановление; получение водорода электролизом; гальваностегия; гальванопластика; электрополировка. Методом рафинирования получают чистый металл, очищенный от примесей. Гальваностегия - покрытие металлических предметов другим слоем металла. Гальванопластикой - получение металлических копий с рельефных изображений каких-либо поверхностей. Электрополировка - выравнивание металлических поверхностей.

Жидкости по степени электропроводности делятся на:
диэлектрики (дистиллированная вода),
проводники (электролиты),
полупроводники (расплавленный селен).

Электролит

Это проводящая жидкость (растворы кислот, щелочей, солей и расплавленные соли).

Электролитическая диссоциация
(разъединение)

При растворении в результате теплового движения происходят столкновения молекул растворителя и нейтральных молекул электролита.
Молекулы распадаются на положительные и отрицательные ионы.

Явление электролиза

- сопровождает прохождение эл.тока через жидкость;
- это выделение на электродах веществ, входящих в электролиты;
Положительно заряженные анионы под действием электрического поля стремятся к отрицательному катоду, а отрицательно заряженные катионы - к положительному аноду.
На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны (окислительная реакция)
На катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

Закон электролиза

1833г. - Фарадей

Закон электролиза определяет массу вещества, выделяемого на электроде при электролизе за время прохождения эл.тока.

k - электрохимический эквивалент вещества, численно равный массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит заряда в 1 Кл.
Зная массу выделившегося вещества, можно определить заряд электрона.

Например, растворение медного купороса в воде.

Электропроводность электролитов , способность электролитов проводить электрический ток при приложении электрического напряжения. Носителями тока являются положительно и отрицательно заряженные ионы - катионы ианионы, которые существуют в растворе вследствие электролитич.диссоциации. Ионная электропроводность электролитов, в отличие от электронной, характерной для металлов, сопровождается переносом вещества к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений. Общая (суммарная) проводимость состоит из проводимости катионов и анионов, которые под действием внешнего электрического поля движутся в противоположных направлениях. Доля общего кол-ва электричества, переносимого отдельными ионами, называется числами переноса, сумма которых для всех видов ионов, участвующих в переносе, равна единице.

Полупроводник

Монокристаллическийкремний - полупроводниковый материал, наиболее широко используемый в промышленности на сегодняшний день

Полупроводни́к - материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры .

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам , а арсенид индия - к узкозонным . К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира - полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Механизм электрической проводимости[править | править вики-текст]

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10 −19 Дж против 11,2·10 −19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10 −19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5-2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Дырка[править | править вики-текст]

Основная статья: Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Магнитное поле

Магни́тноепо́ле - силовое поле, действующее на движущиесяэлектрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения ; магнитная составляющаяэлектромагнитного поля .

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/илимагнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времениэлектрического поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля) . С математической точки зрения - векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал .

Источники магнитного поля[править | править вики-текст]

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времениэлектрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам

Вода, как универсальный растворитель.. Водные растворы.. Электролитическая диссоциация.. Электролит.. Слабые и сильные электролиты.. Носители электрических зарядов в жидкости.. Положительные и отрицательные ионы.. Электролиз.. Расплавы.. Природа электрического тока в расплавах..

Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля. О природе электрического тока в металлах мы говорили и.
В этом уроке мы попытаемся разобраться, какие частицы переносят электрический заряд в жидкостях и расплавах.

Вода, как универсальный растворитель

Как мы знаем, дистиллированная вода не содержит носителей зарядов и поэтому не проводит электрический ток, т. е. является диэлектриком. Однако наличие каких-либо примесей уже делает воду достаточно хорошим проводником.
Вода обладает феноменальной способностью растворять в себе почти все химические элементы. При растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, оснований, солей и др.) раствор становится проводником из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор – электролитом, способным проводить электрический ток. Все водные бассейны на Земле в большей или меньшей степени являются природными электролитами.

Мировой океан представляет собой раствор ионов практически всех элементов таблицы Менделеева.

Желудочный сок, кровь, лимфа, все жидкости в организме человека являются электролитами. Все животные и растения также в основном состоят из электролитов.

По степени диссоциации есть слабые и сильные электролиты. Вода относится к слабым электролитам, а большинство неорганических кислот относится к сильным электролитам. Электролиты еще называют проводниками второго рода.

Носители электрических зарядов в жидкости

При растворении в воде (или в другой жидкости) различных веществ, они распадаются на ионы.
Например, обыкновенная поваренная соль NaCl (хлорид натрия) в воде разделяется на положительные ионы натрия (Na +) и отрицательные ионы хлора (Cl -). Если два полюса в полученном электролите находятся под различными потенциалами, то отрицательные ионы дрейфуют к положительному полюсу, в то время как положительные ионы дрейфуют к отрицательному полюсу.

Таким образом, электрический ток в жидкости состоит из потоков положительных и отрицательных ионов, направленных навстречу друг другу.

В то время как абсолютно чистая вода является изолятором, вода, содержащая даже небольшие примеси (естественные либо привнесенные извне) ионизированного вещества, является проводником электрического тока.

Электролиз

Поскольку положительные и отрицательные ионы растворенного вещества под воздействием электрического поля дрейфуют в разные стороны, вещество постепенно разделяется на две части.

Такое разделение вещества на составляющие его элементы называется электролизом.

Электролиты используются в электрохимии, в химических источниках тока (гальванические элементы и батареи), в производственных процессах гальваники и других технологиях, основанных на движении электрических зарядов в жидкостях под действием электрического поля.

Расплавы

Диссоциация вещества возможна и без участия воды. Достаточно расплавить кристаллы химического состава вещества и получить расплав. Расплавы вещества так же, как водные электролиты являются проводниками второго рода, а потому их можно называть электролитами. Электрический ток в расплавах имеет ту же природу, что и ток в водных электролитах – это встречные потоки положительных и отрицательных ионов.

Используя расплавы, в металлургии получают алюминий электролитическим способом из глинозема. Электрический ток пропускается через оксид алюминия и в процессе электролиза у одного из электродов (катода), накапливается чистый алюминий. Это очень энергоемкий процесс, который по энергопотреблению напоминает разложение воды на водород и кислород с помощью электрического тока.

В цехе электролиза алюминия