фізика / архив / 1 атестація / тема 3 Ел струм різні серд / заняття 14

Заняття 14

Електричний струм в розплавах і розчинах електролітів

Мета: ознайомити з розчинами та розплавами, що проводять струм, з новим типом провідності в електролітах, ознайомитися з законами електролізу та галузями їх застосування.

1. Електролітична дисоціація, іонна провідність.

2. Електроліз. Закони електролізу Фарадея.

3. Константа Фарадея.

4. Визначення заряду електрона.

Ключові слова: дисоціація, рекомбінація, іонна провідність, електроліт, електроліз, електрохімічний еквівалент.

Електролітична дисоціація, іонна провідність (чотири групи дослідів, що характеризують здатність рідини проводити електричний струм).

З курсу хімії відомо, що при розчиненні речовин під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул розчинених речовин на іони. Цей процес називається електролітичною дисоціацією. Ступінь дисоціації, тобто частка молекул в розчиненій речовині розпалися на іони, залежить від температури, концентрації розчину і діелектричної проникності розчинника. Із збільшенням температури ступінь дисоціації зростає і, отже, збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів.

Іони різних знаків при зустрічі можуть знову об'єднатися в нейтральні молекули - рекомбінувати (процес рекомбінації). За незмінних умов в розчині встановлюється динамічна рівновага, при якій число молекул, що розпадаються за секунду на іони, рівне числу пар іонів, які за той же час знов об'єднуються в нейтральні молекули.

Якщо судину з розчином включити в електричний ланцюг, то негативні іони почнуть рухатися до позитивного електроду - анода, позитивні іони до негативного електроду - катода. В результаті встановиться електричний струм. Відповідні рідини або розчини називаються електролітами. Перенесення заряду в розчинах або розплавах здійснюється іонами, відповідно, провідність називають іонною. Такі рідини, як рідкі, розплавлені метали володіють електронною провідністю.

Відомо чотири групи дослідів, що характеризують здатність рідини проводити електричний струм.

Перша група дослідів підтверджує той факт, що не всі рідини є електролітами.

1. Дистильована вода не є провідником електричного струму.

2. Водні розчини солей, кислот і підстав є хорошими провідниками струму (електролітами). В результаті електролітичної дисоціації при розчиненні у воді ці речовини розпадаються на іони. Наприклад, NaCl Na+ +Cl-.

3. Водні розчини багатьох органічних речовин не є провідниками електричного струму. Розчини цукру, спирту, крохмалю не провідники електричного струму, оскільки при розчиненні у воді вони розпадаються на молекули, а не на іони.

4. Наявність іонів в розчині є обов'язковою умовою його провідності. Якщо неорганічні речовини при розчиненні не діссоциюють на іони, розчини цих речовин не проводять струм. Так, розчин перманганату калію в ацетоні струм не проводить, а у воді - проводить.

Друга група дослідів доводить, що струм в рідинах протікає з перенесенням речовини, на відміну від металів, де дослід Рікке довів зворотне.

У стакан, в який опущено два електроди, наливають розчин мідного купоросу (CuSO4). При пропусканні струму через електроліт на одному з електродів (катоді) осідає мідь.

Третя група дослідів дозволяє відповісти на питання про природу носіїв струму в рідинах. Для цього демонструють наступний досвід: в трубці знаходиться розчин KJ. Маси іонів К⁺ і J^- різко відрізняються один від одного m_K=39, m_J=127. При обертанні трубки на іони К⁺ і J^- діятиме різна по величині сила, визначувана масою іонів, тому К⁺ і J^- виділяються на різних електродах. Таким чином, на електродах виникає різниця потенціалів, яку може реєструвати гальванометр.

Четверта група дослідів доводить, що електричний струм в електролітах є стрічним рухом позитивних і негативних іонів.

1. На скло, встановлене в утримувачі, накладають лист фільтрувального паперу, змоченого в розчині куховарської солі. По краях лист паперу зміцнюються електроди з фольги і латуні. По середині листу поміщається смуга фільтрувального паперу, змоченого розчином перманганату калію. При подачі напруги на електроди від середньої смуги до анода починає розповсюджуватися фіолетова смуга. Наявність фіолетової смуги пояснюється рухом негативних іонів окислу марганцю (іони калію безбарвні). Для доказу руху позитивних іонів до катода середню смугу змочують розчином сірчистого нікелю. Тепер позитивні іони нікелю мають зелене забарвлення. До катода розповсюджуватиметься зелена смуга.

2. До U- подібної трубку наливають розчин мідного купоросу (голубого кольору), а зверху з двох сторін азотнокислий калій (KNO3 - жовтого кольору). На межі двох середовищ утворюється зелена смуга. При пропусканні електричного струму через обидва розчини катіони Cu²⁺ спрямовуються до катода, а аніони SO₄^2- - до анода, внаслідок чого зелена смуга в одній половині трубки збільшиться (В розчин слід додати агар-агар або желатин).

Електроліз. Закони електролізу Фарадея

Знаючи механізм електропровідності, можна визначити масу речовини, що виділилася при електролізі. Якщо за час t через електроліт пройшов заряд q і до кожного електроду підійшло N іонів масою m_о, то на катоді відкладається речовина масою m = m_oN.

Маса іона , де  - молярна маса, N_A - число Авогадро.

Число іонів, де q_n - заряд іона, z - валентність речовини, е - заряд електрона.

Виведемо перший закон Фарадея для електролізу .

Маса речовини, що виділилася на електроді за час t при проходженні електричного струму, пропорційно силі струму і часу: .

де k- електрохімічний еквівалент даної речовини .

Другий закон Фарадея для електролізу: електрохімічний еквівалент пропорційний хімічному еквіваленту: ,

де , F = N_Ae - константа Фарадея. .

При обчисленні маси осів на катоді речовини у формулу закону Фарадея підставляють повний струм в електроліті, рівний сумі струмів позитивних і негативних зарядів (іонів). Пояснюється це тим, що переміщення негативних зарядів до анода еквівалентне струму позитивних зарядів до катода, оскільки в цілому електроліт нейтральний.

Якщо зіставити формули, одержимо з'єднаний закон Фарадея для електролітів: .

Константа Фарадея

F = N_Ae = 6,02^.10²³моль^-1.1,6^.10^-19 Кл = 9,632^.10⁴96000.

Фізичне значення константи Фарадея: константа чисельно рівна заряду, який треба пропустити через електроліт для виділення на електроді одного моля речовини.

Визначення заряду електрона. Закони Фарадея для електролізу зіграли величезну роль у виявленні дискретної природи електрики. Згідно об'єднаному закону Фарадея . Розділимо рівняння на масу іона: , де N - число іонів в масі речовини m.

Звідси заряд одного іона .

Отже, заряд іона виявляється цілим кратним величині, яка є елементарним зарядом. Таким чином, із законів електролізу Фарадея витікає дискретність зарядів.

Для дослідного визначення заряду електрона використовують формулу: .

Застосування електролізу:

• нікелювання, хромування, омедніння і т.д.;

• можна одержати копію з рельєфної поверхні;

• гальванопластика;

• очищення металів від домішок (мідь, боксити).

Питання для самоконтролю

1. Що називається електролітичною дисоціацією?

2. Що називається електролітами?

3. Якою провідністю володіють електроліти?

4. Які рідини добре проводять струм а які погано?

5. Які досліди підтверджують, що електричний струм в електролітах є стрічним рухом позитивних і негативних іонів?

6. Що таке електроліз?

7. Перший закон електролізу?

8. Другий та об’єднаний закон Фарадея?

9. Яке фізичне значення константи Фарадея?

10. Як за допомогою електролізу визначити заряд електрону?

11. Застосування електролізу.

Вправа 14

1. Які витрати електроенергії (у кВт^.год) на рафінування 1 т міді, якщо напруга на електролітичній ванні за технічними нормами 0,4 В?

2. Виріб необхідно вкрити шаром хрому товщиною 50 мкм. Скільки часу необхідно для покриття, якщо норма густини струму при хромуванні 2 кА/м²? Густина хрому 7200 кг/м³.

3. Електричний струм пропускають крізь електролітичну ванну з двома вуглецевими електродами, що наповнена розчином мідного купоросу. Як зміниться кількість міді, що виділилася за один і той же невеличкий час, якщо змінити лише одну з наступних умов: а) замінити вуглецевий анод мідним такої ж форми та об’єму; б) замінити вуглецевий катод мідним; в) збільшити напругу; г) долити електроліт тієї ж концентрації; д) збільшити концентрацію розчину; е) зблизити електроди; є) зменшити занурену частину аноду, катоду чи обох електродів; ж) нагріти електроліт?