Praktična primjena električne struje u tekućinama. Električna struja u tekućinama. Gibanje naboja, anioni kationi. Praktična primjena elektrolize

Tekućine, kao i sve druge tvari, mogu biti vodiči, poluvodiči i dielektrici. Na primjer, destilirana voda bit će dielektrik, a otopine elektrolita i taline bit će vodiči. Poluvodiči će biti, na primjer, rastaljeni selen ili taline sulfida.

Ionska kondukcija

Elektrolitička disocijacija je proces raspadanja molekula elektrolita na ione pod utjecajem električnog polja polarnih molekula vode. Stupanj disocijacije je udio molekula razloženih na ione u otopljenoj tvari.

Stupanj disocijacije ovisit će o različitim čimbenicima: temperaturi, koncentraciji otopine, svojstvima otapala. Kako temperatura raste, tako će se povećati i stupanj disocijacije.

Nakon što se molekule podijele na ione, kreću se nasumično. U tom slučaju dva iona različitih predznaka mogu se rekombinirati, odnosno ponovno spojiti u neutralne molekule. U nedostatku vanjskih promjena u otopini treba uspostaviti dinamičku ravnotežu. S njim će broj molekula koje su se raspale na ione u jedinici vremena biti jednak broju molekula koje će se ponovno sjediniti.

Nositelji naboja u vodenim otopinama i talinama elektrolita bit će ioni. Ako je u krug uključena posuda s otopinom ili talinom, tada će se pozitivno nabijeni ioni početi kretati prema katodi, a negativni - prema anodi. Kao rezultat tog kretanja nastat će električna struja. Ova vrsta vodljivosti naziva se ionska kondukcija.

Osim ionske vodljivosti u tekućinama može imati i elektronsku vodljivost. Ova vrsta vodljivosti karakteristična je, na primjer, za tekuće metale. Kao što je gore navedeno, u ionskoj kondukciji, prolaz struje povezan je s prijenosom tvari.

Elektroliza

Tvari koje su dio elektrolita će se taložiti na elektrodama. Taj se proces naziva elektroliza. Elektroliza je proces oslobađanja tvari na elektrodi, povezan s redoks reakcijama.

Elektroliza je našla široku primjenu u fizici i tehnici. Uz pomoć elektrolize, površina jednog metala prekriva se tankim slojem drugog metala. Na primjer, kromiranje i niklanje.

Pomoću elektrolize možete dobiti kopiju s reljefne površine. Za to je potrebno da se metalni sloj koji se taloži na površini elektrode može lako ukloniti. Da biste to učinili, grafit se ponekad nanosi na površinu.

Postupak dobivanja takvih premaza koji se lako gule naziva se galvanizacija. Ovu je metodu razvio ruski znanstvenik Boris Jacobi u izradi šupljih figura za Katedralu svetog Izaka u Sankt Peterburgu.

Apsolutno svi znaju da tekućine mogu savršeno provoditi električnu energiju. Također je dobro poznata činjenica da su svi vodiči podijeljeni u nekoliko podskupina prema svojoj vrsti. Predlažemo da u našem članku razmotrimo kako se električna struja provodi u tekućinama, metalima i drugim poluvodičima, kao i zakone elektrolize i njezine vrste.

Teorija elektrolize

Kako bismo lakše razumjeli o čemu se radi, predlažemo da počnemo s teorijom da je elektricitet, ako električni naboj smatramo nekom vrstom tekućine, poznat već više od 200 godina. Naboji se sastoje od pojedinačnih elektrona, ali oni su tako mali da se svaki veliki naboj ponaša kao kontinuirani tok, tekućina.

Kao i čvrsta tijela, tekući vodiči mogu biti tri vrste:

• poluvodiči (selen, sulfidi i drugi);
• dielektrici (alkalne otopine, soli i kiseline);
• vodiče (recimo, u plazmi).

Proces u kojem se pod utjecajem električnog molarnog polja otapaju elektroliti i raspadaju ioni naziva se disocijacija. Zauzvrat, udio molekula koje su se raspale u ione, ili raspadnutih iona u otopljenoj tvari, u potpunosti ovisi o fizičkim svojstvima i temperaturi u različitim vodičima i talinama. Obavezno zapamtite da se ioni mogu rekombinirati ili rekombinirati. Ako se uvjeti ne promijene, tada će broj raspadnutih i ujedinjenih iona biti jednako proporcionalan.

U elektrolitima ioni provode energiju, jer. mogu biti i pozitivno nabijene čestice i negativno. Tijekom spajanja tekućine (odnosno posude s tekućinom na izvor napajanja), čestice će se početi kretati prema suprotnim nabojima (pozitivni ioni počet će se privlačiti katodama, a negativni ioni anodama). U ovom slučaju, energija se prenosi izravno ionima, pa se ova vrsta vodljivosti naziva ionskom.

Tijekom ove vrste provođenja struju prenose ioni, a na elektrodama se oslobađaju tvari koje su sastavni dijelovi elektrolita. Kemijski govoreći, dolazi do oksidacije i redukcije. Dakle, električna struja u plinovima i tekućinama prenosi se elektrolizom.

Zakoni fizike i struja u tekućinama

Električna energija u našim domovima i uređajima obično se ne prenosi metalnim žicama. U metalu se elektroni mogu kretati od atoma do atoma i tako nositi negativan naboj.

Kao i tekućine, pokreću ih u obliku električnog napona, poznatog kao napon, mjeren u voltima, po talijanskom znanstveniku Alessandru Volti.

Video: Električna struja u tekućinama: potpuna teorija

Također, električna struja teče od visokog napona do niskog napona i mjeri se u jedinicama poznatim kao amperi, nazvanim po André-Marie Ampèreu. A prema teoriji i formuli, ako povećate napon, tada će se i njegova snaga proporcionalno povećati. Ovaj odnos je poznat kao Ohmov zakon. Kao primjer, dolje je prikazana karakteristika virtualne struje.

Ohmov zakon (s dodatnim pojedinostima o duljini i debljini žice) obično je jedna od prvih stvari koje se uče na nastavi fizike, pa mnogi učenici i nastavnici stoga električnu struju u plinovima i tekućinama smatraju osnovnim zakonom fizike.

Da biste vlastitim očima vidjeli kretanje naboja, morate pripremiti tikvicu sa slanom vodom, ravne pravokutne elektrode i izvore struje, također će vam trebati instalacija ampermetra, uz pomoć koje će se energija provoditi iz snage dovod elektroda.

Ploče koje djeluju kao vodiči moraju se spustiti u tekućinu i uključiti napon. Nakon toga će započeti kaotično kretanje čestica, ali kako će nakon pojave magnetskog polja između vodiča, ovaj proces biti uređen.

Čim ioni počnu mijenjati naboje i spajati se, anode postaju katode, a katode anode. Ali ovdje morate uzeti u obzir električni otpor. Naravno, teorijska krivulja igra važnu ulogu, ali glavni utjecaj ima temperatura i razina disocijacije (ovisno o odabranim nositeljima), kao i izbor izmjenične ili istosmjerne struje. Dovršetkom ovog eksperimentalnog istraživanja možete primijetiti da se na čvrstim tijelima (metalnim pločama) stvorio tanak sloj soli.

Elektroliza i vakuum

Električna struja u vakuumu i tekućinama prilično je komplicirano pitanje. Činjenica je da u takvim medijima nema naboja u tijelima, što znači da je dielektrik. Drugim riječima, cilj nam je stvoriti uvjete da atom elektrona može započeti svoje kretanje.

Da biste to učinili, morate koristiti modularni uređaj, vodiče i metalne ploče, a zatim postupite kao u gornjoj metodi.

Primjena elektrolize

Ovaj proces se primjenjuje u gotovo svim područjima života. Čak i najelementarniji posao ponekad zahtijeva intervenciju električne struje u tekućinama, npr.

Uz pomoć ovog jednostavnog postupka, čvrsta tijela se presvlače najtanjim slojem bilo kojeg metala, na primjer, niklanjem ili kromiranjem. ovo je jedan od mogućih načina borbe protiv korozijskih procesa. Slične tehnologije koriste se u proizvodnji transformatora, mjerača i drugih električnih uređaja.

Nadamo se da smo našim obrazloženjem odgovorili na sva pitanja koja se javljaju pri proučavanju fenomena električne struje u tekućinama. Ako trebate bolje odgovore, savjetujemo vam da posjetite forum električara, gdje ćete se rado besplatno konzultirati.

S obzirom na njihova električna svojstva, tekućine su vrlo raznolike. Rastaljeni metali, poput metala u čvrstom stanju, imaju visoku električnu vodljivost povezanu s visokom koncentracijom slobodnih elektrona.

Mnoge tekućine, kao što su čista voda, alkohol, kerozin, dobri su dielektrici, jer su njihove molekule električki neutralne i u njima nema slobodnih nositelja naboja.

elektroliti. Posebnu klasu tekućina čine tzv. elektroliti, u koje spadaju vodene otopine anorganskih kiselina, soli i baza, taline ionskih kristala itd. Elektrolite karakterizira prisutnost visokih koncentracija iona, što omogućuje električni struja za prolazak. Ti ioni nastaju tijekom taljenja i tijekom otapanja, kada se pod utjecajem električnih polja molekula otapala molekule otopljene tvari razgrađuju na zasebne pozitivno i negativno nabijene ione. Taj se proces naziva elektrolitička disocijacija.

elektrolitička disocijacija. Stupanj disocijacije a određene tvari, tj. udio molekula otopljene tvari razloženih na ione, ovisi o temperaturi, koncentraciji otopine i permitivnosti otapala. Kako temperatura raste, stupanj disocijacije raste. Ioni suprotnih predznaka mogu se rekombinirati, sjedinjujući se ponovno u neutralne molekule. U stalnim vanjskim uvjetima u otopini se uspostavlja dinamička ravnoteža u kojoj se procesi rekombinacije i disocijacije međusobno kompenziraju.

Kvalitativno, ovisnost stupnja disocijacije a o koncentraciji otopljene tvari može se utvrditi korištenjem sljedećeg jednostavnog razmišljanja. Ako jedinični volumen sadrži molekule otopljene tvari, tada su neke od njih disocirane, a ostale nisu disocirane. Broj elementarnih akata disocijacije po jedinici volumena otopine proporcionalan je broju nerazdijeljenih molekula i stoga je jednak gdje je A koeficijent koji ovisi o prirodi elektrolita i temperaturi. Broj činova rekombinacije proporcionalan je broju sudara nesličnih iona, tj. proporcionalan broju i onih i drugih iona. Stoga je jednak gdje je B koeficijent koji je konstantan za danu tvar na određenoj temperaturi.

U stanju dinamičke ravnoteže

Omjer ne ovisi o koncentraciji. Vidljivo je da što je niža koncentracija otopine, to je a bliže jedinici: u vrlo razrijeđenim otopinama gotovo sve molekule otopljene tvari su disocirane.

Što je veća dielektrična konstanta otapala, to su ionske veze u molekulama otopljene tvari više oslabljene i, posljedično, veći je stupanj disocijacije. Dakle, klorovodična kiselina daje elektrolit visoke električne vodljivosti kada se otopi u vodi, dok je njezina otopina u etil eteru vrlo loš vodič elektriciteta.

Neobični elektroliti. Postoje i vrlo neobični elektroliti. Na primjer, elektrolit je staklo, koje je vrlo prehlađena tekućina s enormnom viskoznošću. Zagrijavanjem staklo omekšava i njegova se viskoznost znatno smanjuje. Natrijevi ioni prisutni u staklu poprimaju zamjetnu pokretljivost i postaje moguć prolaz električne struje, iako je staklo dobar izolator pri normalnim temperaturama.

Riža. 106. Dokazivanje električne vodljivosti stakla pri zagrijavanju

Jasna demonstracija ovoga može poslužiti kao eksperiment, čija je shema prikazana na Sl. 106. Stakleni štap je preko reostata spojen na rasvjetnu mrežu Dok je štap hladan, struja u krugu je zanemariva zbog velikog otpora stakla. Ako se štap zagrije plinskim plamenikom na temperaturu od 300-400 ° C, tada će njegov otpor pasti na nekoliko desetaka ohma, a žarna nit L žarulje će se zagrijati. Sada možete kratko spojiti žarulju s tipkom K. U tom slučaju, otpor kruga će se smanjiti, a struja će se povećati. Pod takvim uvjetima štapić će se učinkovito zagrijati električnom strujom i zagrijati do jakog sjaja, čak i ako se plamenik ukloni.

Ionska kondukcija. Prolazak električne struje u elektrolitu opisuje Ohmov zakon

Električna struja u elektrolitu javlja se pri proizvoljno malom primijenjenom naponu.

Nositelji naboja u elektrolitu su pozitivno i negativno nabijeni ioni. Mehanizam električne vodljivosti elektrolita je u mnogočemu sličan gore opisanom mehanizmu električne vodljivosti plinova. Glavne razlike proizlaze iz činjenice da je u plinovima otpor gibanju nositelja naboja uglavnom posljedica njihovih sudara s neutralnim atomima. U elektrolitima je pokretljivost iona posljedica unutarnjeg trenja - viskoznosti - kada se kreću u otapalu.

Porastom temperature povećava se vodljivost elektrolita, za razliku od metala. To je zbog činjenice da se s povećanjem temperature povećava stupanj disocijacije i smanjuje viskoznost.

Za razliku od elektronske vodljivosti, koja je karakteristična za metale i poluvodiče, gdje prolazak električne struje nije praćen nikakvim promjenama kemijskog sastava tvari, ionska vodljivost povezana je s prijenosom tvari.

te oslobađanje tvari koje ulaze u sastav elektrolita na elektrodama. Taj se proces naziva elektroliza.

Elektroliza. Kada se tvar otpusti na elektrodi, koncentracija odgovarajućih iona u području elektrolita uz elektrodu opada. Dakle, ovdje je poremećena dinamička ravnoteža između disocijacije i rekombinacije: ovdje dolazi do razgradnje tvari kao rezultat elektrolize.

Elektroliza je prvi put uočena u razgradnji vode strujom iz naponskog stupa. Nekoliko godina kasnije, poznati kemičar G. Davy otkrio je natrij, odvojivši ga elektrolizom od kaustične sode. Kvantitativne zakonitosti elektrolize eksperimentalno je utvrdio M. Faraday godine Lako ih je opravdati na temelju mehanizma pojave elektrolize.

Faradayevi zakoni. Svaki ion ima električni naboj koji je višekratnik elementarnog naboja e. Drugim riječima, naboj iona je , gdje je cijeli broj jednak valenciji odgovarajućeg kemijskog elementa ili spoja. Neka se tijekom prolaska struje na elektrodi oslobađaju ioni. Njihov apsolutni naboj jednak je Pozitivni ioni dopiru do katode i njihov naboj neutraliziraju elektroni koji teku ka katodi kroz žice iz izvora struje. Negativni ioni se približavaju anodi i isti broj elektrona odlazi kroz žice do izvora struje. U tom slučaju naboj prolazi kroz zatvoreni električni krug

Označimo s masom tvari koja se oslobađa na jednoj od elektroda, a s masom iona (atoma ili molekule). Očito je da, stoga, množenjem brojnika i nazivnika ovog razlomka s Avogadrovom konstantom dobivamo

gdje je atomska ili molarna masa, Faradayeva konstanta, dana od

Iz (4) se vidi da Faradayeva konstanta ima značenje "jedan mol elektriciteta", tj. to je ukupni električni naboj jednog mola elementarnih naboja:

Formula (3) sadrži oba Faradayeva zakona. Ona kaže da je masa tvari koja se oslobađa tijekom elektrolize proporcionalna naboju koji prolazi kroz krug (Faradayev prvi zakon):

Koeficijent se naziva elektrokemijski ekvivalent određene tvari i izražava se kao

kilograma po privjesku Ima značenje recipročne vrijednosti specifičnog naboja iona.

Elektrokemijski ekvivalent proporcionalan je kemijskom ekvivalentu tvari (Faradayev drugi zakon).

Faradayevi zakoni i elementarni naboj. Budući da u vrijeme Faradaya još nije postojao koncept atomske prirode elektriciteta, eksperimentalno otkriće zakona elektrolize bilo je daleko od trivijalnog. Naprotiv, upravo su Faradayevi zakoni poslužili kao prvi eksperimentalni dokaz valjanosti ovih ideja.

Eksperimentalno mjerenje Faradayeve konstante omogućilo je prvi put dobivanje numeričke procjene vrijednosti elementarnog naboja puno prije izravnih mjerenja elementarnog električnog naboja u Millikanovim pokusima s kapljicama ulja. Zanimljivo je da je ideja o atomskoj strukturi elektriciteta dobila nedvosmislenu eksperimentalnu potvrdu u pokusima elektrolize provedenim 30-ih godina 19. stoljeća, kada čak ni ideju o atomskoj strukturi materije još nisu svi dijelili znanstvenici. U poznatom govoru održanom Kraljevskom društvu i posvećenom uspomeni na Faradaya, Helmholtz je komentirao ovu okolnost na ovaj način:

“Ako priznamo postojanje atoma kemijskih elemenata, onda ne možemo izbjeći daljnji zaključak da se elektricitet, i pozitivan i negativan, dijeli na određene elementarne količine, koje se ponašaju kao atomi elektriciteta.”

Kemijski izvori struje. Ako se bilo koji metal, poput cinka, uroni u vodu, tada će određena količina pozitivnih iona cinka, pod utjecajem polarnih molekula vode, početi prelaziti iz površinskog sloja metalne kristalne rešetke u vodu. Kao rezultat toga, cink će biti negativno nabijen, a voda pozitivno. Na granici između metala i vode formira se tanak sloj, koji se naziva dvostruki električni sloj; u njemu postoji jako električno polje čiji je intenzitet usmjeren od vode prema metalu. Ovo polje sprječava daljnji prijelaz iona cinka u vodu, a kao rezultat toga nastaje dinamička ravnoteža u kojoj je prosječan broj iona koji dolaze iz metala u vodu jednak broju iona koji se vraćaju iz vode u metal. .

Dinamička ravnoteža uspostavit će se i ako se metal uroni u vodenu otopinu soli istog metala, na primjer cinka u otopini cinkovog sulfata. U otopini sol disocira na ione.Rezultirajući ioni cinka ne razlikuju se od iona cinka koji ulaze u otopinu s elektrode. Povećanje koncentracije iona cinka u elektrolitu olakšava prijelaz tih iona u metal iz otopine i otežava

prijelaz iz metala u otopinu. Stoga je u otopini cinkovog sulfata uronjena cinkova elektroda, iako negativno nabijena, slabija nego u čistoj vodi.

Kada je metal uronjen u otopinu, metal nije uvijek negativno nabijen. Na primjer, ako se bakrena elektroda uroni u otopinu bakrenog sulfata, ioni će se početi taložiti iz otopine na elektrodi, pozitivno je naelektrišući. Jakost polja u dvostrukom električnom sloju u ovom je slučaju usmjerena od bakra prema otopini.

Dakle, kada se metal uroni u vodu ili u vodenu otopinu koja sadrži ione istog metala, na granici između metala i otopine nastaje potencijalna razlika. Predznak i veličina te potencijalne razlike ovisi o vrsti metala (bakar, cink itd.) o koncentraciji iona u otopini i gotovo je neovisna o temperaturi i tlaku.

Dvije elektrode od različitih metala uronjene u elektrolit čine galvanski članak. Na primjer, u Volta elementu, cinkove i bakrene elektrode uronjene su u vodenu otopinu sumporne kiseline. U prvom trenutku otopina ne sadrži niti ione cinka niti ione bakra. Međutim, kasnije ti ioni ulaze u otopinu s elektroda i uspostavlja se dinamička ravnoteža. Sve dok elektrode nisu međusobno spojene žicom, potencijal elektrolita je u svim točkama isti, a potencijali elektroda se razlikuju od potencijala elektrolita zbog stvaranja dvostrukih slojeva na njihovoj granici s elektrolitom. U ovom slučaju elektrodni potencijal cinka iznosi -0,763 V, a bakra.Elektromotorna sila Volt elementa koju čine ti potencijalni skokovi bit će jednaka

Struja u krugu s galvanskim člankom. Ako su elektrode galvanskog članka spojene žicom, tada će elektroni prolaziti tom žicom od negativne elektrode (cink) do pozitivne elektrode (bakar), čime se remeti dinamička ravnoteža između elektroda i elektrolita u kojem se nalaze. su uronjeni. Ioni cinka će se početi kretati iz elektrode u otopinu, kako bi održali električni dvostruki sloj u prethodnom stanju uz konstantan skok potencijala između elektrode i elektrolita. Slično, na bakrenoj elektrodi, bakreni ioni će početi izlaziti iz otopine i taložiti se na elektrodi. U tom slučaju u blizini negativne elektrode nastaje manjak iona, a u blizini pozitivne elektrode višak iona. Ukupni broj iona u otopini neće se promijeniti.

Uslijed opisanih procesa u zatvorenom strujnom krugu održavat će se električna struja koja se u spojnoj žici stvara kretanjem elektrona, a u elektrolitu ionima. Prolaskom električne struje cinkova elektroda se postupno otapa i bakar se taloži na pozitivnoj (bakrenoj) elektrodi.

elektroda. Koncentracija iona raste na cinčanoj elektrodi, a opada na bakrenoj.

Potencijal u strujnom krugu s galvanskim člankom. Opisana slika prolaska električne struje u nehomogenom zatvorenom strujnom krugu koji sadrži kemijski element odgovara raspodjeli potencijala duž kruga, shematski prikazanoj na sl. 107. U vanjskom strujnom krugu, odnosno u žici koja spaja elektrode, potencijal postupno opada od vrijednosti na pozitivnoj (bakrenoj) elektrodi A do vrijednosti na negativnoj (cinčanoj) elektrodi B u skladu s Ohmovim zakonom za a homogeni vodič. U unutarnjem krugu, tj. u elektrolitu između elektroda, potencijal postupno opada od vrijednosti u blizini cinčane elektrode do vrijednosti u blizini bakrene elektrode. Ako u vanjskom krugu struja teče od bakrene elektrode do cinkove elektrode, onda unutar elektrolita - od cinka do bakra. Skokovi potencijala u dvostrukim električnim slojevima nastaju kao posljedica djelovanja vanjskih (u ovom slučaju kemijskih) sila. Kretanje električnih naboja u dvostrukim slojevima uslijed vanjskih sila odvija se suprotno od smjera djelovanja električnih sila.

Riža. 107. Raspodjela potencijala duž lanca koji sadrži kemijski element

Nagnuti presjeci promjene potencijala na sl. 107 odgovara električnom otporu vanjskog i unutarnjeg dijela zatvorenog kruga. Ukupni pad potencijala duž ovih dionica jednak je zbroju skokova potencijala u dvostrukim slojevima, odnosno elektromotornoj sili elementa.

Prolaz električne struje u galvanskom članku otežan je nusproizvodima koji se oslobađaju na elektrodama i pojavom pada koncentracije elektrolita. Ove pojave se nazivaju elektrolitička polarizacija. Na primjer, kod Volta elemenata, kada je krug zatvoren, pozitivni ioni se kreću prema bakrenoj elektrodi i talože se na njoj. Kao rezultat toga, nakon nekog vremena, bakrena elektroda se, takoreći, zamjenjuje vodikovom. Budući da je elektrodni potencijal vodika 0,337 V niži od elektrodnog potencijala bakra, EMF elementa opada za približno isti iznos. Osim toga, vodik koji se oslobađa na bakrenoj elektrodi povećava unutarnji otpor elementa.

Za smanjenje štetnog djelovanja vodika koriste se depolarizatori – razna oksidacijska sredstva. Na primjer, u najčešćem elementu Leklanshe ("suhe" baterije)

pozitivna elektroda je grafitna šipka okružena komprimiranom masom manganovog peroksida i grafita.

Baterije. Praktično važna vrsta galvanskih članaka su baterije, kod kojih je nakon pražnjenja moguć obrnuti proces punjenja uz pretvorbu električne energije u kemijsku. Tvari potrošene pri primanju električne struje obnavljaju se unutar baterije elektrolizom.

Vidi se da kada se baterija puni, koncentracija sumporne kiseline raste, što dovodi do povećanja gustoće elektrolita.

Tako se tijekom procesa punjenja stvara oštra asimetrija elektroda: jedna postaje olovo, druga od olovnog peroksida. Napunjena baterija je galvanski članak koji može poslužiti kao izvor struje.

Kada su potrošači električne energije spojeni na bateriju, strujnim krugom će teći električna struja čiji je smjer suprotan od struje punjenja. Kemijske reakcije idu u suprotnom smjeru i baterija se vraća u prvobitno stanje. Obje elektrode će biti prekrivene slojem soli, a koncentracija sumporne kiseline će se vratiti na prvobitnu vrijednost.

Napunjena baterija ima EMF od približno 2,2 V. Prilikom pražnjenja pada na 1,85 V. Daljnje pražnjenje se ne preporučuje, jer stvaranje olovnog sulfata postaje nepovratno i baterija se kvari.

Maksimalno punjenje koje baterija može dati pri pražnjenju naziva se njezinim kapacitetom. Tipičan kapacitet baterije

mjereno u amper-satima. To je veća, što je veća površina ploča.

primjene elektrolize. Elektroliza se koristi u metalurgiji. Najčešća elektrolitička proizvodnja aluminija i čistog bakra. Uz pomoć elektrolize moguće je stvoriti tanke slojeve jednih tvari na površini drugih kako bi se dobili ukrasni i zaštitni premazi (niklanje, kromiranje). Proces dobivanja ljuštivih premaza (galvanoplastika) razvio je ruski znanstvenik B. S. Yakobi, koji ga je primijenio na izradu šupljih skulptura koje krase Izakovsku katedralu u Sankt Peterburgu.

Koja je razlika između fizikalnog mehanizma električne vodljivosti u metalima i elektrolitima?

Objasnite zašto stupanj disocijacije određene tvari ovisi o permitivnosti otapala.

Objasnite zašto su u jako razrijeđenim otopinama elektrolita gotovo sve molekule otopljene tvari disocirane.

Objasnite po čemu je mehanizam električne vodljivosti elektrolita sličan mehanizmu električne vodljivosti plinova. Zašto je pri stalnim vanjskim uvjetima električna struja proporcionalna primijenjenom naponu?

Kakvu ulogu ima zakon održanja električnog naboja u izvođenju zakona elektrolize (3)?

Objasnite odnos između elektrokemijskog ekvivalenta tvari i specifičnog naboja njezinih iona.

Kako eksperimentalno odrediti omjer elektrokemijskih ekvivalenata različitih tvari ako postoji više elektrolitskih kupki, ali ne postoje instrumenti za mjerenje jakosti struje?

Kako se fenomen elektrolize može iskoristiti za izradu mjerača potrošnje električne energije u istosmjernoj mreži?

Zašto se Faradayevi zakoni mogu smatrati eksperimentalnim dokazom ideja o atomskoj prirodi elektriciteta?

Koji se procesi događaju kada se metalne elektrode potope u vodu i u elektrolit koji sadrži ione tih metala?

Opišite procese koji se odvijaju u elektrolitu u blizini elektroda galvanskog članka tijekom prolaska struje.

Zašto se pozitivni ioni unutar galvanskog članka kreću od negativne (cinkove) elektrode prema pozitivnoj (bakrenoj) elektrodi? Kako nastaje raspodjela potencijala u krugu koja uzrokuje kretanje iona na ovaj način?

Zašto se stupanj napunjenosti kiselinske baterije može provjeriti hidrometrom, odnosno uređajem za mjerenje gustoće tekućine?

Koja je temeljna razlika između procesa u baterijama i procesa u "suhim" baterijama?

Koji dio električne energije utrošene u procesu punjenja baterije c može se iskoristiti pri pražnjenju, ako se tijekom procesa punjenja baterije održavao napon na njenim stezaljkama

Apsolutno svi znaju da tekućine mogu savršeno provoditi električnu energiju. Također je dobro poznata činjenica da su svi vodiči podijeljeni u nekoliko podskupina prema svojoj vrsti. Predlažemo da u našem članku razmotrimo kako se električna struja provodi u tekućinama, metalima i drugim poluvodičima, kao i zakone elektrolize i njezine vrste.

Teorija elektrolize

Kako bismo lakše razumjeli o čemu se radi, predlažemo da počnemo s teorijom da je elektricitet, ako električni naboj smatramo nekom vrstom tekućine, poznat već više od 200 godina. Naboji se sastoje od pojedinačnih elektrona, ali oni su tako mali da se svaki veliki naboj ponaša kao kontinuirani tok, tekućina.

Kao i čvrsta tijela, tekući vodiči mogu biti tri vrste:

• poluvodiči (selen, sulfidi i drugi);
• dielektrici (alkalne otopine, soli i kiseline);
• vodiče (recimo, u plazmi).

Proces u kojem se pod utjecajem električnog molarnog polja otapaju elektroliti i raspadaju ioni naziva se disocijacija. Zauzvrat, udio molekula koje su se raspale u ione, ili raspadnutih iona u otopljenoj tvari, u potpunosti ovisi o fizičkim svojstvima i temperaturi u različitim vodičima i talinama. Obavezno zapamtite da se ioni mogu rekombinirati ili rekombinirati. Ako se uvjeti ne promijene, tada će broj raspadnutih i ujedinjenih iona biti jednako proporcionalan.

U elektrolitima ioni provode energiju, jer. mogu biti i pozitivno nabijene čestice i negativno. Tijekom spajanja tekućine (odnosno posude s tekućinom na izvor napajanja), čestice će se početi kretati prema suprotnim nabojima (pozitivni ioni počet će se privlačiti katodama, a negativni ioni anodama). U ovom slučaju, energija se prenosi izravno ionima, pa se ova vrsta vodljivosti naziva ionskom.

Tijekom ove vrste provođenja struju prenose ioni, a na elektrodama se oslobađaju tvari koje su sastavni dijelovi elektrolita. Kemijski govoreći, dolazi do oksidacije i redukcije. Dakle, električna struja u plinovima i tekućinama prenosi se elektrolizom.

Zakoni fizike i struja u tekućinama

Električna energija u našim domovima i uređajima obično se ne prenosi metalnim žicama. U metalu se elektroni mogu kretati od atoma do atoma i tako nositi negativan naboj.

Kao i tekućine, pokreću ih u obliku električnog napona, poznatog kao napon, mjeren u voltima, po talijanskom znanstveniku Alessandru Volti.

Video: Električna struja u tekućinama: potpuna teorija

Također, električna struja teče od visokog napona do niskog napona i mjeri se u jedinicama poznatim kao amperi, nazvanim po André-Marie Ampèreu. A prema teoriji i formuli, ako povećate napon, tada će se i njegova snaga proporcionalno povećati. Ovaj odnos je poznat kao Ohmov zakon. Kao primjer, dolje je prikazana karakteristika virtualne struje.

Ohmov zakon (s dodatnim pojedinostima o duljini i debljini žice) obično je jedna od prvih stvari koje se uče na nastavi fizike, pa mnogi učenici i nastavnici stoga električnu struju u plinovima i tekućinama smatraju osnovnim zakonom fizike.

Da biste vlastitim očima vidjeli kretanje naboja, morate pripremiti tikvicu sa slanom vodom, ravne pravokutne elektrode i izvore struje, također će vam trebati instalacija ampermetra, uz pomoć koje će se energija provoditi iz snage dovod elektroda.

Ploče koje djeluju kao vodiči moraju se spustiti u tekućinu i uključiti napon. Nakon toga će započeti kaotično kretanje čestica, ali kako će nakon pojave magnetskog polja između vodiča, ovaj proces biti uređen.

Čim ioni počnu mijenjati naboje i spajati se, anode postaju katode, a katode anode. Ali ovdje morate uzeti u obzir električni otpor. Naravno, teorijska krivulja igra važnu ulogu, ali glavni utjecaj ima temperatura i razina disocijacije (ovisno o odabranim nositeljima), kao i izbor izmjenične ili istosmjerne struje. Dovršetkom ovog eksperimentalnog istraživanja možete primijetiti da se na čvrstim tijelima (metalnim pločama) stvorio tanak sloj soli.

Elektroliza i vakuum

Električna struja u vakuumu i tekućinama prilično je komplicirano pitanje. Činjenica je da u takvim medijima nema naboja u tijelima, što znači da je dielektrik. Drugim riječima, cilj nam je stvoriti uvjete da atom elektrona može započeti svoje kretanje.

Da biste to učinili, morate koristiti modularni uređaj, vodiče i metalne ploče, a zatim postupite kao u gornjoj metodi.

Primjena elektrolize

Ovaj proces se primjenjuje u gotovo svim područjima života. Čak i najelementarniji posao ponekad zahtijeva intervenciju električne struje u tekućinama, npr.

Uz pomoć ovog jednostavnog postupka, čvrsta tijela se presvlače najtanjim slojem bilo kojeg metala, na primjer, niklanjem ili kromiranjem. ovo je jedan od mogućih načina borbe protiv korozijskih procesa. Slične tehnologije koriste se u proizvodnji transformatora, mjerača i drugih električnih uređaja.

Nadamo se da smo našim obrazloženjem odgovorili na sva pitanja koja se javljaju pri proučavanju fenomena električne struje u tekućinama. Ako trebate bolje odgovore, savjetujemo vam da posjetite forum električara, gdje ćete se rado besplatno konzultirati.

>>Fizika: Električna struja u tekućinama

Tekućine, kao i čvrste tvari, mogu biti dielektrici, vodiči i poluvodiči. Dielektrici su destilirana voda, a vodiči otopine i taline elektrolita: kiseline, lužine i soli. Tekući poluvodiči su rastaljeni selen, taline sulfida itd.
elektrolitička disocijacija. Kada se elektroliti otope pod utjecajem električnog polja polarnih molekula vode, molekule elektrolita se razlažu na ione. Ovaj proces se zove elektrolitička disocijacija.
Stupanj disocijacije, tj. udio molekula u otopljenoj tvari koje su se raspale u ione ovisi o temperaturi, koncentraciji otopine i električnim svojstvima otapala. S porastom temperature povećava se stupanj disocijacije, a posljedično i koncentracija pozitivno i negativno nabijenih iona.
Ioni različitih predznaka, nakon susreta, mogu se ponovno ujediniti u neutralne molekule - rekombinirati. Pod stalnim uvjetima u otopini se uspostavlja dinamička ravnoteža pri kojoj je broj molekula koje se raspadnu na ione u sekundi jednak broju parova iona koji se u istom vremenu rekombiniraju u neutralne molekule.
Ionska kondukcija. Nositelji naboja u vodenim otopinama ili talinama elektrolita su pozitivno i negativno nabijeni ioni.
Ako je posuda s otopinom elektrolita uključena u električni krug, tada će se negativni ioni početi kretati prema pozitivnoj elektrodi - anodi, a pozitivni - prema negativnoj - katodi. Kao rezultat toga, uspostavit će se električna struja. Budući da prijenos naboja u vodenim otopinama ili talinama elektrolita obavljaju ioni, ta se vodljivost naziva ionski.
Tekućine također mogu imati elektronsku vodljivost. Takvu vodljivost imaju, na primjer, tekući metali.
Elektroliza. Kod ionske vodljivosti prolazak struje povezan je s prijenosom tvari. Na elektrodama se oslobađaju tvari koje čine elektrolite. Na anodi negativno nabijeni ioni doniraju svoje dodatne elektrone (u kemiji se to naziva oksidacijska reakcija), a na katodi pozitivni ioni dobivaju nedostajuće elektrone (reakcija redukcije). Poziva se proces oslobađanja tvari na elektrodi, povezan s redoks reakcijama elektroliza.
Primjena elektrolize. Elektroliza se široko koristi u tehnici za razne svrhe. Elektrolitički pokriti površinu jednog metala tankim slojem drugog ( niklanje, kromiranje, bakrenje itd.). Ovaj izdržljivi premaz štiti površinu od korozije.
Ako je osigurano dobro ljuštenje elektrolitičke prevlake s površine na koju je metal taložen (to se postiže npr. nanošenjem grafita na površinu), tada se kopija može dobiti s reljefne površine.
U tiskarstvu se takve kopije (stereotipi) dobivaju iz matrica (otisak skupa na plastičnom materijalu), za koje se na matrice nanosi debeli sloj željeza ili druge tvari. To vam omogućuje reprodukciju kompleta u željenom broju kopija. Ako je ranije naklada knjige bila ograničena brojem otisaka koji se mogu dobiti iz jednog kompleta (prilikom tiska komplet se postupno briše), sada korištenje stereotipa može značajno povećati nakladu. Istina, trenutno se uz pomoć elektrolize stereotipi dobivaju samo za knjige visoke kvalitete tiska.
Proces dobivanja premaza koji se mogu ljuštiti - elektrotipija- razvio je ruski znanstvenik B. S. Jacobi (1801.-1874.), koji je 1836. godine primijenio ovu metodu za izradu šupljih figura za Katedralu svetog Izaka u Sankt Peterburgu.
Elektrolizom se uklanjaju nečistoće iz metala. Tako se sirovi bakar dobiven iz rude lijeva u obliku debelih limova, koji se zatim stavljaju u kadu kao anode. Tijekom elektrolize, anodni bakar se otapa, nečistoće koje sadrže vrijedne i rijetke metale padaju na dno, a čisti bakar taloži se na katodi.
Aluminij se dobiva iz rastaljenog boksita elektrolizom. Upravo ovaj način dobivanja aluminija učinio ga je jeftinim i uz željezo najzastupljenijim u tehnici i svakodnevnom životu.
Uz pomoć elektrolize dobivaju se elektroničke pločice koje služe kao osnova svih elektroničkih proizvoda. Na dielektrik je zalijepljena tanka bakrena ploča na koju se posebnom bojom nanosi složeni uzorak spojnih žica. Zatim se ploča stavlja u elektrolit, gdje se urezuju područja bakrenog sloja koja nisu prekrivena bojom. Nakon toga, boja se ispere i detalji mikro kruga pojavljuju se na ploči.
U otopinama i talinama elektrolita dolazi do pojave slobodnih električnih naboja zbog raspada neutralnih molekula u ione. Kretanje iona u polju znači prijenos tvari. Ovaj proces ima široku primjenu u praksi (elektroliza).

???
1. Što se naziva elektrolitička disocijacija?
2. Zašto dolazi do prijenosa tvari kada struja prolazi kroz otopinu elektrolita, ali ne prenosi tvar kada prolazi kroz metalni vodič?
3. Koja je sličnost i razlika između vlastite vodljivosti poluvodiča i otopina elektrolita?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, 10. razred fizike

Preuzmite kalendarsko-tematsko planiranje iz fizike, odgovore na testove, zadatke i odgovore za učenika, knjige i udžbenike, tečajeve za nastavnika fizike za 10. razred

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,