Az elektromos áram gyakorlati alkalmazása folyadékokban. Elektromos áram folyadékokban. Töltések mozgása, anionkationok. Az elektrolízis gyakorlati alkalmazása

A folyadékok, mint minden más anyag, lehetnek vezetők, félvezetők és dielektrikumok. Például a desztillált víz dielektrikum lesz, az elektrolit oldatok és olvadékok pedig vezetők. A félvezetők például olvadt szelén vagy szulfidolvadékok lehetnek.

Ionvezetés

Az elektrolitikus disszociáció az elektrolit molekulák ionokká bomlásának folyamata poláris vízmolekulák elektromos mezőjének hatására. A disszociáció mértéke az ionokra bomlott molekulák aránya az oldott anyagban.

A disszociáció mértéke különböző tényezőktől függ: hőmérséklet, oldatkoncentráció, oldószer tulajdonságai. A hőmérséklet emelkedésével a disszociáció mértéke is nő.

Miután a molekulák ionokra oszlanak, véletlenszerűen mozognak. Ebben az esetben két különböző előjelű ion rekombinálódhat, azaz újra semleges molekulákká egyesülhet. Az oldat külső változásainak hiányában dinamikus egyensúlyt kell kialakítani. Ezzel az időegység alatt ionokká bomló molekulák száma megegyezik az újra egyesülő molekulák számával.

A vizes oldatokban és az elektrolitolvadékokban a töltéshordozók ionok lesznek. Ha egy oldatot vagy olvadékot tartalmazó edényt tartalmaz az áramkör, akkor a pozitív töltésű ionok a katód felé, a negatívak pedig az anód felé mozognak. Ennek a mozgásnak az eredményeként elektromos áram keletkezik. Az ilyen típusú vezetést ionvezetésnek nevezik.

A folyadékok ionos vezetőképessége mellett elektronikus vezetőképességgel is rendelkezhet. Ez a fajta vezetőképesség jellemző például a folyékony fémekre. Mint fentebb megjegyeztük, az ionvezetésben az áram áthaladása az anyag átadásával jár.

Elektrolízis

Az elektrolitok részét képező anyagok leülepednek az elektródákon. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezik. Az elektrolízis egy anyag felszabadulásának folyamata az elektródán, amely redox reakciókkal jár.

Az elektrolízist széles körben alkalmazzák a fizikában és a technológiában. Az elektrolízis segítségével az egyik fém felületét egy másik fém vékony rétegével borítják. Például krómozás és nikkelezés.

Az elektrolízis segítségével másolatot kaphat egy dombormű felületről. Ehhez az szükséges, hogy az elektróda felületén lerakódó fémréteg könnyen eltávolítható legyen. Ehhez néha grafitot visznek fel a felületre.

Az ilyen könnyen lehúzható bevonatok előállításának folyamatát galvanizálásnak nevezzük. Ezt a módszert Boris Jacobi orosz tudós dolgozta ki a szentpétervári Szent Izsák-székesegyház üreges figuráinak gyártásakor.

Abszolút mindenki tudja, hogy a folyadékok tökéletesen vezethetik az elektromos energiát. És az is köztudott, hogy az összes vezetőt típusuk szerint több alcsoportra osztják. Cikkünkben azt javasoljuk, hogy vizsgáljuk meg, hogyan történik az elektromos áram folyadékokban, fémekben és más félvezetőkben, valamint az elektrolízis törvényei és típusai.

Az elektrolízis elmélete

Annak érdekében, hogy könnyebben megértsük, mi a tét, azt javasoljuk, hogy kezdjük azzal az elmélettel, hogy az elektromosság, ha egy elektromos töltést egyfajta folyadéknak tekintünk, több mint 200 éve ismert. A töltések egyedi elektronokból állnak, de ezek olyan kicsik, hogy minden nagy töltés folyamatos áramlásként, folyadékként viselkedik.

A szilárd típusú testekhez hasonlóan a folyadékvezetők is háromféleek lehetnek:

• félvezetők (szelén, szulfidok és mások);
• dielektrikumok (lúgos oldatok, sók és savak);
• vezetők (mondjuk plazmában).

Disszociációnak nevezzük azt a folyamatot, amelyben az elektrolitok oldódnak és az ionok szétesnek elektromos moláris tér hatására. Az ionokká bomló molekulák aránya, vagy az oldott anyagban lebomlott ionok aránya teljes mértékben függ a különböző vezetőkben és olvadékokban lévő fizikai tulajdonságoktól és hőmérséklettől. Ügyeljen arra, hogy az ionok rekombinálódhatnak vagy rekombinálódhatnak. Ha a feltételek nem változnak, akkor a bomlott ionok és az egyesült ionok száma egyenlő arányban lesz.

Az elektrolitokban az ionok energiát vezetnek, mert. lehetnek pozitív töltésű részecskék és negatívan is. A folyadék (vagy inkább az edény a folyadékkal az áramforráshoz) csatlakoztatása során a részecskék ellentétes töltések felé indulnak el (a pozitív ionok a katódokhoz, a negatív ionok pedig az anódokhoz vonzódnak). Ebben az esetben az energiát közvetlenül az ionok szállítják, ezért ezt a fajta vezetést ionosnak nevezzük.

Az ilyen típusú vezetés során az áramot ionok viszik, és anyagok szabadulnak fel az elektródákon, amelyek az elektrolitok alkotórészei. Kémiai szempontból oxidáció és redukció megy végbe. Így a gázokban és folyadékokban lévő elektromos áramot elektrolízissel szállítják.

A fizika törvényei és az áramerősség folyadékokban

Otthonunkban és készülékeinkben az elektromosságot általában nem fémhuzalokon továbbítják. Egy fémben az elektronok atomról atomra mozoghatnak, és így negatív töltést hordozhatnak.

A folyadékokhoz hasonlóan ezeket is elektromos feszültség formájában hajtják, amelyet Alessandro Volta olasz tudós szerint volt egységekben mérnek.

Videó: Elektromos áram folyadékokban: teljes elmélet

Ezenkívül az elektromos áram a nagyfeszültségről az alacsony feszültségre folyik, és mértékegysége amper, amelyet André-Marie Ampère-ről neveztek el. És az elmélet és a képlet szerint, ha növeli a feszültséget, akkor az erőssége is arányosan nő. Ezt az összefüggést Ohm törvényének nevezik. Példaként az alábbiakban látható a virtuális áramjellemző.

Az Ohm-törvény (további részletekkel a huzal hosszával és vastagságával kapcsolatban) általában az egyik első dolog, amit a fizikaórákon tanítanak, ezért sok diák és tanár a fizika alaptörvényének tekinti a gázok és folyadékok elektromos áramát.

Ahhoz, hogy a saját szemével lássa a töltések mozgását, elő kell készítenie egy lombikot sós vízzel, lapos téglalap alakú elektródákkal és áramforrásokkal, szükség lesz egy ampermérő telepítésre is, amelynek segítségével az energiát az áramból vezetik. táplálás az elektródákhoz.

A vezetőként működő lemezeket le kell engedni a folyadékba, és be kell kapcsolni a feszültséget. Ezt követően megindul a részecskék kaotikus mozgása, de ahogy a vezetők közötti mágneses tér megjelenése után, ez a folyamat elrendelt lesz.

Amint az ionok elkezdenek töltést váltani és egyesülni, az anódok katódokká, a katódok pedig anódokká válnak. De itt figyelembe kell venni az elektromos ellenállást. Természetesen az elméleti görbe fontos szerepet játszik, de a fő befolyásoló tényező a hőmérséklet és a disszociáció mértéke (attól függően, hogy melyik hordozót választjuk), valamint a váltóáram vagy az egyenáram megválasztása. Ezt a kísérleti vizsgálatot befejezve észreveheti, hogy a szilárd testeken (fémlemezeken) vékony sóréteg képződik.

Elektrolízis és vákuum

Az elektromos áram vákuumban és folyadékokban meglehetősen bonyolult kérdés. Az a tény, hogy az ilyen médiában nincsenek töltések a testekben, ami azt jelenti, hogy dielektrikum. Más szóval, az a célunk, hogy olyan feltételeket teremtsünk, hogy egy elektron atomja megkezdhesse a mozgását.

Ehhez moduláris eszközt, vezetőket és fémlemezeket kell használnia, majd a fenti módszer szerint járjon el.

Az elektrolízis alkalmazása

Ezt a folyamatot az élet szinte minden területén alkalmazzák. Még a legelemibb munkákhoz is néha elektromos áram beavatkozása szükséges a folyadékokba, mondjuk

Ezzel az egyszerű eljárással a szilárd testeket bármely fém legvékonyabb rétegével vonják be, például nikkelezéssel vagy krómozással. ez a korróziós folyamatok elleni küzdelem egyik lehetséges módja. Hasonló technológiákat használnak transzformátorok, mérők és egyéb elektromos készülékek gyártása során.

Reméljük, hogy indoklásunk választ adott minden olyan kérdésre, amely a folyadékok elektromos áramának vizsgálata során felmerül. Ha jobb válaszokra van szüksége, javasoljuk, hogy látogassa meg a villanyszerelők fórumát, ahol ingyenesen tanácsot ad.

Elektromos tulajdonságaikat tekintve a folyadékok igen változatosak. Az olvadt fémek, akárcsak a szilárd állapotban lévő fémek, nagy elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, amely a szabad elektronok nagy koncentrációjához kapcsolódik.

Sok folyadék, mint a tiszta víz, az alkohol, a kerozin jó dielektrikum, mivel molekuláik elektromosan semlegesek és nincsenek bennük szabad töltéshordozók.

elektrolitok. A folyadékok egy speciális osztályát képezik az úgynevezett elektrolitok, amelyek szervetlen savak vizes oldatait, sókat és bázisokat, ionos kristályok olvadékait stb. áram áthaladni. Ezek az ionok az olvadás és az oldódás során keletkeznek, amikor az oldószermolekulák elektromos mezőinek hatására az oldott anyag molekulái külön pozitív és negatív töltésű ionokra bomlanak. Ezt a folyamatot elektrolitikus disszociációnak nevezik.

elektrolitikus disszociáció. Egy adott anyag disszociációs foka a, vagyis az oldott anyag ionokra bomlott molekuláinak aránya függ a hőmérséklettől, az oldat koncentrációjától és az oldószer permittivitásától. A hőmérséklet emelkedésével a disszociáció mértéke nő. Az ellentétes előjelű ionok rekombinálódhatnak, újra semleges molekulákká egyesülve. Állandó külső körülmények között az oldatban dinamikus egyensúly jön létre, amelyben a rekombinációs és disszociációs folyamatok kompenzálják egymást.

Minőségileg a disszociáció fokának az oldott anyag koncentrációjától való függése a következő egyszerű okfejtéssel állapítható meg. Ha egy egységnyi térfogat egy oldott anyag molekuláit tartalmazza, akkor ezek egy része disszociál, a többi nem disszociál. Az oldat térfogategységére eső elemi disszociációs aktusok száma arányos a fel nem osztott molekulák számával, ezért egyenlő, ahol A az elektrolit természetétől és a hőmérséklettől függő együttható. A rekombinációs aktusok száma arányos az eltérő ionok ütközésének számával, azaz arányos mind ezek, mind a többi ion számával. Ezért egyenlő azzal, ahol B egy adott anyagra állandó hőmérsékleten állandó együttható.

Dinamikus egyensúlyi állapotban

Az arány nem függ a koncentrációtól Látható, hogy minél kisebb az oldat koncentrációja, annál közelebb van az a egységhez: nagyon híg oldatokban az oldott anyag szinte minden molekulája disszociál.

Minél nagyobb az oldószer dielektromos állandója, annál gyengültebbek az ionkötések az oldott anyag molekuláiban, és ennek következtében annál nagyobb a disszociáció mértéke. Tehát a sósav vízben oldva nagy elektromos vezetőképességű elektrolitot ad, míg etil-éteres oldata nagyon rossz elektromos vezető.

Szokatlan elektrolitok. Vannak nagyon szokatlan elektrolitok is. Például az elektrolit üveg, amely egy erősen túlhűtött, hatalmas viszkozitású folyadék. Melegítéskor az üveg meglágyul és viszkozitása nagymértékben csökken. Az üvegben jelenlévő nátriumionok észrevehető mobilitást kapnak, és lehetővé válik az elektromos áram áthaladása, bár az üveg jó szigetelő a normál hőmérsékleten.

Rizs. 106. Az üveg elektromos vezetőképességének bemutatása hevítéskor

Ennek egyértelmű bemutatása kísérletként szolgálhat, melynek sémája a 2. ábrán látható. 106. Üvegrúd reosztáton keresztül kapcsolódik a világítási hálózathoz Amíg a rúd hideg, az üveg nagy ellenállása miatt az áramkörben elhanyagolható az áram. Ha a botot gázégővel 300-400 ° C hőmérsékletre melegítjük, ellenállása több tíz ohmra csökken, és az L izzószál felforrósodik. Most rövidre zárhatja az izzót a K gombbal. Ebben az esetben az áramkör ellenállása csökken, az áramerősség pedig nő. Ilyen körülmények között a pálca hatékonyan felmelegszik elektromos áram hatására, és fényes fényre melegszik, még akkor is, ha az égőt eltávolítják.

Ionvezetés. Az elektromos áram áthaladását az elektrolitban Ohm törvénye írja le

Az elektrolitban elektromos áram tetszőlegesen kis feszültség mellett lép fel.

Az elektrolitban lévő töltéshordozók pozitív és negatív töltésű ionok. Az elektrolitok elektromos vezetőképességének mechanizmusa sok tekintetben hasonló a gázok elektromos vezetőképességének fentebb leírt mechanizmusához. A fő különbségek abból adódnak, hogy a gázokban a töltéshordozók mozgásával szembeni ellenállás elsősorban a semleges atomokkal való ütközésükből adódik. Az elektrolitokban az ionok mobilitása a belső súrlódásnak – viszkozitásnak – köszönhető, amikor oldószerben mozognak.

A hőmérséklet emelkedésével az elektrolitok vezetőképessége, ellentétben a fémekkel, nő. Ez annak köszönhető, hogy a hőmérséklet emelkedésével a disszociáció mértéke nő, a viszkozitás pedig csökken.

Ellentétben az elektronikus vezetőképességgel, amely a fémekre és félvezetőkre jellemző, ahol az elektromos áram áthaladását nem kíséri semmilyen változás az anyag kémiai összetételében, az ionvezetőképesség az anyag átadásával jár.

valamint az elektródákon lévő elektrolitok részét képező anyagok felszabadulása. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezik.

Elektrolízis. Amikor egy anyag szabadul fel az elektródán, a megfelelő ionok koncentrációja az elektródával szomszédos elektrolit régióban csökken. Így itt megbomlik a disszociáció és a rekombináció közötti dinamikus egyensúly: itt megy végbe az anyag bomlása az elektrolízis hatására.

Az elektrolízist először a víz feszültségoszlopból származó áram általi bomlásakor figyelték meg. Néhány évvel később a híres vegyész, G. Davy felfedezte a nátriumot, elektrolízissel elválasztva azt a nátronlúgtól. Az elektrolízis mennyiségi törvényeit M. Faraday kísérleti úton állapította meg a Könnyen igazolhatók az elektrolízis jelenségének mechanizmusa alapján.

Faraday törvényei. Minden ion elektromos töltése az e elemi töltés többszöröse. Más szóval, az ion töltése , ahol a megfelelő kémiai elem vagy vegyület vegyértékével egyenlő egész szám. Hagyja, hogy az ionok felszabaduljanak az áram áthaladása során az elektródán. Abszolút töltésük egyenlő: A pozitív ionok elérik a katódot, és töltésüket az áramforrásból vezetékeken keresztül a katódra áramló elektronok semlegesítik. Negatív ionok közelednek az anódhoz, és ugyanannyi elektron jut el a vezetékeken keresztül az áramforráshoz. Ebben az esetben egy töltés egy zárt elektromos áramkörön halad keresztül

Jelöljük az egyik elektródán felszabaduló anyag tömegével és az ion (atom vagy molekula) tömegével. Nyilvánvaló, hogy ennek a törtnek a számlálóját és nevezőjét megszorozva az Avogadro-állandóval, azt kapjuk,

ahol az atom- vagy móltömeg, a Faraday-állandó, a következővel megadva

A (4)-ből látható, hogy a Faraday-állandó jelentése "egy mól elektromosság", azaz egy mól elemi töltés teljes elektromos töltése:

A (3) képlet mindkét Faraday-törvényt tartalmazza. Azt mondja, hogy az elektrolízis során felszabaduló anyag tömege arányos az áramkörön áthaladó töltéssel (Faraday első törvénye):

Az együtthatót egy adott anyag elektrokémiai egyenértékének nevezzük, és a következőképpen fejezzük ki

kilogramm per függő Jelentése az ion fajlagos töltésének reciproka.

Az elektrokémiai egyenérték arányos az anyag kémiai egyenértékével (Faraday második törvénye).

Faraday törvényei és az elemi vád. Mivel Faraday idején még nem létezett az elektromosság atomi természetének fogalma, az elektrolízis törvényeinek kísérleti felfedezése korántsem volt triviális. Éppen ellenkezőleg, Faraday törvényei voltak azok, amelyek ezeknek az elképzeléseknek az érvényességének első kísérleti bizonyítékául szolgáltak.

A Faraday-állandó kísérleti mérése először tette lehetővé az elemi töltés értékének számszerű becslését jóval az elemi elektromos töltés közvetlen mérése előtt Millikan olajcseppekkel végzett kísérleteiben. Figyelemre méltó, hogy az elektromosság atomszerkezetének elképzelése egyértelmű kísérleti megerősítést kapott a 19. század 30-as éveiben végzett elektrolízises kísérletekben, amikor még az anyag atomi szerkezetének gondolatát sem osztotta mindenki. tudósok. A Királyi Társaságnak elhangzott, Faraday emlékének szentelt híres beszédében Helmholtz így kommentálta ezt a körülményt:

"Ha elismerjük a kémiai elemek atomjainak létezését, akkor nem kerülhetjük el azt a további következtetést, hogy az elektromosság, mind a pozitív, mind a negatív, bizonyos elemi mennyiségekre oszlik, amelyek úgy viselkednek, mint az elektromosság atomjai."

Kémiai áramforrások. Ha bármilyen fémet, például cinket, vízbe merítünk, akkor bizonyos mennyiségű pozitív cinkion a poláris vízmolekulák hatására elkezd átjutni a fémkristályrács felületi rétegéből a vízbe. Ennek eredményeként a cink negatív töltésű lesz, a víz pedig pozitívan. A fém és a víz határfelületén vékony réteg képződik, amelyet elektromos kettős rétegnek neveznek; erős elektromos tér van benne, melynek intenzitása vízről fémre irányul. Ez a mező megakadályozza a cinkionok további átalakulását vízbe, és ennek eredményeként olyan dinamikus egyensúly jön létre, amelyben a fémből a vízbe érkező ionok átlagos száma megegyezik a vízből a fémbe visszatérő ionok számával. .

A dinamikus egyensúly akkor is létrejön, ha a fémet ugyanazon fém sójának vizes oldatába, például cinket cink-szulfát oldatába merítjük. Az oldatban a só ionokká disszociál.A keletkező cinkionok nem különböznek az elektródáról oldatba kerülő cinkionoktól. A cinkionok koncentrációjának növekedése az elektrolitban megkönnyíti ezen ionok átmenetét a fémbe az oldatból, és megnehezíti

átmenet fémről oldatra. Ezért a cink-szulfát oldatban a merített cinkelektróda, bár negatív töltésű, gyengébb, mint a tiszta vízben.

Ha egy fémet oldatba merítünk, a fém nem mindig negatív töltésű. Például, ha egy rézelektródát réz-szulfát-oldatba merítünk, akkor az ionok elkezdenek kicsapódni az elektródán lévő oldatból, pozitívan töltve azt. A térerősség az elektromos kettős rétegben ebben az esetben a réztől az oldat felé irányul.

Így ha egy fémet vízbe vagy ugyanazon fém ionjait tartalmazó vizes oldatba merítünk, potenciálkülönbség keletkezik a fém és az oldat határfelületén. Ennek a potenciálkülönbségnek az előjele és nagysága a fém típusától (réz, cink stb.) függ az oldatban lévő ionok koncentrációjától, és szinte független a hőmérséklettől és a nyomástól.

Két különböző fémből készült elektróda elektrolitba merítve galvánelemet alkot. Például a Volta elemben a cink és a réz elektródákat vizes kénsav oldatba merítik. Az első pillanatban az oldat nem tartalmaz sem cink-, sem rézionokat. Később azonban ezek az ionok az elektródákról bejutnak az oldatba, és kialakul a dinamikus egyensúly. Mindaddig, amíg az elektródák nem kapcsolódnak egymáshoz huzallal, az elektrolitpotenciál minden ponton azonos, és az elektródák potenciálja eltér az elektrolitpotenciáltól az elektrolittal határos kettős réteg képződése miatt. Ebben az esetben a cink elektródpotenciálja -0,763 V, a réz pedig a Volt elem elektromotoros ereje, amely ezekből a potenciálugrásokból áll, egyenlő lesz

Áram egy galvánelemes áramkörben. Ha egy galvanikus cella elektródáit huzal köti össze, akkor az elektronok ezen a vezetéken áthaladnak a negatív elektródától (cink) a pozitívig (rézig), ami megzavarja az elektródák és az elektrolit közötti dinamikus egyensúlyt. elmerülnek. A cinkionok elkezdenek mozogni az elektródáról az oldatba, hogy az elektromos kettős réteget ugyanabban az állapotban tartsák, állandó potenciálugrással az elektród és az elektrolit között. Hasonlóképpen, a rézelektródánál a rézionok elkezdenek kimozdulni az oldatból, és lerakódnak az elektródára. Ebben az esetben a negatív elektród közelében ionhiány képződik, a pozitív elektród közelében pedig az ilyen ionok feleslege. Az oldatban lévő ionok teljes száma nem változik.

A leírt folyamatok eredményeként zárt körben elektromos áramot tartanak fenn, amelyet az összekötő vezetékben az elektronok mozgása, az elektrolitban pedig ionok hoznak létre. Amikor elektromos áramot vezetünk át, a cinkelektróda fokozatosan feloldódik, és réz rakódik le a pozitív (réz) elektródán.

elektróda. Az ionok koncentrációja a cinkelektródánál nő, a réznél csökken.

Potenciál galvánelemes áramkörben. A kémiai elemet tartalmazó inhomogén zárt áramkörben az elektromos áram áthaladásának leírt képe megfelel az áramkör menti potenciáleloszlásnak, vázlatosan az 1. ábrán látható. 107. Külső áramkörben, azaz az elektródákat összekötő vezetékben a potenciál fokozatosan csökken az A pozitív (réz) elektródánál lévő értékről a B negatív (cink) elektródon lévő értékre az Ohm-törvénynek megfelelően homogénre. karmester. A belső áramkörben, azaz az elektródák közötti elektrolitban a potenciál fokozatosan csökken a cinkelektróda közelében lévő értékről a rézelektródához közeli értékre. Ha a külső áramkörben az áram a rézelektródától a cinkelektródáig folyik, akkor az elektroliton belül - a cinkről a rézre. Az elektromos kettős rétegek potenciális ugrásai külső (jelen esetben kémiai) erők hatására jönnek létre. Az elektromos töltések kettős rétegben történő mozgása külső erők hatására az elektromos erők hatásirányával szemben történik.

Rizs. 107. Potenciális eloszlás egy kémiai elemet tartalmazó lánc mentén

ábrán a potenciálváltozás ferde metszetei. 107 a zárt áramkör külső és belső szakaszának elektromos ellenállásának felel meg. A teljes potenciálesés ezeken a szakaszokon megegyezik a kettős rétegekben bekövetkező potenciálugrások összegével, azaz az elem elektromotoros erejével.

Az elektromos áram áthaladását a galvánelemben megnehezítik az elektródákon felszabaduló melléktermékek és az elektrolit koncentrációcsökkenésének megjelenése. Ezeket a jelenségeket elektrolitikus polarizációnak nevezik. Például a Volta elemekben, amikor az áramkör zárva van, a pozitív ionok a rézelektróda felé mozognak, és lerakódnak rajta. Ennek eredményeként egy idő után a rézelektródát hidrogénnel helyettesítik. Mivel a hidrogén elektródpotenciálja 0,337 V-tal kisebb, mint a réz elektródpotenciálja, az elem EMF-je körülbelül ugyanennyivel csökken. Ezenkívül a rézelektródán felszabaduló hidrogén növeli az elem belső ellenállását.

A hidrogén káros hatásainak csökkentése érdekében depolarizátorokat használnak - különféle oxidálószereket. Például a leggyakoribb elemben a Leklanshe ("száraz" akkumulátorok)

a pozitív elektróda egy grafitrúd, amelyet mangán-peroxid és grafit összenyomott tömege vesz körül.

Elemek. Gyakorlatilag fontos típusa a galvanikus celláknak az akkumulátorok, amelyeknél kisütés után fordított töltési folyamat lehetséges az elektromos energia kémiai energiává alakításával. Az elektromos áram vételekor elfogyasztott anyagok elektrolízissel visszakerülnek az akkumulátor belsejébe.

Látható, hogy az akkumulátor feltöltésekor a kénsav koncentrációja nő, ami az elektrolit sűrűségének növekedéséhez vezet.

Így a töltési folyamat során az elektródák éles aszimmetriája jön létre: az egyik ólom lesz, a másik ólom-peroxidból. A feltöltött akkumulátor egy galvanikus cella, amely képes áramforrásként szolgálni.

Amikor elektromos energia fogyasztókat csatlakoztatnak az akkumulátorhoz, az áramkörön elektromos áram folyik át, amelynek iránya ellentétes a töltőárammal. A kémiai reakciók az ellenkező irányba mennek végbe, és az akkumulátor visszatér eredeti állapotába. Mindkét elektródát sóréteg borítja, és a kénsav koncentrációja visszaáll az eredeti értékre.

A feltöltött akkumulátor EMF-je körülbelül 2,2 V. Kisütéskor 1,85 V-ra csökken. További kisütés nem javasolt, mivel az ólom-szulfát képződése visszafordíthatatlanná válik, és az akkumulátor tönkremegy.

Azt a maximális töltést, amelyet az akkumulátor lemerüléskor képes leadni, kapacitásának nevezzük. Az akkumulátor kapacitása jellemzően

amperórában mérve. Minél nagyobb, annál nagyobb a lemezek felülete.

elektrolízis alkalmazások. Az elektrolízist a kohászatban használják. Az alumínium és a tiszta réz leggyakoribb elektrolitikus gyártása. Az elektrolízis segítségével egyes anyagokból vékony rétegeket lehet létrehozni mások felületén dekoratív és védőbevonatok (nikkelezés, krómozás) készítése érdekében. A lehúzható bevonatok előállításának (galvanizálásának) eljárását B. S. Yakobi orosz tudós dolgozta ki, aki a szentpétervári Szent Izsák-székesegyházat díszítő üreges szobrok gyártására alkalmazta.

Mi a különbség a fémek és az elektrolitok elektromos vezetőképességének fizikai mechanizmusa között?

Magyarázza meg, hogy egy adott anyag disszociációs foka miért függ az oldószer permittivitásától!

Magyarázza meg, hogy az erősen híg elektrolit oldatokban miért disszociál szinte az összes oldott molekula!

Magyarázza el, hogyan hasonlít az elektrolitok elektromos vezetőképességének mechanizmusa a gázok elektromos vezetőképességének mechanizmusához! Miért arányos állandó külső körülmények között az elektromos áram az alkalmazott feszültséggel?

Milyen szerepet játszik az elektromos töltés megmaradásának törvénye az elektrolízis törvényének (3) levezetésében?

Magyarázza meg az anyag elektrokémiai ekvivalense és ionjainak fajlagos töltése közötti összefüggést!

Hogyan lehet kísérletileg meghatározni a különböző anyagok elektrokémiai egyenértékeinek arányát, ha több elektrolitfürdő van, de nincs áramerősségmérő műszer?

Hogyan lehet az elektrolízis jelenségét felhasználni egy egyenáramú hálózatban elektromos fogyasztásmérő létrehozására?

Miért tekinthetők Faraday törvényei az elektromosság atomi természetével kapcsolatos elképzelések kísérleti bizonyítékának?

Milyen folyamatok mennek végbe, ha fémelektródákat vízbe merítünk, és ezeknek a fémeknek ionjait tartalmazó elektrolitba merítjük?

Ismertesse a galvanikus cella elektródái közelében az elektrolitban az áram áthaladása során lezajló folyamatokat!

Miért mozognak a pozitív ionok a galvanikus cellában a negatív (cink) elektródáról a pozitív (réz) elektródára? Hogyan jön létre az áramkörben olyan potenciáleloszlás, amely az ionok ilyen mozgását idézi elő?

Miért ellenőrizhető a savas akkumulátor töltöttségi foka hidrométerrel, azaz folyadék sűrűségét mérő készülékkel?

Mi az alapvető különbség az akkumulátorokban és a "száraz" akkumulátorokban végzett eljárások között?

A c akkumulátor töltési folyamatában elhasznált elektromos energia mekkora része használható fel lemerült állapotban, ha az akkumulátor töltése során feszültség maradt a kapcsain

Abszolút mindenki tudja, hogy a folyadékok tökéletesen vezethetik az elektromos energiát. És az is köztudott, hogy az összes vezetőt típusuk szerint több alcsoportra osztják. Cikkünkben azt javasoljuk, hogy vizsgáljuk meg, hogyan történik az elektromos áram folyadékokban, fémekben és más félvezetőkben, valamint az elektrolízis törvényei és típusai.

Az elektrolízis elmélete

Annak érdekében, hogy könnyebben megértsük, mi a tét, azt javasoljuk, hogy kezdjük azzal az elmélettel, hogy az elektromosság, ha egy elektromos töltést egyfajta folyadéknak tekintünk, több mint 200 éve ismert. A töltések egyedi elektronokból állnak, de ezek olyan kicsik, hogy minden nagy töltés folyamatos áramlásként, folyadékként viselkedik.

A szilárd típusú testekhez hasonlóan a folyadékvezetők is háromféleek lehetnek:

• félvezetők (szelén, szulfidok és mások);
• dielektrikumok (lúgos oldatok, sók és savak);
• vezetők (mondjuk plazmában).

Disszociációnak nevezzük azt a folyamatot, amelyben az elektrolitok oldódnak és az ionok szétesnek elektromos moláris tér hatására. Az ionokká bomló molekulák aránya, vagy az oldott anyagban lebomlott ionok aránya teljes mértékben függ a különböző vezetőkben és olvadékokban lévő fizikai tulajdonságoktól és hőmérséklettől. Ügyeljen arra, hogy az ionok rekombinálódhatnak vagy rekombinálódhatnak. Ha a feltételek nem változnak, akkor a bomlott ionok és az egyesült ionok száma egyenlő arányban lesz.

Az elektrolitokban az ionok energiát vezetnek, mert. lehetnek pozitív töltésű részecskék és negatívan is. A folyadék (vagy inkább az edény a folyadékkal az áramforráshoz) csatlakoztatása során a részecskék ellentétes töltések felé indulnak el (a pozitív ionok a katódokhoz, a negatív ionok pedig az anódokhoz vonzódnak). Ebben az esetben az energiát közvetlenül az ionok szállítják, ezért ezt a fajta vezetést ionosnak nevezzük.

Az ilyen típusú vezetés során az áramot ionok viszik, és anyagok szabadulnak fel az elektródákon, amelyek az elektrolitok alkotórészei. Kémiai szempontból oxidáció és redukció megy végbe. Így a gázokban és folyadékokban lévő elektromos áramot elektrolízissel szállítják.

A fizika törvényei és az áramerősség folyadékokban

Otthonunkban és készülékeinkben az elektromosságot általában nem fémhuzalokon továbbítják. Egy fémben az elektronok atomról atomra mozoghatnak, és így negatív töltést hordozhatnak.

A folyadékokhoz hasonlóan ezeket is elektromos feszültség formájában hajtják, amelyet Alessandro Volta olasz tudós szerint volt egységekben mérnek.

Videó: Elektromos áram folyadékokban: teljes elmélet

Ezenkívül az elektromos áram a nagyfeszültségről az alacsony feszültségre folyik, és mértékegysége amper, amelyet André-Marie Ampère-ről neveztek el. És az elmélet és a képlet szerint, ha növeli a feszültséget, akkor az erőssége is arányosan nő. Ezt az összefüggést Ohm törvényének nevezik. Példaként az alábbiakban látható a virtuális áramjellemző.

Az Ohm-törvény (további részletekkel a huzal hosszával és vastagságával kapcsolatban) általában az egyik első dolog, amit a fizikaórákon tanítanak, ezért sok diák és tanár a fizika alaptörvényének tekinti a gázok és folyadékok elektromos áramát.

Ahhoz, hogy a saját szemével lássa a töltések mozgását, elő kell készítenie egy lombikot sós vízzel, lapos téglalap alakú elektródákkal és áramforrásokkal, szükség lesz egy ampermérő telepítésre is, amelynek segítségével az energiát az áramból vezetik. táplálás az elektródákhoz.

A vezetőként működő lemezeket le kell engedni a folyadékba, és be kell kapcsolni a feszültséget. Ezt követően megindul a részecskék kaotikus mozgása, de ahogy a vezetők közötti mágneses tér megjelenése után, ez a folyamat elrendelt lesz.

Amint az ionok elkezdenek töltést váltani és egyesülni, az anódok katódokká, a katódok pedig anódokká válnak. De itt figyelembe kell venni az elektromos ellenállást. Természetesen az elméleti görbe fontos szerepet játszik, de a fő befolyásoló tényező a hőmérséklet és a disszociáció mértéke (attól függően, hogy melyik hordozót választjuk), valamint a váltóáram vagy az egyenáram megválasztása. Ezt a kísérleti vizsgálatot befejezve észreveheti, hogy a szilárd testeken (fémlemezeken) vékony sóréteg képződik.

Elektrolízis és vákuum

Az elektromos áram vákuumban és folyadékokban meglehetősen bonyolult kérdés. Az a tény, hogy az ilyen médiában nincsenek töltések a testekben, ami azt jelenti, hogy dielektrikum. Más szóval, az a célunk, hogy olyan feltételeket teremtsünk, hogy egy elektron atomja megkezdhesse a mozgását.

Ehhez moduláris eszközt, vezetőket és fémlemezeket kell használnia, majd a fenti módszer szerint járjon el.

Az elektrolízis alkalmazása

Ezt a folyamatot az élet szinte minden területén alkalmazzák. Még a legelemibb munkákhoz is néha elektromos áram beavatkozása szükséges a folyadékokba, mondjuk

Ezzel az egyszerű eljárással a szilárd testeket bármely fém legvékonyabb rétegével vonják be, például nikkelezéssel vagy krómozással. ez a korróziós folyamatok elleni küzdelem egyik lehetséges módja. Hasonló technológiákat használnak transzformátorok, mérők és egyéb elektromos készülékek gyártása során.

Reméljük, hogy indoklásunk választ adott minden olyan kérdésre, amely a folyadékok elektromos áramának vizsgálata során felmerül. Ha jobb válaszokra van szüksége, javasoljuk, hogy látogassa meg a villanyszerelők fórumát, ahol ingyenesen tanácsot ad.

>>Fizika: Elektromos áram folyadékokban

A folyadékok, akárcsak a szilárd anyagok, lehetnek dielektrikumok, vezetők és félvezetők. A dielektrikumok közé tartozik a desztillált víz, a vezetők közé tartoznak az elektrolitok oldatai és olvadékai: savak, lúgok és sók. A folyékony félvezetők az olvadt szelén, a szulfidolvadékok stb.
elektrolitikus disszociáció. Amikor az elektrolitok feloldódnak a poláris vízmolekulák elektromos mezőjének hatására, az elektrolitmolekulák ionokra bomlanak. Ezt a folyamatot ún elektrolitikus disszociáció.
A disszociáció mértéke, azaz az oldott anyagban lévő, ionokká bomló molekulák aránya függ a hőmérséklettől, az oldat koncentrációjától és az oldószer elektromos tulajdonságaitól. A hőmérséklet emelkedésével nő a disszociáció mértéke, és ennek következtében nő a pozitív és negatív töltésű ionok koncentrációja.
A különböző előjelű ionok találkozásukkor ismét semleges molekulákká egyesülhetnek - rekombinálni. Állandó körülmények között az oldatban olyan dinamikus egyensúly jön létre, amelynél a másodpercenként ionokká bomló molekulák száma megegyezik az azonos idő alatt semleges molekulákká rekombináló ionpárok számával.
Ionvezetés. A vizes oldatokban vagy elektrolitolvadékokban lévő töltéshordozók pozitív és negatív töltésű ionok.
Ha egy elektrolitoldatot tartalmazó edényt egy elektromos áramkörbe foglalnak, akkor a negatív ionok a pozitív elektród - az anód, a pozitív - a negatív katód felé kezdenek mozogni. Ennek eredményeként elektromos áram jön létre. Mivel a vizes oldatokban vagy elektrolitolvadékokban a töltésátvitelt ionok végzik, ezt a vezetőképességet ún. ión.
A folyadékok elektromos vezetőképességgel is rendelkezhetnek. Ilyen vezetőképességgel például a folyékony fémek rendelkeznek.
Elektrolízis. Az ionos vezetőképességnél az áram áthaladása az anyag átadásával jár. Az elektródákon elektrolitokat alkotó anyagok szabadulnak fel. Az anódnál a negatív ionok adják át extra elektronjaikat (a kémiában ezt oxidatív reakciónak nevezik), a katódon pedig a pozitív ionok kapják a hiányzó elektronokat (redukciós reakció). Az anyag elektródán történő felszabadulási folyamatát, amely redoxreakciókkal jár együtt, ún elektrolízis.
Az elektrolízis alkalmazása. Az elektrolízist széles körben használják a mérnöki munkákban különféle célokra. Elektrolitikusan fedje be az egyik fém felületét egy másik fém vékony rétegével ( nikkelezés, krómozás, rézbevonat stb.). Ez a tartós bevonat megvédi a felületet a korróziótól.
Ha biztosított az elektrolitikus bevonat jó lehámlása arról a felületről, amelyre a fémet lerakják (ezt például a felületre grafit felhordásával érik el), akkor a domborzati felületről másolat készíthető.
A nyomdaiparban az ilyen másolatokat (sztereotípiákat) mátrixokból (egy készlet lenyomata műanyagon) nyerik, amelyhez vastag vas- vagy más anyagréteget raknak a mátrixokra. Ez lehetővé teszi, hogy a készletet a kívánt példányszámban reprodukálja. Ha korábban egy könyv példányszámát korlátozta az egy készletből beszerezhető nyomtatványok száma (nyomtatáskor a készlet fokozatosan törlődik), most a sztereotípiák alkalmazása jelentősen növelheti a példányszámot. Igaz, jelenleg az elektrolízis segítségével sztereotípiákat csak a kiváló minőségű nyomtatású könyvekről szereznek.
A lehúzható bevonatok előállításának folyamata - elektrotípia- fejlesztette ki B. S. Jacobi (1801-1874) orosz tudós, aki 1836-ban ezt a módszert alkalmazta a szentpétervári Szent Izsák-székesegyház üreges figuráinak elkészítésére.
Az elektrolízis eltávolítja a szennyeződéseket a fémekből. Így az ércből nyert nyers rezet vastag lemezek formájában öntik, amelyeket aztán anódként fürdőbe helyeznek. Az elektrolízis során az anódréz feloldódik, az értékes és ritka fémeket tartalmazó szennyeződések lehullanak az aljára, a tiszta réz pedig a katódon ülepedik.
Az alumíniumot olvadt bauxitból elektrolízissel nyerik. Ez volt az alumínium beszerzési módszere, amely olcsóvá és a vas mellett a legelterjedtebbé tette a technikában és a mindennapi életben.
Az elektrolízis segítségével elektronikus áramköri lapokat kapnak, amelyek minden elektronikai termék alapjául szolgálnak. A dielektrikumra vékony rézlemezt ragasztanak, amelyre speciális festékkel komplex mintázatú összekötő vezetékeket visznek fel. Ezután a lemezt elektrolitba helyezik, ahol a rézréteg festékkel nem borított részeit bemarják. Ezt követően a festéket lemossák, és a mikroáramkör részletei megjelennek a táblán.
Az elektrolitok oldataiban és olvadékaiban a semleges molekulák ionokká bomlása következtében szabad elektromos töltések jelennek meg. Az ionok mozgása a terepen anyagátvitelt jelent. Ezt az eljárást széles körben alkalmazzák a gyakorlatban (elektrolízis).

???
1. Mit nevezünk elektrolitikus disszociációnak?
2. Miért történik anyagátvitel, amikor az áram áthalad az elektrolitoldaton, de nem ad át anyagot, ha fémvezetőn halad át?
3. Mi a hasonlóság és a különbség a félvezetők és az elektrolit oldatok belső vezetőképessége között?

G. Ya. Myakishev, B. B. Buhovcev, N. N. Szockij, fizika 10. osztály

Naptár-tematikus tervezés fizikából, tesztek válaszai, feladatok és válaszok diáknak, könyvek és tankönyvek, fizikatanári kurzusok letöltése 10. évfolyamra

Ha javításai vagy javaslatai vannak ehhez a leckéhez,