Про­во­ди­мость элек­тро­ли­тов

Проектная работа по физике

ученицы ГБОУ "Школа 1474/12"

10 класса "Р"

Кудряшовой Марии Андреевны

На тему: "Электрический ток в жидкостях. Электролиз".

Ток в жидкостях

Жид­ко­сти, как и твер­дые тела, могут быть про­вод­ни­ка­ми, по­лу­про­вод­ни­ка­ми и ди­элек­три­ка­ми. Рассмотрим жид­ко­сти-про­вод­ни­ки вто­ро­го рода (рас­тво­ры и рас­пла­вы солей, кис­лот, ос­но­ва­ний). Тип про­во­ди­мо­сти таких про­вод­ни­ков – ион­ный.

Опре­де­ле­ние: Про­вод­ни­ки вто­ро­го рода – такие про­вод­ни­ки, в ко­то­рых при про­те­ка­нии тока про­ис­хо­дят хи­ми­че­ские про­цес­сы.

Для по­ни­ма­ния про­цес­са про­во­ди­мо­сти тока в жид­ко­стях, представим сле­ду­ю­щий опыт:
В ванну с водой по­ме­сти­ли два элек­тро­да, под­клю­чен­ные к ис­точ­ни­ку тока, в цепи в ка­че­стве ин­ди­ка­то­ра тока взяли лам­поч­ку. Если за­мкнуть такую цепь, лампа го­реть не будет, что озна­ча­ет от­сут­ствие тока, зна­чит, в цепи есть раз­рыв, и вода сама по себе не про­во­дит ток. Но если в ван­ную по­ме­стить неко­то­рое ко­ли­че­ство – по­ва­рен­ной соли – и по­вто­рить за­мы­ка­ние, лам­поч­ка за­го­рит­ся. Это зна­чит, что в ван­ной между ка­то­дом и ано­дом на­ча­ли дви­гать­ся сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да, в дан­ном слу­чае ионы.

Про­во­ди­мость элек­тро­ли­тов

От­ку­да во вто­ром слу­чае бе­рут­ся сво­бод­ные за­ря­ды?

Неко­то­рые ди­элек­три­ки – по­ляр­ные. Вода имеет по­ляр­ные мо­ле­ку­лы.

Рис. 2. По­ляр­ность мо­ле­ку­лы воды

При вне­се­нии в воду соли мо­ле­ку­лы воды ори­ен­ти­ру­ют­ся таким об­ра­зом, что их от­ри­ца­тель­ные по­лю­са на­хо­дят­ся возле на­трия, по­ло­жи­тель­ные – возле хлора. В ре­зуль­та­те вза­и­мо­дей­ствий между за­ря­да­ми мо­ле­ку­лы воды раз­ры­ва­ют мо­ле­ку­лы соли на пары раз­но­имен­ных ионов. Ион на­трия имеет по­ло­жи­тель­ный заряд, ион хлора – от­ри­ца­тель­ный. Они будут дви­гать­ся между элек­тро­да­ми под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го поля.

Рис. 3. Схема об­ра­зо­ва­ния сво­бод­ных ионов

При под­хо­де ионов на­трия к ка­то­ду он по­лу­ча­ет свои недо­ста­ю­щие элек­тро­ны, ионы хлора при до­сти­же­нии анода от­да­ют свои.

Электролиз

Так как про­те­ка­ние тока в жид­ко­стях свя­за­но с пе­ре­но­сом ве­ще­ства, здесь имеет место про­цесс элек­тро­ли­за.

Опре­де­ле­ние: Элек­тро­лиз – про­цесс, свя­зан­ный с окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ны­ми ре­ак­ци­я­ми, при ко­то­рых на элек­тро­дах вы­де­ля­ет­ся ве­ще­ство.

Ве­ще­ства, ко­то­рые в ре­зуль­та­те по­доб­ных рас­щеп­ле­ний обес­пе­чи­ва­ют ион­ную про­во­ди­мость, на­зы­ва­ют­ся элек­тро­ли­та­ми. Такое на­зва­ние пред­ло­жил ан­глий­ский физик Майкл Фа­ра­дей. Элек­тро­лиз поз­во­ля­ет по­лу­чать из рас­тво­ров ве­ще­ства чи­стом виде, по­это­му его при­ме­ня­ют для по­лу­че­ния ред­ких ма­те­ри­а­лов, как на­трий, каль­ций. Этим за­ни­ма­ет­ся элек­тро­ли­ти­че­ская ме­тал­лур­гия.

Законы Фарадея

В пер­вой ра­бо­те по элек­тро­ли­зу 1833 года Фа­ра­дей пред­ста­вил свои два за­ко­на элек­тро­ли­за.
В пер­вом речь шла о массе ве­ще­ства, вы­де­ля­ю­ще­го­ся на элек­тро­дах:

Пер­вый закон Фа­ра­дея: масса вещества, выделяющегося на электродах про­пор­ци­о­наль­на за­ря­ду, про­шед­ше­му через элек­тро­лит:

Ко­эф­фи­ци­ен­т про­пор­ци­о­наль­но­сти – элек­тро­хи­ми­че­ский эк­ви­ва­лент. Это таб­лич­ная ве­ли­чи­на, ко­то­рая уни­каль­на для каж­до­го элек­тро­ли­та и яв­ля­ет­ся его глав­ной ха­рак­те­ри­сти­кой. Раз­мер­ность элек­тро­хи­ми­че­ско­го эк­ви­ва­лен­та:

Фи­зи­че­ский смысл элек­тро­хи­ми­че­ско­го эк­ви­ва­лен­та – масса, вы­де­лив­ша­я­ся на элек­тро­де при про­хож­де­нии через элек­тро­лит ко­ли­че­ства элек­три­че­ства в 1 Кл.

Если вспом­нить фор­му­лы из темы о по­сто­ян­ном токе:

То можно пред­ста­вить пер­вый закон Фа­ра­дея в виде:

Вто­рой закон Фа­ра­дея ка­са­ет­ся из­ме­ре­ния элек­тро­хи­ми­че­ско­го эк­ви­ва­лен­та через дру­гие кон­стан­ты для кон­крет­но взя­то­го элек­тро­ли­та:

Здесь: – мо­ляр­ная масса элек­тро­ли­та; – эле­мен­тар­ный заряд; – ва­лент­ность элек­тро­ли­та; – число Аво­га­д­ро.

Ве­ли­чи­на на­зы­ва­ет­ся хи­ми­че­ским эк­ви­ва­лен­том элек­тро­ли­та. То есть, для того чтобы знать элек­тро­хи­ми­че­ский эк­ви­ва­лент, до­ста­точ­но знать хи­ми­че­ский эк­ви­ва­лент, осталь­ные со­став­ля­ю­щие фор­му­лы яв­ля­ют­ся ми­ро­вы­ми кон­стан­та­ми.

Ис­хо­дя из вто­ро­го за­ко­на Фа­ра­дея, пер­вый закон можно пред­ста­вить в виде:

Фа­ра­дей пред­ло­жил тер­ми­но­ло­гию этих ионов по при­зна­ку того элек­тро­да, к ко­то­ро­му они дви­жут­ся. По­ло­жи­тель­ные ионы на­зы­ва­ют­ся ка­ти­о­на­ми, так как они дви­жут­ся к от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­но­му ка­то­ду, от­ри­ца­тель­ные за­ря­ды на­зы­ва­ют­ся ани­о­на­ми как дви­жу­щи­е­ся к аноду.

Вы­ше­опи­сан­ное дей­ствие воды по раз­ры­ву мо­ле­ку­лы на два иона на­зы­ва­ет­ся элек­тро­ли­ти­че­ской дис­со­ци­а­ци­ей.

По­ми­мо рас­тво­ров, про­вод­ни­ка­ми вто­ро­го рода могут быть и рас­пла­вы. В этом слу­чае на­ли­чие сво­бод­ных ионов до­сти­га­ет­ся тем, что при вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ре на­чи­на­ют­ся очень ак­тив­ные мо­ле­ку­ляр­ные дви­же­ния и ко­ле­ба­ния, в ре­зуль­та­те ко­то­рых и про­ис­хо­дит раз­ру­ше­ние мо­ле­кул на ионы.