Меню

Электрический ток в жидкостях электролиз законы фарадея для электролиза

Электрический ток в жидкостях

Знакомство с явлением

Соединим с источником тока последовательно лампу и электролитическую ванну с дистиллированной водой, в которую опущены угольные электроды. Химически чистая вода почти не проводит ток.

ванна с дистиллированной водой

Если же в воде растворить соль (например CuSO4, CuCl2), то лампочка загорится, а на катоде из раствора выделится медь.

проводимость электролитов

Электролитическая диссоциация

По способности проводить электрический ток в водном растворе и расплаве все вещества делятся на электролиты и неэлектролиты.

электролиты

Электролитическая диссоциация – явление расщепления нейтральных молекул кислот, солей и щелочей при их растворении на положительные и отрицательные ионы.

электролитическая диссоциация

Интенсивность электролитической диссоциации зависит:

  1. От температуры раствора.
  2. От концентрации раствора.
  3. От рода раствора (его диэлектрической проницаемости).

Электрический ток в растворах и (или расплавах) электролитов представляет собой упорядоченное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

электрический ток в электролитах

На вольт-амперной характеристике график смещен вследствие явления поляризации.

вольт-амперная характеристика

Справедлив закон Ома при неизменной концентрации раствора и температуры.

Электролиз

Электролиз – перенос вещества при прохождении электрического тока через электролит.

Электролиз сопровождается выделением на электродах, опущенных в электролит, составных частей растворенного вещества.

Закон электролиза Фарадея

Масса вещества, выделившегося на электроде за время Dt при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени:

закон электролиза

k – электрохимический эквивалент вещества ().

сопротивление электролита

Сопротивление электролита уменьшается с ростом температуры, т. к. увеличивается количество ионов вследствие электролитической диссоциации.

Закон Фарадея позволяет определить заряд электрона:

Вывод о существовании в природе элементарного электрического заряда был сделан Гельмгольцем в 1881 г.

Применение электролиза

Рафинирование (очистка) металлов

Процесс происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом – тонкая пластинка из чистого металла, а электролитом – раствор соли данного металла, например при рафинировании меди – раствор медного купороса.

При определенных условиях на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.

рафинирование меди

Электрометаллургия

Некоторые металлы, например алюминий, получают методом электролиза из расплавленной руды. Электролитической ванной и одновременно катодом служит железный ящик с угольным подом, а анодом – угольные стержни. Температура руды (около 900 0 С) поддерживается протекающим в ней током. Расплавленный алюминий опускается на дно ящика, откуда его через отверстие выпускают в форму для отливки.

электорометаллургия

Гальваностегия

Электролитический способ покрытия металлических изделий слоем благородных металлов не поддающихся окислению.

гальваностегия

Гальванопластика

Используется для воспроизведения формы рельефных предметов (медалей, монет, точных копий художественных изделий).

гальванопластика

Электроэпиляция

Используется в косметологии для удаления волос воздействием на волосяные фолликулы очень тонкими иголками.

Источник

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 34. Электрический ток в жидкостях

Список вопросов, рассмотренных в уроке:

2) электролитическая диссоциация;

3) явление прохождения электрического тока через электролиты;

4) зависимость тока от напряжения;

5) зависимость силы тока от внешних условий.

Глоссарий по теме:

Электролитическая диссоциация представляет собой разложение молекул на ионы под действием электрического поля полярных молекул воды.

Степень диссоциации представляет собой долю распавшихся молекул в растворенном веществе.

Ионная проводимость — это проводимость водных растворов или расплавов электролитов, которая осуществляется ионами.

Электролиз — процесс выделения на электроде вещества, связанного с окислительно-восстановительными реакциями.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н. Н. Физика. 10 класс. Учебник для образовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 376-380.

Рымкевич А.П. Сборник проблем физики. 10-11 класс М.: Дрофа, 2009.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

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

Электролит представляет собой проводящую жидкость (растворы кислот, щелочей, солей и расплавленных солей). Электролитическая диссоциация представляет собой разложение молекул электролита на ионы при растворении в воде или плавлении. Степень диссоциации — это доля молекул, которые распадаются на ионы. Электропроводность электролитов является ионной. Проход электрического тока связан с переносом вещества.

Электролиз — процесс выделения на электроде вещества, связанного с окислительно-восстановительными реакциями.

Закон электролиза открыт в 1833 году Майклом Фарадеем.

Закон Фарадея: m = kI∆t

Закон электролиза определяет массу вещества, выделяемого на электроде при электролизе при прохождении электрического тока.

Читайте также:  Сила тока в проволоке формула

k — электрохимический эквивалент вещества, численно равного массе вещества, выделяемого на электроде, когда он проходит через зарядный электролит в 1 Кл.

Применение электролиза: получение чистых металлов (очистка от примесей); гальваностегия (никелирование, хромирование и т. д.); гальванопластика, то есть получение отслаивающихся покрытий (рельефные копии).

Примеры и разбор решения заданий:

1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи равна 0,3 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 7 минут?

Решение: Сила тока равна отношению заряда ко времени, в течение которого этот электрический заряд прошёл по цепи:

Подставив числовые значения, переведя время в СИ, получим q = 126 Кл.

Правильный ответ: q = 126 Кл.

  1. В процессе электролиза из водного раствора хлорида железа-2 выделилось 840 мг железа. Какой заряд прошёл через электролитическую ванну?

q = 840 · 10 -6 · 1,6 · 10 -19 · 2 · 6,02 · 10 23 / 0,056 = 2880 Кл.

Источник

Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза

Урок 79. Физика 10 класс

Доступ к видеоуроку ограничен

Конспект урока «Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза»

Как и другие тела, жидкости могут являться проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Например, дистиллированная вода является диэлектриком. Это легко подтверждается с помощью опыта. Поместим два электрода в ванну с водой. Эти электроды мы подсоединим к источнику тока, а также включим в цепь лампочку и выключатель. Как и всегда, с помощью выключателя мы можем замыкать и размыкать цепь, ну а лампочка будет служить индикатором того, что по цепи протекает электрический ток.

Итак, если мы замкнем цепь, то никакого электрического тока мы не получим: ведь дистиллированная вода является диэлектриком. Разомкнем цепь и насыплем в ванну некоторое количество самой обычной поваренной соли. Подождав, пока соль растворится, снова замкнем цепь. В этом случае, лампочка загорится, что будет означать протекание электрического тока по всей цепи. Давайте разберемся, как же соль могла повлиять на проводимость воды.

После того, как мы насыпали соль в ванну, там образовался солевой раствор. Как вы знаете из курса химии, молекулы воды являются полярными, так же, как и молекулы поваренной соли. Центр распределения положительного заряда в поваренной соли приходится на ион натрия, а центр распределения отрицательного заряда приходится на ион хлора. В результате, молекулы воды ориентируются таким образом, что вокруг иона натрия скапливаются отрицательные полюса молекул воды, а вокруг иона хлора — скапливаются положительные полюса молекул воды.

В этом случае, действие кулоновских сил достаточно велико, чтобы расщепить молекулу поваренной соли. То есть, молекула распадается на ион натрия и ион хлора.

Таким образом, в растворе возникают заряженные частицы — ионы. В результате, отрицательные ионы (в данном случае ионы хлора), начинают двигаться к аноду, а положительные ионы (в данном случае ионы натрия) начинают двигаться к катоду. Это есть не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то есть электрический ток.

Процесс расщепления молекулы на ионы называется электролитической диссоциацией. То есть при электролитической диссоциации полярные молекулы распадаются под влиянием кулоновских сил. После распада молекулы, положительные ионы электролитов называются катионами, а отрицательные — анионами. Конечно, не все молекулы распадаются. Процент распавшихся молекул будет зависеть от концентрации раствора, температуры и, конечно, свойств самого электролита.

Таким образом, в водных растворах и расплавах электролитов возникает ионная проводимость. То есть, ионная проводимость — это проводимость, возникающая в результате переноса электрического заряда ионами. С ионной проводимостью связано понятие электролиза. Электролиз — это процесс выделения вещества на электроде в результате окислительно-восстановительных реакций.

Изучением данных вопросов активно занимался уже известный нам ученый Майкл Фарадей. Именно Фарадей впервые ввел такие термины, как электролиты, катионы и анионы, катод и анод.

Фарадей задался вопросом о том, как вычислить массу вещества, выделившегося на электроде в результате протекания электрического тока через электролит. Эту массу можно вычислить:

Именно к такому выводу и пришел Фарадей, установив, что масса вещества, выделившегося на электроде прямо пропорциональна силе тока, протекающего через электролит и времени протекания тока. Этот закон получил название закона Фарадея или закона электролиза. Как мы видим, в формуле есть несколько констант, которые было решено заменить на одну константу: 𝑚=𝑘𝐼𝑡. Эта константа называется электрохимическим эквивалентом.

Читайте также:  Контурный ток это ток который

Если мы выразим электрохимический эквивалент из формулы, описывающей закон электролиза, то убедимся, что он измеряется в килограммах на кулон:

Иногда электрохимический эквивалент разделяют на две константы: число Фарадея (равного произведению элементарного заряда и числа Авогадро) и химический эквивалент (равный отношению молярной массы вещества к его валентности):

Электрохимические эквиваленты сведены в таблицы:

Но, даже если у вас нет этой таблицы, вы все равно сможете вычислить электрохимический эквивалент любого элемента, используя таблицу Менделеева. Для примера возьмем серебро:

Кстати говоря, закон электролиза можно использовать, для экспериментального определения заряда электрона. Силу тока, протекающего через электролит, мы можем измерить, так же как и время протекания тока. Массу выделившегося на электроде вещества измерить тоже несложно. Таким образом, закон электролиза позволяет определить элементарный заряд:

Электролиз широко используется в промышленности. Например, он используется для очистки металлов от примести, или, наоборот, для покрытия поверхности каким-то металлом. Такие процессы, как никелирование, хромирование, оцинковка или омеднение осуществляются благодаря открытию электролиза.

Пример решения задачи.

Задача. Для никелирования детали площадью 0,3 м 2 , на деталь требуется нанести слой толщиной 0,08 мм. Плотность никеля равна 8900 кг/м 3 . Какой ток нужно пустить через электролитическую ванну, чтобы полностью закончить никелирование за 3 часа?

Источник



Электрический ток в жидкостях электролиз законы фарадея для электролиза

«Физика — 10 класс»

Каковы носители электрического тока в вакууме?
Каков характер их движения?

Жидкости, как и твёрдые тела, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками. К диэлектрикам относится дистиллированная вода, к проводникам — растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы сульфидов и др.

Электролитическая диссоциация.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы.

Распад молекул на ионы под влиянием электрического поля полярных молекул воды называется электролитической диссоциацией.

Степень диссоциации — доля в растворённом веществе молекул, распавшихся на ионы.

Степень диссоциации 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 могут снова объединиться в нейтральные молекулы.

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.

Ионная проводимость.

Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно и отрицательно заряженные ионы.

Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду — аноду, а положительные — к отрицательному — катоду. В результате по цепи пойдёт электрический ток.

Проводимость водных растворов или расплавов электролитов, которая осуществляется ионами, называют ионной проводимостью.

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

Электролиз. При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительновосстановительными реакциями, называют электролизом.

От чего зависит масса вещества, выделяющегося за определённое время? Очевидно, что масса m выделившегося вещества равна произведению массы m0i одного иона на число Ni ионов, достигших электрода за время Δt:

Масса иона m0i равна:

где М — молярная (или атомная) масса вещества, a NA — постоянная Авогадро, т. е. число ионов в одном моле.

Число ионов, достигших электрода, равно:

где Δq = IΔt — заряд, прошедший через электролит за время Δt; q0i — заряд иона, который определяется валентностью n атома: q0i = пе (е — элементарный заряд). При диссоциации молекул, например КВr, состоящих из одновалентных атомов (n = 1), возникают ионы К + и Вr — . Диссоциация молекул медного купороса ведёт к появлению двухзарядных ионов Си 2+ и SO 2- 4 (n = 2). Подставляя в формулу (16.3) выражения (16.4) и (16.5) и учитывая, что Δq = IΔt, a q0i = nе, получаем

Читайте также:  Что такое действующее значение тока как оно определяется

Закон Фарадея.

Обозначим через k коэффициент пропорциональности между массой m вещества и зарядом Δq = IΔt, прошедшим через электролит:

где F = eNA = 9,65 • 10 4 Кл/моль — постоянная Фарадея.

Коэффициент k зависит от природы вещества (значений М и n). Согласно формуле (16.6) имеем

Закон электролиза Фарадея:

Масса вещества, выделившегося на электроде за время Δt. при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени.

Это утверждение, полученное теоретически, впервые было установлено экспериментально Фарадеем.

Величину k в формуле (16.8) называют электрохимическим эквивалентом данного вещества и выражают в килограммах на кулон (кг/Кл).

Из формулы (16.8) видно, что коэффициент к численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда, равного 1 Кл.

Электрохимический эквивалент имеет простой физический смысл. Так как M/NA = m0i и еn = q0i, то согласно формуле (16.7) k = rn0i/q0i, т. е. k — отношение массы иона к его заряду.

Измеряя величины m и Δq, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.

Убедиться в справедливости закона Фарадея можно на опыте. Соберём установку, показанную на рисунке (16.25). Все три электролитические ванны заполнены одним и тем же раствором электролита, но токи, проходящие через них, различны. Обозначим силы токов через I1, I2, I3. Тогда I1 = I2 + I3. Измеряя массы m1, m2, m3 веществ, выделившихся на электродах в разных ваннах, можно убедиться, что они пропорциональны соответствующим силам токов I1, I2, I3.

Определение заряда электрона.

Формулу (16.6) для массы выделившегося на электроде вещества можно использовать для определения заряда электрона. Из этой формулы вытекает, что модуль заряда электрона равен:

Зная массу m выделившегося вещества при прохождении заряда IΔt, молярную массу М, валентность п атомов и постоянную Авогадро NA, можно найти значение модуля заряда электрона. Оно оказывается равным e = 1,6 • 10 -19 Кл.

Именно таким путём и было впервые в 1874 г. получено значение элементарного электрического заряда.

Применение электролиза. Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим способом покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование, позолота и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии. Если обеспечить хорошее отслаивание электролитического покрытия от поверхности, на которую осаждается металл (этого достигают, например, нанося на поверхность графит), то можно получить копию с рельефной поверхности.

Процесс получения отслаиваемых покрытий — гальванопластика — был разработан русским учёным Б. С. Якоби (1801—1874), который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге.

Раньше в полиграфической промышленности копии с рельефной поверхности (стереотипы) получали с матриц (оттиск набора на пластичном материале), для чего осаждали на матрицы толстый слой железа или другого вещества. Это позволяло воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров.

При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.

При помощи электролиза получают алюминий из расплава бокситов. Именно этот способ получения алюминия сделал его дешёвым и наряду с железом самым распространённым в технике и быту.

С помощью электролиза получают электронные платы, служащие основой всех электронных изделий. На диэлектрик наклеивают тонкую медную пластину, на которую наносят особой краской сложную картину соединяющих проводов. Затем пластину помещают в электролит, где вытравливаются не закрытые краской участки медного слоя. После этого краска смывается, и на плате появляются детали микросхемы.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Электрический ток в различных средах — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Источник