Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...

Урок на тему:

"Физика явлений. Ее внутренний мир»

Ток в электролитах. Законы электролиза. (Сокращенное изложение)

1. Физический смысл явления.

В общем, электрический ток получают, когда под действием определенной разности потенциала (U =? Ц = / В /) электрического поля те или иные носители электрического заряда приходят в состояние направленного упорядоченного движения в пределах замкнутого электрической цепи.

Если в металлах подвижными, в межатомных пространстве, могут быть только электроны, то в жидкостях может свободно передвигаться любой которая молекула. И когда в определенную жидкость погрузить два электрода с разностью потенциалов между ними, то можно ожидать упорядоченный встречное движение положительных ионов к отрицательному полюсу и, одновременно, отрицательных ионов к положительному полюсу. Ведь между разноименными зарядами действуют силы протягивания. К тому же оказывается, что молекулы растворов кислот, щелочей и солей, сами по себе, даже без внешнего электрического поля, могут диссоциировать, то есть превращаться в электрически заряженные ионы.

Диссоциация - это процесс расщепления нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы. Одновременно всегда существует обратный процесс рекомбинации отдельных ионов в нейтральные молекулы.

H2SO4 = 2H + + SO42-NaCl = Na + + Cl -

При этом в формировании ионов важная роль принадлежит так называемым валентным электронам.

Na + (ион натрия)

валентность 1 (+)

Cl- (ион хлора)

валентность 1 (-)

Из схемы хорошо видно как проявляется естественная тенденция нейтральных атомов автоматически создавать насыщенный внешний электронный слой в ходе их взаимодействия в некоторой среде.

В поведении 11-го периферийного электрона натрия в присутствии хлора преобладает тенденция к переходу от "своего" атома к незавершенному внешнего слоя "чужого" атома хлора. Такой процесс позволяет "убить двух зайцев" обеспечить насыщение внешнего электронного слоя как и для атома натрия, так и для атома хлора. Ведь атом хлора на своем третьем электронномв слое, а атом натрия на оставленном втором будут иметь по восемь электронов. Внешние слои стали завершенными и образованная частица (ион) стала стабильной.

Этот активный электрон и определяет валентность химического элемента.

Понятно, что таких электронов в других атомов может быть два или больше, и такой будет соответствующая их числу валентность атома.

Поэтому когда такая химическая субстанция оказывается в электролитической ванне с электродами под напряжением, то наблюдается электрический ток со следующими сопутствующими явлениями и характеристиками:

А + - анод К-- катод

Поток ионов, и представляет электрический ток в электролитах.

То есть электролиты для разведенных в пространстве этой жидкости анода и катода электрическое окружность не размыкают. Электролит это проводник электрического тока.

Понятно, что при повышении температуры сопротивление электролитов уменьшается в отличие от температурной зависимости сопротивления металлических проводников, так повышается подвижность носителей электрических зарядов.

Ионы для электролитического тока иногда получают не только из среды самого электролита, а иногда и из самых электродов (анода). Потому что среди ионов электролита не все они являются электро- химически активными, когда, например, имеющиеся отрицательные ионы не способны в данной среде отдать свои "избыточные" электроны. А если не будет замкнутого потока электронов на отрезке внешнего с единения анода и катода с источником тока, то не будет и электролитического тока в середине жидкости. Наглядно это можно будет увидеть чуть ниже в п.3.

На практике при электролизе имеющегося раствора у электродов вместо ионов, что там с появились, образуются уже электрически нейтральные молекулы газа или слой чистого металла, состоящий из нейтральных атомов. Это проявление так называемых реакций восстановления. Основа их сущности в поведении свободных электронов, которую определяют ионы и электрический заряд электрода.

Например: Анод: Cl- & gt; -e + Cl электрон, С запросомтку отдается негативным ионом аноду (А +), а затем от анода перемещается к положительному полюсу батареи в ходе циркуляции электрического тока в данной цепи.

Нужно принять во внимание, что в о объеме раствора у электродов, все время повторяются подобные преобразования и поэтому происходит неизбежно об единения отдельных атомов хлора в двухатомные молекулы. То есть наблюдатель видит поток пузырьков газообразного хлора, как конечный продукт электролиза. Причиной такого о единения атомов является ковалентная (парный) химический н связь. И снова в его основе заложена тенденция поведения атомов к насыщению внешнего электронного слоя. В общем это основа практически всех реакций неорганической химии. Поэтому понятно, что в целом реакция электролиза вблизи анода будет иметь вид: 2Cl- & gt; 2 -e + Cl2

Вот только водные растворы солей и кислот по причине широкой универсальности молекулы воды (H2O & gt; H ++ OН-) содержат не два противоположно заряженные ионы, а больше (Na +, Cl-, H +, OH-). В таком случае в электролизной реакции принимают участие только два иона: один положительный (наиболее активный) и один отрицательный (также наиболее активный). Другие ионы участия в реакции не принимают. Их называют пассивными.

Есть специальный раздел физики, который изучает эти свойства жидкости очень подробно. Такие познания широко используются в биотехнологиях. Последние постепенно занимают в жизни современного общества лидирующее положение и является одной из кирпичей нового общества ЗНАНИЙ, что приходит на смену еще актуального для Украины индустриального периода.

Очень часто именно за счет реакций электролиза получают ценные химические продукты, крайне тяжело добыть прямым естественным путем. Так в "доелектролизни" времена алюминий был настолько дорог, что украшения из него могли себе позволить женщины только из очень богатых семей. Поэтому для Дмитрия Ивановича Менделеева было приятным получить памяти ятну медаль Французской академии наук именно из алюминия.

Как правило, электролиз это Объявленияеще прохождения электрического тока в жидкостях, при котором сама жидкость не "переживает" никаких преобразований своей сущности. Все реакции происходят исключительно у электродов, а в жидкости меняется только концентрация компонентов.

Понятно, что масса продуктов электролиза зависит от величины заряда, пронизывающего раствор.

2. Законы электролиза.

Масса продукта будет равна: m = miNi (где mi масса иона, Ni число ионов). То есть m = M / NA x q / e, где М мольная масса ионов, NA число частиц одного моля вещества (число Авогадро), q / e - число электронов, участвующих в электролитической реакции.

Понятно, что один электрон при электролизе в состоянии превратить ион в нейтральный атом вещества, только в том случае, если этот химический элемент одновалентен. А, например, для нейтрализации двухвалентного иона (Cu2 +, SO42-, O2-) уже нужно два электрона, для трехвалентного - три и т. Д. Именно поэтому для получения нейтрального вещества необходимо величину q разделить на n x e, учитывая ее валентность.

Тогда имеем: m = M / NA xq / exn или, перегруппировав величины m = 1 / e NA x M / nxq, или окончательно: m = 1 / F x м / nx I x t.Пры этом F = ex NA = 96500 Кл / моль постоянная Фарадея (в честь английского ученого, дал эту теорию), а М / n химический эквивалент вещества.

Часто бывают случаи, когда этот закон Фарадея для электролиза записывают еще в более простой форме m = k x I x t, где произведение 1 / F x M / n называют электрохимическим эквивалентом вещества (табличная величина). Понятно, что М мольная масса (так предпочитают обозначать в некоторых учебниках).

Если обеспечить внимательный, сосредоточенный анализ явления, то при развязку язанни задач бывает полезным учесть следующие возможности:

1) для нейтрализации иона и его преобразования в нейтральный атом нужна такая элементарная количество электричества q0, равной валентности данного элемента (n), умноженной на заряд электрона (е), то есть q0 = n x e. Однако есть много реществ, которые имеют молекулярное строение и каждая молекула "использует" несколько атомов. Поэтому понятно, что для получения одной молекулы кислорода, при ее валентности 2 (два), нам потребуется четыре электрона (4е). Поэтому, в записи закона Фарадея используется атомарная масса с соответствующей атому валентностью. Но, если от нее переходить к мол исследований в обычных лабораторных или природных условиях, то придется учитывать, что данное количество вещества даст в два раза меньше (для кислорода) структурных частиц газообразного состояния.

2) исходя из понимания первого легко формировать запись хода электролиза для газов, получаемых в нормальных условиях (н.у.).

96500 Кл (дают) & gt; 1 моль H или & gt; 1/2 моля H2 или 1/2 от 22,4 литра H2q (реальный заряд) & gt; н молей ... или Х литров

Естественно, для кислорода (O2) будет & gt; 1/4 моля O2, то есть: 1/4 от 22,4 литра.

Если условия выходят за рамки нормальных, то естественно использовать уравнение Менделеева - Клапейрона: PV = нRT.

При внимательном рассмотрении этого легко увидеть физический смысл постоянной Фарадея.

Постоянная Фарадея (F = e x NA) показывает количество электричества, которое дает один моль взаимодействий «электрон ион ».

или это такое количество электричества, которое при электролизе нейтрализует 1 моль одновалентных ионов или 1/2 моля двухвалентных ионов, 1/3 моля трехвалентных и т.д.

3. Применение электролиза.

Среди применений электролиза сначала в некоторых деталях рассмотрим процессы, протекающие в ванне с водным раствором медного купороса и медным анодом. Они еще раз позволяют нам наглядно увидеть сущность явления.

При запуске установки наблюдается следующее. Из имеющихся ионов водного раствора медного купороса (Cu2 +, H +, OH-, SO42-) активными, то есть такими, которые принимают участие в электролитической реакции оказываются только ионы меди, а все остальные остаются пассивные и ни в каких реакциях не участвуют. Это в результате высокой электро-химической активности меди. Поэтому на катоде имеет место следующаяреакция: Cu 2+ + 2е & gt; Cu.

То есть, на ту поверхность катода, "смотрит" на анод, оседает равномерный слой меди. И это при том, что сам катод передает в раствор с ионами меди электроны, которые постоянно поступают от отрицательного полюса источника тока.

А вот что происходит с анодом. Поскольку рядом с ним в растворе нет активных отрицательных ионов, то и нет каких-либо продуктов электролиза, взятых с самого раствора.

Но циркуляция тока в установке обеспечивается тем, что нейтральный атом меди, из которой сделан анод, отдает два электрона во внешнюю часть электрической цепи, направляя их к положительному полюсу источника. То есть анод формирует следующую реакцию: Cu & gt; 2е + Cu 2+.

Ион меди, образовавшийся из нейтрального атома не может оставаться в составе материала анода. Поэтому он переходит в раствор. Получается, что вместо иона, использованного у катода, раствор получил новый такой же ион от анода. Ведь согласно закону сохранения электрического заряда поток количества электричества в любом сечении последовательной цепи величина постоянная. Из всего этого ясно видно, что анод растворяется (худеет), а катод покрывается медью (толстеет), раствор же никак не меняется (концентрация остается постоянной).

4. Техника и электролиз.

Рассмотрим главные применения электролиза в технике, учитывая, что в курсе химии мы уже ознакомились с использованием электролиза для получения свободного фтора, хлора и других веществ.

Электрометаллургия. На сегодняшний день многие металлы получают с помощью электролиза руд. Так, например, алюминий получают исключительно электролизом его расплавленного оксида (глинозема Al12O3) в криолите Na3AlF6. Электролитической ванной и одновременно катодом служит железный ящик с угольным подом, а анодами есть угольные стержни, которые опускаются в расплав. Электролиз проводится при температуре около 900 o С, причем высокая температура поддерживается самим током. Расплавленный алюминий опускается на дно ящика, откуда его июняэз специальное отверстие выпускают в форму для выплавки. С помощью такого электролиза получают также натрий, магний, бериллий, кальций, фтор и другие вещества.

Очистка металлов. В промышленности при электролизе осуществляют очистку металлов. Металл, очищается, выливают в виде пластин и делают их анодами в электролитической ванне. Электролитом является раствор соли данного металла. Подбирая напряжение между анодом и катодом, можно добиться, чтобы металл, очищается, переходил от анода в раствор и выделялся на катоде. Примеси же выпадают на дно посуды в виде осадка. Этот способ наиболее распространен для очистки меди, как мы это описали в деталях чуть выше.

Гальванопластика, или электрическое осаждение металла на поверхности предмета для восстановления его формы осуществляется следующим образом: по предмету сначала снимают слепок из воска, гипса и т.п., покрывают его порошком графита для формирования электропроводности и потом используют слепок, как катод в электролитической ванне, которая вмещает раствор соли соответствующего металла. Во время электролиза металл из электролита выделяется на поверхности слепка и получают металлическую копию предмета. Этим способом изготавливают печатные клише, бесшовные трубы, а также другие металлические детали сложной формы.

Гальваностегия. Электролитическое осаждение металлов широко используют для покрытия одних металлов слоем других с целью защиты от коррозии. Таковы электролитические позолота, серебрение и т.п..

Загрузка...