Лекция по физике на тему : Электрический ток в различных средах. Электролиз. Законы Фарадея для электролиза

ПОАНО «ВМК» Тема занятия: Электрический ток в различных средах. Электролиз.  Лекция №8.   Законы Фарадея для электролиза. 59 Цель занятия: Вспомнить с учащимися такие понятия из химии, как электролит, электролитическая диссоциация, ионная проводимость, электролиз. Пояснить природу электрического тока в жидкостях; наблюдать явления, вызванные электрическим током в различных средах; сформулировать закон Фарадея; воспитание характера на пути достижения цели при проведении опыта; воспитание интереса к физике. Электрическим   током  называют   всякое   упорядоченное   движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества   при   определенных   условиях.   условий возникновенияэлектрического   тока   является   наличие   свободных   зарядов,   Одним   из способных двигаться под действием электрического поля. Поэтому в этом разделе мы попытаемся   установить, какие частицы, переносят  электрический заряд в различных средах. Электрический ток в металлах. Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического   поля   свободные   электроны   движутся   хаотически,   подобно молекулам   идеального   газа,   а   потому   рассматриваются   в   классической электронной теории как электронный газ. Под   действием   внешнего   электрического   поля   меняется   характер движения   свободных   электронов   внутри   металла.   Электроны,   продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля. Следовательно, электрический   ток   в   металлах ­   это   упорядоченное движение электронов. Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле: ПОАНО «ВМК» 60 где I ­ сила   тока в   проводнике, e ­   модуль   заряда   электрона,  n0 ­ концентрация   электронов   проводимости,   ­   средняя   скорость упорядоченного   движения   электронов,  S ­   площадь   поперечного   сечения проводника. Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока. где j ­ плотность тока. У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости  одновалентного металла равна где Na ­ постоянная Авогадро,  A ­ атомная масса металла, ρ ­ плотность металла, то получаем что концентрация определяется в пределах 1028 ­ 1029 м­3. Закон Ома для однородного участка цепи: где U ­ напряжение на участке,  R ­ сопротивление участка. Для однородного участка цепи: где  ρУ ­ удельное сопротивление проводника, l ­ длина проводника,  S ­ площадь поперечного сечения проводника. Удельное   сопротивление   проводника   зависит   от   температуры   и   эта зависимость выражается соотношением: ρу = ρоу ( 1 +  α  ∆Т ) ПОАНО «ВМК» 61 где ρоу  ­ удельное   сопротивление   металлического   проводника   при  ­α  термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т ­ температуре Т =273К,  То  ­ изменение температуры. Вольт­амперная характеристика металлов. Сила   тока   в   проводниках   по   закону   Ома   прямо   пропорциональна напряжению.   Такая   зависимость   имеет   место   для   проводников   со   строго заданным сопротивлением ( для резисторов). Тангенс   угла   наклона   графика   равен   проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению где  G ­ проводимость. ПОАНО «ВМК» 62 Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт­ амперная характеристика металлов не является линейной. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Явление   распада   молекул   солей,   щелочей   и   кислот   в   воде   на   ионы противоположных называют электролитической диссоциацией. Полученные   в   следствие   распада   ионы   служат   носителями знаков     заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.   Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы ­ к аноду. ПОАНО «ВМК» 63 Следовательно, электрический   ток   в   растворах   (расплавах) электролитов ­   это   направленное   перемещение   ионов   обоих   знаков   в противоположных направлениях. Прохождение   электрического   тока   через   раствор   электролита   всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом. При   движении   внутри   электролитов   ионы   взаимодействуют   с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие   движению,   а,   следовательно,   обладают   сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков. Сопротивление электролитов так же определяется по формуле: где  ρУ ­   удельное   сопротивление   электролита, l  ­ длина   жидкого проводника,  S ­ площадь поперечного сечения жидкого проводника. При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что   ведет   к   увеличению   скорости   движения   ионов.   Т.е.   при   повышении температуры сопротивление электролита уменьшается. Законы Фарадея. 1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит. где m ­ масса   вещества,   выделяющегося   на   электроде,  k ­ электрохимический эквивалент, q ­ заряд, прошедший через электролит.   2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту. ПОАНО «ВМК»             64 где М­   молярная   масса   вещества, F­ постоянная Фарадея, z ­ валентность иона. постоянная   Фарадея численно   равна   заряду,   который   должен   пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту. Объединенный закон Фарадея.                       Электрический ток в газах. При нормальных условиях    газы   состоят   из   нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для   получения электрического тока   необходимо   наличие   заряженных   частиц,   то   молекулы   газа   следует ионизировать   (оторвать   электроны   от   молекул).   Для   ионизации   молекул необходимо   затратить   энергию   ­ энергию   ионизации,   количество   которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна ­ для инертных газов. Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного   рода   лучами.   Благодаря   дополнительной   энергии   возрастает скорость   движения   молекул,   нарастает   интенсивность   их   теплового движения   и   при   соударении   отдельные   молекулы   теряют   электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы. ПОАНО «ВМК» 65 Электроны,   оторвавшись   от   молекулы   могут   присоединятся   к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы. Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Под   действием   внешнего   электрического   поля   ионы   обоих   знаков   и электроны   движутся   в   направлении   действия   сил   электрического   поля: положительные ионы   к катоду, отрицательные ионы и электроны ­ к аноду. Т.е. электрический   ток   в   газах ­   это   упорядоченное   движение   ионов   и электронов под действием электрического поля. Вольт­ амперная характеристика газов. Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВС. На  участке графика  ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении   сила   тока   мала,   т.к.   ионы   двигаясь   с   малыми   скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения  между электродами   скорость   направленного   движения   электронов   и   ионов возрастает,   поэтому   большая   часть   заряженных   частиц   достигает  электродов, а, следовательно возрастает сила тока. ПОАНО «ВМК» 66 При   определенном   значении   напряжения U1 все   ионы   имеют достаточные   скорости   и,   не   рекомбинируя,   достигают   электродов.   Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения   до   значения U2.   Такой   ток   называют током   насыщения, и   ему соответствует участок графика АВ. При   напряжении U2 в   несколько   тысяч   вольт   скорость   электронов, возникающих   при   ионизации   молекул,   а   следовательно,   их   кинетическая энергия   значительно   увеличиваются.   И   когда   кинетическая   энергия  достигает   значения   энергии   ионизации,   электроны,   сталкиваясь   с нейтральными   молекулами,   ионизируют   их.   Дополнительная   ионизация  приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно   и   к   значительному   увеличению   силы   тока   без   воздействия внешнего   ионизатора.   Прохождение   электрического   тока   без   воздействия   Такая внешнего   ионизатора   называют самостоятельным   разрядом. зависимость выражена участком графика АС. Электрический ток в вакууме. В   вакууме   отсутствуют   заряженные   частиц,   а   следовательно,   он является   диэлектриком.   Т.е.   необходимо   создать   определенные   условия, которые помогут  получить заряженные частицы. Свободные   электроны   есть   в  металлах.   При   комнатной   температуре  они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения   со   стороны   положительных   ионов.   Для   преодоления   этих   сил электрону   необходимо   затратить   определенную   энергию,   которая называется работой выхода. Энергию, большую или   равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур. ПОАНО «ВМК» 67 При   нагревании   металла   количество   электронов   с   кинетической энергией,   большей   работы   выхода,   увеличивается,   поэтому   из   металла вылетает   большее   количество   электронов.   Испускание   электронов   из металлов   при   его   нагревании   называют термоэлектронной   эмиссией.   Для осуществления  термоэлектронной  эмиссии  в  качестве  оного  из  электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная   к   источнику   тока   нить   раскаляется   и   с   ее   поверхности  вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между   двумя   электродами   и   начинают   двигаться   направленно,   создавая электрический ток. Явление термоэлектронной эмиссии лежит  в основе принципа действия электронных ламп:  вакуумного диода, вакуумного триода.               Вакуумный диод              Вакуумный триод Вольт­амперная характеристика вакуумного диода. Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВСD. При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны.   При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у   катода электронное облако. По   мере   увеличения   напряжения   между   анодом   и   катодом   большее количество   электронов   устремляется   к   аноду,   а   следовательно   сила   тока ПОАНО «ВМК» увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость   силы тока от напряжения, 68 т.е. в  интервале напряжений U1 ­ U2 выполняется закон Ома.   Нелинейная зависимость на участке ВСD объясняется тем, что число электронов,   устремляющихся   к   аноду,   стает   больше   числа   электронов, вылетающих с катода. При   достаточно   большом   значении   напряжения U3 все   электроны, вылетающие   с   катода,   достигают   анода,   и   электрический   ток   достигает насыщения.  Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать α ­частицы.Под   действием   сил радиоактивный   препарат,   испускающий  электрического   поля  электрический ток. α ­частицы   будут   двигаться,   т.е.   возникнет Таким   образом, электрический   ток   в   вакууме   может   быть   создан упорядоченным  движением любых заряженных частиц (электронов, ионов). Электрический ток в полупроводниках.  Полупроводники ­ вещества, удельное сопротивление которых убывает с   увеличением   температуры   и   зависит   от   наличия   примесей   и   изменения освещенности.   Удельное   сопротивление   проводников   при   комнатной температуре   находится   в   интервале   от   10­3 до   107 Ом ∙м.   Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния. ПОАНО «ВМК» 69 В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При   нагревании   ковалентная   связь   нарушается,   атомы   ионизируются.   Это обуславливает   возникновение свободных электронов и "дырок"­ вакантных положительных мест с недостающим электроном.     При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя "дырку"  в соседнем атоме. Таким образом не только  электроны, но и "дырки" могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение ­ возникнет электрический ток.   Собственная проводимость. В чистом кристалле электрический  ток создается равным количеством электронов и "дырок". Проводимость, обусловленную движением свободных электронов   и   равного   им   количества   "дырок"   в   полупроводниковом   называют собственной   проводимостью кристалле     примесей, без полупроводника. При   повышении   температуры   собственная   проводимость полупроводника   увеличивается,   т.к.   увеличивается   число   свободных электронов и "дырок". ПОАНО «ВМК» 70   Примесная  проводимость. Проводимость   проводников   зависит   от   наличия   примесей.   Примеси бывают   донорные   и   акцепторные. Донорная   примесь ­   примесь   с   большей валентностью.   Например,   для   четырехвалентного   кремния   донорной примесью   является   пятивалентный   мышьяк.   Четыре   валентных   электрона атома   мышьяка   участвуют   в   создании   ковалентной   связи,   а   пятый   станет электроном проводимости.     При   нагревании   нарушается   ковалентная   связь,   возникают  дополнительные   электроны проводимости  и "дырки". Поэтому в кристалле количество   свободных   электронов   преобладает   над   количеством   "дырок". Проводимость   такого   проводника   является   электронной,   полупроводник являются основными является полупроводником n­типа.   Электроны   носителями заряда, "дырки" ­ неосновными. ПОАНО «ВМК» 71 Акцепторная  примесь ­   примесь   с   меньшей   валентностью.   Например, для   четырехвалентного   кремния   акцепторной   примесью   является трехвалентный   индий.   Три   валентных   электрона   атома   индия   участвуют   в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой  незавершенной ковалентной связи образуется "дырка".      При   нагревании   нарушается   ковалентная   связь,   возникают  дополнительные   электроны проводимости  и "дырки". Поэтому в кристалле количество   "дырок"   преобладает   над   количеством   свободных   электронов. Проводимость   такого   проводника   является   дырочной,   полупроводник является полупроводником p­типа.   являются основными "Дырки"   носителями заряда, электроны ­ неосновными.  При   контакте   полупроводников p­типа   и  n­типа   через   границу происходит диффузия электронов из n­области в p­область и "дырок" из p­ области   в n­область.   Это   приводит   к   возникновению   запирающего   слоя, препятствующего односторонней проводимостью.   дальнейшей   диффузии.  p­n переход обладает ПОАНО «ВМК» 72 При подключении p­n перехода к источнику тока так, чтобы p­область была соединена с положительным полюсом , а   n­область ­ с отрицательным полюсом,   появляется   движение   основных   носителей   зарядов   через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.   При подключении p­n перехода к источнику тока так, чтобы p­область была соединена с отрицательным  полюсом , а  n­область ­ с положительным полюсом, толщина  запирающего  слоя  увеличивается, и движение  основных носителей   зарядов   через   контактный   слой   прекращается,   но   может   иметь место   движение   неосновных   зарядов   через   контактный   слой.   Этот   способ подключения называют включением в обратном направлении. ПОАНО «ВМК»     73 Принцип   действия   полупроводникового   диода   основан   на   свойстве   Основное   применение односторонней   проводимости  p­n перехода. полупроводникового диода ­ выпрямитель тока.       Вольт­амперная характеристика полупроводникового диода. Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой АОВ.   Ветвь   ОВ   соответствует   пропускному   направлению   тока,   когда   ток создается основными носителями зарядов, и  при увеличении напряжения сила тока   возрастает.   Ветвь   АО   соответствует   току,   созданному   неосновными носителями зарядов, и значения силы тока невелики. Электролиз. ПОАНО «ВМК» 74 Электр лизоо  —   физико­химический   процесс,   состоящий   в   выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся   результатом   вторичных   реакций   на электродах,   который возникает   при   прохождении электрического   тока через   раствор,   либо расплав электролита. Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом   поле,   которое   создаётся электродами —   проводниками, соединёнными   с   полюсами   источника   электрической   энергии. Катодом при электролизе положительный[1].   называется   отрицательный     электрод, анодом — Положительные ионы — катионы (ионы металлов, водородные ионы,   ионы аммония и   др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду. Реакции,   происходящие   при   электролизе   на   электродах   называются вторичными.   Первичными   являются   реакции   диссоциации   в   электролите. Разделение   реакций   на   первичные   и   вторичные   помогло   Майклу   Фарадею установить законы электролиза (см. ниже). Закон Фарадея для электролиза. Количественные   характеристики электролиза * выражаются двумя законами Фарадея: 1)   Масса   вещества,   прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит *.   выделяющегося   на электроде *, 2)   При   электролизе   различных   химических   соединений   одинаковые количества   электричества   выделяют   на   электродах   массы   веществ, пропорциональные их электрохимическим эквивалентам. Эти два закона можно объединить в одном уравнении: ПОАНО «ВМК»  , 75 где       m – масса выделяющегося вещества, г;             n –   количество электронов,   переносимых   в   электродном процессе;             F – число Фарадея (F=96485 Кл/моль)             I – сила тока, А;             t – время, с;             M – молярная масса выделяющегося вещества, г/моль. Величина  Если   продолжительность   электролиза   измерять   в   часах,  называется   электрохимическим   эквивалентом   вещества.   то число Фарадея должно   быть   выражено   в   ампер­часах. случае F=26,8 А∙ч/моль.   В   этом Вследствие   параллельных   побочных   процессов   масса   вещества, получаемого   при электролизе,   оказывается   часто   меньше   той,   которая соответствует   количеству   прошедшего   электричества.   Отношение   массы вещества, реально выделенного на электроде, к теоретической и умноженное на 100%, называют выходом по току:  . Закрепление.  Вопрос: Какие вещества называются электролитами? Ответ:  электролиты—это   сложные   вещества,   растворы   (и   расплавы) которых проводят электрический ток благодаря появлению в них свободных ионов. Вопрос: Что такое электролитическая диссоциация? Ответ:  Распад   молекул   электролитов   на   ионы   под   влиянием электрического поля полярных молекул воды. ПОАНО «ВМК» 76 Вопрос:  Чем   объясняется   ионная   проводимость   растворов электролитов?  Ответ: носителями заряда в водных растворах или расплавах являются (+) и (­) заряженные ионы. Поскольку   перенос   заряда   в   водных   растворах   электролитов осуществляется ионами, то такая проводимость называется ионной. Вопрос:  Как   называются   ионы,   обладающие положительным(отрицательным) зарядом?  Ответ:  Положительные   ионы   называют   катионами,   отрицательные— анионами. Давайте сделаем вывод, как же все таки возникает электрический ток в жидкостях. (учащиеся делают вывод) Сам   электролит   электрический   ток   не   проводит   (например,   серная кислота). Однако, если кислоту растворить в воде, то она диссоциирует на ионы,   в   результате   чего   раствор   становится   токопроводящим.   При взаимодействии с водой электролиты диссоциируют на (+) и (­) заряженные ионы. Задача 1:  За   какое   время   на   катоде   электролитической   ванны   выделится   40   г хрома, если электролиз проходит при силе тока 25 А? (8,9*103с) Задача 2: Для   покрытия   цинком   металлических   изделий   в   электролитическую ванну помещен цинковый электрод массой 0,01кг. Какой заряд должен пройти через ванну, чтобы электрод полностью израсходовался? Электрохимический эквивалент цинка равен 3,4 *10 ­7 кг/кл.