Электрический ток в растворах электролитов

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 06.05.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых тем для рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

 
 
 
 

 

Введение:

Многое в нашей жизни связано с электропроводностью растворов солей в воде (электролитах). От первого удара сердца («живое» электричество в теле человека, которое на 80% состоит из воды) до автомобилей на улице, плееры и мобильные телефоны («батареи») являются неотъемлемой частью этих устройств - электрохимические батареи и различные батареи - от свинцово-кислотных в автомобилях до литий-полимерных в самых дорогих мобильных телефонах). В огромных резервуарах, дымящихся от ядовитых паров, из боксита алюминия, расплавленного при огромной температуре, алюминий получают путем электролиза - «крылатого» металла для самолетов и банок для Fanta. Все, от хромированной решетки радиатора для иномарки до посеребренной серьги в ухе, когда-либо сталкивалось с раствором или расплавленной солью и, следовательно, с электрическим током в жидкостях. Недаром это явление изучает целая наука - электрохимия. Но нас сейчас больше интересуют физические основы этого явления.

Электролиз представляет собой совокупность процессов, происходящих в растворе или расплавленном электролите, когда через него проходит электрический ток. Электролиз является одним из важнейших направлений электрохимии.

Еще в начале прошлого века было обнаружено, что при прохождении электрического тока через водные растворы солей происходят химические превращения, приводящие к образованию новых веществ. В результате этого в начале прошлого века возникло научное направление по изучению электрохимических процессов в растворах и расплавах веществ - электрохимия. К концу семидесятых годов он был разделен на два отдельных раздела: ионика, которая изучает явления электропроводности и движения заряженных частиц под воздействием электрического поля, и электроды, которые изучают явления, которые происходят непосредственно на поверхности. электродов, когда электрический ток течет через поверхность раздела электрод-раствор (расплав). Химические превращения, которые происходят, когда электрический ток воздействует на вещество, называются электролитическими.

Электролиз представляет собой довольно сложную совокупность процессов, которые включают в себя: миграцию ионов (положительных на катод, отрицательных на анод), диффузию ионов, разряженных на электродах, электрохимические реакции разряда ионов, вторичные химические реакции продуктов электролиз друг с другом, с веществом электролита и электрода.

Актуальность электролиза объясняется тем, что многие вещества получаются таким способом. Например, металлы, такие как никель, натрий, чистый водород и другие, получают только с использованием этого способа. Кроме того, с помощью электролиза сравнительно легко получить чистые металлы, в которых массовая доля самого элемента стремится к ста процентам. В промышленности алюминий и медь в большинстве случаев получают электролизом. Преимущество этого метода заключается в относительной дешевизне и простоте. Однако для того, чтобы производство было наиболее прибыльным: при наименьших затратах на энергию и наивысшем выходе необходимо учитывать различные факторы, влияющие на количество и качество продуктов электролиза (сила тока, плотность тока, температура электролита, электрод материал и т. д.).

Сегодня различные предметы, покрытые драгоценными металлами, очень популярны. (позолоченные или посеребренные предметы).

Кроме того, металлические изделия покрываются слоем другого металла электролизом, чтобы защитить его от коррозии.

Таким образом, изучение электрохимических процессов, определение факторов, влияющих на них, создание новых способов использования процессов электролиза в промышленных условиях сохранило свою актуальность и актуальность сегодня.

Электролитическая диссоциация

Процесс разложения электролита на ионы называется электролитической диссоциацией.

С. Аррениус, придерживавшийся физической теории растворов, не учитывал взаимодействие электролита с водой и считал, что в растворах присутствуют свободные ионы. В отличие от российских химиков И.А. Каблуков и В.А. Кистяковский применил химическую теорию Д.И. к объяснению электролитической диссоциации Менделеева и доказал, что при растворении электролита происходит химическое взаимодействие растворенного вещества с водой, что приводит к образованию гидратов, а затем они диссоциируют на ионы. Они полагали, что растворы содержат не свободные, не «голые» ионы, а гидратированные, то есть «одетые в шубу» из молекул воды. Следовательно, диссоциация молекул электролита происходит в следующей последовательности:

  • Ориентация молекул воды вокруг полюсов молекулы электролита.
  • Гидратация молекулы электролита.
  • Его ионизация.
  • Разложение его на гидратированные ионы.

По степени электролитической диссоциации электролиты подразделяются на сильные и слабые.

Сильные электролиты - это те, которые растворяются почти полностью при растворении. В них значение степени диссоциации стремится к единству.

Слабые электролиты - те, которые при растворении почти не диссоциируют. Степень их диссоциации стремится к нулю.

Отсюда мы заключаем, что носителями электрического заряда (носителями электрического тока) в растворах электролитов являются не электроны, а положительно и отрицательно заряженные гидратированные ионы.

С повышением температуры процесс диссоциации облегчается, подвижность ионов увеличивается, а сопротивление электролита уменьшается.

Но что происходит с ионами под воздействием электрического тока?

В растворе CuSO4 диссоциирует на ионы - Cu2 + и SO. Положительно заряженный ион Cu2 + (катион) притягивается к отрицательно заряженному электроду - катоду, где он принимает недостающие электроны и восстанавливается до металлической меди - простого вещества. Если вы удаляете катод из устройства после прохождения текущего раствора, то легко заметить красно-красную налетку - это металлическая медь.

Опыт показал, что электролиты - растворы солей, кислот и щелочей в воде - являются хорошими проводниками электрического тока. Ток в электролитах сопровождается электролизом - выделением вещества на электродах, погруженных в раствор. Таким образом, в отличие от металлов с электронной проводимостью, электролиты являются проводниками, электрическая проводимость которых возникает в результате движения ионов.

Ни дистиллированная вода, ни растворимое вещество в твердом состоянии (например, ионный кристалл) не содержат свободных ионов, и поэтому все они являются хорошими изоляторами. Следовательно, ионы возникают только в процессе взаимодействия растворенных молекул с молекулами воды. Процесс разложения растворенных молекул на ионы под действием растворителя называется электролитической диссоциацией.

Причиной диссоциации является то, что молекула воды имеет большой дипольный момент (pe = 6,1 * 10-30 C * m), в результате чего на расстояниях порядка расстояния между молекулами в жидкостях (r ˜ 1 E = 10-10 м), вокруг него возникает сильное электрическое поле

Энергия взаимодействия иона натрия или хлора с молекулой воды приблизительно равна энергии взаимодействия между ионами в молекуле NaCl. Поэтому в процессе растворения соли вследствие тепловых столкновений молекулы разлагаются на ионы:

NaCl Na ++ Cl-

Стрелки показывают, что процесс протекает в двух направлениях: наряду с диссоциацией молекулы на два иона происходит обратный процесс рекомбинации (воссоединения) ионов в нейтральную молекулу.

Положительные ионы, движущиеся к катоду, называются катионами, отрицательные ионы называются анионами, то есть движутся к аноду.

Обратите внимание, что если молекулы растворенного вещества не распадаются на ионы, то раствор не является проводником. Примером являются водные растворы сахара и глицерина, которые являются хорошими изоляторами.

Молекулы воды обволакивают ион, образуя сольватную оболочку вокруг него (рис. 1). Это, во-первых, затрудняет рекомбинацию ионов, и при низких концентрациях раствора все растворенные молекулы диссоциируют. Во-вторых, движение ионов затруднено - фактически в растворе движется не отрицательный ион, а сольват - шар, состоящий из иона и сольватной оболочки вокруг него, содержащий несколько слоев молекул растворителя.

Законы электролиза

Ион - это частица (атом, молекула, группа атомов), которая потеряла или соединила один или несколько электронов. Если валентность этого элемента равна Z, то заряд иона q = Ze.

Количество ионов, высвобождаемых на электроде, равно общему заряду Q, проходящему через электролит, деленному на ионный заряд:

Для химического элемента масса иона m равна атомному весу элемента A, деленному на число Авогадро N *. Масса вещества, выделяющегося на электроде, равна массе иона, умноженной на количество ионов:

M = mN = (3.1)

Выражение (3.1) содержит два закона, которые Фарадей сформулировал в 1832 году на основе ряда экспериментов:

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на электроде, пропорциональна электрическому заряду, протекающему через электролит:

M = KQ = Kit (3.2)

где М - масса вещества, Q - заряд, i - сила тока, а t - время. Значение K = M / Q показывает, сколько массы вещества высвобождается на электроде, когда через электролит проходит заряд, равный одному кулону. Это называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Второй закон Фарадея: электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:

К = (3.3)

ток растворения электролизной диссоциации

здесь A - атомный вес элемента, Z - его валентность, A / Z - химический эквивалент - отношение атомного веса элемента к его валентности.

Проводимость электролитов. Закон Ома для электролитов

Во время электролиза положительные ионы движутся к катоду, отрицательные ионы движутся к аноду и нейтрализуются на электродах. В этом случае отрицательные ионы отдают электроны аноду, положительные присоединяют их. Однако полученные нейтральные атомы или молекулы далеко не всегда осаждаются на электродах. Часто они оказываются химически очень активными и реагируют с электродами или водой. Химические реакции, которые происходят в этом случае, называются вторичными.

Пусть, например, водный раствор серной кислоты служит электролитом. Молекула H2S04 диссоциирует на ионы:

H2S04 2H + + SO2-.

Водород выделяется на катоде:

2H + + 2- = H2 ^.

На аноде реакция идет так. Сначала ион нейтрализуется:

SO = S04 + 2e-.

Молекула S04 нестабильна; это распадется, выпуская атомарный кислород:

SO4 = SO3 + O ^.

Если электроды сделаны из никеля или платины, то кислород с ними не реагирует и выделяется в виде пузырьков. Молекула S03 реагирует с водой:

S03 + H20 = H2S04 2H + + SO.

Итак, здесь вторичная реакция с растворителем приводит к тому, что количество серной кислоты не меняется, а при электролизе разлагается вода и выделяются ее компоненты - водород на катоде и кислород на аноде. В этом случае концентрация кислоты в растворе увеличивается.

Тяжелая вода получается путем электролиза воды: смесь D20 и DHO, в которой атомы водорода заменены атомами дейтерия D, тяжелого изотопа водорода с атомным весом 2. В обычной воде всегда есть небольшое количество тяжелой воды (около 0,015%). Подвижность ионов дейтерия немного меньше подвижности ионов водорода, в результате чего при электролизе воды дейтерий будет выделяться меньше, чем протий (обычный водород), и концентрация тяжелой воды будет увеличиваться. При длительном электролизе можно получить практически чистую тяжелую воду, которая используется в ядерной физике.

Рассмотрим электролиз раствора сульфата меди при условии, что анод выполнен из меди. Диссоциация молекул на ионы происходит следующим образом:

CuS04 Cu2 + + S0.

Химически чистая медь выделяется на катоде:

Cu2 + + 2e- = Cu.

На аноде происходит тот же процесс, что и при электролизе серной кислоты:

SO = S03 + 0 + 2e-.

Атомарный кислород окисляет медь:

Cu + 0 = CuO.

Кислотный остаток S03 реагирует с оксидом меди, снова образуя сульфат меди, который переходит в раствор и снова диссоциирует на ионы. В результате концентрация электролита остается неизменной, но во время электролиза анод растворяется и на катоде выделяется химически чистая (очищенная) медь. Процесс электролиза ряда других солей аналогичен.

Процесс электролиза соли, описанный выше, находит множество применений в данной области. Прежде всего, это производство чистых металлов из растворов или расплавленных солей. В частности, именно таким образом получают алюминий, натрий, магний, бериллий и тому подобное.

Электролиз используется для нанесения тонкого слоя другого металла на поверхность металлического изделия. Это называется гальваникой. Продукт служит катодом, электролит представляет собой раствор соли, содержащий металл, из которого они хотят получить покрытие. Анод - это пластина из того же металла. Таким образом производится золочение, никелирование, хромирование.

Аналогичным образом, металлические формы изготавливаются из рельефных моделей (гальваника, впервые примененная Б.С. Якоби в 1837 году). Катод представляет собой модель воска или другого пластического вещества, покрытого проводящим слоем порошка графита. Металл осаждается на катоде в виде слоя, который точно отражает рельеф модели.

Толщина слоя материала, выделяющегося на катоде или удаляемого с анода в результате электролиза, пропорциональна плотности тока. Мы рекомендуем читателю получить этот простой результат самостоятельно.

Как следует из закона Ома (3.25), плотность тока пропорциональна напряженности поля. Если анод содержит выступы и впадины, то напряженность поля выступов максимальна, поэтому плотность тока здесь максимальна. Поэтому металл на выступах анода растворяется быстрее, чем в углублениях. Этот принцип основан на электрической полировке металлических изделий.

Применение электролиза

Электрохимические процессы широко используются в различных областях современной технологии, в аналитической химии, биохимии и т. Д. В химической промышленности получены хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, серная кислота и персульфаты, химически чистый водород и кислород и т. Д. электролизом. В этом случае некоторые вещества получают восстановлением на катоде (альдегиды, парааминофенол и т. Д.), А другие - электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и т. Д.).

Электролиз в гидрометаллургии является одним из этапов переработки металлосодержащего сырья, что обеспечивает производство товарных металлов.

Электролиз можно проводить с растворимыми анодами - процесс электрорафинирования или с нерастворимыми - процесс электроэкстракции.

Основной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечение необходимой чистоты металла катода при разумных энергозатратах.

В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки. Электролиз расплавленных сред производит алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др.

Для рафинирования (очистки) металла его отливают электролизом.

пластины и поместите их в качестве анодов в ячейке. При прохождении тока очищаемый металл подвергается анодному растворению, т.е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металлов выводятся на катод, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми, либо попадают в электролит и удаляются.

Гальваника - это область прикладной электрохимии, которая касается процессов нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических продуктов, когда постоянный ток протекает через растворы их солей. 

Перед нанесением покрытия на изделие необходимо тщательно очистить его поверхность (обезжирить и протравить), иначе металл выпадет неравномерно, и, кроме того, адгезия (сцепление) металла покрытия с поверхностью изделия будет хрупкой. Посредством гальванического покрытия деталь может быть покрыта тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. Используя электролиз, лучшие металлические покрытия могут быть нанесены на различные металлические поверхности. При таком способе нанесения покрытия деталь используется в качестве катода, помещенного в солевой раствор металла, из которого должно быть получено покрытие. В качестве анода используется пластина из того же металла.

Заключение

Изучение процессов электролиза растворов и расплавов электролитов в настоящее время не утратило своей актуальности, поскольку не только обогащает теоретические положения об этом достаточно сложном физико-химическом явлении, но и позволяет выявить перспективные направления практического использования этого процесса в Для того чтобы получить целевые продукты с желаемыми свойствами и качествами.

Электролиз широко используется в промышленности для выделения и очистки металлов, производства щелочей, хлора и водорода.

Алюминий, магний, натрий, кадмий, кальций, бериллий, титан получают только электролизом расплавов, поскольку их потенциалы выделения из водных растворов более отрицательны, чем потенциал выделения водорода.

Производство фтора основано на электролизе расплавленной смеси фторида калия и плавиковой кислоты, хлора - при электролизе водных растворов или хлоридных расплавов. Высокочистый водород и кислород получают электролизом водных щелочных растворов. Таким образом, используя электролиз, можно проводить реакции окисления и восстановления с высоким выходом и высокой селективностью, которые трудно достичь в обычных химических процессах.

Важной отраслью применения электролиза является защита металлов от коррозии: в этом случае тонкий слой другого металла (хром, серебро, медь, никель, золото), устойчивый к коррозии, наносится на поверхность металлических изделий. электрохимическим методом.

Отличительной особенностью электролиза растворов или расплавов электролитов является возможность сочетания конкурирующих химических реакций окисления и восстановления на электродах. Это влияет на продукты электролиза и материал электродов.

При электролизе водных растворов электролитов окислительно-восстановительные процессы на катоде и аноде зависят от окислительной способности катионов и природы аниона электролита.