Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â æèäêîñòÿõ

Ðàçìåùåíî íà http://www.allbest.ru/

Ðàçìåùåíî íà http://www.allbest.ru/

Êóðñîâàÿ ðàáîòà

Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â æèäêîñòÿõ

Ââåäåíèå

Ñ ýëåêòðîïðîâîäíîñòüþ ðàñòâîðîâ ñîëåé â âîäå (ýëåêòðîëèòîâ) ñâÿçàíî î÷åíü ìíîãîå â íàøåé æèçíè. Ñ ïåðâîãî óäàðà ñåðäöà («æèâîå» ýëåêòðè÷åñòâî â òåëå ÷åëîâåêà, íà 80% ñîñòîÿùåì èç âîäû) äî àâòîìîáèëåé íà óëèöå, ïëååðîâ è ìîáèëüíûõ òåëåôîíîâ (íåîòúåìëåìîé ÷àñòüþ ýòèõ óñòðîéñòâ ÿâëÿþòñÿ «áàòàðåéêè» - ýëåêòðîõèìè÷åñêèå ýëåìåíòû ïèòàíèÿ è ðàçëè÷íûå àêêóìóëÿòîðû - îò ñâèíöîâî-êèñëîòíûõ â àâòîìîáèëÿõ äî ëèòèé-ïîëèìåðíûõ â ñàìûõ äîðîãèõ ìîáèëüíûõ òåëåôîíàõ).  îãðîìíûõ, äûìÿùèõñÿ ÿäîâèòûìè ïàðàìè ÷àíàõ èç ðàñïëàâëåííîãî ïðè îãðîìíîé òåìïåðàòóðå áîêñèòà ýëåêòðîëèçîì ïîëó÷àþò àëþìèíèé - «êðûëàòûé» ìåòàëë äëÿ ñàìîë¸òîâ è áàíîê äëÿ «Ôàíòû». Âñå âîêðóã - îò õðîìèðîâàííîé ðåøåòêè ðàäèàòîðà èíîìàðêè äî ïîñåðåáð¸ííîé ñåð¸æêè â óõå êîãäà-ëèáî ñòàëêèâàëîñü ñ ðàñòâîðîì èëè ðàñïëàâîì ñîëåé, à, ñëåäîâàòåëüíî, è ñ ýëåêòðîòîêîì â æèäêîñòÿõ. Íå çðÿ ýòî ÿâëåíèå èçó÷àåò öåëàÿ íàóêà - ýëåêòðîõèìèÿ. Íî íàñ ñåé÷àñ áîëüøå èíòåðåñóþò ôèçè÷åñêèå îñíîâû ýòîãî ÿâëåíèÿ.

Ýëåêòðîëèç - ýòî ñîâîêóïíîñòü ïðîöåññîâ, ïðîòåêàþùèõ â ðàñòâîðå èëè ðàñïëàâå ýëåêòðîëèòà, ïðè ïðîïóñêàíèè ÷åðåç íåãî ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà. Ýëåêòðîëèç ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç âàæíåéøèõ íàïðàâëåíèé â ýëåêòðîõèìèè.

Åùå â íà÷àëå ïîçàïðîøëîãî ñòîëåòèÿ áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ïðè ïðîõîæäåíèè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ÷åðåç âîäíûå ðàñòâîðû ñîëåé ïðîèñõîäÿò õèìè÷åñêèå ïðåâðàùåíèÿ, ïðèâîäÿùèå ê îáðàçîâàíèþ íîâûõ âåùåñòâ.  ðåçóëüòàòå ýòîãî, â íà÷àëå ïðîøëîãî âåêà âîçíèêëî íàó÷íîå íàïðàâëåíèå ïî èçó÷åíèþ ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â ðàñòâîðàõ è ðàñïëàâàõ âåùåñòâ - ýëåêòðîõèìèÿ. Ê êîíöó ñåìèäåñÿòûõ ãîäîâ îíî ðàçäåëèëîñü íà äâà ñàìîñòîÿòåëüíûõ ðàçäåëà - èîíèêó, èçó÷àþùóþ ÿâëåíèÿ ýëåêòðîïðîâîäíîñòè è äâèæåíèÿ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, è ýëåêòðîäèêó, èçó÷àþùóþ ÿâëåíèÿ ïðîèñõîäÿùèå íåïîñðåäñòâåííî íà ïîâåðõíîñòè ýëåêòðîäîâ, êîãäà ÷åðåç ãðàíèöó ýëåêòðîä-ðàñòâîð (ðàñïëàâ) ïðîòåêàåò ýëåêòðè÷åñêèé òîê. Õèìè÷åñêèå ïðåâðàùåíèÿ, ïðîèñõîäÿùèå ïðè âîçäåéñòâèè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà íà âåùåñòâà, íàçûâàþòñÿ ýëåêòðîëèòè÷åñêèìè.

Ýëåêòðîëèç ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äîâîëüíî ñëîæíóþ ñîâîêóïíîñòü ïðîöåññîâ, ê êîòîðûì îòíîñÿòñÿ: ìèãðàöèÿ èîíîâ (ïîëîæèòåëüíûõ ê êàòîäó, îòðèöàòåëüíûõ ê àíîäó), äèôôóçèÿ èîíîâ, ðàçðÿæàþùèõñÿ íà ýëåêòðîäàõ, ýëåêòðîõèìè÷åñêèå ðåàêöèè ðàçðÿäà èîíîâ, âòîðè÷íûå õèìè÷åñêèå ðåàêöèè ïðîäóêòîâ ýëåêòðîëèçà ìåæäó ñîáîé, ñ âåùåñòâîì ýëåêòðîëèòà è ýëåêòðîäà.
Àêòóàëüíîñòü ýëåêòðîëèçà îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî ìíîãèå âåùåñòâà ïîëó÷àþò èìåííî ýòèì ñïîñîáîì. Íàïðèìåð, òàêèå ìåòàëëû êàê íèêåëü, íàòðèé, ÷èñòûé âîäîðîä è äðóãèå, ïîëó÷àþò òîëüêî ñ ïîìîùüþ ýòîãî ìåòîäà. Êðîìå òîãî ñ åãî ïîìîùüþ ýëåêòðîëèçà îòíîñèòåëüíî ëåãêî ìîæíî ïîëó÷èòü ÷èñòûå ìåòàëëû, ìàññîâàÿ äîëÿ ñàìîãî ýëåìåíòà â êîòîðûõ ñòðåìèòüñÿ ê ñòà ïðîöåíòàì.  ïðîìûøëåííîñòè àëþìèíèé è ìåäü â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ïîëó÷àþò èìåííî ýëåêòðîëèçîì. Ïðåèìóùåñòâî ýòîãî ñïîñîáà â îòíîñèòåëüíîé äåøåâèçíå è ïðîñòîòå. Îäíàêî ÷òîáû ïðîèçâîäñòâî áûëî íàèáîëåå âûãîäíûì: ñ íàèìåíüøèìè çàòðàòàìè ýëåêòðîýíåðãèè è ñ íàèáîëüøèì âûõîäîì ïðîäóêöèè, íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ðàçëè÷íûå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà êîëè÷åñòâî è êà÷åñòâî ïðîäóêòîâ ýëåêòðîëèçà (ñèëà òîêà, ïëîòíîñòü òîêà, òåìïåðàòóðà ýëåêòðîëèòà, ìàòåðèàë ýëåêòðîäîâ è äð.).

Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü áîëüøîé ïîïóëÿðíîñòüþ ïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå ïðåäìåòû, ïîêðûòûå äðàãîöåííûìè ìåòàëëàìè. (ïîçîëî÷åííûå èëè ïîñåðåáðåííûå âåùè).

Ê òîìó æå ìåòàëëè÷åñêèå èçäåëèÿ ïîêðûâàþò ñëîåì äðóãîãî ìåòàëëà ýëåêòðîëèòè÷åñêèì ñïîñîáîì ñ öåëüþ çàùèòèòü åãî îò êîððîçèè.

Òàêèì îáðàçîì, èññëåäîâàíèå ýëåêòðîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, îïðåäåëåíèå ôàêòîðîâ, âëèÿþùèõ íà íèõ, óñòàíîâëåíèå íîâûõ ñïîñîáîâ èñïîëüçîâàíèÿ ïðîöåññîâ ýëåêòðîëèçà â ïðîìûøëåííûõ óñëîâèÿõ ñîõðàíèëî ñâîþ àêòóàëüíîñòü è âîñòðåáîâàííîñòü â íàøè äíè.

1. Ýëåêòðîëèòè÷åñêàÿ äèññîöèàöèÿ

Ïðîöåññ ðàñïàäà ýëåêòðîëèòà íà èîíû íàçûâàåòñÿ ýëåêòðîëèòè÷åñêîé äèññîöèàöèåé.

Ñ. Àððåíèóñ, êîòîðûé ïðèäåðæèâàëñÿ ôèçè÷åñêîé òåîðèè ðàñòâîðîâ, íå ó÷èòûâàë âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîëèòà ñ âîäîé è ñ÷èòàë, ÷òî â ðàñòâîðàõ íàõîäÿòñÿ ñâîáîäíûå èîíû.  îòëè÷èå îò íåãî ðóññêèå õèìèêè È.À. Êàáëóêîâ è Â.À. Êèñòÿêîâñêèé ïðèìåíèëè ê îáúÿñíåíèþ ýëåêòðîëèòè÷åñêîé äèññîöèàöèè õèìè÷åñêóþ òåîðèþ Ä.È. Ìåíäåëååâà è äîêàçàëè, ÷òî ïðè ðàñòâîðåíèè ýëåêòðîëèòà ïðîèñõîäèò õèìè÷åñêîå âçàèìîäåéñòâèå ðàñòâîð¸ííîãî âåùåñòâà ñ âîäîé, êîòîðîå ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ ãèäðàòîâ, à çàòåì îíè äèññîöèèðóþò íà èîíû. Îíè ñ÷èòàëè, ÷òî â ðàñòâîðàõ íàõîäÿòñÿ íå ñâîáîäíûå, íå «ãîëûå» èîíû, à ãèäðàòèðîâàííûå, òî åñòü «îäåòûå â øóáêó» èç ìîëåêóë âîäû. Ñëåäîâàòåëüíî, äèññîöèàöèÿ ìîëåêóë ýëåêòðîëèòîâ ïðîèñõîäèò â ñëåäóþùåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè:

à) îðèåíòàöèÿ ìîëåêóë âîäû âîêðóã ïîëþñîâ ìîëåêóëû ýëåêòðîëèòà;

á) ãèäðàòàöèÿ ìîëåêóëû ýëåêòðîëèòà;

â) å¸ èîíèçàöèÿ;

ã) ðàñïàä å¸ íà ãèäðàòèðîâàííûå èîíû;

Ïî îòíîøåíèþ ê ñòåïåíè ýëåêòðîëèòè÷åñêîé äèññîöèàöèè ýëåêòðîëèòû äåëÿòñÿ íà ñèëüíûå è ñëàáûå.

· Ñèëüíûå ýëåêòðîëèòû - òàêèå, êîòîðûå ïðè ðàñòâîðåíèè ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ äèññîöèèðóþò. Ó íèõ çíà÷åíèå ñòåïåíè äèññîöèàöèè ñòðåìèòñÿ ê åäèíèöå.

· Ñëàáûå ýëåêòðîëèòû - òàêèå, êîòîðûå ïðè ðàñòâîðåíèè ïî÷òè íå äèññîöèèðóþò. Èõ ñòåïåíü äèññîöèàöèè ñòðåìèòñÿ ê íóëþ.

Èç ýòîãî äåëàåì âûâîä, ÷òî ïåðåíîñ÷èêàìè ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà (íîñèòåëÿìè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà) â ðàñòâîðàõ ýëåêòðîëèòîâ ÿâëÿþòñÿ íå ýëåêòðîíû, à ïîëîæèòåëüíî è îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííûå ãèäðàòèðîâàííûå èîíû.

Ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû îáëåã÷àåòñÿ ïðîöåññ äèññîöèàöèè, ïîâûøàåòñÿ ïîäâèæíîñòü èîíîâ è ñîïðîòèâëåíèå ýëåêòðîëèòà ïàäàåò.

À ÷òî æå ïðîèñõîäèò ñ èîíàìè ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà?

 ðàñòâîðå CuSO₄ äèññîöèèðîâàë íà èîíû - Cu²⁺ è SÎ. Ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûé èîí Cu²⁺ (êàòèîí) ïðèòÿãèâàåòñÿ ê îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííîìó ýëåêòðîäó - êàòîäó, ãäå ïîëó÷àåò íåäîñòàþùèå ýëåêòðîíû è âîññòàíàâëèâàåòñÿ äî ìåòàëëè÷åñêîé ìåäè - ïðîñòîãî âåùåñòâà. Åñëè èçâëå÷ü êàòîä èç ïðèáîðà ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ ÷åðåç ðàñòâîð òîêà, òî íåòðóäíî çàìåòèòü êðàñíî-ðûæèé íàëåò - ýòî ìåòàëëè÷åñêàÿ ìåäü.

Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òî ýëåêòðîëèòû - ðàñòâîðû ñîëåé, êèñëîò è ùåëî÷åé â âîäå - ÿâëÿþòñÿ õîðîøèìè ïðîâîäíèêàìè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà. Òîê â ýëåêòðîëèòàõ ñîïðîâîæäàåòñÿ ýëåêòðîëèçîì - âûäåëåíèåì âåùåñòâà íà ýëåêòðîäàõ, ïîãðóæåííûõ â ðàñòâîð. Òàêèì îáðàçîì, â îòëè÷èå îò ìåòàëëîâ, îáëàäàþùèõ ýëåêòðîííîé ïðîâîäèìîñòüþ, ýëåêòðîëèòû - ýòî ïðîâîäíèêè, ýëåêòðîïðîâîäíîñòü êîòîðûõ âîçíèêàåò çà ñ÷åò äâèæåíèÿ èîíîâ.

Íè äèñòèëëèðîâàííàÿ âîäà, íè ðàñòâîðÿåìîå âåùåñòâî â òâåðäîì ñîñòîÿíèè (òèïà èîííîãî êðèñòàëëà) ñâîáîäíûõ èîíîâ íå ñîäåðæàò, è ïîòîìó âñå îíè - õîðîøèå èçîëÿòîðû. Ñëåäîâàòåëüíî, èîíû âîçíèêàþò òîëüêî â ïðîöåññå âçàèìîäåéñòâèÿ ìîëåêóë ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà ñ ìîëåêóëàìè âîäû. Ïðîöåññ ðàñïàäà ìîëåêóë ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà íà èîíû ïîä âîçäåéñòâèåì ðàñòâîðèòåëÿ íàçûâàåòñÿ ýëåêòðîëèòè÷åñêîé äèññîöèàöèåé.

Ïðè÷èíà äèññîöèàöèè çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ìîëåêóëà âîäû èìååò áîëüøîé äèïîëüíûé ìîìåíò (ð_å=6,1*10^-30 Êë*ì), âñëåäñòâèå ÷åãî íà ðàññòîÿíèÿõ, èìåþùèõ ïîðÿäîê ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ìîëåêóëàìè â æèäêîñòÿõ (r ˜ 1 Å=10^-10 ì), âîêðóã íåå âîçíèêàåò ñèëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå

Ýíåðãèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ èîíà íàòðèÿ èëè õëîðà ñ ìîëåêóëîé âîäû ïðèìåðíî ðàâíà ýíåðãèè âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó èîíàìè â ìîëåêóëå NaCl. Ïîýòîìó â ïðîöåññå ðàñòâîðåíèÿ ñîëè çà ñ÷åò òåïëîâûõ ñîóäàðåíèé ïðîèñõîäèò ðàñïàä ìîëåêóë íà èîíû:

NaCl Na⁺+Cl^-



Ðèñ. 1

Ñòðåëêè ïîêàçûâàþò, ÷òî ïðîöåññ èäåò â äâóõ íàïðàâëåíèÿõ: íàðÿäó ñ äèññîöèàöèåé ìîëåêóëû íà äâà èîíà èäåò îáðàòíûé ïðîöåññ ðåêîìáèíàöèè (âîññîåäèíåíèÿ) èîíîâ â íåéòðàëüíóþ ìîëåêóëó.

Ïîëîæèòåëüíûå èîíû, äâèæóùèåñÿ ê êàòîäó, íàçûâàþòñÿ êàòèîíàìè, îòðèöàòåëüíûå - àíèîíàìè, ò.å. äâèæóùèìèñÿ ê àíîäó.

Çàìåòèì, ÷òî åñëè ìîëåêóëû ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà íå äèññîöèèðóþò íà èîíû, òî ðàñòâîð íå ÿâëÿåòñÿ ïðîâîäíèêîì. Ïðèìåðîì ìîãóò ñëóæèòü âîäíûå ðàñòâîðû ñàõàðà è ãëèöåðèíà, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ õîðîøèìè èçîëÿòîðàìè.

Ìîëåêóëû âîäû îáâîëàêèâàþò èîí, îáðàçóÿ âîêðóã íåãî ñîëüâàòíóþ îáîëî÷êó (ðèñ. 1). Ýòî, âî-ïåðâûõ, çàòðóäíÿåò ðåêîìáèíàöèþ èîíîâ, è ïðè ìàëûõ êîíöåíòðàöèÿõ ðàñòâîðà âñå ìîëåêóëû ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà îêàçûâàþòñÿ äèññîöèèðîâàííûìè. Âî-âòîðûõ, çàòðóäíÿåòñÿ äâèæåíèå èîíîâ - ôàêòè÷åñêè â ðàñòâîðå äâèæåòñÿ íå îòðèöàòåëüíûé èîí, à ñîëüâàò - øàðèê, ñîñòîÿùèé èç èîíà è ñîëüâàòíîé îáîëî÷êè âîêðóã íåãî, ñîäåðæàùåé íåñêîëüêî ñëîåâ ìîëåêóë ðàñòâîðèòåëÿ.

2. Çàêîíû ýëåêòðîëèçà

Èîí - ýòî ÷àñòèöà (àòîì, ìîëåêóëà, ãðóïïà àòîìîâ), ïîòåðÿâøàÿ èëè ïðèñîåäèíèâøàÿ ê ñåáå îäèí èëè íåñêîëüêî ýëåêòðîíîâ. Åñëè âàëåíòíîñòü äàííîãî ýëåìåíòà ðàâíà Z, òî çàðÿä èîíà q=Ze.

×èñëî èîíîâ, âûäåëèâøèõñÿ íà ýëåêòðîäå, ðàâíî ïîëíîìó çàðÿäó Q, ïðîøåäøåìó ÷åðåç ýëåêòðîëèò, äåëåííîìó íà çàðÿä èîíà:

Äëÿ õèìè÷åñêîãî ýëåìåíòà ìàññà èîíà ò ðàâíà àòîìíîìó âåñó ýëåìåíòà À, äåëåííîìó íà ÷èñëî Àâîãàäðî N*. Ìàññà âåùåñòâà, âûäåëèâøåãîñÿ íà ýëåêòðîäå, ðàâíà ìàññå èîíà, óìíîæåííîé íà ÷èñëî èîíîâ:

M = mN = (3.1)

Âûðàæåíèå (3.1) ñîäåðæèò â ñåáå äâà çàêîíà, êîòîðûå Ôàðàäåé ñôîðìóëèðîâàë â 1832 ã. íà áàçå ðÿäà ýêñïåðèìåíòîâ:

Ïåðâûé çàêîí Ôàðàäåÿ: ìàññà âûäåëèâøåãîñÿ íà ýëåêòðîäå âåùåñòâà ïðîïîðöèîíàëüíà ýëåêòðè÷åñêîìó çàðÿäó, ïðîòåêàþùåìó ÷åðåç ýëåêòðîëèò:

M = KQ = Kit (3.2)

ãäå Ì - ìàññà âåùåñòâà, Q - çàðÿä, i - ñèëà òîêà è t - âðåìÿ. Âåëè÷èíà K= M/Q ïîêàçûâàåò, êàêàÿ ìàññà âåùåñòâà âûäåëèòñÿ íà ýëåêòðîäå ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç ýëåêòðîëèò çàðÿäà, ðàâíîãî îäíîìó êóëîíó. Îíà íàçûâàåòñÿ ýëåêòðîõèìè÷åñêèì ýêâèâàëåíòîì âåùåñòâà.

Âòîðîé çàêîí Ôàðàäåÿ: ýëåêòðîõèìè÷åñêèå ýêâèâàëåíòû ýëåìåíòîâ ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíû èõ õèìè÷åñêèì ýêâèâàëåíòàì:

K = (3.3)

ýëåêòðîëèç äèññîöèàöèÿ ðàñòâîð òîê

çäåñü À - àòîìíûé âåñ ýëåìåíòà, Z - åãî âàëåíòíîñòü, A/Z - õèìè÷åñêèé ýêâèâàëåíò - îòíîøåíèå àòîìíîãî âåñà ýëåìåíòà ê åãî âàëåíòíîñòè.

×èñëî Ôàðàäåÿ

F = N*e = 96485,3383 (83) Êë*ìîëü^-1

÷èñëåííî ðàâíî ýëåêòðè÷åñêîìó çàðÿäó, êîòîðûé äîëæåí ïðîéòè ÷åðåç ýëåêòðîëèò, ÷òîáû íà ýëåêòðîäå âûäåëèëñÿ îäèí êèëîãðàìì-ýêâèâàëåíò âåùåñòâà.  ñàìîì äåëå, ïîëîæèâ â âûðàæåíèè (3.1) M=A/Z, ïîëó÷èì Q=F. Äëÿ îäíîâàëåíòíîãî âåùåñòâà ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ÷èñëî Ôàðàäåÿ ðàâíî ýëåêòðè÷åñêîìó çàðÿäó, êîòîðûé äîëæåí ïðîéòè ÷åðåç ýëåêòðîëèò, ÷òîáû íà ýëåêòðîäå âûäåëèëñÿ êèëîàòîì âåùåñòâà.

Íàéäÿ èç îïûòà ÷èñëî Ôàðàäåÿ è çíàÿ ÷èñëî Àâîãàäðî, ìîæíî âû÷èñëèòü çàðÿä îäíîâàëåíòíîãî èîíà, ðàâíûé çàðÿäó ýëåêòðîíà, ïî ôîðìóëå:

e = F/N^*. (3.4)

3. Ïðîâîäèìîñòü ýëåêòðîëèòîâ. Çàêîí Îìà äëÿ ýëåêòðîëèòîâ

Ïðè ýëåêòðîëèçå ïîëîæèòåëüíûå èîíû äâèæóòñÿ ê êàòîäó, îòðèöàòåëüíûå - ê àíîäó, è íà ýëåêòðîäàõ îíè íåéòðàëèçóþòñÿ. Ïðè ýòîì îòðèöàòåëüíûå èîíû îòäàþò àíîäó ýëåêòðîíû, ïîëîæèòåëüíûå ïðèñîåäèíÿþò èõ. Îäíàêî ïîëó÷èâøèåñÿ â ðåçóëüòàòå ýòîãî íåéòðàëüíûå àòîìû èëè ìîëåêóëû äàëåêî íå âñåãäà îñàæäàþòñÿ íà ýëåêòðîäàõ. ×àñòî îíè îêàçûâàþòñÿ õèìè÷åñêè âåñüìà àêòèâíûìè è ðåàãèðóþò ñ ýëåêòðîäàìè èëè âîäîé. Ïðîèñõîäÿùèå ïðè ýòîì õèìè÷åñêèå ðåàêöèè íàçûâàþòñÿ âòîðè÷íûìè.

Ïóñòü, íàïðèìåð, ýëåêòðîëèòîì ñëóæèò âîäíûé ðàñòâîð ñåðíîé êèñëîòû. Ìîëåêóëà H₂S0₄ äèññîöèèðóåò íà èîíû:

H₂S0₄ 2H⁺ + SO^2-.

Íà êàòîäå âûäåëÿåòñÿ âîäîðîä:

2Í⁺ + 2å^-=Í₂^.

Íà àíîäå ðåàêöèÿ èäåò òàê. Ñíà÷àëà ïðîèñõîäèò íåéòðàëèçàöèÿ èîíà:

SÎ = S0₄ + 2e^-.

Ìîëåêóëà S0₄ íåñòîéêàÿ; îíà ðàñïàäåòñÿ, âûäåëÿÿ àòîìàðíûé êèñëîðîä:

SO₄ = SO₃ + O^.

Åñëè ýëåêòðîäû èçãîòîâëåíû èç íèêåëÿ èëè ïëàòèíû, òî êèñëîðîä íå ðåàãèðóåò ñ íèìè è âûäåëÿåòñÿ â âèäå ïóçûðüêîâ. Ìîëåêóëà S0₃ âñòóïàåò â ðåàêöèþ ñ âîäîé:

S0₃ + Í₂0 = H₂S0₄ 2Í⁺ + SO.

Èòàê, çäåñü âòîðè÷íàÿ ðåàêöèÿ ñ ðàñòâîðèòåëåì ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî êîëè÷åñòâî ñåðíîé êèñëîòû íå ìåíÿåòñÿ, à ïðè ýëåêòðîëèçå ïðîèñõîäèò ðàçëîæåíèå âîäû è âûäåëåíèå åå ñîñòàâíûõ ÷àñòåé - âîäîðîäà íà êàòîäå è êèñëîðîäà íà àíîäå. Ïðè ýòîì êîíöåíòðàöèÿ êèñëîòû â ðàñòâîðå âîçðàñòàåò.

Ïóòåì ýëåêòðîëèçà âîäû ïîëó÷àþò òÿæåëóþ âîäó: ñìåñü D₂0 è DHO, â êîòîðîé àòîìû âîäîðîäà çàìåíåíû àòîìàìè äåéòåðèÿ D - òÿæåëîãî èçîòîïà âîäîðîäà ñ àòîìíûì âåñîì 2.  îáû÷íîé âîäå âñåãäà ñîäåðæèòñÿ íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî òÿæåëîé âîäû (îêîëî 0,015%). Ïîäâèæíîñòü èîíîâ äåéòåðèÿ íåñêîëüêî ìåíüøå ïîäâèæíîñòè èîíîâ âîäîðîäà, âñëåäñòâèå ÷åãî ïðè ýëåêòðîëèçå âîäû äåéòåðèÿ âûäåëèòñÿ ìåíüøå, ÷åì ïðîòèÿ (îáû÷íîãî âîäîðîäà), è êîíöåíòðàöèÿ òÿæåëîé âîäû âîçðàñòåò. Ïðè äëèòåëüíîì ýëåêòðîëèçå ìîæíî ïîëó÷èòü ïî÷òè ÷èñòóþ òÿæåëóþ âîäó, êîòîðàÿ íàõîäèò ïðèìåíåíèå â ÿäåðíîé ôèçèêå.

Ðàññìîòðèì ýëåêòðîëèç ðàñòâîðà ìåäíîãî êóïîðîñà ïðè óñëîâèè, ÷òî àíîä èçãîòîâëåí èç ìåäè. Äèññîöèàöèÿ ìîëåêóë íà èîíû ïðîèñõîäèò òàê:

CuS0₄ Cu²⁺ + S0.

Íà êàòîäå âûäåëÿåòñÿ õèìè÷åñêè ÷èñòàÿ ìåäü:

Cu²⁺ + 2e^- = Cu.

Íà àíîäå èäåò òàêîé æå ïðîöåññ, êàê è ïðè ýëåêòðîëèçå ñåðíîé êèñëîòû:

SO= S0₃ + 0 + 2e^-.

Àòîìàðíûé êèñëîðîä îêèñëÿåò ìåäü:

Cu + 0 = CuO.

Êèñëîòíûé îñòàòîê S0₃ ðåàãèðóåò ñ îêèñüþ ìåäè, îáðàçóÿ âíîâü ìåäíûé êóïîðîñ, êîòîðûé ïåðåõîäèò â ðàñòâîð è ïðè ýòîì âíîâü äèññîöèèðóåò íà èîíû.  èòîãå êîíöåíòðàöèÿ ýëåêòðîëèòà îñòàåòñÿ íåèçìåííîé, íî â õîäå ýëåêòðîëèçà ïðîèñõîäèò ðàñòâîðåíèå àíîäà è âûäåëåíèå íà êàòîäå õèìè÷åñêè ÷èñòîé (ðàôèíèðîâàííîé) ìåäè. Àíàëîãè÷íî èäåò ïðîöåññ ýëåêòðîëèçà ðÿäà äðóãèõ ñîëåé.

Îïèñàííûé âûøå ïðîöåññ ýëåêòðîëèçà ñîëè íàõîäèò ðÿä ïðèìåíåíèé â òåõíèêå. Ïðåæäå âñåãî ýòî - ïîëó÷åíèå ÷èñòûõ ìåòàëëîâ èç ðàñòâîðîâ èëè ðàñïëàâîâ ñîëåé.  ÷àñòíîñòè, èìåííî òàêèì îáðàçîì ïîëó÷àþò àëþìèíèé, íàòðèé, ìàãíèé, áåðèëëèé è ò.ï.

Ýëåêòðîëèç ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ òîãî, ÷òîáû íàíåñòè íà ïîâåðõíîñòü ìåòàëëè÷åñêîãî èçäåëèÿ òîíêèé ñëîé äðóãîãî ìåòàëëà. Ýòî íàçûâàåòñÿ ãàëüâàíîñòåãèåé. Èçäåëèå ñëóæèò êàòîäîì, ýëåêòðîëèòîì ñëóæèò ðàñòâîð ñîëè, ñîäåðæàùåé ìåòàëë, èç êîòîðîãî õîòÿò ïîëó÷èòü ïîêðûòèå. Àíîäîì ñëóæèò ïëàñòèíà èç ýòîãî æå ìåòàëëà. Òàêèì îáðàçîì, ïðîèçâîäèòñÿ çîëî÷åíèå, íèêåëèðîâàíèå, õðîìèðîâàíèå èçäåëèé.

Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì èçãîòàâëèâàþòñÿ ìåòàëëè÷åñêèå ñëåïêè ñ ðåëüåôíûõ ìîäåëåé (ãàëüâàíîïëàñòèêà, âïåðâûå ïðèìåíåííàÿ Á.Ñ. ßêîáè â 1837 ã.). Êàòîäîì ñëóæèò ìîäåëü èç âîñêà èëè äðóãîãî ïëàñòè÷åñêîãî âåùåñòâà, ïîêðûòàÿ ïðîâîäÿùèì ñëîåì ãðàôèòîâîãî ïîðîøêà. Ìåòàëë îòëàãàåòñÿ íà êàòîäå â âèäå ñëîÿ, òî÷íî îòðàæàþùåãî ðåëüåô ìîäåëè.

Òîëùèíà ñëîÿ âåùåñòâà, âûäåëèâøåãîñÿ íà êàòîäå èëè ñíÿòîãî ñ àíîäà â ðåçóëüòàòå ýëåêòðîëèçà, ïðîïîðöèîíàëüíà ïëîòíîñòè òîêà. Ðåêîìåíäóåì ÷èòàòåëþ ñàìîñòîÿòåëüíî ïîëó÷èòü ýòîò íåñëîæíûé ðåçóëüòàò.

Êàê ñëåäóåò èç çàêîíà Îìà (3.25), ïëîòíîñòü òîêà ïðîïîðöèîíàëüíà íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ. Åñëè àíîä ñîäåðæèò âûñòóïû è âïàäèíû, òî íàïðÿæåííîñòü ïîëÿ ó âûñòóïîâ ìàêñèìàëüíà, ñëåäîâàòåëüíî, çäåñü ìàêñèìàëüíà ïëîòíîñòü òîêà. Ïîýòîìó ìåòàëë íà âûñòóïàõ àíîäà ðàñòâîðÿåòñÿ áûñòðåå, ÷åì âî âïàäèíàõ. Íà ýòîì ïðèíöèïå îñíîâàíà ýëåêòðîïîëèðîâêà ìåòàëëè÷åñêèõ èçäåëèé.

Åñëè â ýëåêòðîëèò ïîìåñòèòü äâà ýëåêòðîäà è ñîçäàòü ìåæäó íèìè ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ çà ñ÷åò èñòî÷íèêà òîêà, òî âîçíèêíåò óïîðÿäî÷åííîå äâèæåíèå ñîëüâàòîâ. Ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûå ñîëüâàòû ñòàíóò äâèãàòüñÿ ê êàòîäó ñî ñêîðîñòüþ v₊, îòðèöàòåëüíûå - ê àíîäó ñî ñêîðîñòüþ v_. Ïîëó÷èì âûðàæåíèå äëÿ ïëîòíîñòè òîêîâ â ýëåêòðîëèòå:

j = q₊n₊v₊ + q_-n_-v_- (4.1)

Çäåñü q - çàðÿä èîíà, n - êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ.

Èç çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà ñëåäóåò, ÷òî ñóììà çàðÿäîâ ïîëîæèòåëüíûõ è îòðèöàòåëüíûõ èîíîâ ðàâíà íóëþ, ñëåäîâàòåëüíî:

q₊n₊= q_-n_- = qn = áqn₀. (4.2)

Çäåñü n₀ - êîíöåíòðàöèÿ ìîëåêóë ðàñòâîðåííîãî âåùåñòâà; êîýôôèöèåíò äèññîöèàöèè à=n/n₀ åñòü îòíîøåíèå êîíöåíòðàöèè èîíîâ ê êîíöåíòðàöèè ìîëåêóë âåùåñòâà. Ïëîòíîñòü òîêà

j=qn(v₊ + v_). (4.3)

Ñêîðîñòü óïîðÿäî÷åííîãî äâèæåíèÿ ñîëüâàòà ìîæíî íàéòè èç ñëåäóþùèõ ñîîáðàæåíèé. Íà ñîëüâàò äåéñòâóåò ýëåêòðè÷åñêàÿ ñèëà F_e=qE è ñèëà ñîïðîòèâëåíèÿ òðåíèÿ T=6ðçrv, ãäå r - ðàäèóñ ñîëüâàòà è ç - âÿçêîñòü æèäêîñòè. Ñîëüâàò äâèæåòñÿ ðàâíîìåðíî, êîãäà ñèëà ñîïðîòèâëåíèÿ óðàâíîâåøèâàåò ýëåêòðè÷åñêóþ ñèëó: qE=6ðçrv. Îòñþäà ïîëó÷èì âûðàæåíèå äëÿ ñêîðîñòè ñîëüâàòà

v = (4.4)

è äëÿ åãî ïîäâèæíîñòè

b = . (4.5)

Èç (4.5) è (4.3) ñëåäóåò, ÷òî äëÿ ýëåêòðîëèòîâ äîëæåí âûïîëíÿòüñÿ çàêîí Îìà:

j = qn(b₊ + b_-) E = ãE; (4.6)

ýòî ïîäòâåðæäàåòñÿ îïûòàìè.

Ýëåêòðîïðîâîäíîñòü ýëåêòðîëèòà ðàâíà

ã = qn(b₊ + b_-) = . (4.7)

îíà ìíîãî ìåíüøå ýëåêòðîïðîâîäèìîñòè ìåòàëëîâ. Íàèáîëüøåé ýëåêòðîïðîâîäèìîñòüþ îáëàäàþò ðàñòâîðû êèñëîò, òàê êàê ðàäèóñ ñîëüâàòà, âîçíèêàþùåãî âîêðóã èîíà âîäîðîäà (ïðîòîíà), â 5-10 ðàç ìåíüøå ðàäèóñîâ äðóãèõ ñîëüâàòîâ.

Ñ ðîñòîì òåìïåðàòóðû ýëåêòðîïðîâîäíîñòü ýëåêòðîëèòîâ äîâîëüíî áûñòðî âîçðàñòàåò. Ïðè÷èíà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû âîçðàñòàåò ñòåïåíü äèññîöèàöèè ðàñòâîðà è óìåíüøàåòñÿ âÿçêîñòü ýëåêòðîëèòà.

4. Õèìè÷åñêèå èñòî÷íèêè òîêà

Õèìè÷åñêèé èñòî÷íèê òîêà - èñòî÷íèê ÝÄÑ, â êîòîðîì ýíåðãèÿ ïðîòåêàþùèõ â í¸ì õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé íåïîñðåäñòâåííî ïðåâðàùàåòñÿ â ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ.

Ïåðâûé õèìè÷åñêèé èñòî÷íèê òîêà áûë èçîáðåò¸í èòàëüÿíñêèì ó÷¸íûì Àëåññàíäðî Âîëüòà â 1800 ãîäó. Ýòî áûë ýëåìåíò Âîëüòà - ñîñóä ñ ñîë¸íîé âîäîé ñ îïóùåííûìè â íåãî öèíêîâîé è ìåäíîé ïëàñòèíêàìè, ñîåäèíåííûìè ïðîâîëîêîé. Çàòåì ó÷¸íûé ñîáðàë áàòàðåþ èç ýòèõ ýëåìåíòîâ, êîòîðàÿ âïîñëåäñòâèè áûëà íàçâàíà Âîëüòîâûì ñòîëáîì.



Âîëüòîâ ñòîëá

Ýòî èçîáðåòåíèå âïîñëåäñòâèè èñïîëüçîâàëè äðóãèå ó÷¸íûå â ñâîèõ èññëåäîâàíèÿõ. Òàê, íàïðèìåð, â 1802 ãîäó ðóññêèé àêàäåìèê Â.Â. Ïåòðîâ ñêîíñòðóèðîâàë Âîëüòîâ ñòîëá èç 2100 ýëåìåíòîâ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè.  1836 ãîäó àíãëèéñêèé õèìèê Äæîí Äàíèåëü óñîâåðøåíñòâîâàë ýëåìåíò Âîëüòà, ïîìåñòèâ öèíêîâûé è ìåäíûé ýëåêòðîäû â ðàñòâîð ñåðíîé êèñëîòû. Ýòà êîíñòðóêöèÿ ñòàëà íàçûâàòüñÿ «ýëåìåíòîì Äàíèýëÿ».

 1859 ãîäó ôðàíöóçñêèé ôèçèê Ãàñòîí Ïëàíòý èçîáð¸ë ñâèíöîâî-êèñëîòíûé àêêóìóëÿòîð. Ýòîò òèï ýëåìåíòà è ïî ñåé äåíü èñïîëüçóåòñÿ â àâòîìîáèëüíûõ àêêóìóëÿòîðàõ.

 1865 ãîäó ôðàíöóçñêèé õèìèê Æ. Ëåêëàíøå ïðåäëîæèë ñâîé ãàëüâàíè÷åñêèé ýëåìåíò (ýëåìåíò Ëåêëàíøå), ñîñòîÿâøèé èç öèíêîâîãî ñòàêàí÷èêà, çàïîëíåííîãî âîäíûì ðàñòâîðîì õëîðèñòîãî àììîíèÿ èëè äðóãîé õëîðèñòîé ñîëè, â êîòîðûé áûë ïîìåù¸í àãëîìåðàò èç îêñèäà ìàðãàíöà(IV) MnO₂ ñ óãîëüíûì òîêîîòâîäîì. Ìîäèôèêàöèÿ ýòîé êîíñòðóêöèè èñïîëüçóåòñÿ äî ñèõ ïîð â ñîëåâûõ áàòàðåéêàõ äëÿ ðàçëè÷íûõ áûòîâûõ óñòðîéñòâ.

 1890 ãîäó â Íüþ-Éîðêå Êîíðàä Ãóáåðò, èììèãðàíò èç Ðîññèè, ñîçäà¸ò ïåðâûé êàðìàííûé ýëåêòðè÷åñêèé ôîíàðèê. À óæå â 1896 ãîäó êîìïàíèÿ National Carbon ïðèñòóïàåò ê ìàññîâîìó ïðîèçâîäñòâó ïåðâûõ â ìèðå ñóõèõ ýëåìåíòîâ Ëåêëàíøå «Columbia». Ñàìûé äîëãîæèâóùèé ãàëüâàíè÷åñêèé ýëåìåíò - ñåðíî-öèíêîâàÿ áàòàðåÿ, èçãîòîâëåííàÿ â Ëîíäîíå â 1840 ã. Ïîäêëþ÷åííûé ê íåé çâîíîê ðàáîòàåò è ïî ñåé äåíü.

Îñíîâó õèìè÷åñêèõ èñòî÷íèêîâ òîêà ñîñòàâëÿþò äâà ýëåêòðîäà (àíîä, ñîäåðæàùèé îêèñëèòåëü, è êàòîä, ñîäåðæàùèé âîññòàíîâèòåëü), êîíòàêòèðóþùèõ ñ ýëåêòðîëèòîì. Ìåæäó ýëåêòðîäàìè óñòàíàâëèâàåòñÿ ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ - ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ñâîáîäíîé ýíåðãèè îêèñëèòåëüíî-âîññòàíîâèòåëüíîé ðåàêöèè. Äåéñòâèå õèìè÷åñêèõ èñòî÷íèêîâ òîêà îñíîâàíî íà ïðîòåêàíèè ïðè çàìêíóòîé âíåøíåé öåïè ïðîñòðàíñòâåííî-ðàçäåë¸ííûõ ïðîöåññîâ: íà êàòîäå âîññòàíîâèòåëü îêèñëÿåòñÿ, îáðàçóþùèåñÿ ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû ïåðåõîäÿò, ñîçäàâàÿ ðàçðÿäíûé òîê, ïî âíåøíåé öåïè ê àíîäó, ãäå îíè ó÷àñòâóþò â ðåàêöèè âîññòàíîâëåíèÿ îêèñëèòåëÿ.

 ñîâðåìåííûõ õèìè÷åñêèõ èñòî÷íèêàõ òîêà èñïîëüçóþòñÿ:

· â êà÷åñòâå âîññòàíîâèòåëÿ (íà êàòîäå) - ñâèíåö Pb, êàäìèé Cd, öèíê Zn è äðóãèå ìåòàëëû;

· â êà÷åñòâå îêèñëèòåëÿ (íà àíîäå) - îêñèä ñâèíöà(IV) PbO₂, ãèäðîêñîîêñèä íèêåëÿ NiOOH, îêñèä ìàðãàíöà(IV) MnO₂ è äðóãèå;

· â êà÷åñòâå ýëåêòðîëèòà - ðàñòâîðû ùåëî÷åé, êèñëîò èëè ñîëåé.

Ïî âîçìîæíîñòè èëè íåâîçìîæíîñòè ïîâòîðíîãî èñïîëüçîâàíèÿ õèìè÷åñêèå èñòî÷íèêè òîêà äåëÿòñÿ íà:

· ãàëüâàíè÷åñêèå ýëåìåíòû (ïåðâè÷íûå ÕÈÒ), êîòîðûå èç-çà íåîáðàòèìîñòè ïðîòåêàþùèõ â íèõ ðåàêöèé, íåâîçìîæíî ïåðåçàðÿäèòü;

· ýëåêòðè÷åñêèå àêêóìóëÿòîðû (âòîðè÷íûå ÕÈÒ) - ïåðåçàðÿæàåìûå ãàëüâàíè÷åñêèå ýëåìåíòû, êîòîðûå ñ ïîìîùüþ âíåøíåãî èñòî÷íèêà òîêà (çàðÿäíîãî óñòðîéñòâà) ìîæíî ïåðåçàðÿäèòü;

· òîïëèâíûå ýëåìåíòû (ýëåêòðîõèìè÷åñêèå ãåíåðàòîðû) - óñòðîéñòâà, ïîäîáíûå ãàëüâàíè÷åñêîìó ýëåìåíòó, íî îòëè÷àþùååñÿ îò íåãî òåì, ÷òî âåùåñòâà äëÿ ýëåêòðîõèìè÷åñêîé ðåàêöèè ïîäàþòñÿ â íåãî èçâíå, à ïðîäóêòû ðåàêöèé óäàëÿþòñÿ èç íåãî, ÷òî ïîçâîëÿåò åìó ôóíêöèîíèðîâàòü íåïðåðûâíî.

Ñëåäóåò çàìåòèòü, ÷òî äåëåíèå ýëåìåíòîâ íà ãàëüâàíè÷åñêèå è àêêóìóëÿòîðû äî íåêîòîðîé ñòåïåíè óñëîâíîå, òàê êàê íåêîòîðûå ãàëüâàíè÷åñêèå ýëåìåíòû, íàïðèìåð ùåëî÷íûå áàòàðåéêè, ïîääàþòñÿ ïîäçàðÿäêå, íî ýôôåêòèâíîñòü ýòîãî ïðîöåññà êðàéíå íèçêà.

Ïî òèïó èñïîëüçóåìîãî ýëåêòðîëèòà õèìè÷åñêèå èñòî÷íèêè òîêà äåëÿòñÿ íà êèñëîòíûå (íàïðèìåð ñâèíöîâî-êèñëîòíûé àêêóìóëÿòîð, ñâèíöîâî-ïëàâèêîâûé ýëåìåíò), ùåëî÷íûå (íàïðèìåð ðòóòíî-öèíêîâûé ýëåìåíò, ðòóòíî-êàäìèåâûé ýëåìåíò, íèêåëü-öèíêîâûé àêêóìóëÿòîð, íèêåëü-êàäìèåâûé àêêóìóëÿòîð) è ñîëåâûå (íàïðèìåð, ìàðãàíöåâî-ìàãíèåâûé ýëåìåíò, öèíê-õëîðíûé àêêóìóëÿòîð).

Ãàëüâàíè÷åñêèå ýëåìåíòû

Ãàëüâàíè÷åñêèé ýëåìåíò - õèìè÷åñêèé èñòî÷íèê ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà, íàçâàííûé â ÷åñòü Ëóèäæè Ãàëüâàíè. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ãàëüâàíè÷åñêîãî ýëåìåíòà îñíîâàí íà âçàèìîäåéñòâèè äâóõ ìåòàëëîâ ÷åðåç ýëåêòðîëèò, ïðèâîäÿùåì ê âîçíèêíîâåíèþ â çàìêíóòîé öåïè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà.

Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òî åñëè ìåòàëëè÷åñêóþ ïëàñòèíó îïóñòèòü â ýëåêòðîëèò, òî ìåæäó íèìè âîçíèêàåò ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ. ßâëåíèå ýòî àíàëîãè÷íî âîçíèêíîâåíèþ êîíòàêòíîé ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ ìåæäó äâóìÿ ìåòàëëàìè, ñ òîé ëèøü ðàçíèöåé, ÷òî â ýëåêòðîëèòå êîíòàêòíàÿ ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ îáóñëîâëåíà äèôôóçèåé èîíîâ, à íå ýëåêòðîíîâ, êàê ýòî èìååò ìåñòî ïðè êîíòàêòå ìåòàëëîâ.

Äèôôóçèÿ èîíîâ ñîïðîâîæäàåòñÿ õèìè÷åñêîé ðåàêöèåé ìåæäó ìåòàëëîì è ýëåêòðîëèòîì, ÷òî ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ âíóòðåííåé ýíåðãèè ðåàãèðóþùèõ âåùåñòâ. Èçìåíåíèå ýíåðãèè ïðîïîðöèîíàëüíî ÷èñëó ïðîðåàãèðîâàâøèõ àòîìîâ ìåòàëëà, èíûìè ñëîâàìè - ïðîïîðöèîíàëüíî ìàññå ìåòàëëà, ðàñòâîðèâøåãîñÿ â ýëåêòðîëèòå:

?U = ëM (5.1)

ãäå U - âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ, ë - óäåëüíàÿ ýíåðãèÿ õèìè÷åñêîé ðåàêöèè, Ì - ìàññà âåùåñòâà.

Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ èäåò ëèøü â òîì ñëó÷àå, êîãäà öåïü çàìêíóòà è ïî íåé òå÷åò òîê. Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò ïðåâðàùåíèå ýíåðãèè, âûäåëÿåìîé â ðåçóëüòàòå õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, â ýíåðãèþ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà.

Íà îñíîâå ýòèõ ñîîáðàæåíèé ìîæíî âû÷èñëèòü ý. ä. ñ. ãàëüâàíè÷åñêîãî ýëåìåíòà. Èç çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè ñëåäóåò, ÷òî ýíåðãèÿ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, ïðîèñõîäÿùèõ íà àíîäå è êàòîäå, ðàâíà ðàáîòå, ñîâåðøàåìîé ñòîðîííèìè ñèëàìè ïðè ïåðåìåùåíèè çàðÿäà ïî öåïè:

?U_àí + ?U_êàò = À_ñòîð =Q? (5.2)

Êàòîäîì ãàëüâàíè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ îáû÷íî ñëóæèò öèíê, è ïðè åãî ðàñòâîðåíèè â ýëåêòðîëèòå âûäåëÿåòñÿ ýíåðãèÿ, ò.å. ?U_êàò > 0. Âîññòàíîâèòåëüíûå ðåàêöèè íà àíîäå ñîïðîâîæäàþòñÿ ïîãëîùåíèåì ýíåðãèè, ?U_àí <.0. Èñïîëüçóÿ ñîîòíîøåíèÿ (5.1) è (5.2), ïîëó÷èì

ë_êàò Ì_êàò - ë_àí Ì_àí = Q (5.3)

Íî ïî çàêîíó Ôàðàäåÿ M/Q=K - ýëåêòðîõèìè÷åñêîìó ýêâèâàëåíòó. Èòàê,

ë_êàò Ê_êàò - ë_àí Ê_àí (5.4)

Äëÿ îöåíêè âåëè÷èíû ý. ä. ñ. ýëåìåíòà ó÷òåì, ÷òî óäåëüíàÿ ýíåðãèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ öèíêà ñ ñåðíîé êèñëîòîé ë=6,96 * 10⁶ äæ/êã ýëåêòðîõèìè÷åñêèé ýêâèâàëåíò öèíêà Ê=3,39*10^-7 êã / Êë. Ïðåíåáðåãàÿ ðåàêöèåé íà àíîäå, ïîëó÷èì ïðèáëèæåííî

? ëÊ = 6,96 *10⁶ *3,39 -10^-7 = 2,36 Â.

Îïûò äàåò äëÿ ýëåìåíòà Ãðåíå è äëÿ êèñëîòíîãî (ñâèíöîâîãî) àêêóìóëÿòîðà ? 2 Â, äëÿ ùåëî÷íûõ àêêóìóëÿòîðîâ - 1,8 Â, äëÿ ñóõîãî ýëåìåíòà Ëåêëàíøå - 1,3 Â. Êàê âèäíî, ïîðÿäîê âåëè÷èíû îöåíåí ïðàâèëüíî.

Àêêóìóëÿòîðû

Åñëè â ðàñòâîð ñåðíîé êèñëîòû îïóñòèòü äâå ñâèíöîâûå ïëàñòèíû, òî ý. ä. ñ. òàêîãî ýëåìåíòà, åñòåñòâåííî, îêàæåòñÿ ðàâíîé íóëþ. Îäíàêî åñëè íåêîòîðîå âðåìÿ ïðîïóñêàòü ÷åðåç ðàñòâîð òîê îò ïîñòîðîííåãî èñòî÷íèêà, òî íà ýëåêòðîäàõ âîçíèêàåò òàê íàçûâàåìàÿ ïîëÿðèçàöèîííàÿ ý. ä. ñ.

Ïðè÷èíà åå âîçíèêíîâåíèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì. Ïðè ýëåêòðîëèçå ðàñòâîðà ñåðíîé êèñëîòû íà êàòîäå âûäåëÿåòñÿ âîäîðîä, íà àíîäå - êèñëîðîä. Âîäîðîä íà êàòîäå âñòóïàåò â ðåàêöèþ çàìåùåíèÿ ñ ñîëÿìè ñâèíöà; â ðåçóëüòàòå ýòîé ðåàêöèè â ðàñòâîð óõîäèò êèñëîòà, à íà êàòîäå âîññòàíàâëèâàåòñÿ ÷èñòûé ñâèíåö. Íà àíîäå êèñëîðîä âñòóïàåò â îêèñëèòåëüíóþ ðåàêöèþ ñî ñâèíöîì, îáðàçóÿ ïåðåêèñü ñâèíöà ÐÜ0₂.

Èòàê, â ðåçóëüòàòå çàðÿäêè àêêóìóëÿòîðà âîçíèêàåò ãàëüâàíè÷åñêèé ýëåìåíò ñ êàòîäîì èç ñâèíöà è àíîäîì èç ïåðåêèñè ñâèíöà. Êîíöåíòðàöèÿ ñåðíîé êèñëîòû â ýëåêòðîëèòå âîçðàñòàåò. Ïðè ðàçðÿäêå àêêóìóëÿòîðà èäåò îáðàòíûé ïðîöåññ: íà ýëåêòðîäàõ îáðàçóåòñÿ ñåðíîêèñëûé ñâèíåö, à êîíöåíòðàöèÿ ýëåêòðîëèòà óìåíüøàåòñÿ. Àêêóìóëÿòîðû ìîæíî íåîäíîêðàòíî ðàçðÿæàòü è âíîâü çàðÿæàòü.

Àêêàìóëÿòîðû

Ãàëüâàíè÷åñêèå ýëåìåíòû

Ýëåêòðè÷åñêèå àêêóìóëÿòîðû

Ýëåêòðè÷åñêèé àêêóìóëÿòîð - õèìè÷åñêèé èñòî÷íèê òîêà ìíîãîðàçîâîãî äåéñòâèÿ (òî åñòü â îòëè÷èå îò ãàëüâàíè÷åñêîãî ýëåìåíòà õèìè÷åñêèå ðåàêöèè, íåïîñðåäñòâåííî ïðåâðàùàåìûå â ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ, ìíîãîêðàòíî îáðàòèìû). Ýëåêòðè÷åñêèå àêêóìóëÿòîðû èñïîëüçóþòñÿ äëÿ íàêîïëåíèÿ ýíåðãèè è àâòîíîìíîãî ïèòàíèÿ ðàçëè÷íûõ óñòðîéñòâ.

Îäèí èç ïåðâûõ ýëåêòðè÷åñêèõ àêêóìóëÿòîðîâ

5. Ïðèìåíåíèå ýëåêòðîëèçà

Ýëåêòðîõèìè÷åñêèå ïðîöåññû øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ ñîâðåìåííîé òåõíèêè, â àíàëèòè÷åñêîé õèìèè, áèîõèìèè è ò.ä.  õèìè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòè ýëåêòðîëèçîì ïîëó÷àþò õëîð è ôòîð, ùåëî÷è, õëîðàòû è ïåðõëîðàòû, íàäñåðíóþ êèñëîòó è ïåðñóëüôàòû, õèìè÷åñêè ÷èñòûå âîäîðîä è êèñëîðîä è ò.ä. Ïðè ýòîì îäíè âåùåñòâà ïîëó÷àþò ïóòåì âîññòàíîâëåíèÿ íà êàòîäå (àëüäåãèäû, ïàðààìèíîôåíîë è äð.), äðóãèå ýëåêòðîîêèñëåíèåì íà àíîäå (õëîðàòû, ïåðõëîðàòû, ïåðìàíãàíàò êàëèÿ è äð.).

Ýëåêòðîëèç â ãèäðîìåòàëëóðãèè ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç ñòàäèé ïåðåðàáîòêè ìåòàëëñîäåðæàùåãî ñûðüÿ, îáåñïå÷èâàþùåé ïîëó÷åíèå òîâàðíûõ ìåòàëëîâ.

Ýëåêòðîëèç ìîæåò îñóùåñòâëÿòüñÿ ñ ðàñòâîðèìûìè àíîäàìè - ïðîöåññ ýëåêòðîðàôèíèðîâàíèÿ èëè ñ íåðàñòâîðèìûìè - ïðîöåññ ýëåêòðîýêñòðàêöèè.

Ãëàâíîé çàäà÷åé ïðè ýëåêòðîðàôèíèðîâàíèè ìåòàëëîâ ÿâëÿåòñÿ îáåñïå÷åíèÿ íåîáõîäèìîé ÷èñòîòû êàòîäíîãî ìåòàëëà ïðè ïðèåìëåìûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ðàñõîäàõ.

 öâåòíîé ìåòàëëóðãèè ýëåêòðîëèç èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èçâëå÷åíèÿ ìåòàëëîâ èç ðóä è èõ î÷èñòêè. Ýëåêòðîëèçîì ðàñïëàâëåííûõ ñðåä ïîëó÷àþò àëþìèíèé, ìàãíèé, òèòàí, öèðêîíèé, óðàí, áåðèëëèé è äð.

Äëÿ ðàôèíèðîâàíèÿ (î÷èñòêè) ìåòàëëà ýëåêòðîëèçîì èç íåãî îòëèâàþò

ïëàñòèíû è ïîìåùàþò èõ â êà÷åñòâå àíîäîâ â ýëåêòðîëèçåð. Ïðè ïðîïóñêàíèè òîêà ìåòàëë, ïîäëåæàùèé î÷èñòêå, ïîäâåðãàåòñÿ àíîäíîìó ðàñòâîðåíèþ, ò.å. ïåðåõîäèò â ðàñòâîð â âèäå êàòèîíîâ. Çàòåì ýòè êàòèîíû ìåòàëëà ðàçðÿæàþòñÿ íà êàòîäå, áëàãîäàðÿ ÷åìó îáðàçóåòñÿ êîìïàêòíûé îñàäîê óæå ÷èñòîãî ìåòàëëà. Ïðèìåñè, íàõîäÿùèåñÿ â àíîäå, ëèáî îñòàþòñÿ íåðàñòâîðèìûìè, ëèáî ïåðåõîäÿò â ýëåêòðîëèò è óäàëÿþòñÿ.

Ãàëüâàíîòåõíèêà - îáëàñòü ïðèêëàäíîé ýëåêòðîõèìèè, çàíèìàþùàÿñÿ ïðîöåññàìè íàíåñåíèÿ ìåòàëëè÷åñêèõ ïîêðûòèé íà ïîâåðõíîñòü êàê ìåòàëëè÷åñêèõ, òàê è íåìåòàëëè÷åñêèõ èçäåëèé ïðè ïðîõîæäåíèè ïîñòîÿííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ÷åðåç ðàñòâîðû èõ ñîëåé. Ãàëüâàíîòåõíèêà ïîäðàçäåëÿåòñÿ íà ãàëüâàíîñòåãèþ è ãàëüâàíîïëàñòèêó.

Ãàëüâàíîñòåãèÿ (îò ãðå÷. ïîêðûâàòü) - ýòî ýëåêòðîîñàæäåíèå íà ïîâåðõíîñòü ìåòàëëà äðóãîãî ìåòàëëà, êîòîðûé ïðî÷íî ñâÿçûâàåòñÿ (ñöåïëÿåòñÿ) ñ ïîêðûâàåìûì ìåòàëëîì (ïðåäìåòîì), ñëóæàùèì êàòîäîì ýëåêòðîëèçåðà.

Ïåðåä ïîêðûòèåì èçäåëèÿ íåîáõîäèìî åãî ïîâåðõíîñòü òùàòåëüíî î÷èñòèòü (îáåçæèðèòü è ïðîòðàâèòü), â ïðîòèâíîì ñëó÷àå ìåòàëë áóäåò îñàæäàòüñÿ íåðàâíîìåðíî, à êðîìå òîãî, ñöåïëåíèå (ñâÿçü) ìåòàëëà ïîêðûòèÿ ñ ïîâåðõíîñòüþ èçäåëèÿ áóäåò íåïðî÷íîé. Ñïîñîáîì ãàëüâàíîñòåãèè ìîæíî ïîêðûòü äåòàëü òîíêèì ñëîåì çîëîòà èëè ñåðåáðà, õðîìà èëè íèêåëÿ. Ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîëèçà ìîæíî íàíîñèòü òîí÷àéøèå ìåòàëëè÷åñêèå ïîêðûòèÿ íà ðàçëè÷íûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ïîâåðõíîñòÿõ. Ïðè òàêîì ñïîñîáå íàíåñåíèÿ ïîêðûòèé, äåòàëü èñïîëüçóþò â êà÷åñòâå êàòîäà, ïîìåùåííîãî â ðàñòâîð ñîëè òîãî ìåòàëëà, ïîêðûòèå èç êîòîðîãî íåîáõîäèìî ïîëó÷èòü.  êà÷åñòâå àíîäà èñïîëüçóåòñÿ ïëàñòèíêà èç òîãî æå ìåòàëëà.

Ãàëüâàíîïëàñòèêà - ïîëó÷åíèå ïóòåì ýëåêòðîëèçà òî÷íûõ, ëåãêî îòäåëÿåìûõ ìåòàëëè÷åñêèõ êîïèé îòíîñèòåëüíî çíà÷èòåëüíîé òîëùèíû ñ ðàçëè÷íûõ êàê íåìåòàëëè÷åñêèõ, òàê è ìåòàëëè÷åñêèõ ïðåäìåòîâ, íàçûâàåìûõ ìàòðèöàìè.

Ñ ïîìîùüþ ãàëüâàíîïëàñòèêè èçãîòîâëÿþò áþñòû, ñòàòóè è ò.ä.

Ãàëüâàíîïëàñòèêà èñïîëüçóåòñÿ äëÿ íàíåñåíèÿ ñðàâíèòåëüíî òîëñòûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ïîêðûòèé íà äðóãèå ìåòàëëû (íàïðèìåð, îáðàçîâàíèå «íàêëàäíîãî» ñëîÿ íèêåëÿ, ñåðåáðà, çîëîòà è ò.ä.).

Êðîìå óêàçàííûõ âûøå, ýëåêòðîëèç íàøåë ïðèìåíåíèå è â äðóãèõ îáëàñòÿõ:

· ïîëó÷åíèå îêñèäíûõ çàùèòíûõ ïëåíîê íà ìåòàëëàõ (àíîäèðîâàíèå);

· ýëåêòðîõèìè÷åñêàÿ îáðàáîòêà ïîâåðõíîñòè ìåòàëëè÷åñêîãî èçäåëèÿ (ïîëèðîâêà);

· ýëåêòðîõèìè÷åñêîå îêðàøèâàíèå ìåòàëëîâ (íàïðèìåð, ìåäè, ëàòóíè, öèíêà, õðîìà è äð.);

· î÷èñòêà âîäû - óäàëåíèå èç íåå ðàñòâîðèìûõ ïðèìåñåé.  ðåçóëüòàòå ïîëó÷àåòñÿ òàê íàçûâàåìàÿ ìÿãêàÿ âîäà (ïî ñâîèì ñâîéñòâàì ïðèáëèæàþùàÿñÿ ê äèñòèëëèðîâàííîé);

· ýëåêòðîõèìè÷åñêàÿ çàòî÷êà ðåæóùèõ èíñòðóìåíòîâ (íàïðèìåð, õèðóðãè÷åñêèõ íîæåé, áðèòâ è ò.ä.).

Çàêëþ÷åíèå

Èññëåäîâàíèå ïðîöåññîâ ýëåêòðîëèçà ðàñòâîðîâ è ðàñïëàâîâ ýëåêòðîëèòîâ íå ïîòåðÿëî ñâîåé àêòóàëüíîñòè è â íàñòîÿùåå âðåìÿ, ò.ê. íå òîëüêî îáîãàùàåò òåîðåòè÷åñêèå ïîëîæåíèÿ îá ýòîì äîñòàòî÷íî ñëîæíî ôèçèêî-õèìè÷åñêîì ÿâëåíèè, íî è ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ïåðñïåêòèâíûå íàïðàâëåíèÿ ïðàêòè÷åñêîãî èñïîëüçîâàíèÿ ýòîãî ïðîöåññà ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ öåëåâûõ ïðîäóêòîâ ñ çàäàííûìè ñâîéñòâàìè è êà÷åñòâàìè.

Ýëåêòðîëèç øèðîêî èñïîëüçóþò â ïðîìûøëåííîñòè äëÿ âûäåëåíèÿ è î÷èñòêè ìåòàëëîâ, ïîëó÷åíèÿ ùåëî÷åé, õëîðà, âîäîðîäà.

Àëþìèíèé, ìàãíèé, íàòðèé, êàäìèé, êàëüöèé, áåðèëëèé, òèòàí ïîëó÷àþò òîëüêî ýëåêòðîëèçîì ðàñïëàâîâ, ò.ê. ïîòåíöèàëû èõ âûäåëåíèÿ èç âîäíûõ ðàñòâîðîâ áîëåå îòðèöàòåëüíû, ÷åì ïîòåíöèàë âûäåëåíèÿ âîäîðîäà.
Î÷èñòêó ìåäè, íèêåëÿ, ñâèíöà ïðîâîäÿò öåëèêîì ýëåêòðîõèìè÷åñêèì ìåòîäîì. Ïðîèçâîäñòâî ôòîðà îñíîâàíî íà ýëåêòðîëèçå ðàñïëàâëåííîé ñìåñè ôòîðèäà êàëèÿ è ôòîðîâîäîðîäíîé êèñëîòû, õëîðà - ïðè ýëåêòðîëèçå âîäíûõ ðàñòâîðîâ èëè ðàñïëàâîâ õëîðèäîâ. Âîäîðîä è êèñëîðîä âûñîêîé ñòåïåíè ÷èñòîòû ïîëó÷àþò ýëåêòðîëèçîì âîäíûõ ðàñòâîðîâ ùåëî÷åé. Òàêèì îáðàçîì, ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîëèçà óäàåòñÿ îñóùåñòâëÿòü ðåàêöèè îêèñëåíèÿ è âîññòàíîâëåíèÿ ñ áîëüøèì âûõîäîì è âûñîêîé ñåëåêòèâíîñòüþ, êîòîðûå â îáû÷íûõ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ òðóäíîäîñòèæèìû.

Âàæíîé îòðàñëüþ ïðèìåíåíèÿ ýëåêòðîëèçà ÿâëÿåòñÿ çàùèòà ìåòàëëîâ îò êîððîçèè: ïðè ýòîì ýëåêòðîõèìè÷åñêèì ìåòîäîì íà ïîâåðõíîñòü ìåòàëëè÷åñêèõ èçäåëèé íàíîñèòñÿ òîíêèé ñëîé äðóãîãî ìåòàëëà (õðîìà, ñåðåáðà, ìåäè, íèêåëÿ, çîëîòà) óñòîé÷èâîãî ê êîððîçèè.

Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ ýëåêòðîëèçà ðàñòâîðîâ èëè ðàñïëàâîâ ýëåêòðîëèòîâ ÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü ïðîòåêàíèÿ íà ýëåêòðîäàõ ñîâîêóïíîñòè êîíêóðèðóþùèõ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé îêèñëåíèÿ è âîññòàíîâëåíèÿ. Îêàçûâàåò âëèÿíèå íà ïðîäóêòû ýëåêòðîëèçà è ìàòåðèàë ýëåêòðîäîâ.

Ïðè ýëåêòðîëèçå âîäíûõ ðàñòâîðîâ ýëåêòðîëèòîâ îêèñëèòåëüíî-âîññòàíîâèòåëüíûå ïðîöåññû íà êàòîäå è àíîäå çàâèñÿò îò îêèñëèòåëüíîé ñïîñîáíîñòè êàòèîíîâ è õàðàêòåðà àíèîíà ýëåêòðîëèòà.

Ñïèñîê èñïîëüçîâàííîé ëèòåðàòóðû

1. ßâîðñêèé Á.Ì., Ïèíñêèé À.À. «Îñíîâû ôèçèêè Ò.2»

2. Òåëåñíèí Ð.Â., ßêîâëåâ Â.Ô. «Êóðñ ôèçèêè. Ýëåêòðè÷åñòâî.Ò.2». Ì., «Ïðîñâåùåíèå», 1969, 487 ñ.

3. Ñàâåëüåâ È.Â. «Êóðñ îáùåé ôèçèêè. Ò.2». Ñïá, «Ëàíü», 2007,

496 ñ.

4. Êàëàøíèêîâ Ñ.Ã. «Ýëåêòðè÷åñòâî». Ì., ÔÈÇÌÀÒËÈÒ, 2008, 624 ñ.

5. Ãóðåâè÷ À.Å. «Ôèçèêà. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ. 8 êëàññ» Ìîñêâà, Èçäàòåëüñêèé äîì «Äðîôà». 1999, 254 ñ.

6. «Ýëåìåíòàðíûé ó÷åáíèê ôèçèêè ïîä ðåäàêöèåé àêàäåìèêà Ã.Ñ. Ëàíäñáåðãà - Òîì II - ýëåêòðè÷åñòâî è ìàãíåòèçì». Ì., «Íàóêà» 1972, 616 ñ.

7. Ðîìàíîâ Â.Â., Õàøåâ Þ.Ì. Õèìè÷åñêèå èñòî÷íèêè òîêà - Ì., 1978, 264 ñ.

8. http://www.ref.by/refs/88/39223/1.html

9. http://ru.wikipedia.org

Ðàçìåùåíî íà Allbest.ru