Τα υγρά ανάλογα με το βαθμό ηλεκτρικής αγωγιμότητας χωρίζονται σε:
διηλεκτρικά (απεσταγμένο νερό),
αγωγοί (ηλεκτρολύτες),
ημιαγωγοί (λιωμένο σελήνιο).
Ηλεκτρολύτης
Είναι αγώγιμο υγρό (διαλύματα οξέων, αλκαλίων, αλάτων και λιωμένων αλάτων).
Ηλεκτρολυτική διάσταση
(αποσύνδεση)
Κατά τη διάλυση, ως αποτέλεσμα της θερμικής κίνησης, συμβαίνουν συγκρούσεις μορίων διαλύτη και μορίων ουδέτερου ηλεκτρολύτη.
Τα μόρια διασπώνται σε θετικά και αρνητικά ιόντα.
Το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης
- συνοδεύει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του υγρού.
- αυτή είναι η απελευθέρωση στα ηλεκτρόδια ουσιών που περιλαμβάνονται στους ηλεκτρολύτες.
Τα θετικά φορτισμένα ανιόντα τείνουν προς την αρνητική κάθοδο υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου και τα αρνητικά φορτισμένα κατιόντα τείνουν προς τη θετική άνοδο.
Στην άνοδο, τα αρνητικά ιόντα δίνουν επιπλέον ηλεκτρόνια (οξειδωτική αντίδραση)
Στην κάθοδο, τα θετικά ιόντα αποκτούν τα ηλεκτρόνια που λείπουν (αντίδραση αναγωγής).
νόμος της ηλεκτρόλυσης
1833 - Faraday
Ο νόμος της ηλεκτρόλυσης καθορίζει τη μάζα της ουσίας που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο κατά την ηλεκτρόλυση κατά τη διέλευση ενός ηλεκτρικού ρεύματος. 
k είναι το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο μιας ουσίας, αριθμητικά ίσο με τη μάζα της ουσίας που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο όταν ένα φορτίο 1 C διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη.
Γνωρίζοντας τη μάζα της απελευθερούμενης ουσίας, είναι δυνατό να προσδιοριστεί το φορτίο του ηλεκτρονίου.
Για παράδειγμα, διάλυση θειικού χαλκού σε νερό.
Αγωγιμότητα ηλεκτρολυτών, την ικανότητα των ηλεκτρολυτών να διεξάγουν ηλεκτρικό ρεύμα όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση. Οι φορείς ρεύματος είναι θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα - κατιόντα και ανιόντα που υπάρχουν σε διάλυμα λόγω ηλεκτρολυτικής διάστασης. Η ιοντική ηλεκτρική αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών, σε αντίθεση με την ηλεκτρονική αγωγιμότητα που χαρακτηρίζει τα μέταλλα, συνοδεύεται από μεταφορά ύλης στα ηλεκτρόδια με το σχηματισμό νέων χημικών ενώσεων κοντά τους. Η συνολική (ολική) αγωγιμότητα αποτελείται από την αγωγιμότητα κατιόντων και ανιόντων, τα οποία, υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Το μερίδιο της συνολικής ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας που μεταφέρεται από μεμονωμένα ιόντα ονομάζεται αριθμοί μεταφοράς, το άθροισμα των οποίων για όλους τους τύπους ιόντων που εμπλέκονται στη μεταφορά είναι ίσο με ένα.
Ημιαγωγός
Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο - το ημιαγωγικό υλικό που χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία σήμερα
Ημιαγωγός- ένα υλικό που, ως προς την ειδική αγωγιμότητα του, καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αγωγών και διηλεκτρικών και διαφέρει από τους αγωγούς σε μια ισχυρή εξάρτηση της ειδικής αγωγιμότητας από τη συγκέντρωση προσμίξεων, τη θερμοκρασία και την έκθεση σε διάφορους τύπους ακτινοβολίας. Η κύρια ιδιότητα ενός ημιαγωγού είναι η αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας με την αύξηση της θερμοκρασίας.
Οι ημιαγωγοί είναι ουσίες των οποίων το διάκενο ζώνης είναι της τάξης των λίγων ηλεκτρονιοβολτ (eV). Για παράδειγμα, ένα διαμάντι μπορεί να ταξινομηθεί ως ημιαγωγοί με μεγάλο διάκενο, και αρσενίδιο του ινδίου - έως στενό χάσμα. Οι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν πολλά χημικά στοιχεία (γερμάνιο, πυρίτιο, σελήνιο, τελλούριο, αρσενικό και άλλα), έναν τεράστιο αριθμό κραμάτων και χημικών ενώσεων (αρσενικό γάλλιο κ.λπ.). Σχεδόν όλες οι ανόργανες ουσίες του κόσμου γύρω μας είναι ημιαγωγοί. Ο πιο κοινός ημιαγωγός στη φύση είναι το πυρίτιο, το οποίο αποτελεί σχεδόν το 30% του φλοιού της γης.
Ανάλογα με το αν το άτομο ακαθαρσίας δωρίζει ή συλλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο, τα άτομα ακαθαρσίας ονομάζονται άτομα δότη ή δέκτη. Η φύση μιας ακαθαρσίας μπορεί να αλλάξει ανάλογα με το άτομο του κρυσταλλικού πλέγματος που αντικαθιστά, σε ποιο κρυσταλλογραφικό επίπεδο είναι ενσωματωμένο.
Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Κοντά στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν, οι ημιαγωγοί έχουν τις ιδιότητες των διηλεκτρικών.
Μηχανισμός ηλεκτρικής αγωγιμότητας[Επεξεργασία | επεξεργασία κειμένου wiki]
Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται τόσο από τις ιδιότητες των αγωγών όσο και από τα διηλεκτρικά. Στους κρυστάλλους ημιαγωγών, τα άτομα δημιουργούν ομοιοπολικούς δεσμούς (δηλαδή, ένα ηλεκτρόνιο σε έναν κρύσταλλο πυριτίου, όπως το διαμάντι, συνδέεται με δύο άτομα), τα ηλεκτρόνια χρειάζονται ένα επίπεδο εσωτερικής ενέργειας για να απελευθερωθούν από ένα άτομο (1,76 10 −19 J έναντι 11,2 10 −19 J, που χαρακτηρίζει τη διαφορά μεταξύ ημιαγωγών και διηλεκτρικών). Αυτή η ενέργεια εμφανίζεται σε αυτά με αύξηση της θερμοκρασίας (για παράδειγμα, σε θερμοκρασία δωματίου, το ενεργειακό επίπεδο της θερμικής κίνησης των ατόμων είναι 0,4 10 −19 J) και μεμονωμένα ηλεκτρόνια λαμβάνουν ενέργεια για να αποκολληθούν από τον πυρήνα. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών αυξάνεται, επομένως, σε έναν ημιαγωγό που δεν περιέχει ακαθαρσίες, η ηλεκτρική ειδική αντίσταση μειώνεται. Είναι συμβατικά αποδεκτό να θεωρούνται ως ημιαγωγοί στοιχεία με ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων μικρότερη από 1,5-2 eV. Ο μηχανισμός αγωγιμότητας ηλεκτρονίων-οπών εκδηλώνεται σε εγγενείς (δηλαδή, χωρίς ακαθαρσίες) ημιαγωγούς. Ονομάζεται εγγενής ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών.
Τρύπα[επεξεργασία | επεξεργασία κειμένου wiki]
Κύριο άρθρο:Τρύπα
Όταν ο δεσμός μεταξύ του ηλεκτρονίου και του πυρήνα σπάσει, εμφανίζεται ένας ελεύθερος χώρος στο ηλεκτρονιακό κέλυφος του ατόμου. Αυτό προκαλεί τη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από ένα άλλο άτομο σε ένα άτομο με ελεύθερο χώρο. Το άτομο, από το οποίο έχει περάσει το ηλεκτρόνιο, εισέρχεται σε άλλο ηλεκτρόνιο από άλλο άτομο, κ.λπ. Αυτή η διαδικασία καθορίζεται από τους ομοιοπολικούς δεσμούς των ατόμων. Έτσι, υπάρχει μια κίνηση θετικού φορτίου χωρίς κίνηση του ίδιου του ατόμου. Αυτό το υπό όρους θετικό φορτίο ονομάζεται τρύπα.
Ένα μαγνητικό πεδίο
Ένα μαγνητικό πεδίο- ένα πεδίο δύναμης που ενεργεί σε κινούμενα ηλεκτρικά φορτία και σε σώματα με μαγνητική ροπή, ανεξάρτητα από την κατάσταση της κίνησής τους. μαγνητική συνιστώσα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.
Το μαγνητικό πεδίο μπορεί να δημιουργηθεί από το ρεύμα των φορτισμένων σωματιδίων ή/και τις μαγνητικές ροπές ηλεκτρονίων στα άτομα (και τις μαγνητικές ροπές άλλων σωματιδίων, που συνήθως εκδηλώνονται σε πολύ μικρότερο βαθμό) (μόνιμοι μαγνήτες).
Επιπλέον, προκύπτει ως αποτέλεσμα της αλλαγής του χρόνου του ηλεκτρικού πεδίου.
Το κύριο χαρακτηριστικό ισχύος του μαγνητικού πεδίου είναι διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής
(διάνυσμα επαγωγής μαγνητικού πεδίου) . Από μαθηματική άποψη 
- διανυσματικό πεδίο που ορίζει και προσδιορίζει τη φυσική έννοια του μαγνητικού πεδίου. Συχνά το διάνυσμα της μαγνητικής επαγωγής ονομάζεται απλώς μαγνητικό πεδίο για συντομία (αν και αυτή δεν είναι πιθανώς η πιο αυστηρή χρήση του όρου).
Ένα άλλο θεμελιώδες χαρακτηριστικό του μαγνητικού πεδίου (εναλλακτική μαγνητική επαγωγή και στενά συνδεδεμένη με αυτό, πρακτικά ίσο με αυτό σε φυσική αξία) είναι διανυσματικό δυναμικό .
Πηγές του μαγνητικού πεδίου[Επεξεργασία | επεξεργασία κειμένου wiki]
Το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται (δημιουργείται) από το ρεύμα των φορτισμένων σωματιδίων ή από ένα χρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο ή από τις εγγενείς μαγνητικές ροπές των σωματιδίων (οι τελευταίες, για λόγους ομοιομορφίας της εικόνας, μπορούν να μειωθούν τυπικά στα ηλεκτρικά ρεύματα
Όσον αφορά τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες, τα υγρά είναι πολύ διαφορετικά. Τα τηγμένα μέταλλα, όπως και τα μέταλλα σε στερεή κατάσταση, έχουν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα που σχετίζεται με υψηλή συγκέντρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων.
Πολλά υγρά, όπως το καθαρό νερό, το οινόπνευμα, η κηροζίνη, είναι καλά διηλεκτρικά, αφού τα μόριά τους είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και δεν υπάρχουν ελεύθεροι φορείς φορτίου σε αυτά.
ηλεκτρολύτες. Μια ειδική κατηγορία υγρών είναι οι λεγόμενοι ηλεκτρολύτες, οι οποίοι περιλαμβάνουν υδατικά διαλύματα ανόργανων οξέων, αλάτων και βάσεων, τήγματα ιοντικών κρυστάλλων κ.λπ. Οι ηλεκτρολύτες χαρακτηρίζονται από την παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων ιόντων, που καθιστούν δυνατή μια ηλεκτρική ρεύμα να περάσει. Αυτά τα ιόντα προκύπτουν κατά την τήξη και κατά τη διάλυση, όταν, υπό την επίδραση των ηλεκτρικών πεδίων των μορίων του διαλύτη, τα μόρια της διαλυμένης ουσίας αποσυντίθενται σε ξεχωριστά θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ηλεκτρολυτική διάσταση.
ηλεκτρολυτική διάσταση.Ο βαθμός διάστασης a μιας δεδομένης ουσίας, δηλαδή η αναλογία των μορίων της διαλυμένης ουσίας που αποσυντίθεται σε ιόντα, εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση του διαλύματος και τη διαπερατότητα του διαλύτη. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ο βαθμός διάστασης αυξάνεται. Τα ιόντα με αντίθετα σημεία μπορούν να ανασυνδυαστούν, ενώνοντας ξανά σε ουδέτερα μόρια. Υπό σταθερές εξωτερικές συνθήκες, δημιουργείται μια δυναμική ισορροπία στο διάλυμα, στην οποία οι διαδικασίες ανασυνδυασμού και διάστασης αντισταθμίζουν η μία την άλλη.
Ποιοτικά, η εξάρτηση του βαθμού διάστασης a από τη συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας μπορεί να εξακριβωθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο απλό συλλογισμό. Εάν μια μονάδα όγκου περιέχει μόρια μιας διαλυμένης ουσίας, τότε μερικά από αυτά διαχωρίζονται και τα υπόλοιπα δεν διαχωρίζονται. Ο αριθμός των στοιχειωδών πράξεων διάστασης ανά μονάδα όγκου του διαλύματος είναι ανάλογος με τον αριθμό των μη διασπασμένων μορίων και επομένως ισούται όπου Α είναι ένας συντελεστής ανάλογα με τη φύση του ηλεκτρολύτη και τη θερμοκρασία. Ο αριθμός των ενεργειών ανασυνδυασμού είναι ανάλογος με τον αριθμό των συγκρούσεων ανόμοιων ιόντων, δηλαδή ανάλογος με τον αριθμό αυτών και άλλων ιόντων. Επομένως, είναι ίσο με το όπου Β είναι ένας συντελεστής που είναι σταθερός για μια δεδομένη ουσία σε μια ορισμένη θερμοκρασία.
Σε κατάσταση δυναμικής ισορροπίας
Η αναλογία δεν εξαρτάται από τη συγκέντρωση Μπορεί να φανεί ότι όσο χαμηλότερη είναι η συγκέντρωση του διαλύματος, τόσο πιο κοντά είναι το α στη μονάδα: σε πολύ αραιά διαλύματα, σχεδόν όλα τα μόρια της διαλυμένης ουσίας διαχωρίζονται.
Όσο μεγαλύτερη είναι η διηλεκτρική σταθερά του διαλύτη, τόσο πιο εξασθενημένοι είναι οι ιοντικοί δεσμοί στα μόρια της διαλυμένης ουσίας και, κατά συνέπεια, τόσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός διάστασης. Έτσι, το υδροχλωρικό οξύ δίνει έναν ηλεκτρολύτη με υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα όταν διαλυθεί στο νερό, ενώ το διάλυμά του σε αιθυλαιθέρα είναι πολύ φτωχός αγωγός του ηλεκτρισμού.
Ασυνήθιστοι ηλεκτρολύτες.Υπάρχουν επίσης πολύ ασυνήθιστοι ηλεκτρολύτες. Για παράδειγμα, ο ηλεκτρολύτης είναι γυαλί, το οποίο είναι ένα εξαιρετικά υπερψυκτικό υγρό με τεράστιο ιξώδες. Όταν θερμαίνεται, το γυαλί μαλακώνει και το ιξώδες του μειώνεται πολύ. Τα ιόντα νατρίου που υπάρχουν στο γυαλί αποκτούν αξιοσημείωτη κινητικότητα και η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος καθίσταται δυνατή, αν και το γυαλί είναι καλός μονωτής σε συνηθισμένες θερμοκρασίες.
Ρύζι. 106. Απόδειξη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του γυαλιού όταν θερμαίνεται
Μια σαφής απόδειξη αυτού μπορεί να χρησιμεύσει ως πείραμα, το σχήμα του οποίου φαίνεται στο Σχ. 106. Μια γυάλινη ράβδος συνδέεται στο δίκτυο φωτισμού μέσω ρεοστάτη Ενώ η ράβδος είναι κρύα, το ρεύμα στο κύκλωμα είναι αμελητέα λόγω της υψηλής αντίστασης του γυαλιού. Εάν το ραβδί θερμαίνεται με καυστήρα αερίου σε θερμοκρασία 300-400 ° C, τότε η αντίστασή του θα πέσει σε αρκετές δεκάδες ohms και το νήμα του λαμπτήρα L θα ζεσταθεί. Τώρα μπορείτε να βραχυκυκλώσετε τη λάμπα με το πλήκτρο K. Σε αυτήν την περίπτωση, η αντίσταση του κυκλώματος θα μειωθεί και το ρεύμα θα αυξηθεί. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, η ράβδος θα θερμαίνεται αποτελεσματικά με ηλεκτρικό ρεύμα και θα θερμαίνεται σε μια φωτεινή λάμψη, ακόμα κι αν αφαιρεθεί ο καυστήρας.
Ιονική αγωγιμότητα.Η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος στον ηλεκτρολύτη περιγράφεται από το νόμο του Ohm
Ένα ηλεκτρικό ρεύμα στον ηλεκτρολύτη εμφανίζεται σε μια αυθαίρετα μικρή εφαρμοζόμενη τάση.
Οι φορείς φορτίου στον ηλεκτρολύτη είναι θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα. Ο μηχανισμός της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των ηλεκτρολυτών είναι από πολλές απόψεις παρόμοιος με τον μηχανισμό ηλεκτρικής αγωγιμότητας των αερίων που περιγράφηκε παραπάνω. Οι κύριες διαφορές οφείλονται στο γεγονός ότι στα αέρια η αντίσταση στην κίνηση των φορέων φορτίου οφείλεται κυρίως στις συγκρούσεις τους με ουδέτερα άτομα. Στους ηλεκτρολύτες, η κινητικότητα των ιόντων οφείλεται στην εσωτερική τριβή - ιξώδες - όταν κινούνται σε έναν διαλύτη.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών, σε αντίθεση με τα μέταλλα, αυξάνεται. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας, ο βαθμός διάστασης αυξάνεται και το ιξώδες μειώνεται.
Σε αντίθεση με την ηλεκτρονική αγωγιμότητα, η οποία είναι χαρακτηριστική των μετάλλων και των ημιαγωγών, όπου η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος δεν συνοδεύεται από καμία αλλαγή στη χημική σύνθεση μιας ουσίας, η ιοντική αγωγιμότητα σχετίζεται με τη μεταφορά της ύλης.
και την απελευθέρωση ουσιών που αποτελούν μέρος των ηλεκτρολυτών στα ηλεκτρόδια. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ηλεκτρόλυση.
Ηλεκτρόλυση.Όταν μια ουσία απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο, η συγκέντρωση των αντίστοιχων ιόντων στην περιοχή του ηλεκτρολύτη δίπλα στο ηλεκτρόδιο μειώνεται. Έτσι, η δυναμική ισορροπία μεταξύ διάστασης και ανασυνδυασμού διαταράσσεται εδώ: εδώ συμβαίνει η αποσύνθεση της ουσίας ως αποτέλεσμα της ηλεκτρόλυσης.
Η ηλεκτρόλυση παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στην αποσύνθεση του νερού από ένα ρεύμα από μια βολταϊκή στήλη. Λίγα χρόνια αργότερα, ο διάσημος χημικός G. Davy ανακάλυψε το νάτριο, διαχωρίζοντάς το με ηλεκτρόλυση από την καυστική σόδα. Οι ποσοτικοί νόμοι της ηλεκτρόλυσης θεσπίστηκαν πειραματικά από τον M. Faraday στο Είναι εύκολο να δικαιολογηθούν με βάση τον μηχανισμό του φαινομένου της ηλεκτρόλυσης.
Οι νόμοι του Faraday.Κάθε ιόν έχει ένα ηλεκτρικό φορτίο που είναι πολλαπλάσιο του στοιχειώδους φορτίου ε. Με άλλα λόγια, το φορτίο του ιόντος είναι , όπου είναι ακέραιος αριθμός ίσος με το σθένος του αντίστοιχου χημικού στοιχείου ή ένωσης. Αφήστε τα ιόντα να απελευθερωθούν κατά τη διέλευση του ρεύματος στο ηλεκτρόδιο. Το απόλυτο φορτίο τους είναι ίσο με Τα θετικά ιόντα φτάνουν στην κάθοδο και το φορτίο τους εξουδετερώνεται από τα ηλεκτρόνια που ρέουν στην κάθοδο μέσω καλωδίων από την πηγή ρεύματος. Αρνητικά ιόντα πλησιάζουν την άνοδο και ο ίδιος αριθμός ηλεκτρονίων περνάει από τα καλώδια στην πηγή ρεύματος. Σε αυτή την περίπτωση, ένα φορτίο διέρχεται από ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα
Ας υποδηλώσουμε με τη μάζα της ουσίας που απελευθερώνεται σε ένα από τα ηλεκτρόδια και με τη μάζα του ιόντος (άτομο ή μόριο). Είναι προφανές ότι, επομένως, πολλαπλασιάζοντας τον αριθμητή και τον παρονομαστή αυτού του κλάσματος με τη σταθερά Avogadro, παίρνουμε
όπου είναι η ατομική ή μοριακή μάζα, η σταθερά Faraday, που δίνεται από
Από το (4) μπορεί να φανεί ότι η σταθερά Faraday έχει την έννοια του "ένα mole ηλεκτρικής ενέργειας", δηλαδή, είναι το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο ενός mole στοιχειωδών φορτίων:
Ο τύπος (3) περιέχει και τους δύο νόμους του Faraday. Λέει ότι η μάζα της ουσίας που απελευθερώνεται κατά την ηλεκτρόλυση είναι ανάλογη με το φορτίο που διέρχεται από το κύκλωμα (πρώτος νόμος του Faraday):
Ο συντελεστής ονομάζεται ηλεκτροχημικό ισοδύναμο μιας δεδομένης ουσίας και εκφράζεται ως
κιλά ανά μενταγιόν Έχει την έννοια του αντίστροφου του συγκεκριμένου φορτίου του ιόντος.
Το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο είναι ανάλογο με το χημικό ισοδύναμο της ουσίας (δεύτερος νόμος του Faraday).
Οι νόμοι του Faraday και το στοιχειώδες φορτίο.Δεδομένου ότι την εποχή του Faraday η έννοια της ατομικής φύσης του ηλεκτρισμού δεν υπήρχε ακόμη, η πειραματική ανακάλυψη των νόμων της ηλεκτρόλυσης δεν ήταν καθόλου ασήμαντη. Αντίθετα, ήταν οι νόμοι του Faraday που ουσιαστικά χρησίμευσαν ως η πρώτη πειραματική απόδειξη της εγκυρότητας αυτών των ιδεών.
Η πειραματική μέτρηση της σταθεράς Faraday κατέστησε δυνατή για πρώτη φορά τη λήψη μιας αριθμητικής εκτίμησης της τιμής του στοιχειώδους φορτίου πολύ πριν από τις άμεσες μετρήσεις του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου στα πειράματα του Millikan με σταγόνες λαδιού. Είναι αξιοσημείωτο ότι η ιδέα της ατομικής δομής του ηλεκτρισμού έλαβε αδιαμφισβήτητη πειραματική επιβεβαίωση σε πειράματα ηλεκτρόλυσης που πραγματοποιήθηκαν στη δεκαετία του '30 του 19ου αιώνα, όταν ακόμη και η ιδέα της ατομικής δομής της ύλης δεν ήταν ακόμη κοινή από όλους. Επιστήμονες. Σε μια διάσημη ομιλία που παραδόθηκε στη Βασιλική Εταιρεία και αφιερώθηκε στη μνήμη του Φαραντάι, ο Χέλμχολτζ σχολίασε αυτή την περίσταση με αυτόν τον τρόπο:
«Αν παραδεχτούμε την ύπαρξη ατόμων χημικών στοιχείων, τότε δεν μπορούμε να αποφύγουμε το περαιτέρω συμπέρασμα ότι ο ηλεκτρισμός, θετικός και αρνητικός, χωρίζεται σε ορισμένες στοιχειώδεις ποσότητες, οι οποίες συμπεριφέρονται σαν άτομα ηλεκτρισμού».
Πηγές χημικού ρεύματος.Εάν οποιοδήποτε μέταλλο, όπως ο ψευδάργυρος, βυθιστεί στο νερό, τότε μια ορισμένη ποσότητα θετικών ιόντων ψευδαργύρου, υπό την επίδραση πολικών μορίων νερού, θα αρχίσει να περνάει από το επιφανειακό στρώμα του μεταλλικού κρυσταλλικού πλέγματος στο νερό. Ως αποτέλεσμα, ο ψευδάργυρος θα φορτιστεί αρνητικά και το νερό θετικά. Ένα λεπτό στρώμα σχηματίζεται στη διεπιφάνεια μεταξύ μετάλλου και νερού, που ονομάζεται ηλεκτρικό διπλό στρώμα. υπάρχει ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο σε αυτό, η ένταση του οποίου κατευθύνεται από το νερό στο μέταλλο. Αυτό το πεδίο εμποδίζει την περαιτέρω μετάβαση των ιόντων ψευδαργύρου στο νερό, και ως αποτέλεσμα, προκύπτει μια δυναμική ισορροπία, στην οποία ο μέσος αριθμός ιόντων που προέρχονται από το μέταλλο στο νερό είναι ίσος με τον αριθμό των ιόντων που επιστρέφουν από το νερό στο μέταλλο .
Δυναμική ισορροπία θα δημιουργηθεί επίσης εάν το μέταλλο βυθιστεί σε υδατικό διάλυμα άλατος του ίδιου μετάλλου, για παράδειγμα ψευδάργυρο σε διάλυμα θειικού ψευδαργύρου. Στο διάλυμα, το άλας διασπάται σε ιόντα Τα προκύπτοντα ιόντα ψευδαργύρου δεν διαφέρουν από τα ιόντα ψευδαργύρου που εισέρχονται στο διάλυμα από το ηλεκτρόδιο. Η αύξηση της συγκέντρωσης των ιόντων ψευδαργύρου στον ηλεκτρολύτη διευκολύνει τη μετάβαση αυτών των ιόντων στο μέταλλο από το διάλυμα και καθιστά δύσκολη
μετάβαση από μέταλλο σε διάλυμα. Ως εκ τούτου, σε ένα διάλυμα θειικού ψευδαργύρου, το βυθισμένο ηλεκτρόδιο ψευδάργυρου, αν και φορτισμένο αρνητικά, είναι ασθενέστερο από ό,τι στο καθαρό νερό.
Όταν ένα μέταλλο βυθίζεται σε ένα διάλυμα, το μέταλλο δεν είναι πάντα αρνητικά φορτισμένο. Για παράδειγμα, εάν ένα ηλεκτρόδιο χαλκού βυθιστεί σε διάλυμα θειικού χαλκού, τότε τα ιόντα θα αρχίσουν να καθιζάνουν από το διάλυμα στο ηλεκτρόδιο, φορτίζοντας το θετικά. Η ένταση πεδίου στο ηλεκτρικό διπλό στρώμα σε αυτή την περίπτωση κατευθύνεται από τον χαλκό στο διάλυμα.
Έτσι, όταν ένα μέταλλο βυθίζεται σε νερό ή σε υδατικό διάλυμα που περιέχει ιόντα του ίδιου μετάλλου, προκύπτει διαφορά δυναμικού στη διεπιφάνεια μεταξύ του μετάλλου και του διαλύματος. Το πρόσημο και το μέγεθος αυτής της διαφοράς δυναμικού εξαρτάται από τον τύπο του μετάλλου (χαλκός, ψευδάργυρος κ.λπ.) από τη συγκέντρωση των ιόντων στο διάλυμα και είναι σχεδόν ανεξάρτητο από τη θερμοκρασία και την πίεση.
Δύο ηλεκτρόδια από διαφορετικά μέταλλα, βυθισμένα σε έναν ηλεκτρολύτη, σχηματίζουν ένα γαλβανικό στοιχείο. Για παράδειγμα, στο στοιχείο Volta, τα ηλεκτρόδια ψευδαργύρου και χαλκού βυθίζονται σε υδατικό διάλυμα θειικού οξέος. Την πρώτη στιγμή, το διάλυμα δεν περιέχει ούτε ιόντα ψευδαργύρου ούτε ιόντα χαλκού. Ωστόσο, αργότερα αυτά τα ιόντα εισέρχονται στο διάλυμα από τα ηλεκτρόδια και δημιουργείται μια δυναμική ισορροπία. Εφόσον τα ηλεκτρόδια δεν συνδέονται μεταξύ τους με καλώδιο, το δυναμικό του ηλεκτρολύτη είναι το ίδιο σε όλα τα σημεία και τα δυναμικά των ηλεκτροδίων διαφέρουν από το δυναμικό του ηλεκτρολύτη λόγω του σχηματισμού διπλών στρωμάτων στο όριο τους με τον ηλεκτρολύτη. Σε αυτή την περίπτωση, το δυναμικό ηλεκτροδίου του ψευδαργύρου είναι -0,763 V και του χαλκού. Η ηλεκτροκινητική δύναμη του στοιχείου Volt, που αποτελείται από αυτά τα άλματα δυναμικού, θα είναι ίση με
Ρεύμα σε κύκλωμα με γαλβανικό στοιχείο.Εάν τα ηλεκτρόδια ενός γαλβανικού στοιχείου συνδέονται με ένα καλώδιο, τότε τα ηλεκτρόνια θα περάσουν μέσα από αυτό το ηλεκτρόδιο από το αρνητικό ηλεκτρόδιο (ψευδάργυρος) στο θετικό (χαλκός), το οποίο διαταράσσει τη δυναμική ισορροπία μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη στον οποίο βρίσκονται βυθίζονται. Τα ιόντα ψευδαργύρου θα αρχίσουν να μετακινούνται από το ηλεκτρόδιο στο διάλυμα, έτσι ώστε να διατηρηθεί το ηλεκτρικό διπλό στρώμα στην ίδια κατάσταση με ένα σταθερό άλμα δυναμικού μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη. Ομοίως, στο ηλεκτρόδιο χαλκού, τα ιόντα χαλκού θα αρχίσουν να απομακρύνονται από το διάλυμα και να εναποτίθενται στο ηλεκτρόδιο. Σε αυτή την περίπτωση, μια ανεπάρκεια ιόντων σχηματίζεται κοντά στο αρνητικό ηλεκτρόδιο και μια περίσσεια τέτοιων ιόντων σχηματίζεται κοντά στο θετικό ηλεκτρόδιο. Ο συνολικός αριθμός ιόντων στο διάλυμα δεν θα αλλάξει.
Ως αποτέλεσμα των περιγραφόμενων διαδικασιών, θα διατηρηθεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα κλειστό κύκλωμα, το οποίο δημιουργείται στο καλώδιο σύνδεσης από την κίνηση των ηλεκτρονίων και στον ηλεκτρολύτη από τα ιόντα. Όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου σταδιακά διαλύεται και ο χαλκός εναποτίθεται στο θετικό (χάλκινο) ηλεκτρόδιο.
ηλεκτρόδιο. Η συγκέντρωση των ιόντων αυξάνεται στο ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου και μειώνεται στο χάλκινο.
Δυνατότητα σε κύκλωμα με γαλβανική κυψέλη.Η περιγραφόμενη εικόνα της διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα ανομοιογενές κλειστό κύκλωμα που περιέχει ένα χημικό στοιχείο αντιστοιχεί στην κατανομή δυναμικού κατά μήκος του κυκλώματος, που φαίνεται σχηματικά στο Σχ. 107. Σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, δηλαδή στο καλώδιο που συνδέει τα ηλεκτρόδια, το δυναμικό μειώνεται σταδιακά από την τιμή του θετικού (χάλκινου) ηλεκτροδίου Α στην τιμή του αρνητικού (ψευδαργύρου) ηλεκτροδίου Β σύμφωνα με το νόμο του Ohm για ένα ομοιογενές αγωγός. Στο εσωτερικό κύκλωμα, δηλαδή στον ηλεκτρολύτη μεταξύ των ηλεκτροδίων, το δυναμικό μειώνεται σταδιακά από την τιμή κοντά στο ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου στην τιμή κοντά στο ηλεκτρόδιο χαλκού. Εάν στο εξωτερικό κύκλωμα το ρεύμα ρέει από το ηλεκτρόδιο χαλκού στο ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου, τότε μέσα στον ηλεκτρολύτη - από τον ψευδάργυρο στον χαλκό. Πιθανά άλματα σε ηλεκτρικά διπλά στρώματα δημιουργούνται ως αποτέλεσμα της δράσης εξωτερικών (σε αυτήν την περίπτωση, χημικών) δυνάμεων. Η κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων σε διπλά στρώματα λόγω εξωτερικών δυνάμεων συμβαίνει ενάντια στην κατεύθυνση δράσης των ηλεκτρικών δυνάμεων.
Ρύζι. 107. Κατανομή δυναμικού κατά μήκος μιας αλυσίδας που περιέχει ένα χημικό στοιχείο
Τα κεκλιμένα τμήματα του δυναμικού αλλάζουν στο σχ. 107 αντιστοιχούν στην ηλεκτρική αντίσταση των εξωτερικών και εσωτερικών τμημάτων του κλειστού κυκλώματος. Η συνολική πτώση δυναμικού κατά μήκος αυτών των τμημάτων είναι ίση με το άθροισμα των αλμάτων δυναμικού στα διπλά στρώματα, δηλαδή την ηλεκτροκινητική δύναμη του στοιχείου.
Η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα γαλβανικό στοιχείο περιπλέκεται από τα παραπροϊόντα που απελευθερώνονται στα ηλεκτρόδια και την εμφάνιση πτώσης συγκέντρωσης στον ηλεκτρολύτη. Αυτά τα φαινόμενα αναφέρονται ως ηλεκτρολυτική πόλωση. Για παράδειγμα, στα στοιχεία Volta, όταν το κύκλωμα είναι κλειστό, θετικά ιόντα κινούνται προς το ηλεκτρόδιο χαλκού και εναποτίθενται σε αυτό. Ως αποτέλεσμα, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, το ηλεκτρόδιο χαλκού αντικαθίσταται, όπως ήταν, από ένα υδρογόνο. Δεδομένου ότι το δυναμικό ηλεκτροδίου του υδρογόνου είναι 0,337 V χαμηλότερο από το δυναμικό ηλεκτροδίου του χαλκού, το EMF του στοιχείου μειώνεται κατά περίπου την ίδια ποσότητα. Επιπλέον, το υδρογόνο που απελευθερώνεται στο χάλκινο ηλεκτρόδιο αυξάνει την εσωτερική αντίσταση του στοιχείου.
Για τη μείωση των επιβλαβών επιπτώσεων του υδρογόνου, χρησιμοποιούνται αποπολωτές - διάφοροι οξειδωτικοί παράγοντες. Για παράδειγμα, στο πιο κοινό στοιχείο Leklanshe («στεγνές» μπαταρίες)
το θετικό ηλεκτρόδιο είναι μια ράβδος γραφίτη που περιβάλλεται από μια συμπιεσμένη μάζα υπεροξειδίου του μαγγανίου και γραφίτη.
Μπαταρίες.Ένας πρακτικά σημαντικός τύπος γαλβανικών στοιχείων είναι οι μπαταρίες, για τις οποίες, μετά την εκφόρτιση, είναι δυνατή μια διαδικασία αντίστροφης φόρτισης με τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια. Οι ουσίες που καταναλώνονται κατά τη λήψη ηλεκτρικού ρεύματος αποκαθίστανται στο εσωτερικό της μπαταρίας με ηλεκτρόλυση.
Μπορεί να φανεί ότι όταν η μπαταρία φορτίζεται, η συγκέντρωση του θειικού οξέος αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της πυκνότητας του ηλεκτρολύτη.
Έτσι, κατά τη διαδικασία φόρτισης, δημιουργείται μια έντονη ασυμμετρία των ηλεκτροδίων: το ένα γίνεται μόλυβδος, το άλλο από υπεροξείδιο του μολύβδου. Μια φορτισμένη μπαταρία είναι ένα γαλβανικό στοιχείο ικανό να χρησιμεύσει ως πηγή ρεύματος.
Όταν οι καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας συνδέονται με την μπαταρία, ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα ρέει μέσω του κυκλώματος, η κατεύθυνση του οποίου είναι αντίθετη από το ρεύμα φόρτισης. Οι χημικές αντιδράσεις πηγαίνουν προς την αντίθετη κατεύθυνση και η μπαταρία επιστρέφει στην αρχική της κατάσταση. Και τα δύο ηλεκτρόδια θα καλυφθούν με ένα στρώμα άλατος και η συγκέντρωση του θειικού οξέος θα επανέλθει στην αρχική του τιμή.
Μια φορτισμένη μπαταρία έχει EMF περίπου 2,2 V. Κατά την αποφόρτιση, πέφτει στα 1,85 V. Δεν συνιστάται περαιτέρω αποφόρτιση, καθώς ο σχηματισμός θειικού μολύβδου γίνεται μη αναστρέψιμος και η μπαταρία φθείρεται.
Η μέγιστη φόρτιση που μπορεί να δώσει μια μπαταρία κατά την αποφόρτιση ονομάζεται χωρητικότητά της. Χωρητικότητα μπαταρίας τυπικά
μετρημένο σε αμπέρ ώρες. Είναι όσο μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια των πλακών.
εφαρμογές ηλεκτρόλυσης.Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία. Η πιο κοινή ηλεκτρολυτική παραγωγή αλουμινίου και καθαρού χαλκού. Με τη βοήθεια της ηλεκτρόλυσης, είναι δυνατό να δημιουργηθούν λεπτές στρώσεις ορισμένων ουσιών στην επιφάνεια άλλων για να ληφθούν διακοσμητικά και προστατευτικά επιχρίσματα (επινικελίωση, επιχρωμίωση). Η διαδικασία λήψης αποκολλούμενων επιστρώσεων (ηλεκτρομετάλλευση) αναπτύχθηκε από τον Ρώσο επιστήμονα B. S. Yakobi, ο οποίος την εφάρμοσε στην κατασκευή κοίλων γλυπτών που κοσμούν τον καθεδρικό ναό του Αγίου Ισαάκ στην Αγία Πετρούπολη.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ του φυσικού μηχανισμού της ηλεκτρικής αγωγιμότητας σε μέταλλα και ηλεκτρολύτες;
Εξηγήστε γιατί ο βαθμός διάστασης μιας δεδομένης ουσίας εξαρτάται από τη διαπερατότητα του διαλύτη.
Εξηγήστε γιατί σε πολύ αραιά διαλύματα ηλεκτρολυτών σχεδόν όλα τα μόρια της διαλυμένης ουσίας διαχωρίζονται.
Εξηγήστε πώς ο μηχανισμός ηλεκτρικής αγωγιμότητας των ηλεκτρολυτών είναι παρόμοιος με τον μηχανισμό ηλεκτρικής αγωγιμότητας των αερίων. Γιατί, υπό σταθερές εξωτερικές συνθήκες, το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ανάλογο της εφαρμοζόμενης τάσης;
Τι ρόλο παίζει ο νόμος της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου στην εξαγωγή του νόμου της ηλεκτρόλυσης (3);
Εξηγήστε τη σχέση μεταξύ του ηλεκτροχημικού ισοδύναμου μιας ουσίας και του ειδικού φορτίου των ιόντων της.
Πώς μπορεί κανείς να προσδιορίσει πειραματικά την αναλογία ηλεκτροχημικών ισοδυνάμων διαφορετικών ουσιών εάν υπάρχουν πολλά ηλεκτρολυτικά λουτρά, αλλά δεν υπάρχουν όργανα για τη μέτρηση της ισχύος του ρεύματος;
Πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης για τη δημιουργία μετρητή κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα δίκτυο συνεχούς ρεύματος;
Γιατί οι νόμοι του Faraday μπορούν να θεωρηθούν ως πειραματική απόδειξη των ιδεών για την ατομική φύση του ηλεκτρισμού;
Ποιες διεργασίες συμβαίνουν όταν τα μεταλλικά ηλεκτρόδια βυθίζονται σε νερό και σε έναν ηλεκτρολύτη που περιέχει ιόντα αυτών των μετάλλων;
Περιγράψτε τις διεργασίες που συμβαίνουν στον ηλεκτρολύτη κοντά στα ηλεκτρόδια ενός γαλβανικού στοιχείου κατά τη διέλευση του ρεύματος.
Γιατί τα θετικά ιόντα μέσα σε ένα γαλβανικό στοιχείο μετακινούνται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο (ψευδαργύρου) στο θετικό (χάλκινο) ηλεκτρόδιο; Πώς προκύπτει μια κατανομή δυναμικού στο κύκλωμα που προκαλεί την κίνηση των ιόντων με αυτόν τον τρόπο;
Γιατί μπορεί να ελεγχθεί ο βαθμός φόρτισης μιας μπαταρίας οξέος χρησιμοποιώντας ένα υδρόμετρο, δηλαδή μια συσκευή για τη μέτρηση της πυκνότητας ενός υγρού;
Ποια είναι η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των διεργασιών στις μπαταρίες και των διεργασιών σε «στεγνές» μπαταρίες;
Ποιο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που δαπανήθηκε κατά τη διαδικασία φόρτισης της μπαταρίας c μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν αποφορτιστεί, εάν κατά τη διαδικασία φόρτισης της μπαταρίας διατηρήθηκε η τάση στους ακροδέκτες της
Απολύτως όλοι γνωρίζουν ότι τα υγρά μπορούν να μεταφέρουν τέλεια την ηλεκτρική ενέργεια. Και είναι επίσης γνωστό ότι όλοι οι αγωγοί χωρίζονται σε πολλές υποομάδες ανάλογα με τον τύπο τους. Προτείνουμε να εξετάσουμε στο άρθρο μας πώς εκτελείται ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε υγρά, μέταλλα και άλλους ημιαγωγούς, καθώς και τους νόμους της ηλεκτρόλυσης και τους τύπους της.
Θεωρία ηλεκτρόλυσης
Για να καταλάβουμε ευκολότερα τι διακυβεύεται, προτείνουμε να ξεκινήσουμε με τη θεωρία ότι ο ηλεκτρισμός, αν θεωρήσουμε ένα ηλεκτρικό φορτίο ως είδος υγρού, είναι γνωστός για περισσότερα από 200 χρόνια. Τα φορτία αποτελούνται από μεμονωμένα ηλεκτρόνια, αλλά αυτά είναι τόσο μικρά που κάθε μεγάλο φορτίο συμπεριφέρεται σαν μια συνεχής ροή, ένα υγρό.
Όπως τα σώματα στερεού τύπου, οι αγωγοί υγρών μπορούν να είναι τριών τύπων:
- ημιαγωγοί (σελήνιο, σουλφίδια και άλλα).
- διηλεκτρικά (αλκαλικά διαλύματα, άλατα και οξέα).
- αγωγοί (ας πούμε, σε ένα πλάσμα).
Η διαδικασία κατά την οποία οι ηλεκτρολύτες διαλύονται και τα ιόντα αποσυντίθενται υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού μοριακού πεδίου ονομάζεται διάσταση. Με τη σειρά του, η αναλογία των μορίων που έχουν διασπαστεί σε ιόντα, ή τα ιόντα που έχουν διασπαστεί σε μια διαλυμένη ουσία, εξαρτάται εξ ολοκλήρου από τις φυσικές ιδιότητες και τη θερμοκρασία σε διάφορους αγωγούς και τήγματα. Φροντίστε να θυμάστε ότι τα ιόντα μπορούν να ανασυνδυαστούν ή να ανασυνδυαστούν. Εάν οι συνθήκες δεν αλλάξουν, τότε ο αριθμός των διασπασμένων ιόντων και των ενωμένων θα είναι εξίσου ανάλογος.
Στους ηλεκτρολύτες τα ιόντα άγουν ενέργεια, γιατί. μπορεί να είναι τόσο θετικά φορτισμένα σωματίδια όσο και αρνητικά. Κατά τη σύνδεση του υγρού (ή μάλλον, του δοχείου με το υγρό στο δίκτυο), θα αρχίσει η κίνηση των σωματιδίων σε αντίθετα φορτία (θετικά ιόντα θα αρχίσουν να έλκονται στις κάθοδοι και τα αρνητικά στις άνοδοι). Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια μεταφέρεται απευθείας από ιόντα, επομένως αυτός ο τύπος αγωγιμότητας ονομάζεται ιοντικός.
Κατά τη διάρκεια αυτού του τύπου αγωγιμότητας, το ρεύμα μεταφέρεται από ιόντα και απελευθερώνονται ουσίες στα ηλεκτρόδια που αποτελούν συστατικά των ηλεκτρολυτών. Από χημική άποψη, συμβαίνει οξείδωση και αναγωγή. Έτσι, το ηλεκτρικό ρεύμα σε αέρια και υγρά μεταφέρεται μέσω ηλεκτρόλυσης.
Οι νόμοι της φυσικής και το ρεύμα στα υγρά
Η ηλεκτρική ενέργεια στα σπίτια και τις συσκευές μας συνήθως δεν μεταδίδεται με μεταλλικά καλώδια. Σε ένα μέταλλο, τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν από άτομο σε άτομο και έτσι να φέρουν αρνητικό φορτίο.
Όπως τα υγρά, οδηγούνται με τη μορφή ηλεκτρικής τάσης, γνωστής ως τάση, μετρούμενη σε μονάδες βολτ, σύμφωνα με τον Ιταλό επιστήμονα Alessandro Volta.
Βίντεο: Ηλεκτρικό ρεύμα σε υγρά: μια πλήρης θεωρία
Επίσης, το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει από την υψηλή τάση στη χαμηλή τάση και μετριέται σε μονάδες γνωστές ως αμπέρ, που ονομάζονται από τον André-Marie Ampère. Και σύμφωνα με τη θεωρία και τον τύπο, εάν αυξήσετε την τάση, τότε η δύναμή της θα αυξηθεί επίσης αναλογικά. Αυτή η σχέση είναι γνωστή ως Νόμος του Ohm. Για παράδειγμα, το χαρακτηριστικό εικονικού ρεύματος είναι παρακάτω.
Σχήμα: ρεύμα έναντι τάσηςΟ νόμος του Ohm (με πρόσθετες λεπτομέρειες σχετικά με το μήκος και το πάχος του σύρματος) είναι συνήθως ένα από τα πρώτα πράγματα που διδάσκονται στα μαθήματα φυσικής, και πολλοί μαθητές και δάσκαλοι επομένως βλέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα σε αέρια και υγρά ως βασικό νόμο στη φυσική.
Για να δείτε με τα μάτια σας την κίνηση των φορτίων, πρέπει να προετοιμάσετε μια φιάλη με αλμυρό νερό, επίπεδα ορθογώνια ηλεκτρόδια και πηγές ενέργειας, θα χρειαστείτε επίσης μια εγκατάσταση αμπερόμετρου, με τη βοήθεια της οποίας θα διοχετεύεται ενέργεια από την ισχύ παροχή στα ηλεκτρόδια.
Μοτίβο: Ρεύμα και αλάτι Οι πλάκες που λειτουργούν ως αγωγοί πρέπει να χαμηλωθούν στο υγρό και να ενεργοποιηθεί η τάση. Μετά από αυτό, θα αρχίσει η χαοτική κίνηση των σωματιδίων, αλλά όπως μετά την εμφάνιση ενός μαγνητικού πεδίου μεταξύ των αγωγών, θα διαταχθεί αυτή η διαδικασία.
Μόλις τα ιόντα αρχίσουν να αλλάζουν φορτία και να συνδυάζονται, οι άνοδοι γίνονται κάθοδοι και οι κάθοδοι γίνονται άνοδοι. Αλλά εδώ πρέπει να λάβετε υπόψη την ηλεκτρική αντίσταση. Φυσικά, η θεωρητική καμπύλη παίζει σημαντικό ρόλο, αλλά η κύρια επιρροή είναι η θερμοκρασία και το επίπεδο διάστασης (ανάλογα με το ποιοι φορείς επιλέγονται) και αν επιλέγεται εναλλασσόμενο ή συνεχές ρεύμα. Ολοκληρώνοντας αυτή την πειραματική μελέτη, μπορείτε να παρατηρήσετε ότι ένα λεπτό στρώμα άλατος έχει σχηματιστεί σε στερεά σώματα (μεταλλικές πλάκες).
Ηλεκτρόλυση και κενό
Το ηλεκτρικό ρεύμα στο κενό και τα υγρά είναι ένα αρκετά περίπλοκο ζήτημα. Το γεγονός είναι ότι σε τέτοια μέσα δεν υπάρχουν χρεώσεις στα σώματα, πράγμα που σημαίνει ότι είναι διηλεκτρικό. Με άλλα λόγια, στόχος μας είναι να δημιουργήσουμε συνθήκες ώστε ένα άτομο ενός ηλεκτρονίου να μπορεί να ξεκινήσει την κίνησή του.
Για να το κάνετε αυτό, πρέπει να χρησιμοποιήσετε μια αρθρωτή συσκευή, αγωγούς και μεταλλικές πλάκες και στη συνέχεια να προχωρήσετε όπως στην παραπάνω μέθοδο.
Αγωγοί και κενό 
Χαρακτηριστικό ρεύματος στο κενό Εφαρμογή ηλεκτρόλυσης
Αυτή η διαδικασία εφαρμόζεται σχεδόν σε όλους τους τομείς της ζωής. Ακόμη και η πιο στοιχειώδης εργασία απαιτεί μερικές φορές την παρέμβαση ηλεκτρικού ρεύματος σε υγρά, ας πούμε,
Με τη βοήθεια αυτής της απλής διαδικασίας, τα στερεά σώματα επικαλύπτονται με το λεπτότερο στρώμα οποιουδήποτε μετάλλου, για παράδειγμα, επινικελίωση ή επιχρωμίωση. αυτός είναι ένας από τους πιθανούς τρόπους καταπολέμησης των διαδικασιών διάβρωσης. Παρόμοιες τεχνολογίες χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μετασχηματιστών, μετρητών και άλλων ηλεκτρικών συσκευών.
Ελπίζουμε ότι το σκεπτικό μας έχει απαντήσει σε όλα τα ερωτήματα που προκύπτουν κατά τη μελέτη του φαινομένου του ηλεκτρικού ρεύματος στα υγρά. Εάν χρειάζεστε καλύτερες απαντήσεις, σας συμβουλεύουμε να επισκεφτείτε το φόρουμ ηλεκτρολόγων, όπου θα χαρείτε να συμβουλευτείτε δωρεάν.
Τα υγρά, όπως και τα στερεά, μπορεί να είναι αγωγοί, ημιαγωγοί και διηλεκτρικά. Σε αυτό το μάθημα, θα επικεντρωθούμε στους αγωγούς υγρών. Και όχι για υγρά με ηλεκτρονική αγωγιμότητα (λιωμένα μέταλλα), αλλά για υγρούς αγωγούς δεύτερου είδους (διαλύματα και τήγματα αλάτων, οξέων, βάσεων). Ο τύπος αγωγιμότητας τέτοιων αγωγών είναι ιονικός.
Ορισμός. Αγωγοί του δεύτερου είδους είναι εκείνοι οι αγωγοί στους οποίους συμβαίνουν χημικές διεργασίες όταν ρέει ρεύμα.
Για καλύτερη κατανόηση της διαδικασίας αγωγής ρεύματος στα υγρά, μπορεί να παρουσιαστεί το ακόλουθο πείραμα: Δύο ηλεκτρόδια συνδεδεμένα με μια πηγή ρεύματος τοποθετήθηκαν σε ένα λουτρό νερού, ένας λαμπτήρας μπορεί να ληφθεί ως ένδειξη ρεύματος στο κύκλωμα. Εάν κλείσετε ένα τέτοιο κύκλωμα, η λάμπα δεν θα καεί, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ρεύμα, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει διακοπή στο κύκλωμα και το ίδιο το νερό δεν μεταφέρει ρεύμα. Αλλά αν βάλετε μια συγκεκριμένη ποσότητα αλατιού στο μπάνιο και επαναλάβετε το κύκλωμα, το φως θα ανάψει. Αυτό σημαίνει ότι οι φορείς ελεύθερου φορτίου, στην περίπτωση αυτή ιόντα, άρχισαν να κινούνται στο λουτρό μεταξύ της καθόδου και της ανόδου (Εικ. 1).
Ρύζι. 1. Σχέδιο εμπειρίας
Αγωγιμότητα ηλεκτρολυτών
Από πού προέρχονται οι δωρεάν χρεώσεις στη δεύτερη περίπτωση; Όπως αναφέρθηκε σε ένα από τα προηγούμενα μαθήματα, ορισμένα διηλεκτρικά είναι πολικά. Το νερό έχει ακριβώς τα ίδια πολικά μόρια (Εικ. 2).
Ρύζι. 2. Πολικότητα του μορίου του νερού
Όταν προστίθεται αλάτι στο νερό, τα μόρια του νερού προσανατολίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε οι αρνητικοί πόλοι τους να είναι κοντά στο νάτριο, θετικοί - κοντά στο χλώριο. Ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των φορτίων, τα μόρια του νερού διασπούν τα μόρια του άλατος σε ζεύγη αντίθετων ιόντων. Το ιόν νατρίου έχει θετικό φορτίο, το ιόν χλωρίου έχει αρνητικό φορτίο (Εικ. 3). Αυτά τα ιόντα θα κινηθούν μεταξύ των ηλεκτροδίων υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου.
Ρύζι. 3. Σχήμα σχηματισμού ελεύθερων ιόντων
Όταν τα ιόντα νατρίου πλησιάζουν την κάθοδο, λαμβάνει τα ηλεκτρόνια που λείπουν, ενώ τα ιόντα χλωρίου εγκαταλείπουν τα δικά τους όταν φτάσουν στην άνοδο.
Ηλεκτρόλυση
Δεδομένου ότι η ροή του ρεύματος στα υγρά συνδέεται με τη μεταφορά της ύλης, με ένα τέτοιο ρεύμα λαμβάνει χώρα η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης.
Ορισμός.Η ηλεκτρόλυση είναι μια διαδικασία που σχετίζεται με αντιδράσεις οξειδοαναγωγής κατά τις οποίες μια ουσία απελευθερώνεται στα ηλεκτρόδια.
Οι ουσίες που, ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας διάσπασης, παρέχουν ιοντική αγωγιμότητα ονομάζονται ηλεκτρολύτες. Αυτό το όνομα προτάθηκε από τον Άγγλο φυσικό Michael Faraday (Εικ. 4).
Η ηλεκτρόλυση καθιστά δυνατή τη λήψη ουσιών σε επαρκώς καθαρή μορφή από διαλύματα, επομένως χρησιμοποιείται για τη λήψη σπάνιων υλικών, όπως το νάτριο, το ασβέστιο ... στην καθαρή του μορφή. Αυτό είναι αυτό που είναι γνωστό ως ηλεκτρολυτική μεταλλουργία.
Οι νόμοι του Faraday
Στην πρώτη εργασία για την ηλεκτρόλυση το 1833, ο Faraday παρουσίασε τους δύο νόμους της ηλεκτρόλυσης. Στο πρώτο, επρόκειτο για τη μάζα της ουσίας που απελευθερώθηκε στα ηλεκτρόδια:
Ο πρώτος νόμος του Faraday δηλώνει ότι αυτή η μάζα είναι ανάλογη με το φορτίο που διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη:
Εδώ τον ρόλο του συντελεστή αναλογικότητας παίζει η ποσότητα - το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο. Αυτή είναι μια τιμή πίνακα που είναι μοναδική για κάθε ηλεκτρολύτη και είναι το κύριο χαρακτηριστικό του. Διάσταση του ηλεκτροχημικού ισοδυνάμου:
Η φυσική έννοια του ηλεκτροχημικού ισοδύναμου είναι η μάζα που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο όταν η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας σε 1 C διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη.
Αν θυμάστε τους τύπους από το θέμα του συνεχούς ρεύματος:
Τότε μπορούμε να αναπαραστήσουμε τον πρώτο νόμο του Faraday με τη μορφή:
Ο δεύτερος νόμος του Faraday αφορά άμεσα τη μέτρηση του ηλεκτροχημικού ισοδυνάμου μέσω άλλων σταθερών για έναν συγκεκριμένο ηλεκτρολύτη:
Εδώ: είναι η μοριακή μάζα του ηλεκτρολύτη. - στοιχειώδης χρέωση - σθένος ηλεκτρολυτών. είναι ο αριθμός του Avogadro.
Η τιμή ονομάζεται χημικό ισοδύναμο του ηλεκτρολύτη. Δηλαδή, για να γνωρίζουμε το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο, αρκεί να γνωρίζουμε το χημικό ισοδύναμο, τα υπόλοιπα συστατικά του τύπου είναι παγκόσμιες σταθερές.
Με βάση τον δεύτερο νόμο του Faraday, ο πρώτος νόμος μπορεί να αναπαρασταθεί ως:
Ο Faraday πρότεινε την ορολογία αυτών των ιόντων με βάση το ηλεκτρόδιο στο οποίο κινούνται. Τα θετικά ιόντα ονομάζονται κατιόντα επειδή κινούνται προς την αρνητικά φορτισμένη κάθοδο, τα αρνητικά φορτία ονομάζονται ανιόντα καθώς κινούνται προς την άνοδο.
Η παραπάνω δράση του νερού για τη διάσπαση ενός μορίου σε δύο ιόντα ονομάζεται ηλεκτρολυτική διάσταση.
Εκτός από διαλύματα, τα τήγματα μπορούν επίσης να είναι αγωγοί του δεύτερου είδους. Στην περίπτωση αυτή, η παρουσία ελεύθερων ιόντων επιτυγχάνεται από το γεγονός ότι σε υψηλή θερμοκρασία ξεκινούν πολύ ενεργές μοριακές κινήσεις και δονήσεις, με αποτέλεσμα τα μόρια να διασπώνται σε ιόντα.
Πρακτική εφαρμογή ηλεκτρόλυσης
Η πρώτη πρακτική εφαρμογή της ηλεκτρόλυσης έγινε το 1838 από τον Ρώσο επιστήμονα Jacobi. Με τη βοήθεια της ηλεκτρόλυσης, έλαβε μια εντύπωση μορφών για τον καθεδρικό ναό του Αγίου Ισαάκ. Αυτή η εφαρμογή της ηλεκτρόλυσης ονομάζεται ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Ένας άλλος τομέας εφαρμογής είναι η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση - κάλυψη ενός μετάλλου με ένα άλλο (επιχρωμίωση, επινικελίωση, επιχρύσωση κ.λπ., Εικ. 5)
- Fatyf.narod.ru ().
- ChemiK ().
- Ens.tpu.ru ().
Εργασία για το σπίτι
- Τι είναι οι ηλεκτρολύτες;
- Ποιοι είναι οι δύο θεμελιωδώς διαφορετικοί τύποι υγρών στα οποία μπορεί να ρέει ηλεκτρικό ρεύμα;
- Ποιοι είναι οι πιθανοί μηχανισμοί για τη δημιουργία φορέων δωρεάν χρέωσης;
- *Γιατί η μάζα που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο είναι ανάλογη του φορτίου;
Τα υγρά, όπως και τα στερεά, μπορεί να είναι αγωγοί, ημιαγωγοί και διηλεκτρικά. Σε αυτό το μάθημα, θα επικεντρωθούμε στους αγωγούς υγρών. Και όχι για υγρά με ηλεκτρονική αγωγιμότητα (λιωμένα μέταλλα), αλλά για υγρούς αγωγούς δεύτερου είδους (διαλύματα και τήγματα αλάτων, οξέων, βάσεων). Ο τύπος αγωγιμότητας τέτοιων αγωγών είναι ιονικός.
Ορισμός. Αγωγοί του δεύτερου είδους είναι εκείνοι οι αγωγοί στους οποίους συμβαίνουν χημικές διεργασίες όταν ρέει ρεύμα.
Για καλύτερη κατανόηση της διαδικασίας αγωγής ρεύματος στα υγρά, μπορεί να παρουσιαστεί το ακόλουθο πείραμα: Δύο ηλεκτρόδια συνδεδεμένα με μια πηγή ρεύματος τοποθετήθηκαν σε ένα λουτρό νερού, ένας λαμπτήρας μπορεί να ληφθεί ως ένδειξη ρεύματος στο κύκλωμα. Εάν κλείσετε ένα τέτοιο κύκλωμα, η λάμπα δεν θα καεί, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ρεύμα, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει διακοπή στο κύκλωμα και το ίδιο το νερό δεν μεταφέρει ρεύμα. Αλλά αν βάλετε μια συγκεκριμένη ποσότητα αλατιού στο μπάνιο και επαναλάβετε το κύκλωμα, το φως θα ανάψει. Αυτό σημαίνει ότι οι φορείς ελεύθερου φορτίου, στην περίπτωση αυτή ιόντα, άρχισαν να κινούνται στο λουτρό μεταξύ της καθόδου και της ανόδου (Εικ. 1).
Ρύζι. 1. Σχέδιο εμπειρίας
Αγωγιμότητα ηλεκτρολυτών
Από πού προέρχονται οι δωρεάν χρεώσεις στη δεύτερη περίπτωση; Όπως αναφέρθηκε σε ένα από τα προηγούμενα μαθήματα, ορισμένα διηλεκτρικά είναι πολικά. Το νερό έχει ακριβώς τα ίδια πολικά μόρια (Εικ. 2).
Ρύζι. 2. Πολικότητα του μορίου του νερού
Όταν προστίθεται αλάτι στο νερό, τα μόρια του νερού προσανατολίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε οι αρνητικοί πόλοι τους να είναι κοντά στο νάτριο, θετικοί - κοντά στο χλώριο. Ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των φορτίων, τα μόρια του νερού διασπούν τα μόρια του άλατος σε ζεύγη αντίθετων ιόντων. Το ιόν νατρίου έχει θετικό φορτίο, το ιόν χλωρίου έχει αρνητικό φορτίο (Εικ. 3). Αυτά τα ιόντα θα κινηθούν μεταξύ των ηλεκτροδίων υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου.
Ρύζι. 3. Σχήμα σχηματισμού ελεύθερων ιόντων
Όταν τα ιόντα νατρίου πλησιάζουν την κάθοδο, λαμβάνει τα ηλεκτρόνια που λείπουν, ενώ τα ιόντα χλωρίου εγκαταλείπουν τα δικά τους όταν φτάσουν στην άνοδο.
Ηλεκτρόλυση
Δεδομένου ότι η ροή του ρεύματος στα υγρά συνδέεται με τη μεταφορά της ύλης, με ένα τέτοιο ρεύμα λαμβάνει χώρα η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης.
Ορισμός.Η ηλεκτρόλυση είναι μια διαδικασία που σχετίζεται με αντιδράσεις οξειδοαναγωγής κατά τις οποίες μια ουσία απελευθερώνεται στα ηλεκτρόδια.
Οι ουσίες που, ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας διάσπασης, παρέχουν ιοντική αγωγιμότητα ονομάζονται ηλεκτρολύτες. Αυτό το όνομα προτάθηκε από τον Άγγλο φυσικό Michael Faraday (Εικ. 4).
Η ηλεκτρόλυση καθιστά δυνατή τη λήψη ουσιών σε επαρκώς καθαρή μορφή από διαλύματα, επομένως χρησιμοποιείται για τη λήψη σπάνιων υλικών, όπως το νάτριο, το ασβέστιο ... στην καθαρή του μορφή. Αυτό είναι αυτό που είναι γνωστό ως ηλεκτρολυτική μεταλλουργία.
Οι νόμοι του Faraday
Στην πρώτη εργασία για την ηλεκτρόλυση το 1833, ο Faraday παρουσίασε τους δύο νόμους της ηλεκτρόλυσης. Στο πρώτο, επρόκειτο για τη μάζα της ουσίας που απελευθερώθηκε στα ηλεκτρόδια:
Ο πρώτος νόμος του Faraday δηλώνει ότι αυτή η μάζα είναι ανάλογη με το φορτίο που διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη:
Εδώ τον ρόλο του συντελεστή αναλογικότητας παίζει η ποσότητα - το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο. Αυτή είναι μια τιμή πίνακα που είναι μοναδική για κάθε ηλεκτρολύτη και είναι το κύριο χαρακτηριστικό του. Διάσταση του ηλεκτροχημικού ισοδυνάμου:
Η φυσική έννοια του ηλεκτροχημικού ισοδύναμου είναι η μάζα που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο όταν η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας σε 1 C διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη.
Αν θυμάστε τους τύπους από το θέμα του συνεχούς ρεύματος:
Τότε μπορούμε να αναπαραστήσουμε τον πρώτο νόμο του Faraday με τη μορφή:
Ο δεύτερος νόμος του Faraday αφορά άμεσα τη μέτρηση του ηλεκτροχημικού ισοδυνάμου μέσω άλλων σταθερών για έναν συγκεκριμένο ηλεκτρολύτη:
Εδώ: είναι η μοριακή μάζα του ηλεκτρολύτη. - στοιχειώδης χρέωση - σθένος ηλεκτρολυτών. είναι ο αριθμός του Avogadro.
Η τιμή ονομάζεται χημικό ισοδύναμο του ηλεκτρολύτη. Δηλαδή, για να γνωρίζουμε το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο, αρκεί να γνωρίζουμε το χημικό ισοδύναμο, τα υπόλοιπα συστατικά του τύπου είναι παγκόσμιες σταθερές.
Με βάση τον δεύτερο νόμο του Faraday, ο πρώτος νόμος μπορεί να αναπαρασταθεί ως:
Ο Faraday πρότεινε την ορολογία αυτών των ιόντων με βάση το ηλεκτρόδιο στο οποίο κινούνται. Τα θετικά ιόντα ονομάζονται κατιόντα επειδή κινούνται προς την αρνητικά φορτισμένη κάθοδο, τα αρνητικά φορτία ονομάζονται ανιόντα καθώς κινούνται προς την άνοδο.
Η παραπάνω δράση του νερού για τη διάσπαση ενός μορίου σε δύο ιόντα ονομάζεται ηλεκτρολυτική διάσταση.
Εκτός από διαλύματα, τα τήγματα μπορούν επίσης να είναι αγωγοί του δεύτερου είδους. Στην περίπτωση αυτή, η παρουσία ελεύθερων ιόντων επιτυγχάνεται από το γεγονός ότι σε υψηλή θερμοκρασία ξεκινούν πολύ ενεργές μοριακές κινήσεις και δονήσεις, με αποτέλεσμα τα μόρια να διασπώνται σε ιόντα.
Πρακτική εφαρμογή ηλεκτρόλυσης
Η πρώτη πρακτική εφαρμογή της ηλεκτρόλυσης έγινε το 1838 από τον Ρώσο επιστήμονα Jacobi. Με τη βοήθεια της ηλεκτρόλυσης, έλαβε μια εντύπωση μορφών για τον καθεδρικό ναό του Αγίου Ισαάκ. Αυτή η εφαρμογή της ηλεκτρόλυσης ονομάζεται ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Ένας άλλος τομέας εφαρμογής είναι η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση - κάλυψη ενός μετάλλου με ένα άλλο (επιχρωμίωση, επινικελίωση, επιχρύσωση κ.λπ., Εικ. 5)
- Fatyf.narod.ru ().
- ChemiK ().
- Ens.tpu.ru ().
Εργασία για το σπίτι
- Τι είναι οι ηλεκτρολύτες;
- Ποιοι είναι οι δύο θεμελιωδώς διαφορετικοί τύποι υγρών στα οποία μπορεί να ρέει ηλεκτρικό ρεύμα;
- Ποιοι είναι οι πιθανοί μηχανισμοί για τη δημιουργία φορέων δωρεάν χρέωσης;
- *Γιατί η μάζα που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο είναι ανάλογη του φορτίου;
