الماء كمذيب عالمي.. المحاليل المائية.. التفكك الإلكتروليتي.. الإلكتروليت.. الإلكتروليتات الضعيفة والقوية.. حاملات الشحنة الكهربائية في السائل.. الأيونات الموجبة والسالبة.. التحليل الكهربائي.. المنصهرات.. طبيعة التيار الكهربائي في المصهورات ..

من شروط حدوث التيار الكهربائي وجود شحنات حرة قادرة على التحرك تحت تأثيره الحقل الكهربائي. وتحدثنا أيضًا عن طبيعة التيار الكهربائي في المعادن.
في هذا الدرس سنحاول معرفة ذلك ما هي الجزيئات التي يتم نقلها الشحنة الكهربائيةفي السوائل ويذوب.

الماء كمذيب عالمي

وكما نعلم فإن الماء المقطر لا يحتوي على حاملات شحنة وبالتالي لا يوصل التيار الكهربائي، أي أنه عازل. ومع ذلك، فإن وجود أي شوائب يجعل الماء موصلًا جيدًا إلى حد ما.
يتمتع الماء بقدرة هائلة على إذابة جميع العناصر الكيميائية تقريبًا. عندما تذوب مواد مختلفة (الأحماض والقلويات والقواعد والأملاح وغيرها) في الماء، يصبح المحلول موصلاً بسبب تحلل جزيئات المادة إلى أيونات. وتسمى هذه الظاهرة بالتفكك الإلكتروليتي، والمحلول نفسه عبارة عن إلكتروليت قادر على توصيل التيار الكهربائي. جميع المسطحات المائية على الأرض هي، إلى حد أكبر أو أقل، إلكتروليتات طبيعية.

المحيط العالمي عبارة عن محلول لأيونات جميع عناصر الجدول الدوري تقريبًا.

عصير المعدة والدم واللمف وجميع السوائل في جسم الإنسان هي إلكتروليتات. تتكون جميع الحيوانات والنباتات أيضًا بشكل أساسي من إلكتروليتات.

وفقا لدرجة التفكك، هناك إلكتروليتات ضعيفة وقوية. الماء إلكتروليت ضعيف، ومعظم الأحماض غير العضوية عبارة عن إلكتروليتات قوية. تسمى الإلكتروليتات أيضًا بالموصلات من النوع الثاني.

ناقلات الشحنة الكهربائية في السوائل

عندما تذوب مواد مختلفة في الماء (أو سائل آخر)، فإنها تتحلل إلى أيونات.
على سبيل المثال، ينفصل ملح الطعام الشائع NaCl (كلوريد الصوديوم) الموجود في الماء إلى أيونات الصوديوم الموجبة (Na +) وأيونات الكلور السالبة (Cl -). إذا كان القطبان في المنحل بالكهرباء الناتج في إمكانات مختلفة، فإن الأيونات السالبة تنجرف نحو القطب الموجب بينما تنجرف الأيونات الموجبة نحو القطب السالب.

وبالتالي، فإن التيار الكهربائي في السائل يتكون من تدفقات من الأيونات الموجبة والسالبة الموجهة نحو بعضها البعض.

بينما على الاطلاق ماء نقيهو عازل، والماء الذي يحتوي على شوائب صغيرة (طبيعية أو مدخلة من الخارج) من المواد المتأينة هو موصل للتيار الكهربائي.

التحليل الكهربائي

وبما أن الأيونات الموجبة والسالبة للمذاب تنجرف في اتجاهات مختلفة تحت تأثير المجال الكهربائي، فإن المادة تنفصل تدريجياً إلى جزأين.

يسمى هذا الفصل للمادة إلى العناصر المكونة لها بالتحليل الكهربائي.

تُستخدم الإلكتروليتات في الكيمياء الكهربائية، وفي مصادر التيار الكيميائي (الخلايا الفولتية والبطاريات)، وفي عمليات الانتاجالجلفانية وغيرها من التقنيات القائمة على حركة الشحنات الكهربائية في السوائل تحت تأثير المجال الكهربائي.

يذوب

من الممكن تفكك المادة دون مشاركة الماء. يكفي لإذابة البلورات التركيب الكيميائيالمواد والحصول على ذوبان. إن ذوبان المادة، تمامًا مثل الإلكتروليتات المائية، هي موصلات من النوع الثاني، وبالتالي يمكن تسميتها بالكهرباء. كهرباءفي الذوبان له نفس طبيعة التيار في الشوارد المائية - وهي تدفقات مضادة للأيونات الموجبة والسالبة.

باستخدام المصهورات، تنتج المعادن الألومنيوم باستخدام طريقة التحليل الكهربائي من الألومينا. يتم تمرير تيار كهربائي عبر أكسيد الألومنيوم وأثناء عملية التحليل الكهربائي، يتراكم الألومنيوم النقي في أحد الأقطاب الكهربائية (الكاثود). هذه عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة، والتي من حيث استهلاك الطاقة تشبه تحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام التيار الكهربائي.

في ورشة التحليل الكهربائي للألمنيوم

السوائل، مثل أي مواد أخرى، يمكن أن تكون موصلات وأشباه موصلات وعوازل. على سبيل المثال، سيكون الماء المقطر مادة عازلة للكهرباء، وستكون المحاليل وذوبان الإلكتروليتات موصلات. ستكون أشباه الموصلات، على سبيل المثال، مصهور السيلينيوم أو الكبريتيد.

الموصلية الأيونية

التفكك الإلكتروليتي هو عملية تحلل جزيئات الإلكتروليت إلى أيونات تحت تأثير المجال الكهربائي لجزيئات الماء القطبي. درجة التفكك هي نسبة الجزيئات التي تتفكك إلى أيونات في مادة مذابة.

تعتمد درجة التفكك على عوامل مختلفة: درجة الحرارة، وتركيز المحلول، وخصائص المذيب. مع زيادة درجة الحرارة، ستزداد درجة التفكك أيضًا.

بعد أن يتم فصل الجزيئات إلى أيونات، فإنها تتحرك بشكل عشوائي. في هذه الحالة، يمكن إعادة تجميع أيونين من علامات مختلفة، أي أنه يمكن دمجهما مرة أخرى في جزيئات محايدة. في حالة عدم وجود تغييرات خارجية في الحل، ينبغي إنشاء التوازن الديناميكي. وبواسطتها، سيكون عدد الجزيئات التي تتفكك إلى أيونات في وحدة الزمن مساويًا لعدد الجزيئات التي ستتحد مرة أخرى.

ستكون حاملات الشحنة في المحاليل المائية وذوبان الإلكتروليتات عبارة عن أيونات. إذا تم توصيل وعاء به محلول أو ذوبان بالدائرة، فستبدأ الأيونات الموجبة الشحنة في التحرك نحو الكاثود، والأيونات السالبة - نحو الأنود. ونتيجة لهذه الحركة سينشأ تيار كهربائي. ويسمى هذا النوع من الموصلية الموصلية الأيونية.

بالإضافة إلى الموصلية الأيونية في السوائل، يمكن أن يكون لها أيضًا موصلية إلكترونية. هذا النوع من الموصلية هو سمة، على سبيل المثال، للمعادن السائلة. كما ذكر أعلاه، مع التوصيل الأيوني، يرتبط مرور التيار بنقل المادة.

التحليل الكهربائي

المواد التي تشكل جزءًا من الشوارد سوف تستقر على الأقطاب الكهربائية. وتسمى هذه العملية التحليل الكهربائي. التحليل الكهربائي هو عملية إطلاق مادة في قطب كهربائي مرتبط بتفاعلات الأكسدة والاختزال.

لقد وجد التحليل الكهربائي تطبيقًا واسعًا في الفيزياء والتكنولوجيا. باستخدام التحليل الكهربائي، يتم طلاء سطح أحد المعادن بطبقة رقيقة من معدن آخر. على سبيل المثال، طلاء الكروم والنيكل.

باستخدام التحليل الكهربائي، يمكنك عمل نسخة من سطح الإغاثة. للقيام بذلك، من الضروري أن يتم إزالة طبقة المعدن التي تستقر على سطح القطب بسهولة. ولتحقيق ذلك، يتم أحيانًا تطبيق الجرافيت على السطح.

وتسمى عملية الحصول على مثل هذه الطلاءات القابلة للنزع بسهولة بالطلاء الكهربائي. وقد طور هذه الطريقة العالم الروسي بوريس جاكوبي في صناعة المجسمات المجوفة كاتدرائية القديس إسحاقمن سانت بطرسبرغ.

تقرير عن الموضوع:

كهرباء

في السوائل

(الشوارد)

التحليل الكهربائي

قوانين فاراداي

الشحنة الكهربائية الأولية

طلاب 8 ذ فصل « ب »

ل أوجينوفا م ألحان أ ندريفني

موسكو 2003

المدرسة رقم 91

مقدمة

يرتبط الكثير في حياتنا بالتوصيل الكهربائي لمحاليل الأملاح في الماء (الشوارد). من أول نبضة للقلب (الكهرباء "الحية" في جسم الإنسان وهي 80٪ ماء) إلى السيارات في الشارع واللاعبين والهواتف المحمولة (جزء لا يتجزأ من هذه الأجهزة هي "البطاريات" - البطاريات الكهروكيميائية والبطاريات المختلفة - من حمض الرصاص في السيارات إلى بوليمر الليثيوم في أغلى الأسعار الهواتف المحمولة). وفي أحواض ضخمة تتصاعد منها أبخرة سامة، يتم إنتاج الألومنيوم عن طريق التحليل الكهربائي من البوكسيت المنصهر في درجات حرارة عالية - المعدن "المجنح" للطائرات والعلب في فانتا. كل شيء حولنا - من شبكة المبرد المطلية بالكروم لسيارة أجنبية إلى القرط المطلي بالفضة في الأذن - واجه في وقت ما محلولًا أو أملاحًا منصهرة، وبالتالي، تيارًا كهربائيًا في السوائل. ليس من قبيل الصدفة أن تتم دراسة هذه الظاهرة من خلال علم كامل - الكيمياء الكهربائية. لكننا الآن مهتمون أكثر بالأساس المادي لهذه الظاهرة.

تيار كهربائي في المحلول الشوارد

نعلم من دروس الفيزياء للصف الثامن أن الشحنة في الموصلات (المعادن) تحملها إلكترونات سالبة الشحنة.

تسمى الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة بالتيار الكهربائي.

لكن إذا قمنا بتجميع جهاز (مع أقطاب الجرافيت):

ثم نتأكد من انحراف إبرة مقياس التيار الكهربائي - يتدفق التيار عبر المحلول! ما هي الجسيمات المشحونة الموجودة في المحلول؟

في عام 1877، توصل العالم السويدي سفانتي أرينيوس، الذي يدرس التوصيل الكهربائي لمحاليل المواد المختلفة، إلى استنتاج مفاده أن سبب ذلك هو الأيونات التي تتشكل عند إذابة الملح في الماء. عند ذوبانه في الماء، يتفكك جزيء CuSO 4 (ينفصل) إلى أيونين مشحونين بشكل مختلف - Cu 2+ وSO 4 2-. يمكن أن تنعكس العمليات المبسطة بالصيغة التالية:

CuSO 4ÞCu 2+ +SO 4 2-

تقوم محاليل الأملاح والقلويات والأحماض بتوصيل التيار الكهربائي.

تسمى المواد التي تقوم محاليلها بتوصيل التيار الكهربائي بالكهرباء.

محاليل السكر والكحول والجلوكوز وبعض المواد الأخرى لا توصل الكهرباء.

المواد التي لا توصل محاليلها التيار الكهربائي تسمى غير إلكتروليتات.

التفكك الكهربائي

تسمى عملية تحلل الإلكتروليت إلى أيونات بالتفكك الإلكتروليتي.

S. Arrhenius، الذي التزم بالنظرية الفيزيائية للحلول، لم يأخذ في الاعتبار تفاعل المنحل بالكهرباء مع الماء ويعتقد أن هناك أيونات حرة في المحاليل. في المقابل، قام الكيميائيان الروسيان آي.أ.كابلوكوف وف.أ. كيستياكوفسكي بتطبيق النظرية الكيميائية لـ دي.آي.مندلييف لشرح التفكك الإلكتروليتي وأثبتا أنه عندما يذوب المنحل بالكهرباء، يحدث تفاعل كيميائي للمادة المذابة مع الماء، مما يؤدي إلى تكوين الهيدرات. ثم تنفصل إلى أيونات. لقد اعتقدوا أن المحاليل لا تحتوي على أيونات حرة وليست "عارية"، بل تحتوي على أيونات رطبة، أي "مكسية بطبقة" من جزيئات الماء. ونتيجة لذلك، يحدث تفكك جزيئات الإلكتروليت بالتسلسل التالي:

أ) اتجاه جزيئات الماء حول أقطاب جزيء المنحل بالكهرباء

ب) ترطيب جزيء المنحل بالكهرباء

ج) التأين

د) تحللها إلى أيونات رطبة

بالنسبة لدرجة التفكك الإلكتروليتي، تنقسم الإلكتروليتات إلى قوية وضعيفة.

- إلكتروليتات قوية- تلك التي تنفصل بشكل شبه كامل عند ذوبانها.

درجة تفككهم تميل إلى الوحدة.

- إلكتروليتات ضعيفة- تلك التي لا تنفصل تقريبًا عند ذوبانها. درجة تفككهم تميل إلى الصفر.

ومن هذا نستنتج أن حاملات الشحنة الكهربائية (حاملات التيار الكهربائي) في المحاليل الإلكتروليتية ليست إلكترونات، بل هي موجبة وسالبة الشحنة الأيونات المائية .

الاعتماد على درجة الحرارة لمقاومة المنحل بالكهرباء

كما ترتفع درجة الحرارةيتم تسهيل عملية التفكك، وزيادة حركة الأيونات و تنخفض مقاومة المنحل بالكهرباء .

الكاثود والأنود. الكاتيونات والأنيونات

ماذا يحدث للأيونات تحت تأثير التيار الكهربائي؟

دعنا نعود إلى أجهزتنا:

في المحلول، يتفكك CuSO 4 إلى أيونات – Cu 2+ وSO 4 2-. أيون موجب الشحنةالنحاس 2+ (الكاتيون)ينجذب إلى قطب كهربائي سالب الشحنة - الكاثودحيث يستقبل الإلكترونات المفقودة ويتحول إلى النحاس المعدني - وهي مادة بسيطة. إذا قمت بإزالة الكاثود من الجهاز بعد تمرير التيار عبر المحلول، فمن السهل ملاحظة طلاء أحمر-بني - وهو نحاس معدني.

قانون فاراداي الأول

هل يمكننا معرفة كمية النحاس التي تم إطلاقها؟ ومن خلال وزن الكاثود قبل وبعد التجربة، يمكن تحديد كتلة المعدن المترسب بدقة. تظهر القياسات أن كتلة المادة المنطلقة على الأقطاب الكهربائية تعتمد على القوة الحالية ووقت التحليل الكهربائي:

حيث K هو معامل التناسب، ويسمى أيضًا المعادل الكهروكيميائي .

وبالتالي، فإن كتلة المادة المنطلقة تتناسب طرديا مع القوة الحالية ووقت التحليل الكهربائي. ولكن الحالية مع مرور الوقت (وفقا للصيغة):

هناك تهمة.

لذا، تتناسب كتلة المادة المنطلقة على القطب مع الشحنة، أو كمية الكهرباء التي تمر عبر المنحل بالكهرباء.

م = ك ق

تم اكتشاف هذا القانون تجريبياً عام 1843 على يد العالم الإنجليزي مايكل فاراداي ويسمى قانون فاراداي الأول .

قانون فاراداي الثاني

ما هو المعادل الكهروكيميائي وعلى ماذا يعتمد؟ أجاب مايكل فاراداي أيضًا على هذا السؤال.

وبناء على العديد من التجارب، توصل إلى استنتاج مفاده أن هذه القيمة مميزة لكل مادة. لذلك، على سبيل المثال، أثناء التحليل الكهربائي لمحلول اللازورد (نترات الفضة AgNO 3)، تطلق قلادة واحدة 1.1180 ملجم من الفضة؛ يتم إطلاق نفس الكمية تمامًا من الفضة أثناء التحليل الكهربائي بشحنة قلادة واحدة من أي ملح فضي. عند التحليل الكهربائي لملح معدن آخر، تطلق قلادة واحدة كمية أخرى من هذا المعدن. هكذا , المعادل الكهروكيميائي للمادة هو كتلة هذه المادة المنطلقة أثناء التحليل الكهربي بمقدار 1 كولوم من الكهرباء المتدفقة خلال المحلول . وإليكم قيمها لبعض المواد:

مادة	ك في ملغم / ك
حج (فضية)
ح (الهيدروجين)

من الجدول نرى أن المعادلات الكهروكيميائية للمواد المختلفة تختلف اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض. على أي خصائص المادة تعتمد قيمة مكافئها الكهروكيميائي؟ الجواب على هذا السؤال مقدم من قانون فاراداي الثاني :

تتناسب المعادلات الكهروكيميائية لمختلف المواد مع أوزانها الذرية وتتناسب عكسيا مع الأرقام التي تعبر عن تكافؤها الكيميائي.

ن – التكافؤ

أ- الوزن الذري

- يسمى المعادل الكيميائي لمادة معينة

- معامل التناسب، وهو بالفعل ثابت عالمي، أي أنه موجود نفس القيمةلجميع المواد. إذا قمنا بقياس المكافئ الكهروكيميائي بـ g/k، نجد أنه يساوي 1.037´10 -5 g/k.

وبدمج قانون فاراداي الأول والثاني نحصل على:

هذه الصيغة لها معنى فيزيائي بسيط: F تساوي عدديًا الشحنة التي يجب تمريرها عبر أي إلكتروليت من أجل إطلاق مادة على الأقطاب الكهربائية بكمية تساوي مكافئًا كيميائيًا واحدًا. F يسمى عدد فاراداي ويساوي 96400 ك/جم.

المول وعدد الجزيئات الموجودة فيه. رقم أفوجادرو

نعلم من مقرر الكيمياء للصف الثامن أنه لقياس كميات المواد الداخلة في التفاعلات الكيميائية، تم اختيار وحدة خاصة - المول. لقياس مول واحد من مادة ما، عليك أن تأخذ عددًا من الجرامات منها يعادل كتلتها الجزيئية النسبية.

على سبيل المثال، 1 مول من الماء (H2O) يساوي 18 جرامًا (1 + 1 + 16 = 18)، ومول من الأكسجين (O 2) يساوي 32 جرامًا، ومول من الحديد (Fe) يساوي 56 جرامًا. ولكن ما هو مهم بشكل خاص بالنسبة لنا هو أن 1 مول من أي مادة موجود دائمًا يتضمن نفس عدد الجزيئات .

المول هو كمية من المادة تحتوي على 6 ´ 10 23 جزيء من هذه المادة.

تكريما للعالم الإيطالي أ.أفوجادرو هذا الرقم ( ن) يسمى ثابت أفوجادروأو رقم أفوجادرو .

من الصيغة ويترتب على ذلك أنه إذا س=و، الذي - التي . وهذا يعني أنه عندما تمر شحنة تساوي 96400 كولوم عبر المنحل بالكهرباء، سيتم إطلاق جرامات من أي مادة. وبعبارة أخرى، لتحرير مول واحد من مادة أحادية التكافؤ، يجب أن تتدفق الشحنة عبر المنحل بالكهرباء س=والمعلقات. لكننا نعلم أن أي مول من المادة يحتوي على نفس العدد من الجزيئات - ن=6×1023. يتيح لنا ذلك حساب شحنة أيون واحد من مادة أحادية التكافؤ - الشحنة الكهربائية الأولية - شحنة إلكترون واحد (!):

تطبيقات التحليل الكهربائي

طريقة التحليل الكهربائي للحصول على المعادن النقية (التكرير والتكرير). التحليل الكهربائي يرافقه حل الأنود

مثال جيدهي تنقية (تكرير) النحاس كهربائيا. يتم صب النحاس الذي يتم الحصول عليه مباشرة من الخام في ألواح ويوضع كأنود في محلول CuSO 4. من خلال تحديد الجهد على أقطاب الحمام (0.20-0.25 فولت)، من الممكن التأكد من إطلاق النحاس المعدني فقط عند الكاثود. في هذه الحالة، تدخل الشوائب الأجنبية إما إلى المحلول (دون إطلاقها عند الكاثود) أو تسقط في قاع الحمام على شكل رواسب ("حمأة الأنود"). تتحد كاتيونات مادة الأنود مع أنيون SO 4 2، وعند هذا الجهد يتم إطلاق النحاس المعدني فقط عند الكاثود. يبدو أن الأنود "يذوب". يتيح لنا هذا التنقية تحقيق نقاء بنسبة 99.99% ("التسعات الأربع"). كما يتم أيضًا تنقية المعادن الثمينة (الذهب Au، والفضة Ag) بالمثل (التكرير).

حاليًا، يتم استخراج كل الألومنيوم (Al) كهربائيًا (من ذوبان البوكسيت).

الكهربائي

الكهربائي – مجال الكيمياء الكهربائية التطبيقية الذي يتعامل مع عمليات تطبيق الطلاءات المعدنية على سطح المنتجات المعدنية وغير المعدنية عندما يمر تيار كهربائي مباشر عبر محاليل أملاحها. وتنقسم تكنولوجيا الطلاء الكهربائي إلى الكهربائي و الكهربائي .

يمكن استخدام التحليل الكهربائي لتغليف الأجسام المعدنية بطبقة من معدن آخر. هذه العملية تسمى الكهربائي. من الأمور ذات الأهمية التقنية الخاصة الطلاءات التي تحتوي على معادن يصعب أكسدةها، خاصة طلاء النيكل والكروم، بالإضافة إلى طلاء الفضة والذهب، والتي غالبًا ما تستخدم لحماية المعادن من التآكل. للحصول على الطلاء المطلوب، يتم تنظيف الجسم جيدًا وإزالة الشحوم منه ووضعه ككاثود في حمام التحليل الكهربائي الذي يحتوي على ملح المعدن الذي ترغب في طلاء الجسم به. للحصول على طلاء أكثر تجانسًا، من المفيد استخدام لوحتين كأنود، مع وضع الجسم بينهما.

أيضًا، من خلال التحليل الكهربائي، لا يمكنك طلاء الأشياء بطبقة من معدن أو آخر فحسب، بل يمكنك أيضًا عمل نسخ معدنية بارزة (على سبيل المثال، العملات المعدنية والميداليات). اخترع هذه العملية الفيزيائي والمهندس الكهربائي الروسي عضو الأكاديمية الروسية للعلوم بوريس سيمينوفيتش جاكوبي (1801-1874) في الأربعينيات من القرن التاسع عشر وتسمى الكهربائي . لعمل نسخة بارزة من جسم ما، يتم أولاً تصنيع قالب من بعض المواد البلاستيكية، مثل الشمع. يتم فرك هذا القالب بالجرافيت ويتم غمره في حمام التحليل الكهربائي ككاثود، حيث يتم ترسيب طبقة من المعدن عليه. ويستخدم هذا في الطباعة في إنتاج النماذج المطبوعة.

بالإضافة إلى ما ذكر أعلاه، وجد التحليل الكهربائي تطبيقًا في مجالات أخرى:

الحصول على أفلام واقية من الأكسيد على المعادن (الأنودة)؛

المعالجة السطحية الكهروكيميائية للمنتجات المعدنية (تلميع)؛

الطلاء الكهروكيميائي للمعادن (مثل النحاس والنحاس والزنك والكروم وما إلى ذلك)؛

تنقية الماء هي إزالة الشوائب القابلة للذوبان منه. والنتيجة هي ما يسمى بالماء العذب (خصائصه تشبه الماء المقطر)؛

الشحذ الكهروكيميائي لأدوات القطع (مثل السكاكين الجراحية وشفرات الحلاقة وما إلى ذلك).

قائمة الأدبيات المستخدمة:

1. جورفيتش أ. "الفيزياء. الظواهر الكهرومغناطيسية. الصف الثامن" موسكو، دار النشر "دروفا". 1999

2. غابرييليان أو إس "الكيمياء. الصف الثامن" موسكو، دار النشر "دروفا". 1997

3. "كتاب الفيزياء الابتدائي الذي حرره الأكاديمي جي إس لاندسبيرج - المجلد الثاني - الكهرباء والمغناطيسية." موسكو، "العلم" 1972.

4. إريك إم روجرز. “الفيزياء للعقل المستفسر (أساليب وطبيعة وفلسفة العلوم الفيزيائية)”. "مطبعة جامعة برينستون" 1966. المجلد الثالث - الكهرباء والمغناطيسية. ترجمة موسكو، "مير" 1971.

5. A. N. Remizov "دورة الفيزياء والإلكترونيات وعلم التحكم الآلي للمعاهد الطبية." موسكو ". تخرج من المدرسه» 1982.

التيار الكهربائي في الغازات

حاملات الشحنة: الإلكترونات، الأيونات الموجبة، الأيونات السالبة.

تظهر حاملات الشحنة في الغاز نتيجة التأين: بسبب تشعيع الغاز، أو تصادم جزيئات الغاز الساخنة مع بعضها البعض.

التأين بالتأثير الإلكتروني.

A_(الحقول)=eEl

ه=1.6\cdot 10^(19)Cl ؛

E - اتجاه المجال؛

l هو متوسط ​​المسار الحر بين تصادمين متتاليين للإلكترون مع ذرات الغاز.

A_(الحقول)=eEl\geq W - حالة التأين

W هي طاقة التأين، أي. الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون من الذرة

يزداد عدد الإلكترونات في المتوالية الهندسيةونتيجة لذلك يحدث انهيار إلكترونى، وبالتالى تفريغ للغاز.

التيار الكهربائي في السائل

السوائل كذلك المواد الصلبةيمكن أن تكون عوازل وموصلات وأشباه الموصلات. تشتمل المواد العازلة على الماء المقطر، وتشمل الموصلات محاليل الإلكتروليتات: الأحماض والقلويات والأملاح والمعادن المنصهرة. أشباه الموصلات السائلة هي ذوبان السيلينيوم والكبريتيد المنصهر.

التفكك الكهربائي

عندما تذوب الإلكتروليتات تحت تأثير المجال الكهربائي لجزيئات الماء القطبي، تتفكك جزيئات الإلكتروليت إلى أيونات. على سبيل المثال، CuSO_(4)\سهم يمين Cu^(2+)+SO^(2-)_(4).

جنبا إلى جنب مع التفكك، تحدث العملية العكسية - إعادة التركيب ، أي. دمج الأيونات ذات العلامات المعاكسة في جزيئات محايدة.

ناقلات الكهرباء في محاليل الإلكتروليت هي الأيونات. وتسمى هذه الموصلية أيوني .

التحليل الكهربائي

إذا تم وضع الأقطاب الكهربائية في حمام به محلول إلكتروليت وتم تطبيق تيار، فإن الأيونات السالبة ستنتقل إلى القطب الموجب، والأيونات الموجبة إلى السالب.

عند القطب الموجب (القطب الموجب)، تتخلى الأيونات السالبة عن الإلكترونات الإضافية (تفاعل الأكسدة)، وعند الكاثود (القطب السالب)، تتلقى الأيونات الموجبة الإلكترونات المفقودة (تفاعل الاختزال).

تعريف.تسمى عملية إطلاق المواد على الأقطاب الكهربائية المرتبطة بتفاعلات الأكسدة والاختزال التحليل الكهربائي.

قوانين فاراداي

أنا. تتناسب كتلة المادة التي يتم إطلاقها على القطب بشكل مباشر مع الشحنة المتدفقة عبر المنحل بالكهرباء:

م=كف

ك هو المعادل الكهروكيميائي للمادة.

س=I\دلتا تي، إذن

م = كي \ دلتا تي

ك=\فارك(1)(F)\فارك(\مو)(ن)

\frac(\mu)(n) - المعادل الكيميائي للمادة؛

\mu - الكتلة المولية؛

ن - التكافؤ

تتناسب المعادلات الكهروكيميائية للمواد مع المكافئات الكيميائية.

F - ثابت فاراداي.

يمكن للسوائل، مثل المواد الصلبة، أن تكون موصلات وأشباه موصلات وعوازل. سيركز هذا الدرس على السوائل الموصلة. وليس عن السوائل ذات الموصلية الإلكترونية (المعادن المنصهرة)، ولكن عن الموصلات السائلة من النوع الثاني (محاليل وذوبان الأملاح والأحماض والقواعد). نوع الموصلية لهذه الموصلات أيوني.

تعريف. الموصلات من النوع الثاني هي الموصلات التي تحدث فيها العمليات الكيميائية عندما يتدفق التيار.

لفهم عملية توصيل التيار في السوائل بشكل أفضل، يمكننا أن نتخيل التجربة التالية: تم وضع قطبين كهربائيين متصلين بمصدر تيار في حمام مائي، ويمكن أخذ مصباح كهربائي في الدائرة كمؤشر للتيار. إذا قمت بإغلاق مثل هذه الدائرة، فلن يضيء المصباح، مما يعني عدم وجود تيار، مما يعني وجود انقطاع في الدائرة، والماء نفسه لا يوصل التيار. ولكن إذا وضعت كمية معينة من ملح الطعام في الحمام وكررت الدائرة، فسوف يضيء المصباح الكهربائي. وهذا يعني أن ناقلات الشحنة الحرة، في هذه الحالة الأيونات، بدأت في التحرك في الحمام بين الكاثود والأنود (الشكل 1).

أرز. 1. مخطط التجربة

الموصلية من الشوارد

من أين تأتي الرسوم المجانية في الحالة الثانية؟ كما ذكرنا في أحد الدروس السابقة، فإن بعض العوازل تكون قطبية. يحتوي الماء على جزيئات قطبية (الشكل 2).

أرز. 2. قطبية جزيء الماء

عند إضافة الملح إلى الماء، يتم توجيه جزيئات الماء بحيث تكون أقطابها السالبة بالقرب من الصوديوم، وأقطابها الموجبة بالقرب من الكلور. ونتيجة للتفاعلات بين الشحنات، تقوم جزيئات الماء بتكسير جزيئات الملح إلى أزواج من الأيونات المتباينة. يحتوي أيون الصوديوم على شحنة موجبة، بينما يحمل أيون الكلور شحنة سالبة (الشكل 3). هذه الأيونات هي التي ستتحرك بين الأقطاب الكهربائية تحت تأثير المجال الكهربائي.

أرز. 3. مخطط تكوين الأيونات الحرة

عندما تقترب أيونات الصوديوم من الكاثود، فإنها تستقبل إلكتروناتها المفقودة، وتتخلى أيونات الكلور عن إلكتروناتها عندما تصل إلى الأنود.

التحليل الكهربائي

نظرًا لأن تدفق التيار في السوائل يرتبط بنقل المادة، ففي مثل هذا التيار تتم عملية التحليل الكهربائي.

تعريف.التحليل الكهربائي هو عملية مرتبطة بتفاعلات الأكسدة والاختزال حيث يتم إطلاق مادة عند الأقطاب الكهربائية.

المواد التي توفر التوصيل الأيوني نتيجة لهذا الانقسام تسمى الشوارد. تم اقتراح هذا الاسم من قبل الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي (الشكل 4).

يتيح التحليل الكهربائي الحصول على المواد من المحاليل في صورة نقية إلى حد ما، لذلك يتم استخدامه للحصول على مواد نادرة مثل الصوديوم والكالسيوم... في صورتها النقية. وهذا ما يسمى علم المعادن التحليل الكهربائي.

قوانين فاراداي

في أول عمل عن التحليل الكهربائي في عام 1833، قدم فاراداي قانونين للتحليل الكهربائي. تناول الأول كتلة المادة المنطلقة على الأقطاب الكهربائية:

ينص قانون فاراداي الأول على أن هذه الكتلة تتناسب مع الشحنة التي تمر عبر المنحل بالكهرباء:

هنا تلعب الكمية دور معامل التناسب - المعادل الكهروكيميائي. هذه قيمة جدولية فريدة لكل إلكتروليت وهي خاصة به الشخصيات الرئيسيه. البعد المكافئ الكهروكيميائي:

المعنى الفيزيائي للمعادل الكهروكيميائي هو الكتلة المنطلقة من القطب عندما تمر كمية من الكهرباء تبلغ 1 درجة مئوية عبر المنحل بالكهرباء.

إذا كنت تتذكر الصيغ من موضوع التيار المباشر:

ومن ثم يمكننا تمثيل قانون فاراداي الأول على النحو التالي:

يتعلق قانون فاراداي الثاني بشكل مباشر بقياس المكافئ الكهروكيميائي من خلال ثوابت أخرى لكهارل محدد:

هنا: - الكتلة المولية للكهارل. - الشحنة الأولية؛ - تكافؤ المنحل بالكهرباء. - رقم أفوجادرو.

وتسمى الكمية المعادل الكيميائي للكهارل. أي أنه من أجل معرفة المعادل الكهروكيميائي، يكفي معرفة المعادل الكيميائي؛ أما المكونات المتبقية من الصيغة فهي ثوابت عالمية.

بناءً على قانون فاراداي الثاني، يمكن تمثيل القانون الأول على النحو التالي:

اقترح فاراداي مصطلحات لهذه الأيونات بناءً على القطب الذي تنتقل إليه. تسمى الأيونات الموجبة كاتيونات لأنها تتحرك نحو الكاثود سالب الشحنة، وتسمى الشحنات السالبة أنيونات لأنها تتحرك نحو القطب الموجب.

يُطلق على عملية الماء الموصوفة أعلاه لتقسيم الجزيء إلى أيونين اسم التفكك الإلكتروليتي.

بالإضافة إلى المحاليل، يمكن أيضًا أن تكون المواد المصهورة موصلات من النوع الثاني. في هذه الحالة، يتم تحقيق وجود الأيونات الحرة من خلال حقيقة أنه عندما درجة حرارة عاليةتبدأ الحركات والاهتزازات الجزيئية النشطة للغاية، ونتيجة لذلك يتم تقسيم الجزيئات إلى أيونات.

التطبيق العملي للتحليل الكهربائي

أول تطبيق عملي للتحليل الكهربائي حدث في عام 1838 على يد العالم الروسي جاكوبي. باستخدام التحليل الكهربائي، حصل على صورة لأشكال كاتدرائية القديس إسحاق. هذا التطبيق للتحليل الكهربائي يسمى galvanoplasty. مجال آخر للتطبيق هو الطلاء الكهربائي - طلاء معدن بآخر (طلاء الكروم والطلاء بالنيكل والتذهيب وما إلى ذلك، الشكل 5)

جيندنشتاين إل إي، ديك يو.آي. الفيزياء الصف العاشر. - م: اليكسا، 2005.

مياكيشيف جي.يا.، سينياكوف أ.ز.، سلوبودسكوف ب.أ. الفيزياء. الديناميكا الكهربائية. - م: 2010.

1. Fatyf.narod.ru ().
2. شيميك ().
3. Ens.tpu.ru ().

العمل في المنزل

1. ما هي الشوارد؟
2. ما هما في الأساس أنواع مختلفةالسوائل التي يمكن أن يتدفق فيها التيار الكهربائي؟
3. ما هي الآليات الممكنة لتشكيل شركات الشحن المجانية؟
4. *لماذا تتناسب الكتلة المتوضعة على القطب مع الشحنة؟