Носители тока в электролитах – 3.2.10 Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Электрический ток в электролитах

Электролиты относятся к проводникам второго рода. Электролиты вещества – растворы и расплавы которых в воде и других жидкостях проводят электрический ток. К ним относятся соли, кислоты, щелочи. Носителями заряда в электролитах являются ионы.

Молекулы электролита и растворители являются дипольными. Дипольную молекулу электролита окружают молекулы растворителя.

Молекулы растворителя разрывают молекулу электролита, в результате чего, образуется два иона, этот процесс называется электролитической диссоциацией.

В отсутствии электрического поля ионы движутся хаотично. Под действием электрического поля, катионы будут двигаться в направлении, совпадающем с направлением электрического поля (от + до -), а анионы будут двигаться противоположную сторону. Таким образом, электрический ток, в электролитах представляет собой встречное движение разноименно заряженных ионов.

Заряд иона можно выразить через его валентность.

q=ez

z- валентность иона

q- заряд иона общий

e- электрон= 1.6 * 10-19Кл.

Так как концентрация и заряд положительных и отрицательных ионов одинаковы можно записать

q+ n+ = q- n- = qn = lzn

j= lzn (V+ + V-)

Ионы, движутся, упорядочено под действием электрической силы F.

А препятствует движению ионов сила сопротивления со стороны жидкости, определяемая по закону Стокса.

При равномерном движении иона:

где, - вязкость жидкости;

- радиус иона

- скорость иона

- удельная проводимость электролита (j)

- закон Ома для электролитов

Зависимость сопротивления электролитов от температуры.

С увеличением температуры сопротивление электролитов уменьшается, т.к. уменьшается вязкость жидкости, увеличивается подвижность ионов и концентрация ионов.

Явление оседания на электродах продуктов распада раствора электролита при прохождении через него электрического тока называется электролизом.

1.5..Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы.

К полупроводникам относятся материалы проводимость, которых больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у проводников. К полупроводникам относят кремний (Si), фосфор(P), германий (Ge), индий (In), мышьяк (As).

Полупроводники имеют ряд особенностей:

  1. Электрический ток в полупроводниках обусловлен как движением свободных электронов, так и движением связанных электронов, так называемых дырок. Поэтому различают электронную и дырочную проводимости. Место, покинутое электронами условно положительно заряжено – дырка. Полупроводники, имеющие преимущественно электронную проводимость, называются полупроводниками n-типа. Полупроводники, имеющие преимущественно дырочную проводимость , называются полупроводниками р-типа.

  2. Проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры, эта зависимость в десятки раз больше, чем у металлов. С увеличением температуры проводимость полупроводников увеличивается, а сопротивление уменьшается, т.к. увеличивается количество пар носителей зарядов ē и дыр.

  3. Проводимость полупроводников сильно зависит от примесей и называется примесной проводимостью. Проводимость чистых полупроводников совсем невелика, чтобы увеличить проводимость к чистому полупроводнику добавляют примесь.

Рисунок 44.

Примесь может увеличить во много раз либо число свободных электронов, либо дырок. В первом случае (рис.44(а)) примесь выполняет роль донора (отдает электроны) – проводимость n – типа, а во втором (рис.44(б)) – роль акцептора (отбирает электроны) – проводимость р – типа.

studfile.net

Электрический ток в электролитах

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются

водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:

При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду (рис 1.15.1).

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают по одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl

2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO4 (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди.

Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме

Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион  отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO4 вступает во вторичную реакцию с медным анодом:

Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор.

Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.

Рисунок 1.15.1.

Электролиз водного раствора хлорида меди

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком Майклом Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе:

Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

Величину k называют электрохимическим эквивалентом.

Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:

Здесь m0 и q

0 – масса и заряд одного иона,   – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0.

Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q0 = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде

Здесь NA – постоянная Авогадро, M = m0NA – молярная масса вещества, F = eNAпостоянная Фарадея.

F = eNA = 96485 Кл / моль.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.

Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:

Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.

questions-physics.ru

Электрический ток в электролитах — Знаешь как

Электрический ток в электролитахК проводникам второго рода, обладающим ионной проводимостью, относятся растворы кислот, солей и щелочей, а также некоторые расплавленные соли. Растворы веществ или расплавы, состоящие частично или полностью из ионов, называются электролитами.

Молекулы водорода и металлов образуют положительные ионы, а молекулы неметаллических остатков электролитов — отрицательные ионы.
Подведем напряжение от источника питания к двум электродам, погруженным в электролит (рис. 2-1). Под действием электрического поля, направленного от анода к катоду, положительные ионы будут перемещаться в направлении поля к катоду, а отрицательные ионы против поля к аноду. Это движение ионов в электролите и представляет собой ионный ток.

Отрицательные ионы электролита, достигнув анода, отдают ему избыточные электроны, которые перемещаются дальше по цепи. Положительные ионы, достигнув катода, соединяются со свободными электронами, поступающими из цепи. Эти процессы у электродов сопровождаются химическими превращениями. При этом на электродах происходит выделение составных частей электролита.
Согласно закону Фарадея количество выделенного на катоде вещества G пропорционально количеству электричества, прошедшему через электролит, т. е.

G=:cQ = сIt.

Коэффициент пропорциональности с в формуле (2-1), называемый электрохимическим эквивалентом, равен числу миллиграмм вещества, выделенного на катоде одним кулоном.

Электрохимический эквивалент вещества равен атомному весу вещества A, деленному на его валентность и на постоянное число 96 500. Таким образом, электрохимический эквивалент

с = (103/96500)(A/n) ≈0,0104(A/n)

Для различных веществ электрохимический эквивалент имеет разные значения, например для меди 0,329 мг/к, для серебра 1,118 мг/к.

Процесс выделения на электродах составных частей электролита при прохождении по нему электрического тока называется электролизом.

Рис. 2-1. Ток в электролите.

Электролиз широко применяется для получения чистых металлов, в частности, меди.

Для электролитической очистки меди (рафинирования) в ванны, заполненные электролитом, состоящим из подкисленного серной кислотой раствора медного купороса, опускаются тонкие медные пластины — катоды, на которых в процессе электролиза отлагается электролитическая медь. Анодом, который растворяется в электролите, служат пластины черновой меди, получаемой огневым способом.

Гальванопластика, основы которой были разработаны в 1804 г. академиком Б. С. Якоби, представляет собой процесс осаждения металла на металлических или неметаллических изделиях, применяемый для изготовления рельефных отпечатков, для изготовления типографских клише и печатания рисунков.

Гальваностегия — процесс покрытия металлического изделия слоем другого металла для защиты от коррозии или придания изделию красивого вида (хромирование, никелирование).

Электрохимическое полирование — один из прогрессивных методов поверхностной обработки металлов. Оно заключается в растворении всех выступов металла, вследствие чего поверхность становится зеркально гладкой.

Рельсы электрифицированных железных дорог служат обратным проводом. При значительных падениях напряжения в них ток на отдельных участках, помимо рельса, может ответвляться и проходить параллельными путями, например по трубопроводам, проложенным в земле в зоне железной дороги.

Места, в которых ток выходит из труб или трубопровода, возвращаясь по земле в рельсы, можно рассматривать как аноды электролитической ванны. Они могут разлагаться и подвергаться быстрому разрушению.

Статья на тему Электрический ток в электролитах

znaesh-kak.com

Электрический ток в электролитах - Основы электроники

  

В жидких проводниках (электролитах) происходит непрерывный самопроизвольный распад молекул на составные части . Иногда этот процесс называется процессом диссоциации молекул. Например, молекула медного купороса CuS04 распадается на положительный ион меди Cu и отрицательный ион S04 (так называемый кислотный остаток). В электролите происходит беспорядочное тепловое движение ионов и молекул. Ионы соединяются, образуют молекулы, вновь распадаются и т. д. В целом раствор электрически нейтрален, так как количество положительных и отрицательных ионов в нем одинаковое.

Проделаем следующий опыт. В стеклянный сосуд с раствором медного купороса (CuS04) опустим две медные пластины (электроды) и подключим их к источнику электрической энергии (рис. 1). Пластина, соединенная с положительным полюсом источника, называется анодом (эта пластина имеет положительный потенциал), а другая, соединенная с отрицательным- полюсом,— катодом (эта пластина имеет отрицательный потенциал).

 

Рисунок 1. Прохождение электрического тока через раствор медного купороса. 

 

Как только мы подключим пластины к источнику электрической энергии, между ними образуется электрическое поле. На положительные и отрицательные ионы, находящиеся в растворе, начнут действовать электрические силы.  

Очевидно, что отрицательные ионы (SO4) пойдут к аноду, а положительные (Сu)—к катоду, т. е. в электролите начнется упорядоченное движение ионов. Это упорядоченное движение ионов в электролите под воздействием сил электрического поля и называется ионным электрическим током. Ионный электрический ток существует до тех пор, пока между электродами имеется разность потенциалов.

Мы видим существенное отличие электрического тока в электролите от электрического тока в металлическом проводнике: первый создается движением ионов, а второй — свободных электронов.

Что же будет происходить в электролите после того, как положительные ионы подошли к катоду, а отрицательные — к аноду?

Положительные ионы (Сu) присоединяют недостающие электроны и превращаются в молекулы чистой меди. Молекулы меди в виде тончайшего слоя отлагаются на катоде. Отрицательные ионы отдают излишние электроны аноду и вступают в химическую реакцию с материалом анода, т. е. с медью, образуя молекулы медного купороса (CuSO4). Эти молекулы вступают в электролит.

Таким образом, в электролите при прохождении электрического тока происходит следующий процесс: катод покрывается слоем меди, выделяющейся из электролита, а анод растворяется и пополняет убыль меди в электролите.

Определение: Процесс прохождения ионного электрического тока в электролите, сопровождающийся химическими превращениями вещества и выделением его, получил название электролиза

Честь открытия явления электролиза принадлежит русскому академику Б. С. Якоби. В настоящее время явление электролиза широко применяется в промышленности (очистка металлов, снятие копий с различных предметов, никелирование, золочение, серебрение и т. д.).  

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

www.sxemotehnika.ru

Электрический ток в электролитах. Законы Фарадея

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 9

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза. Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит: m = kQ = kIt.

Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:

Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона, – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0. Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q0 = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде

Здесь NA – постоянная Авогадро, M = m0NA – молярная масса вещества, F = eNA – постоянная Фарадея. F = eNA = 96485 Кл / моль.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества. Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:

 

 

58.Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение

Электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

Еще одно различие в электропроводности ионизованных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль.Таким образом в газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов и расплавов электролитов.

Несамостоятельный газовый разряд.

Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.Ниже изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в стекло металлическими электродами.При некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток достигает насыщения .

Самостоятельный газовый разряд.

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать.Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать.

Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применение.

В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда. Рассмотрим несколько из них.

1. Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков.

2. Коронный разряд-с коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.

3. Искровой разряд-характерным примером искрового разряда является молния. Главный канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см., а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.

4. Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах.

5. Плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах.

 




infopedia.su

Конспект урока «Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея»

Урок физики в 10 классе на тему: «Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея»

Цель: способствовать формированию у учащихся знаний о природе электрического тока в растворах электролитов, понимать суть законов Фарадея, знать области практического применения электролиза. Развивать логическое мышление, самостоятельность, творческие способности и познавательный интерес учащихся, формировать умения излагать мысли. Воспитывать внимательность, на примере биографии Фарадея воспитывать трудолюбие, усердие в учебе, настойчивость.             

Оборудование: электролитическая ванна, стаканы с растворами сахара, поваренной соли и чистой водой, амперметр, источник тока, лампочка, соединительные провода, мультимедийный проектор, экран, видеоролики «Биография Фарадея» и «Электролиз хлорида меди», презентация «Применение электролиза».

Методы обучения: частично-поисковый, проблемный, экспериментальный.

Методы контроля: устный, письменный, тесты.

Формы работы: индивидуальная, групповая, фронтальная, Т.С.О., компьютерная поддержка.

Ход урока.

  1. Организационный момент. Вступление.

Учитель: сегодня у нас необычный урок. Мы проведем его в виде подготовки исследовательской работы в творческой мастерской. В конце урока мы увидим результаты нашего сотрудничества и сотворчества.

На этом уроке для объяснения законов природы мы объединим две науки – физику и химию.

 У вас имеются опорные конспекты. Прочитайте тему урока.

 «Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея»

Давайте поставим цели нашего исследования: в ходе урока мы совершим экскурс в историю, рассмотрим сущность процесса электролиза с точки зрения химии, изучим законы электролиза Фарадея и выполним физический эксперимент (фронтально), познакомимся с практическим использованием электролиза, в тестовой форме проверим уровень  усвоения вами полученной информации.

В начале выполнения исследования необходимо показать его актуальность.

Сегодня я принесла вам физическое тело – ложку. Что можете о ней сказать? (она позолоченная: изготовлена из некоего металла и покрыта слоем другого металла). Выяснить, как осуществляется этот процесс, нам и предстоит сегодня.

  1. Актуализация знаний.

Согласно теме нашей работы, мы узнает что-то новое о токе, познакомимся с характеристиками тока в электролитах. Но вначале вспомним, что мы знаем об электрическом токе.

Задание 1.       Продолжи предложения:

  1. Электрический ток – это…
  2. Что необходимо для существования тока?
  3. Какие частицы являются носителями заряда в металлах?
  4. Как изменяется сопротивление металлов с увеличением температуры?
  5. Сопровождается ли прохождение электрического тока в металлах переносом вещества?

Сверим ответы.

  1. Изучение нового материала.

Для того чтобы наша работа была эффективной  разделимся на группы: «Историки»,

 «Экспериментаторы», «Исследователи», «Теоретики» и «Практики».

 «Историки» представляют свой видеоролик «Биография Фарадея».

«Экспериментаторы» демонстрируют явление электролиза.

«Исследователи» сообщают теоретические сведения о процессе электролиза.

 «Теоретики» выводят теоретически первый закон электролиза Фарадея: m = k I t и знакомят со вторым законом электролиза.

«Практики» представляют сообщение о применении электролиза.

(работа в группах 5 минут, задания группам выдаются учителем).

Учитель: работа в группах закончена, слушаем сообщения каждой группы.

Первый закон электролиза был экспериментально установлен, а второй закон был сформулирован английским ученым Майклом Фарадеем. Его имя нам с вами известно как открывателя изученного недавно явления….. (электромагнитной индукции).

«Историки» подобрали информацию о Фарадее и приготовили видеоролик. Давайте его посмотрим.

 

«Экспериментаторы» предлагают вашему вниманию следующий опыт.

  Оборудование:  стакан с чистой водой.

В  эту  воду помещаем  два  проводника,  которые  подключим  к  источнику  тока. Положительно заряженный электрод называется анодом, отрицательно заряженный – катодом. В цепь включим  лампочку и  ключ. При замыкании ключа лампочка не загорится. Вывод: электрического  тока  в цепи нет. Следовательно,  химически чистая (дистиллированная) вода является диэлектриком.

Если  мы  в эту же  ванну  поместим  сахар, лампочка снова не загорается – тока в цепи нет!

При добавлении  поваренной  соли (NaCl)  лампочка загорится. Вывод: в растворе протекает электрический  ток.

Этот опыт демонстрирует явление электролиза.

 

«Исследователи». Теоретические сведения, знакомые вам из химии, представят учащиеся этой группы.

  Электролиз был открыт в 1800 году англичанами Николсоном и Карлайлом, они разложили воду на водород и кислород, а исследовал электролиз английский физик Майкл Фарадей в 1834 году, он также ввел термины: электроды, анод, катод, электролиз, электролиты.

  Когда в   воду  попадает молекула поваренной  соли NaCl, она распадается  на  составные  части и образуются два  иона: положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Под  действием  электрического  поля   эти  ионы продолжают свое движение в жидкости. Когда  положительно  заряженный  ион  натрия подходит к отрицательно заряженному электроду, то  он  получает свои недостающие электроны, поэтому катод является "восстановителем".

А ион хлора,  когда подходит к положительному электроду, отдает электроны, поэтому анод является "окислителем".

“Атомы вещества каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними, и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами” (М. Фарадей)

Задание 2.   Природа электрического тока в электролитах.

 Электролитами называют…(вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток)

Химически чистая (дистиллированная) вода является……………….. (диэлектриком)

Электролитическая диссоциация – это ______________(распад молекул растворяемого вещества на положительные и отрицательные ионы в результате взаимодействия с растворителем (водой).

Степень диссоциации зависит от (температуры, концентрации раствора и электрических свойств вещества).

Ионами называются (атомы или молекулы, потерявшие или присоединившие к себе один или несколько электронов).

Положительные ионы называются (катионами), отрицательные ионы – (анионами).

Электрический ток в электролитах представляет собой (упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов).

Электролиз – это………(прохождение электрического тока через жидкости, сопровождающееся выделением на электродах веществ, входящих в состав электролита).

Демонстрация видеоролика «Электролиз хлорида меди».

 

 «Теоретики».

Первый закон Фарадея: масса вещества , выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду , прошедшему через электролит: .

Коэффициент пропорциональности называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, которая выделяется при переносе ионами через электролит единичного заряда.

Второй закон Фарадея: электрохимические эквиваленты веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:      k1/k2=x1/x2.

Здесь – молярная масса вещества, n– валентность. Величина называется постоянной Фарадея, а отношение M/n – химическим эквивалентом.

Законы Фарадея можно объединить выражением: , или .

 

Из объединенного закона Фарадея следует, что постоянная Фарадея численно равна электрическому заряду, который нужно пропустить через электролит для выделения на электроде массы любого вещества, равной в килограммах отношению (химическому эквиваленту). Значение постоянной Фарадея в СИ: .

Масса иона равна отношению молярной массы к числу Авогадро: . Тогда полная выделившаяся масса вещества равна произведению массы одного иона на число прошедших ионов: .

Учитель: используя данную формулу , в 1874 году было впервые получено значение элементарного электрического заряда, которое было равно e = 1,6 · 10–19Кл.

Но данный закон используется не только для этого, поэтому, давайте заслушаем сообщения о практическом использовании электролиза.

«Практики». Применение электролиза (презентация).

Электролиз широко применяется в технике для различных целей. Электролитическим путем покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого – хромирование, никелирование, омеднение. Такие покрытия защищают поверхность от коррозии.

Процесс декоративного или антикоррозийного покрытия металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, омеднение, золочение, серебрение) называется гальваностегия.

Если электролитическое покрытие будет хорошо отслаиваться от поверхности, на которую осаждается металл, то можем получить копию с рельефной поверхности. В полиграфической промышленности такие копии получают с матриц, на поверхности которых осажден толстый слой железа или другого вещества. Это позволяет получить большое количество копий печатной продукции.

Гальванопластика – это электролитическое изготовление металлических копий, рельефных предметов. Этот процесс был разработан ученым Б. С. Якоби в 1836 году.

Электрометаллургия – это получение чистых металлов (Al, Na, Mg, Be) при электролизе расплавленных руд.                         

Рафинирование металлов – это очистка металлов от примесей  с помощью электролиза, когда неочищенный металл является анодом, а на катоде оседает очищенный.

 

  1. Закрепление новых знаний.

«Жизненные» задачи.

1) Почему нельзя прикасаться к неизолированным электрическим проводам голыми руками? (Влага на руках всегда содержит раствор различных солей и является электролитом, поэтому создает хороший контакт между проводами и кожей).

2) Почему для гальванического покрытия изделия чаще используют никель и хром? (большая химическая стойкость, механическая прочность и после полировки дают красивый блеск).

3) Почему провода осветительной сети обязательно имеют резиновую оболочку, а провода, предназначенные для сырых помещений кроме того, еще просмолены снаружи? (так как влага на проводах представляет электролит и является проводником, а это может привести к короткому замыканию и пожару).

Решение задач:

  1. При электролизе раствора сульфата железа (II) за 20 минут выделилось 20 г чистого железа. Сколько выделится этого же вещества за то же время, если силу тока увеличить в 2 раза?
  2. Хромирование тонкой прямоугольной пластинки длиной 3 см и шириной 5 см в большой гальванической ванне осуществляется в течение промежутка времени 2 ч при силе тока 1,5 А. Определите толщину образовавшегося на пластинке слоя хрома. Плотность хрома 7180 кг/м3.

Электрохимический эквивалент хрома 18*10-8 кг/Кл.

  1. Через электролитическую ванну, содержащую раствор серной кислоты, в течение промежутка времени 60 мин проходил ток силой 1,2 А. Выделившийся на катоде газообразный водород собран в сосуде вместимостью 350 см3. Определите температуру водорода, если его давление 150 кПа. Электрохимический эквивалент водорода 1,04*10-8 кг/Кл.
  1. Проверка усвоения знаний (рефлексия). Проверочный тест.
  1. Какими носителями электрического заряда создается электрический ток в растворах или расплавах электролитов?

A. Только электронами;          Б. Электронами и дырками;

B. Только ионами;                   Г. Электронами и ионами.

  1. Как изменится масса вещества, выделившегося на като­де, при прохождении электрического тока через раствор электролита при увеличении силы тока в раза?

A. Не изменится;            Б. Увеличится в раза;              B. Увеличится в раза.

  1. В процессе электролиза положительные ионы перенесли на катод за положительный заряд , отрицательные ионы перенесли на анод такой же по модулю отрицательный заряд. Чему равна сила тока в цепи?

А. ;     Б. ;     В. .

  1. Какой минимальный заряд может быть перенесен элект­рическим полем через раствор или расплав электролита?

A. ;     Б. ;     B. Сколь угодно малый.

  1. При измерении электрохимического эквивалента некото­рого вещества получили график зависимости массы этого вещества, выделяющегося на электроде, от времени . Определите, чему он равен, если при этом сила тока в цепи электролитической ванны была равна .

А. ;        Б. ;   В. ;         Г. .

ОТВЕТЫ:      1/В;   2/Б;   3/В;   4/А;   5/Б

Учитель: можете выбрать себе домашнее задание той группы, в которой бы вы хотели поработать.

«Историки»: приготовить видеоролик об ученом – физике Борисе Семёновиче Якоби.

«Исследователи»: изучить процесс электролиза меди.

«Теоретики»: проанализировать полученную вами формулу, подумать, для каких еще исследований можно использовать первый закон Фарадея.

«Экспериментаторы»: в клубень картофеля воткните два металлических гвоздя, соедините между собой проволокой. Проволоку подключите  к гальванометру. Почему стрелка прибора отклоняется?

«Практики»: приготовить видеоролик «Применение электролиза».

Учитель: сегодня мы не только познакомились с электрическим током в жидкостях и электролизом, но и узнали, как широко он применяется. Вы проявили самостоятельность, продемонстрировали свои творческие способности.

А поводом для нашего разговора послужила эта ложка.

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ для учащихся.

«Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея»

Задание 1. Продолжи предложения:

  1. Электрический ток – это__________________________________________________
  2. Что необходимо для существования тока? ___________________________________
  3. Какие частицы являются носителями заряда в металлах? ______________________
  4. Как изменяется сопротивление металлов с увеличением температуры? __________
  5. Сопровождается ли прохождение электрического тока в металлах переносом вещества?

Задание 2. Природа электрического тока в электролитах.

Электролитами называют____________________________________________________

__________________________________________________________________________

Химически чистая (дистиллированная) вода является_____________________________

Электролитическая диссоциация – это _________________________________________

Степень диссоциации зависит от ______________________________________________

Ионами называются ________________________________________________________ Положительные ионы называются _____________, отрицательные ионы ____________

Электрический ток в электролитах представляет собой  _______________________

__________________________________________________________________________

Электролиз – это ___________________________________________________________

__________________________________________________________________________

Задание 3. Вывод законов электролиза Фарадея.

 

 

 

 

Задание 4. «Жизненные задачи».

1) Почему нельзя прикасаться к неизолированным электрическим проводам голыми руками?

2) Почему для гальванического покрытия изделия чаще используют никель и хром?

3) Почему провода осветительной сети обязательно имеют резиновую оболочку, а провода, предназначенные для сырых помещений кроме того, еще просмолены снаружи?

 

Решение задач.

  1. При электролизе раствора сульфата железа (II) за 20 минут выделилось 20 г чистого железа. Сколько выделится этого же вещества за то же время, если силу тока увеличить в 2 раза?
  2. Хромирование тонкой прямоугольной пластинки длиной 3 см и шириной 5 см в большой гальванической ванне осуществляется в течение промежутка времени 2 ч при силе тока 1,5 А. Определите толщину образовавшегося на пластинке слоя хрома. Плотность хрома 7180 кг/м3.

Электрохимический эквивалент хрома 18*10-8 кг/Кл.

  1. Через электролитическую ванну, содержащую раствор серной кислоты, в течение промежутка времени 60 мин проходил ток силой 1,2 А. Выделившийся на катоде газообразный водород собран в сосуде вместимостью 350 см3. Определите температуру водорода, если его давление 150 кПа. Электрохимический эквивалент водорода 1,04*10-8 кг/Кл.

Задание 5. Проверочный тест.

  1. Какими носителями электрического заряда создается электрический ток в растворах или расплавах электролитов?

A. Только электронами;          Б. Электронами и дырками;

B. Только ионами;                   Г. Электронами и ионами.

  1. Как изменится масса вещества, выделившегося на като­де, при прохождении электрического тока через раствор электролита при увеличении силы тока в раза?

A. Не изменится;            Б. Увеличится в раза;              B. Увеличится в раза.

  1. В процессе электролиза положительные ионы перенесли на катод за положительный заряд , отрицательные ионы перенесли на анод такой же по модулю отрицательный заряд. Чему равна сила тока в цепи?

А. ;     Б. ;     В. .

  1. Какой минимальный заряд может быть перенесен элект­рическим полем через раствор или расплав электролита?

A. ;     Б. ;     B. Сколь угодно малый.

  1. При измерении электрохимического эквивалента некото­рого вещества получили график зависимости массы этого вещества, выделяющегося на электроде, от времени . Определите, чему он равен, если при этом сила тока в цепи электролитической ванны была равна .

А. ;        Б. ;   В. ;         Г. .

 

mega-talant.com

3.2.10 Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Видеоурок 1: Электрический ток в различных средах  

Видеоурок 2: Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый

Лекция: Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Носители заряда в проводниках

Для того, чтобы по проводнику шел ток, в нем должны присутствовать свободные носители заряда. Это могут быть электроны, ионы или другие частицы. 

Самыми распространенными проводниками считаются металлы, которые имеют электронную проводимость. 

Она возникает в результате того, что у атомов металлов на внешнем энергетическом уровне имеются свободные электроны, которые достаточно просто вырываются под действием электрической силы, а разность потенциалов направляет их. В качестве проводников так же можно использовать электролиты, заряженными частицами в них являются положительные и отрицательные ионы.

Ток в металлах, ток в электролитах, диэлектрики

Электрический ток в металлах протекает благодаря свободным электронам, которые начинают свое движение под действием внешнего электрического поля. В случае, если температура металла повышается, частицы начинают беспорядочно двигаться, что приводит к ухудшению прохождения электрического тока. В данном случае с ростом температуры сопротивление также увеличивается.

Стоит отметить, что поваренная соль, а также очищенная от примесей вода, являются диэлектриками, то есть не проводят ток. Однако, если данные вещества соединить, то такой тандем станет отличным проводником. В результате появления электрического поля в растворах электролитов возникает электролитическая диссоциация, то есть происходит распад элементов на положительные и отрицательные ионы. В результате этого появляются свободные носители заряда.

Если начать пропускать ток через электролит, в котором имеется ионы, то положительные из них будут стремиться осесть на катоде, а отрицательные - на аноде.

С помощью закона Фарадея можно рассчитать, какое количество элементов осядет на поверхности электродов:

Именно по средствам электролиза происходит покрытие некоторых деталей необходимыми элементами. К такой детали подводят ток необходимой полярности, в зависимости от знака иона, и на ней начинают оседать необходимые элементы.

Диэлектрики не способны проводить электрический ток из-за отсутствия носителей зарядов. Все  структурные частицы диэлектриков находятся в устойчивом положении в узлах решетки. Поэтому, если некоторый диэлектрик поместить в электрическое поле - никаких изменений не произойдет.

Электрический ток в газах

Газы являются плохими диэлектриками, которые при обычных условиях считаются плохими проводниками. Однако в результате ионизации, газы в них появляются свободные носители зарядов. Ионизация может происходить в результате различных излучений или резких изменений других характеристик среды.

Примером появления тока в газах является молния, корона на острых частях высоких деревьев, гор, пиков на сооружениях. В результате ионизации происходит коронный разряд, образованный полем между проводниками. Часто такой разряд можно встретить между высоковольтными проводами.

Полупроводники

Кроме основного разделения на проводники и диэлектрики, существует некие промежуточные вещества. Удельное сопротивление таких проводников такое же или даже меньше, чем у проводников. К данным видам материалов относятся германий, кремний и другие элементы. Данным веществам характерно уменьшения сопротивления вследствие повышения температуры или же освещенности. Это значит, что в обычном состоянии такие вещества ничем не отличаются от обыкновенных диэлектриков, но при соответствующих условиях становятся отличными проводниками.

Изменение сопротивления вследствие изменения температуры графически можно представить следующим образом:

Из данной зависимости можно сделать вывод, что такое свойство особенным образом отличает полупроводники от проводников тем, что у вторых при повышении температуры сопротивление наоборот растет. Что касается света, то для проводников он не играет никакой роли, а полупроводникам снижает сопротивление.  Так как во время протекания тока не происходит переноса вещества, можно судить, что носителями заряда являются электроны.

Почему же меняются свойства во время увеличения температуры? Повышение температуры приводит к увеличению скорости частиц, что приводит к образованию свободных носителей.

Основным отличием строения полупроводников является ковалентная связь атомов, которая является единственной причиной, по которой они удерживаются на своих местах в кристаллической решетке.

Строение кремния

Чтобы разобраться в проводимости кремния и других полупроводников, следует изучить их строение.

Все шары на рисунке - это атомы элемента, а трубки, что их соединяют - ковалентная связь. Стоит обратить внимание, что каждый атом имеет четыре соседа, это объясняется тем, что элемент имеет валентность, равную четырем.

Каждый атом кремния имеет внешние 4 свободных электрона, к каждому из которых присоединяются аналогичные элементы. При этом, стоит отметить, что электроны способны свободно передвигаться и переходить к соседним атомам и становится его собственностью. Забегая вперед, можно отметить, что именно такое передвижение между соседними атомами и приводит к появлению тока. А чем выше температура, тем легче перемещаются электроны.

Стоит отметить, что электроны не только способны ускорять свое движение в кристалле под действием температуры, но и начинается разрушение ковалентных связей. Чем больше таких связей разорвалось, тем больше становится значение электрического тока.

Когда связь разрушается, а электрон выходит из своего места, там появляется дырка - это место, куда стремится попасть соседний электрон при наличии внешней силы. Когда электрон путешествует по полупроводнику, он переходит с одной дырки в другую, в результате чего дырка также перемещается. Если на полупроводник действует повышенная температура, то дырки и электроны блуждают в произвольном порядке, но когда полупроводник помещается в электрическое поле, дырки начинают двигаться в направлении, обратном напряженности.


Примеси, P-n-переход

В результате введения дополнительных примесей в полупроводник, происходит изменение его свойств. В таком случае полупроводники будут иметь не только собственную проводимость, но и способность примесей проводить электрический ток.

Например, если к четырехвалентному кремнию добавить мышьяк, который имеет валентность, равную пяти, то такое соединение будет иметь лишний электрон в кристаллической решетке. И к чему же приводит такой электрон? К появлению свободных носителей зарядов.

В таком случае такой полупроводник будет иметь значительную проводимость даже при комнатной температуре, поскольку свободный электрон не имеет достаточной силы взаимодействия с кремнием, поэтому способен спокойно перемещаться по полупроводнику.

Отличием такого соединения является то, что свободный электрон и его движение не сопровождается появлением дырки. Однако, как и прежде между атомами кремния связь рвется и образуются так же электроны и дырки. Проводимость, при которой свободных электронов больше, чем дырок за счет примесей, называется донорной, а полупроводники получили название n-полупроводники.

Если два полупроводника, которые имеют различную проводимость привести в контакт, то на месте их разделения появится P-n-переход.

На рисунке слева находится полупроводник, где преобладают дырки, а справа - электронная проводимость.  В результате свободного движения одни носители перемещаются в другую часть полупроводника, что приводит к их смешению, однако в тех местах, где существует граница - остается заряд, что не был скомпенсирован.

Если через полупроводники пропустить ток, то он будет способствовать движению частиц, что приведет к увеличению перехода, что способствует снижению проводимости.

Если ток направить в обратном направлении, то ситуация существенно изменится:

P-n-переход начнет уменьшаться, что приведет к увеличению проводимости. Таким образом, можно сделать вывод, что два полупроводника с различной проводимостью будет проводить ток только в одном направлении. Такой принцип и строение используется в полупроводниковых диодах.


Если диод изображен таким образом, как показано выше, то это значит, что ток может бежать слева направо, но ни в коем случае не в обратном направлении.


cknow.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *