Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

розширюють його можливості. Зокрема, для спостереження слабких електричних сигналів в осцилографі передбачено підсилювач, причому відповідним регулятором можна змінювати амплітуду спостережуваних на екрані коливань до потрібних розмірів.

Електронно-променеві трубки застосовуються в телевізійних і радіолокаційних установках, в електронно-обчислювальних машинах, у вимірювальній апаратурі тощо.

? 1. Яке призначення електронної гармати? 2. Як керують електронним променем в електронно-променевій трубці?

§ 88. Електричний струм у розчинах

ірозплавах електролітів

Зкурсу хімії вам уже відомо, що розчини солей, кислот і лугів у воді є добрими провідниками електричного струму (електролітами). Струм в електролітах супроводжується електролізом — окисно-відновними реакціями з виділенням на електродах речовини. Таким чином, на відміну від металів, які мають електронну провідність, електропровідність електролітів зумовлена переміщенням йонів. На дослідах ви також переконалися, що ні дистильована вода, ні розчинювана сіль, кислота чи луг вільних йонів не містять і тому всі вони добрі ізолятори. Отже, йони виникають лише у процесі взаємодії молекул розчиненої речовини з молекулами води. Процес розпаду молекул розчиненої речовини на йони під впливом розчинника називають електролітичною дисоціацією.

Причина дисоціації електролітів у воді (чи іншому розчиннику) полягає в тому, що молекули води є полярними молекулами (тобто центр позитивних зарядів не збігається з центром негативних) з великим дипольним моментом. Внаслідок цього навколо молекули води виникає сильне електричне поле. Під час розчинення речовини, наприклад солі МаСІ, навколо кожного з йонів (Ма+ і СГ) орієнтуються полярні молекули розчинника (мал. 197). До позитивного йона молекули розчиненої речовини притягуються негативні полюси молекул води (чрі іншого розчинника), при цьому вони відштовхують другий йон цієї молекули. Зрозуміло, що цей процес «обліплювання» йонів молекулами розчинника послаблює зв'язок між йонами молекули розчиненої речовини. Наближено можна вважати, що сила взаємодії між йонами зменшується згідно із законом Кулона в в раз, де є — діелектрична проникність розчинника. Цей зв'язок між йонами може ослабнути настільки, що енергії теплових

260

(динамічна) рівновага, за якої кількість йонів, які утворюються внаслідок дисоціації, дорівнює кількості йонів, які рекомбінують за той самий час.

Врі також знаєте, що здатність дисоціювати у різних речовин істотно різна і для кількісної характеристики ступеня дисоціації вводиться коефіцієнт, або ступінь дисоціації а, який показує, яка частина молекул розчиненої речовріни розпалася

н а й о н р і .

Отже, під час розчинення відбувається розпад частини молекул речовини на йони. Коли зовнішнє електричне поле відсутнє, йони в електроліті здійснюють хаотичнрій тепловий

дрейфа) у напрямі електричного поля, а негатрівні йони — у протилежному напрямі. На хаотичний тепловий рух накладається напрямлене зміщення йонів, тобто виникає електричний струм.

Напрямлений рух йонів в електричному полі ви спостерігали на досліді на уроках хімії (мал. 198). Нагадаємо цей дослід. Змочений розчином якогось безбарвного електроліту, наприклад глауберової солі Ма2804, кухонної солі №*С1 тощо, фільтрувальний папір кладуть на скло.

261

кольоровими є позитивні йони солі, або ж у напрямі анода, якщо забарвлення розчину надають негативні йони. Цей дослід дає змогу не лише спостерігати рух йонів, а й оцінити порядок швидкості напрямленого переміщення йонів. Досліди показують, що електропровідність електролітів з підвищенням температури зростає. Це пояснюється тим, що під час нагрівання електроліту зростає ступінь дисоціації, тобто концентрація йонів, і зростає їх рухливість, що веде до зменшення опору.

Отже, електропровідність електролітів, на відміну від електронної провідності металів, є йонною (електролітичною). Таку провідність мають не лише водні та інші розчини солей, кислот

ілугів, а й розплавлені солі, кристали багатьох сполук.

?1. Чиста вода не проводить електричного струму. Чому вона стає провідником у разі розчинення в ній солей, кислот або лугів? 2. Що являє собою електричний струм в електролітах? 3. Від чого залежить електропровідність електролітів?

§89. Закони електролізу

Зкурсу хімії ви знаєте, що електроліз полягає у виділенні на електродах нових речовин, яких не було в розчині. Це можна пояснити так. Під дією електричного поля негативно заряджені йони (аніони) рухаються до анода, віддають йому надлишок електронів і перетворюються на нейтральні атоми (або групи атомів). Позитивно заряджені йони (катіони) рухаються до катода, дістають від нього електрони і теж перетворюються в нейтральні атоми, які не можуть існувати без надлишкового заряду і тому вступають у хімічну реакцію

зрозчинником або матеріалом електродів. В обох випадках біля поверхні електродів відбувається виділення нових речовин. В хімії ви розглянули приклад електролізу розчину

хлориду купруму СиС12 і йодиду калію КІ, розглянули вторинні хімічні реакції, які відбуваються у процесі електролізу.

Розглянемо явище електролізу з кількісного боку, тобто встановимо залежність між кількістю речовини, яка виділяється під час електролізу на електродах, і кількістю електрики (зарядом), яка пройшла крізь електроліт. Така залежність вперше була встановлена М. Фарадеєм у 1833 р. Вона безпосередньо випливає з йонного характеру провідності електролітів.

Нехай за час і крізь електроліт проходить кількість

йона, а е — елементарний електричний заряд. Кількість п0

262

йонів, які досягли електрода за час ї (а значить, і кількість

атомів, які виділилися на електроді), дорівнює п0 = (1- = еп

Яо

Масу т речовини, яка виділилася на електродах, можна визначити за формулою: т = т^і0 = ~ті> Де ші — маса йона.

Маса атома або молекули, які утворюються внаслідок нейтралізації йона, істотно не відрізняється від маси йона, тобто ті = та. Масу одного атома (молекули) даної речовини

тобто маса речовини, яка виділяється на одному електроді, пропорційна кількості електрики, яка проходить крізь електроліт.

У цьому і полягає перший закон електролізу Фарадея. Коефіцієнт пропорційності к називають електрохімічним еквівалентом речовини. Він залежить від хімічної природи речовини і чисельно дорівнює масі, яка виділяється на електроді під час проходження одиниці заряду. Вимірюючи величини т і д, можна визначити електрохімічні еквіваленти різних речовин.

Переконатися в справедливості першого закону Фарадея можна на такому досліді (мал. 199). Якщо всі три електролітичні ванни заповнити одним і тим самим розчином електроліту, то маси речовин, які виділяються на електродах, будуть пропорційні силам струмів /, і /2 . При цьому маса речовини, яка виділяється у ванні А, дорівнюватиме сумі мас речовин, які виділяються у ваннах В і С, оскільки 1 = 11 + /2 .

Проаналізуємо вираз для електрохімічного еквівалента. Добуток числа Авогадро NЛ на елементарний електричний заряд е є сталою величиною, яку називають сталою Фарадея.

263

тобто електрохімічні еквіваленти речовин прямо пропорційні масам їх молів і обернено пропорційні їх валентностям.

У цьому полягає другий закон Фарадея для електролізу. Часто обидва закони електролізу об'єднують в одному виразі:

Отже, ми переконалися, що закони Фарадея, як і стале значення числа Фарадея для всіх речовин, випливають безпосередньо з йонного характеру провідності розчинів.

Задача 1. Яка кількість електроенергії затрачається на добування т = 1 кг алюмінію, якщо електроліз ведеться за напруги V = 10 В, а ККД всієї установки г\ = 80 % Електрохімічний еквівалент алюмінію к = 9,3 * 10~8 кг/Кл.

Р о з в ' я з а н н я . Н а добування алюмінію витрачається енергія Ж = Кількість електрики, яка проходить при

цьому крізь електроліт, визначимо із закону Фарадея т = кд,

Задача 2. Нікелювання деталі, поверхня якої 5 = 120 см2, тривало і = 5 год за сили струму І = 0,3 А. Визначте товщину утвореного покриття нікелю. Електрохімічний еквівалент нікелю к = 3 - 10 7 кг/Кл, густина р 8,8-103 кг/м3 .

264

Р о з в ' я з а н н я . Н а деталі виділилась маса нікелю т = Мі. З другого боку, т = рУ рН8, де Н — шукана товщина покриття. Тоді Мі = рН8, звідси Н = або Н - 1,53 • 10~5 м.

На основі законів Фарадея можна визначити заряд одновалентного йона. Кількість електрики, що дорівнює числу Фарадея Р, виділяє на електродах 1 моль речовини. У випадку одновалентної речовини на електродах виділяється кількість частинок, яка дорівнює числу Авогадро МА. Тому

р = еМА, або

Обчислений на основі законів Фарадея найменший заряд йона відповідає числовому значенню заряду електрона. Це служить підтвердженням загальноприйнятої теорії утворення йонів: негативний йон утворюється в результаті приєднання до атома електронів, позитивний йон утворюється, якщо атом втрачає електрони. Заряд йона залежить від кількості втрачених або набутих електронів.

? 1. Чи залежить кількість виділеної на електродах під час електролізу речовини від концентрації розчину, якщо крізь розчин проходить однакова кількість електрики? Поясніть. 2. Запишіть формулу об'єднаного закону Фарадея. 3. Що таке число Фарадея і чому воно дорівнює? 4. Як можна експериментально визначити елементарний електричний заряд?

електроді т = 1,64 г міді, причому амперметр показував силу струму

І = 4 А. Чи правильними були показання амперметра? Електрохімічний еквівалент міді к = 3,3 • 10 7 кг/Кл.

/ = 1,2 А. За цей час маса катода збільшилася на Ат = 0,119 г. Яке

значення електрохімічного еквівалента міді дістав учень на основі досліду?

4. Під час електролізу розчину мідного купоросу С118О4, було

265

§ 90Застосування електролізу

Розглянемо найважливіші застосування електролізу в техніці, враховуючи, що в курсі хімії ви вже ознайомилися з використанням електролізу для добування вільного фтору, хлору та інших речовин.

Електрометалургія. Нині багато металів одержують за допомогою електролізу руд. Так, наприклад, алюміній одержують виключно електролізом його розплавленого оксиду (глинозему А1203) в кріоліті Ма3А1Г6. Електролітичною ванною і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним подом (мал. 200), а анодами — вугільні стержні, які опускаються в розплав. Електроліз ведеться за температури близько 900 °С, причому висока температура підтримується самим струмом. Розплавлений алюміній опускається на дно ящика, звідки його через особливий отвір випускають у форми для виливків. За допомогою електролізу одержують також натрій, магній, берилій, кальцій, фтор та інші речовини.

Очищення (рафінування) металів. У промисловості під час електролізу здійснюється очищення, або рафінування,

Мал. 169

266

металів. Для цього очищуваний метал відливають у вигляді пластин і роблять їх анодами в електролітичній ванні. Електролітом є розчин солі даного металу. Добираючи напругу між анодом і катодом, можна добитися, щоб тільки очищуваний метал переходив з анода в розчин і виділявся на катоді. Домішки ж випадають на дно посудини у вигляді осаду. Найбільш широко цей спосіб застосовується для очищення міді.

Гальванопластика, або електролітичне осадження металу на поверхні предмета для відтворення його форми здійснюється так: з предмета спочатку знімають зліпок з воску, стеарину, гіпсу тощо, покривають його порошком графіту для надання електропровідності і потім використовують зліпок як катод в електролітичній ванні, яка містить розчинену сіль відповідного металу. Під час електролізу метал з електроліту виділяється на поверхні зліпка і утворює металеву копію предмета. Цим способом, зокрема, виготовляють друкарські кліше, безшовні труби, а також інші металеві деталі складної форми.

Гальваностегія. Електролітичне осадження металів широко застосовується для покриття одних металів шаром інших з метою оздоблення або захисту від корозії. Таким є електролітичне сріблення, золочіння і платинування, покриття хромом і нікелем тощо.

§ 91. Електричний струм у газах

За звичайних умов гази практично не містять вільних заряджених частинок (електронів або йонів), здатних упорядковано переміщатися під дією електричного поля. Тому навіть за наявності електричного поля крізь газ не йтиме електричний струм, за нормальних умов гази є ізоляторами. В цьому можна переконатися, приєднавши до джерела ЕРС повітряний конденсатор (мал. 201). Але якщо в простір між пластинами конденсатора внести полум'я, наприклад, свічки, то стрілка амперметра відхиляється, сигналізуючи про існування електричного струму. Проходження струму свідчить, що в газі під дією полум'я виникли вільні заряджені частинки, які рухаються. З'ясуємо, що це за частинки і як вони виникають.

267

Ависокої температури від полум я

Відривання електрона від атома (йонізація атома) вимагає затрат певної енергії — енергії йонізації, яка може бути надана атому не лише під час нагрівання газу, а й під час опромінення його рентгенівськими чи ультрафіолетовими променями, ядерним випромінюванням тощо.

Природно, що поряд з йонізацією в газі може відбуватися і зворотний процес — рекомбінація (або молізація) йонів у нейтральні атоми чи молекули. Він полягає в тому, що від зіткнення позитивного йона з електроном знову утворюється нейтральний атом або молекула. Через певний час після початку дії йонізатора в газі встановлюється динамічна рівновага — кількість йонів, які утворюються і рекомбінують за одиницю часу, зрівнюються.

Проходження електричного струму крізь газ називають газовим розрядом. Якщо електропровідність у газі виникає під дією йонізаторів, а з віддаленням останніх припиняється, то має місце несамостійний розряд, а провідність називають несамостійною.

Несамостійний газовий розряд зручно вивчати експериментально на описаній вище установці (див. мал. 201). Дослідимо залежність сили струму у разі несамостійного розряду від напруги між електродами, тобто знімемо вольтамперну характеристику газового розряду. Напругу, прикладену до електродів А і К, регулюють за допомогою потенціометра і вимірюють вольтметром V, силу струму — чутливим амперметром А. Газ між електродами А і К йонізують йонізатором, наприклад, рентгенівським промінням. Переміщуючи повзунок потенціометра, збільшують прикладену між електродами напругу і встановлюють залежність сили струму в колі від напруги між пластинами розрядного проміжку. Результати вимірювань подано у вигляді кривої на малюнку 202.

268

Розглянемо криву. За невеликих напруг вольтамперна характеристика є прямою лінією, і сила струму пропорційна напрузі (ділянка 0—І), тобто тут справджується закон Ома. Це легко зрозуміти, якщо врахувати, що несамостійний газовий розряд схожий на струм в електролітах; обидва вони здійснюються внаслідок впорядкованого переміщення йонів.

Зі збільшенням напруги між електродами лінійна залежність сили струму від напруги порушується (ділянка 1—2); сила струму зростає повільніше, ніж напруга. Це пояснюється істотною відмінністю несамостійного газового розряду від струму в електролітах. В електролітах втрата йонів, які беруть участь у провідності і нейтралізуються біля електродів, безперервно поповнюється за рахунок дисоціації нових молекул електроліту; в несамостійному розряді поповнення йонів цілком залежить від йонізатора, і тому зі збільшенням напруженості поля між електродами зменшується концентрація йонів в об'ємі газу, що й зумовлює відставання в збільшенні сили струму від напруги.

Починаючи з деякої напруги С/н (ділянка 2—3), сила струму зберігає стале значення /н , яке називають струмом насичення. Це явище пояснюється тим, що в сильних електричних полях всі йони, створювані за одиницю часу йонізатором, за той самий час переносяться електричним полем до пластин. Тому подальше збільшення напруги вже не веде до зростання сили струму.

Нарешті, за ще більшого значення напруги між електродами сила струму знову різко зростає (ділянка 3—4). Це свідчить про те, що відбувається додаткова, дуже сильна йонізація газу. Пояснюється це явище тим, що йони й електрони співударяються під час руху з нейтральними молекулами чи атомами газу. Якщо напруженості поля невеликі, такі співударяння не мають істотного значення. Однак зі збільшенням напруженості поля зростає кінетична енергія електронів та йонів і, починаючи з певного значення напруги між електродами, електрони і йони внаслідок співударянь з нейтральними молекулами вибивають з них електрони, тобто додатково йонізують газ. Це явище називають ударною йонізацією молекул газу. Вторинні електрони і йони, які утворюються в результаті додаткової йонізації, теж прискорюються електричним полем і в свою чергу йонізують ударом нові молекули газу.

Особливо велику йонізуючу дію мають електрони завдяки своїй великій рухливості. Таким чином, число носіїв струму в газі наростає лавиноподібно і в такий спосіб сила розрядного струму різко зростає (в багато тисяч разів). Детальніше

269