Fizika - V. F. Dmitriyeva

(13.8)

п

тут <2/ - заряд іона. Значення сталої Фарадея визначено експериментально:

/7 = 9,648 104 Кл/моль.

З (13.7) і (13.8) можна визначити електричний заряд будь-якого іона:

(13.9)

Обчислимо заряд одновалентного (п = і) іона:

^6,02 1023 моль

Оскільки одновалентний іон - де атом, який при дисоціації позбувся одного електрона (позитивний іон% або такий, що має один зайвий електрон (негативний іон), знайдене значення заряду одновалентного іона збіглося із значенням заряду е електрона.

Слід зауважити, що значення заряду електрона, визначене за законами електролізу, збігається із значеннями заряду електрона, визначеними іншими способами.

І 125. Застосування електролізу в техніці

Явище електролізу широко використовують у техніці і промисловості Електролізом добувають чисті речовини: залізо, марганець, хром, мідь, цинк, водень, хлор, фтор тощо. Під час добування, наприклад, чистої міді (рафінування міді) з розчину сульфату міді (мідного купоросу) спочатку відбувається дисоціація:

Си804 <р± Си++ +8€>4~.

Потім під дією електричного поля катіони міді рухаються до катода і нейтралізуються на ньому, внаслідок чого утворюються атоми міді:

Сіг * 4- 2е Си.

Широко використовують гальванотехніку, за допомогою якої металеві деталі і прилади покривають антикорозійними покриттями.

Поверхню металевих предметів, які легко окислюються, часто докривають металами, які важко окислюються: нікелем, сріблом, цинком тощо,. Усі бачили, наприклад, нікельовані речі: самовари, чайники, ковзани, ножі, виделки тощо.

330

Електричний спосіб покриття предметів металами, які не окислюються, називають гальваностегією. Цей спосіб дуже дешевий, зручний і швидкий.

Предмет, який треба покрити, наприклад, шаром нікелю, старанно очищають від бруду і слідів жиру, після чого занурюють в електролітичну ванну. У ванну наливають аміачний розчин подвійної солі нікелю. За анод беруть кусок нікелю, а катодом є сам предмет. Пропускаючи деякий час струм, дістають потрібної товщини густий шар нікелю.

Для сріблення або золочення використовують розчини солей золота й срібла.

Електролітичне осадження металу на поверхню предмета для відтворення форми називають гальванопластикою. Гальванопластику винайшов у 1836 р. російський учений Б. С. Якобі. Відкритгя Якобі швидко поширилось у промисловості.

Гальванопластику застосовують для виготовлення копій з барельєфів, статуй, кліше, випуску кредитних білетів та інших паперів тощо.

У поліграфічній промисловості гальванопластику використовують для виготовлення гальванопластичних копій із цинкографічних кліше та ін. Це дає можливість випускати ілюстровані видання великими тиражами.

Електрохімію використовують для синтезу органічних і неорганічних сполук і добування сплавів.

§ 126. Перетворення хімічної енергії Б електричну

Контактні різниці потенціалів виникають не тільки від стикання двох металів, а й на межах метал ~~ електроліт і електроліт - електроліт.

Якщо металевий електрод занурено в розчин, то негативні іони електроліту, підходячи до поверхні металу, вкриватимуть позитивні іони з кристалічних ґрат. Водночас відбуватиметься й зворотний процес - осідання іонів металу на електроді. Найсприятливішим для зворотного процесу буде випадок, коли катіони електроліту є іонами того самого металу, наприклад мідний електрод у розчині С118О4.

Внаслідок переходу іонів металу в розчин метал заряджається негативно, а розчин - позитивно, тобто виникає електричне поле, яке напрямлене від розчину до металу і перешкоджає дальшому розчиненню металу. Якщо спочатку мав перевагу зворотний процес - осадження іонів з розчину на електрод, то останній зарядиться позитивно.

В обох випадках різниця потенціалів, яка встановилася між металом і розчином, зрівнює швидкості розчинення і кристалізації електрода; цю різницю потенціалів називають електролітичним потенціалом певного металу в певному розчині.

331

Якщо в той самий розчин занурити два електроди з різних металів, то між електродами встановиться різниця потенціалів, яка дорівнює різниці їх електролітичних потенціалів.

Отже, енергія хімічної взаємодії металу з електролітом перетворюється в енергію електричного поля.

Пристрої, які застосовують для безпосереднього перетворення енергії хімічної реакції в електричну енергію, називають гальванічними елементами.

§127. Гальванічні елементи

Воснову будови гальванічного елемента покладено явище

взаємодії металу з електролітом, що веде до виникнення в замкненому колі електричного струму. Це явище було відкрито в кінці XVIII ст. італійським ученим Л. Гальвані, на честь якого нові джерела струму назвали гальванічними елементами. Гальванічні елементи в основному складаються з двох хімічно різних електродів, опущених у той чи інший електроліт.

Італійський фізик А. Вольта, зануривши мідну і цинкову пластинки в розчин сірчаної кислоти, вперше дістав гальванічний елемент (елемент Вольти, рис. 13.2). ЕРС елемента Вольти наближено дорівнює 1,1 В. ЕРС гальванічного елемента не залежить ні від розміру пластин, ні від кількості електроліту, а визначається лише різницею електролітичних потенціалів. У процесі роботи елемента Вольти на його позитивному полюсі виділяється водень, а на

негативному - розчиняється цинк.

На практиці частіше застосовують інші елементи, які мають інший, ніж в елементі Вольти, набір електродів і електроліту. Наприклад, в елементі Даніеля, ЕРС якого 1,09 В, позитивним електродом

є мідь, занурена в сульфат міді (мідний купорос), а негативним - цинк, занурений у цинковий купорос або сірчану кислоту.

ЕРС більшості гальванічних елементів від їх тривалого використання зменшується, і вони перестають давати струм, швидше це відбувається в елементі Вольти. Причина цього - поляризація електродів.

§128. Поляризація елементів і її усунення

Велементі Вольти під час його роботи є істотний недолік. Він

полягає в тому, що атоми водню, які виділяються на мідному електроді, відразу після початку роботи елемента вкривають електрод і перешко-

332

працюють дуже стійко.

Побудовано дуже багато різних типів неполяризованих гальванічних елементів, але принцип їх дії той самий.

Найбільш поширений у лабораторній практиці елемент Лекланше (рис. 13.3). Негативним полюсом цього елемента є цинк 2п, а позитивним - графітовий стрижень С. Обидва електроди розміщені в розчині нашатирю МН4С1, деполяризатором є перекис марганцю Мп02, що міститься в мішечку і7, у який вставлено графітовий стрижень. У процесі роботи елемента в ньому відбувається хімічна реакція. Продуктами реакції є хлористий цинк 2ПС12, аміак ТчтН3 і водень Н2. Останній взаємодіє з перекисом марганцю, але досить повільно, тому від тривалої роботи елемент усе-таки поляризується. ЕРС елемента Лекланше 1,5 В,

§ 129. Акумулятори

Акумулятори

Гальванічні елементи можуть працювати доти, поки повністю буде витрачена запасена в них хімічна енергія (наприклад, розчиниться цинк в елементі Лекланше). Іноді користуються такими гальванічними елементами, в яких потрібна для їх дії хімічна енергія поновлюється за допомогою електроліту. Такі елементи називають акумуляторами, а процес нагромадження в них енергії (акумулювання енергії) за допомогою електролізу - заряджанням акумулятора. Для заряджання акумуляторів через них пропускають струм від якого-небудь стороннього джерела в напрямі, протилежному струму, який вони дають.

У техніці використовують акумулятори двох типів. Кислотні акумулятори складаються із свинцевих пластин, опущених у розчин сірчаної

333

ККД

60 %.

Застосування акумуляторів у техніці

працюють на акумуляторах, які в майбутньому замінять автомобілі.

334

Короткі висновки

*У процесі розчинений електроліту під впливом електричного поля відбувається дисоціація молекул електроліту на позитивно і негативно заряджені іони (електролітична дисоціація). Електропровідність електролітів зумовлена іонами.

*Проходження електричного струму через електроліт супроводиться ви» діленням на електродах речовин, що входять до складу електроліту. Маса речовини, яка виділяється при електролізі за час /,

де д = //.

^Значення заряду електрона, визначеного на основі законів електролізу, збігається із значенням заряду, визначеним іншими способами.

•Явище електролізу широко використовують у техніці і промисловості. Електричний спосіб покриття предметів неокислюваними металами називають гальваностегією.

Електричне осадження металу на поверхні предмета для відтворення форм називають гальванопластикою»

•Перетворення хімічної енергії в електричку використовується в гальванічних елементах, акумуляторах, які широко застосовують у техніці.

Запитання дня самоконтролю І повторення.

І, Що називають електролітичною дисоціацією? 2., Що таке електроліз?

3.Як формулюють перший закон Фарадея? другий закон Фарадея?

4.Що таке гальваностегія? Для чого її застосовують? 5. Що таке гальванопластика? Де її застосовують? 6. Що називають гальванічним елементом? 7. У чому полягає поляризація елементів і як її усувають?

8.Що таке ємність акумулятора? Якими одиницями її вимірюють?

9.Де застосовують акумулятори?

Приклади розв'язування задач

Задача І. Під час електролізу розчину НСІ на аноді виділилось 35 г хлору, знайти масу водню, який виділився на катоді за цей самий час.

Дано: та - 0,035 кг; ка = 0,0367-10-6 кг/Кл; кн -0,01-10"* кг/Кл. Знайти: тн.

но, що ти/кн ™та/ка і

335

ГЛАВА 14 ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ГАЗАХ І ВАКУУМІ

§ 130. Несамостійний і самостійний газові розряди

Іонізація газу

Гази за нормальних умов (коли немає іонізатора) є ізоляторами і стають провідниками електричного струму тільки від зовнішньої дії. Електропровідність газу можна змінити, опромінюючи його ультрафіолетовими, рентгенівськими або радіоактивними променями, нагріваючи його тощо.

За нормальних умов гази на відміну від металів і електролітів не містять вільних носіїв струму, тобто електронів та іонів, бо вони складаються з електрично нейтральних атомів і молекул. Внаслідок зовнішніх дій

газ іонізується, тобто від атомів і молекул відриваються електрони. Внаслідок іонізації виникають позитивні іони й електрони. Який-небудь нейтральний атом або молекула газу може приєднати до себе електрон, тоді виникнуть і негативні іони. Під час іонізації атома або молекули газу має бути виконана робота іонізації, яка визначається силою взаємодії між електроном, який відривається, та іоном, який при цьому утворюється, Значення цієї роботи залежить від хімічної природи газу. Якщо атом або молекула втратить два електрони, то вони стають двократно іонізованими і перетворюються в двовалентний іон.

Поряд з процесом іонізації в газі відбувається процес рекомбінації - перетворення іонів у нейтральні атоми або молекули. Якщо зовнішній іонізатор припиняє дію. то провідність газу зменшується і газ уже не буде провідником. Якщо потужність іонізатора з часом не змінюється, то між процесами іонізації і рекомбінації встановлюється динамічна рівновага, за якої кількість пар заряджених частинок, які утворюються, дорівнює в середньому кількості пар іонів, які зникають внаслідок рекомбінації.

Несамостійний розряд

Процес проходження струму через газ називають газовим розрядом. Струм у газі який виникає під дією зовнішнього іонізатора, називається несамостійним газовим розрядом.. З'ясуємо закономірності цього процесу. Припустимо, що на повітряний проміжок між обкладками конденсатора (рис. 14.1, а) діє ультрафіолетове випромінювання. Якщо за допомогою потенціометра плавно збільшувати напругу між обкладками

337

обкладками конденсатора дорівнює нулю, струм також дорівнює нулю (точка 0 на рис, 14.1, б), бо утворені носії струму рухаються хаотично, із збільшенням напруги, між обкладками конденсатора в напрямлений рух утягується дедалі більша кількість іонів і електронів. Вони досягають обкладок конденсатора, сила струму збільшується. Якщо напруга досягне и н , при якій всі утворені в зазорі заряди прийдуть до обкладок конденсатора, сила струму матиме максимальне за даної інтенсивності іонізації значення. Збільшення напруга (до значення С/3) не може змінити сили

струму» Якщо іонізатор припинить дію, то припиниться й розряд, бо інших джерел іонів немає. Тому розряд називають несамостійним.

Самостійний розряд

Якщо напругу підвищувати й далі (від £/3 і вище), сила струму різко зростає. Якщо дію зовнішнього іонізатора припинити, то такий розряд 'триватиме. Це свідчить еро те, що іони, потрібні для підтримання електропровідності газу, тепер створюються самим розрядом. Газовий розряд, який триває після припинення дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним газовим-розрядом.

Напругу ІІ%, при якій виникає самостійний розряд, називають напру-

гою запалювання газового розряду, або напругою пробою.

Самостійний газовий розряд підтримується завдяки' ударній іонізації електронами, які прискорюються електричним полем. Електрони під дієш поля Е рухаються прискорено, їх. кінетична енергія зростає внаслідок

Тут V - швидкість електрона, (X) ~~ довжина його вільного пробігу,

тобто шлях, який проходить електрон між двома послідовними співударами.

338

для іонізації іонів. Під час наступного співударяння іонізуються вже два атоми і кількість електронів зростає до чоти-

рьох, після третьої іонізації електронів буде вже вісім, після четвертої - шістнадцять (рис. 14.2): утворюються електронні та іонні "лавини" (позитивних іонів, які утворюються при ударній іонізації, на рисунку не показано).

Щоб розряд був самостійним, утворення тільки електронних та іонних лавин є необхідною, але не достатньою умовою. Потрібно також, щоб при вимкненому зовнішньому іонізаторі в газі відтворювались нові електрони замість тих, які перейшли на анод. Ці електрони вириваються з катода, якщо його бомбардувати фотонами і позитивними іонами, які рухаються до катода під дією електричного поля. Сшвударяючись з катодом, іон може вибити з його поверхні електрони. Явище вибивання електрона з поверхні катода назвали вторинною електронною емісією. Кількість електронів, які вибиває з поверхні катода один іон, залежить від енергії іона і матеріалу катода. Тільки одночасна дія цих двох процесів (утворення електронних та іонних лавин і вторинна електронна емісія) спричинює самостійний розряд. У цьому разі пробивається газовий проміжок і запалюється самостійний газовий розряд.

§ 131, Типи самостійних розрядів

Коронний розряд

Залежно від тиску газу, напруги, прикладеної до електродів, форми і характеру розміщення електродів розрізняють кілька типів само™ стійних газових розрядів.

Якщо при атмосферному тиску створити неоднорідне електричне поле за допомогою електродів, один з яких плоский, а другий є вістрям, то

339