Носители свободных электрических зарядов в металлах, жидкостях и газах

Электрический ток в металлах

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика – порядка 10²⁸ м^-3. Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью 10^-4 м/с.

Наличие сво­бодных электронов в металлах было доказано в опытах Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси (1913 г.), Б. Стю­артом и Р. Толменом (1916 г.).

Опыт проводился следующим образом: на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов при­соединяют гальванометр.

Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают.

После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток.

Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, обра­зующее ток прекращается.

Переноси­мый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. q/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным 1,8*10¹¹ Кл/кг.

Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов.

Скорость упорядоченного движения электронов прямо про­порциональна напряженности поля в проводнике. (v ~ E)

Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно.

Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками (дистиллированная вода), проводниками(растворы и расплавы электролитов, щелочей, солей, жидкие металлы) и полупроводниками (расплавленный селен, расплавы сульфидов и т.д.).

Электролиты – вещества, растворы и расплавы которых обладают ионной проводимостью.

Электролиты – водные растворы солей, кислот и щелочей.

В растворах и расплавах электролитов перенос зарядов под действием электрического поля осуществляется положительными и отрицательными ионами, движущимися в противоположных направлениях.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы.

Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

Электролитическая диссоциация – расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя.

Степень диссоциации – отношение количества молекул, диссоциировавших на ионы, к общему количеству молекул вещества.

Вследствие теплового движения молекул растворимость существенно зависит от температуры.

Степень диссоциации, т.е. доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости  растворителя.

С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно или отрицательно заряженные ионы.

Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Например, жидкие металлы.

Положительные и отрицательные ионы могут возникать и при плавлении твердых электролитов в результате распада полярных молекул из-за увеличения амплитуды тепловых колебаний.

Ионы разных знаков при встрече могут снова объединится в нейтральные молекулы – рекомбинировать.

Наряду с диссоциацией в растворах электролитов идет и обратный процесс рекомбинации ионов разных знаков в нейтральную молекулу. Когда число молекул, распадающихся на ионы, становится равным числу молекул, возникающих за это же время в результате рекомбинации, устанавливается динамическое равновесие. Степень диссоциации остается постоянной.

В отсутствии внешнего электрического поля ионы вместе в нераспавшимися молекулами находятся в хаотическом тепловом движении.

Электролиз

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролита.

Электролизом называют процесс выделения на электроде чистого вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.

Электролиз – это выделение веществ из электролита с последующим осаждением на электродах

Электролиз – выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор (или расплав) электрического тока.

Пример:

При опускании в раствор хлорида меди CuCl₂ разноименно заряженных электродов возникает направленное движение ионов. Хлорид меди в водном растворе диссоциирует на ионы меди и хлора:

CuCl₂  Cu²⁺ + 2Cl^-

отрицательному электроду(катоду) притягиваются положительные ионы(катионы) Cu²⁺, к положительному(аноду) – отрицательные ионы(анионы) Cl^-

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода:

Cu²⁺ + 2e- → Cu

Образовавшиеся в результате реакции нейтральные атомы меди оседают на катоде.

Ионы хлора Cl^- отдают на аноде по одному избыточному электрону, превращаясь в нейтральные атомы хлора Cl, которые соединяясь попарно образуют молекулярный хлор, выделяющийся на аноде в виде пузырьков газа:

2Cl^- - 2e^- → Cl₂

Масса вещества, выделившегося на электроде за определенный промежуток времени равна массе всех ионов N_i, осевших на электродах за это время:

m = m_iN_i

m_i - масса одного иона

Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду каждого иона q_i:

Q = q_iN_i

Из отношения левых и правых частей равенств получаем:

= = k

k – электрохимический эквивалент вещества

Для каждого электролита отношение массы иона к его заряду является постоянной величиной.

Майкл Фарадей в 1833 г.на основании опытов сформулировал два закона электролиза:

1. Масса вещества, выделяющегося из электролита на электродах, оказывается тем большей, чем больший заряд прошел через электролит

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита:

m = k Q

Закон Фарадея можно сформулировать иначе, учитывая, что Q = It:

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока и времени прохождения тока через раствор (расплав) электролита:

m = k I t I – сила тока

t – время его прохождения через электролит. Из формулы видно, что коэффициент k численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда равного 1 Кл Коэффициент k, превращающий эту пропорциональность в равенство m = kIt, называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Единица измерения - кг/Кл

2. Электрохимический эквивалент тем больший, чем больше масса моля вещества и чем меньше его валентность

Масса иона выражается через молярную массу и постоянную Авогадро: m_i =

Заряд иона кратен заряду электрона: q_i = ne n – валентность химического элемента Тогда получаем соотношение, иногда называемое вторым законом Фарадея: k = . k ~ эта дробь называется химическим эквивалентом вещества Коэффициент, превращающий эту пропорциональность в равенство, назвали постоянной Фарадея F: k = * Постоянная Фарадея равна произведению двух констант – постоянной Авогадро и заряда электрона: F = N_a * e = 6,02*10²³ моль^-1 *1,6*10^-19 Кл ≈ 9,6*10⁴ Кл/моль

Физический смысл электрохимического эквивалента: отношение массы иона к его заряду. = m_0i , e n = q_0i  k = измеряя m и q, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.

Объединенный закон Фарадея для электролиза: m = kIt (см.п.1), k = * (см.п.2)  m = Q =

n – валентность химического элемента

Как следует из объединенного закона Фарадея, если на электроде выделяется моль одновалентного вещества, то m = M, n = 1, F = Q.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который надо пропустить через раствор электролита, чтобы выделить на электроде 1 моль одновалентного вещества.

Электролиз применяется:

Гальванопластика, т.е. копирование рельефных предметов.

Гальваностегия, т.е. нанесение на металлические изделия тонкого слоя другого металла (хром, никель, золото).

Очистка металлов от примесей (рафинирование металлов).

Электрополировка металлических изделий. При этом изделие играет роль анода в специально подобранном электролите. На микронеровностях (выступах) на поверхности изделия повышается электрический потенциал, что способствует их первоочередному растворению в электролите.

Получение некоторых газов (водород, хлор).

Получение металлов из расплавов руд. Именно так добывают алюминий.