Билет № 5.

1. Электрический ток в электролитах. Электролитическая диссоциация. Электролиз и его применение.

Электролиты-растворы солей, щелочей, кислот в воде (или расплавы этих веществ) являются хорошими проводниками электрического тока, их называют проводниками второго рода. Проводимость электролитов создается движением ионов. Ионы возникают в процессе взаимодействия молекул растворенного вещества с молекулами воды. Процесс распада молекул на ионы под действием растворителя или в результате интенсивного теплового движения в расплавах называется электролитической диссоциацией. В процессе растворения соли за счет тепловых соударений происходит распад молекулы на ионы, например: NaCl↔ Na⁺+Cl^-

Наряду с диссоциацией в растворе идет обратный процесс – рекомбинация ионов в нейтральную молекулу .Под действием электрического поля положительные ионы( катионы) движутся к катоду(-), а отрицательные ионы (анионы) движутся к аноду(+), создавая электрический ток. Таким образом, ток в электролитах-направленное движение ионов. Электролиз-выделение вещества на электродах, погруженных в раствор электролита, при прохождении электрического тока называется электролизом. Достигнув катода, катионы присоединяют к себе электроны и превращаются в нейтральные молекулы. Анионы, достигнув анода и отдав ему избыточные электроны, также превращаются в нейтральные молекулы. В итоге на электродах выделяется чистое вещество.

Применение электролиза:

а) очистка металлов от примесей. При рафинировании меди анодом служит неочищенная медь, катодом –тонкая пластина очищенной меди, на которой будут откладываться ионы меди, электролитом служит раствор медного купороса(CuSO₄).

б) для получения алюминия и щелочных металлов.

Алюминий добывают из расплава, представляющего собой раствор глинозема (Al₂O₃)

В криолите( Na₃AlF₆). Электролиз осуществляется в стальном электролизере. Катодом служит спрессованный графит, которым выложено дно электролизера. Сверху располагаются угольные аноды. Выделяющийся на катоде жидкий алюминий стекает по наклонному желобу и через сетку попадает в ковш.

В) С помощью электролиза один металл покрывают тонким слоем другого для защиты от коррозии и для декоративных целей. Этот процесс называется гальваностегией. Изделие служит катодом, электролит-раствор соли, содержащей металл, из которого нужно сделать покрытие, анод- пластина из того же металла( золото, никель, хром и т. д.)

2. Ядерный реактор. Термоядерные реакции.

Устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция- ядерный реактор, представляет собой сложное инженерное сооружение. Первые ядерные реакторы были на медленных нейтронах (скорость нейтронов ≈2км/с), их ядерным горючим был уран-235. Большинство нейтронов, возникающих в результате распада, имеют скорость на 3-4 порядка больше. Для замедления нейтронов используют графит или тяжелую воду.

Для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны используются отражатели нейтронов, хорошим отражателем является бериллий. Для поглощения нейтронов (регулирования коэффициента размножения) используются поглощающие стержни из соединений бора и кадмия.

Первый ядерный реактор был построен в конце 1943г. в г.Чикаго (США), работами руководил физик-эмигрант из Италии Э.Ферми. В нашей стране первый реактор начал работать в конце 1946г, Работами руководил И.В. Курчатов. Современные ядерные реакторы –это реакторы на быстрых нейтронах, в них ядерным горючим служит уран-238. Захватывая нейтрон ,ядро урана-238 превращается в ядро радиоактивного изотопа урана-239 с периодом полураспада 23 мин. Продуктом распада урана-239 является короткоживущий изотоп нептуния -239, ядра которого превращаются в ядра относительно стабильного плутония-239. Вся цепочка превращений имеет вид

- относительно стабильный элемент, по своим способностям к взаимодействию с нейтронами похож на U-235, т.е. ядерный реактор на быстрых нейтронах является не только энергетической установкой, но и реактором –размножителем.

Первая атомная электростанция (АЭС) в нашей стране (и в мире) вступила в строй в 1954г (г. Обнинск). Её мощность была небольшой, современные АЭС имеют мощность в 800 раз большую. Были построены атомные ледоколы и подводные лодки, двигатели которых по своей мощности многократно превосходят мощность дизельных двигателей

Энергия за счет ядерной реакции освобождается не только при распаде тяжелых ядер. но и при синтезе ( слиянии) легких атомных ядер, в результате которого образуется более тяжелое ядро. Для слияния ядер им необходимо преодолеть силы кулоновского отталкивания и сблизиться до расстояния, на котором начинают действовать ядерные силы. Преодолеть отталкивание между ядрами возможно только в том случае, если кинетическая энергия частиц будет значительной, что возможно только при высокой температуре ( 10⁷ – 10⁸ К). На земле ядерная реакция осуществляется при термоядерных взрывах. Реакции синтеза происходят на Солнце и других звездах, они являются их источником энергии. Наиболее быстрой является реакция синтеза водорода с образованием гелия:

При синтезе 1г. гелия из дейтерия и трития выделяется энергия, равная энергии сгорания 10т. дизельного топлива. Если человечество научиться управлять термоядерной реакцией оно получит неисчерпаемый источник энергии, потому что запасов термоядерного горючего на Земле достаточно. Трудность создания термоядерного реактора в том, что разогреть плазму до температуры 10⁷ – 10⁸ К очень трудно, еще труднее удержать её в ограниченном объеме. Любое вещество даже при кратковременном контакте с плазмой мгновенно испарится. Единственный выход – удерживать плазму при помощи магнитного поля. В магнитном поле огромной напряженности заряженные частицы плазмы, нанизываясь на замкнутые линии магнитной индукции, оказываются в своеобразном «магнитном мешке». Пока в лабораторных условиях удалось удержать плазму при температуре 6·10⁷К только в течение нескольких миллисекунд.